CN101540053A - 一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像重建和可视化的方法，尤其涉及一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法。它由原始的断层图像序列直接重建得到任意切面、即一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法。步骤如下：确定插值过程中的距离阈值T；选择断层图像中的感兴趣区域；确定重建切面的位置；确定断层图像中的重建区域；将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面；计算重建切面上每个像素的灰度值；显示重建得到的切面图像。本发明方法计算量小、耗时短、精度高、实用性强，且对图像中的噪声能起到一定的抑制作用。

Description

一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种图像重建和可视化的方法尤其涉及一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法。

(二)背景技术

在三维图像重建和可视化技术领域某些应用场合，人们经由数据采集得到的是感兴趣对象的一系列非平行的断层图像序列，而观察感兴趣对象的最常用方式是任意切面显示，这就要求我们必须能够由非平行断层图像序列重建感兴趣对象的任意切面图像。以往的重建方法往往是先将这些断层图像映射到一个规则的网格空间中(每个网格称为一个体素)，然后再对这些体素进行插值得到任意切面图像。如国外学术期刊《Ultrasound in Medicine & Biology》在以下论文“Solberg et al，2007，Vol.33，No.7，pp.991-1009，“Freehand 3DUltrasound Reconstruction Algorithms-A Review””中公开了这类方法，Solberg等人对以往的重建方法进行了详细的分析比较，由于这些方法需要对大量的体素数据进行处理，方法的计算量通常很大，处理过程较为耗时，方法的工程实用性较差。而且，这些方法在得到任意切面图像的过程中一般都需要对数据进行两次插值计算，降低了方法的重建精度。

(三)发明内容

针对背景技术所述重建方法的耗时长、精度低、实用性差的缺点，本发明提出了一种不使用体素的重建方法，它由原始的断层图像序列直接重建得到任意切面、即一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法。

本发明的技术方案如下：

一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法，步骤如下：

S1)确定插值过程中的距离阈值T

若重建切面上的某像素周围距离T的范围内原始断层图像上有灰度值非0的像素，则重建切面的此像素被赋值其灰度值由其周围距离T范围内的原始断层图像上所有灰度值非0像素的灰度值平方距离加权得到；否则，重建切面上的此像素的灰度值被赋值为0；

S2)选择断层图像中的感兴趣区域

在断层图像中与重建有关的信息往往只存在于图像中心的某个区域，可在图像中选择一个区域作为图像中的感兴趣区域，此区域将适用于断层图像序列中的所有图像，重建过程将只对断层图像中感兴趣区域内的像素进行处理；

S3)确定重建切面的位置

通过输入重建切面的坐标或者使用图形化的人机交互界面确定重建切面的位置及大小，在存储空间中为重建切面上的每个像素开辟一个链表，并以此平面为XOY平面建立重建空间坐标系；

S4)确定断层图像中的重建区域

若两者不平行，设每帧断层图像其和重建切面的夹角为α，则断层图像上所有到重建切面的距离小于T的像素都将位于断层图像与重建切面交线两侧宽度为W＝T/sinα的区域内，将此区域和断层图像中感兴趣区域的重叠区域称为重建区域；若两者平行，计算两者的距离，距离小于T则将断层图像中的感兴趣区域作为重建区域，距离大于T这帧断层图像中的重建区域为空；

S5)将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面

对断层图像上重建区域中的每个像素点，计算其在重建空间坐标系中的坐标(x′，y′，z′)点，以(x′，y′，0)点为圆心，

为半径在重建切面上画圆，则重建切面上圆内的所有像素点到此断层图像像素点的距离都小于T，将断层图像上此像素点的灰度值及其到重建切面上圆内像素点的距离分别存储到重建切面上对应像素点的链表当中；

S6)计算重建切面上每个像素的灰度值

对重建切面上的每个像素点，根据存储在其对应链表中的距离小于T的断层图像上的像素点的灰度值和两者之间的距离，平方距离加权得到其灰度值，其公式如下：

$p_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k*C_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k}$

其中W_k＝1/d_k ²，p_i是重建切面上像素点的灰度值，C_k和d_k分别是p_i对应像素的链表中存储的第k个灰度值和距离，n为p_i对应像素的链表中存储的灰度值的数目，即重建切面上每一个像素点的灰度值都是由其周围距离T内的原始断层图像上像素点的灰度值平方距离加权得到的；

S7)显示重建得到的切面图像。

所述步骤S1)中的距离阈值可以由操作者手动输入并进行调整，也可以由程序自动确定。

本发明方法不仅可以对已经采集到的一系列非平行断层图像序列进行任意切面重建也可以在非平行断层图像序列的采集过程中实时地进行任意切面重建并实时更新显示重建切面。

一种使用本发明重建方法的自由臂三维超声成像系统，包括微型计算机、超声扫描仪、定位装置、图像采集设备，其特征在于超声扫描仪通过数字输出端口直接连接到微型计算机；或者通过模拟输出端口连接到图像采集设备，图像采集设备通过PCI接口或者USB接口连接到微型计算机；定位装置的位置感应器固定在超声扫描仪的探头上面，定位装置通过有线或者无线的方式连接到微型计算机；微型计算机通过数字输入端口或者图像采集设备得到超声扫描仪的图像信息，通过定位装置得到超声扫描仪探头的位置信息。

本发明方法的自由臂三维超声成像系统的工作过程如下：

101.采集得到感兴趣人体器官的断层图像序列

操作者自由移动超声扫描仪的探头扫描得到感兴趣人体器官的断层图像序列；

102.设定插值过程中的距离阈值T

此距离阈值可以由操作者手动输入并进行调整，也可以由程序自动确定；

103.选择断层图像中的感兴趣区域

在断层图像中与重建有关的信息往往只存在于图像中心的某个区域，可在图像中选择一个区域作为图像中的感兴趣区域，此区域将适用于断层图像序列中的所有图像，重建过程将只对断层图像中感兴趣区域内的像素进行处理；

104.确定重建切面的位置

通过输入重建切面的坐标或者使用图形化的人机交互界面确定重建切面的位置及大小，在存储空间中为重建切面上的每个像素开辟一个链表，并以此平面为XOY平面建立重建空间坐标系；

105.确定断层图像中的重建区域

如图2所示，若两者不平行，设每帧断层图像其和重建切面的夹角为α，则断层图像上所有到重建切面的距离小于T的像素点都将位于断层图像上交线两侧宽度为W＝T/sinα区域内，将此区域和断层图像中感兴趣区域的重叠区域为重建区域；若两者平行，计算两者的距离，若小于T则将断层图像中的感兴趣区域作为重建区域；若大于T那么这帧断层图像中的重建区域为空；

106.将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面

对断层图像上重建区域中的每个像素点，计算其在重建空间坐标系中的坐标(x′，y′，z′)点，以(x′，y′，0)点为圆心，

为半径在重建切面上画圆，则重建切面上圆内的所有像素点到此断层图像像素点的距离都小于T，将断层图像上此像素点的灰度值及其到重建切面上圆内像素点的距离分别存储到重建切面上对应像素点的链表当中；

107.计算重建切面上每个像素的灰度值

对重建切面上的每个像素点，根据存储在其对应链表中的距离小于T的断层图像上的像素点的灰度值和两者之间的距离，平方距离加权得到其灰度值，其公式如下：

$p_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k*C_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k}$

其中W_k＝1/d_k ²，p_i是重建切面上像素点的灰度值，C_k和d_k分别是p_i对应像素的链表中存储的第k个灰度值和距离，n为p_i对应像素的链表中存储的灰度值的数目，即重建切面上每一个像素点的灰度值都是由其周围距离T内的原始断层图像上像素点的灰度值平方距离加权得到的；

108.显示重建得到的切面图像。

一种使用本发明重建方法的机械扫描三维超声成像系统，包括微型计算机、超声扫描仪、驱动马达、图像采集设备，其特征在于超声扫描仪通过数字输出端口直接连接到微型计算机或者通过模拟输出端口连接到图像采集设备；图像采集设备通过PCI接口或者USB接口连接到微型计算机；超声扫描仪的探头固定在驱动装置上，驱动装置上装有驱动马达，驱动马达接收微型计算机发来的控制指令，并根据指令做出相应的移动。上述驱动方式可以是平行移动，扇形摆动或者围绕中心做旋转运动。由于本发明的方法对平行断层图像序列的任意切面重建同样适用，所以本发明成像系统中探头的移动方式可以是平行移动。

本发明方法的机械扫描三维超声成像系统的工作过程如下：

201.确定插值过程中的距离阈值T

根据计算机程序中预设的驱动装置移动方式自动确定T；

202.选择断层图像中的感兴趣区域

在断层图像中与重建有关的信息往往只存在于图像中心的某个区域，可在图像中选择一个区域作为图像中的感兴趣区域，此区域将适用于断层图像序列中的所有图像，重建过程将只对断层图像中感兴趣区域内的像素进行处理；

203.确定重建切面的位置

通过输入重建切面的坐标或者使用图形化的人机交互界面确定重建切面的位置及大小，在存储空间中为重建切面上的每个像素开辟一个链表，并以此平面为XOY平面建立重建空间坐标系；

204.采集感兴趣人体器官的一帧断层图像；

205.确定断层图像中的重建区域

若两者不平行，设每帧断层图像其和重建切面的夹角为α，则断层图像上所有到重建切面的距离小于T的像素都将位于断层图像与重建切面交线两侧宽度为W＝T/sinα的区域内，将此区域和断层图像中感兴趣区域的重叠区域称为重建区域；若两者平行，计算两者的距离，距离小于T则将断层图像中的感兴趣区域作为重建区域，距离大于T这帧断层图像中的重建区域为空；

206.将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面

对断层图像上重建区域中的每个像素点，计算其在重建空间坐标系中的坐标(x′，y′，z′)点，以(x′，y′，0)点为圆心，

为半径在重建切面上画圆，则重建切面上圆内的所有像素点到此断层图像像素点的距离都小于T，将断层图像上此像素点的灰度值及其到重建切面上圆内像素点的距离分别存储到重建切面上对应像素点的链表当中；

207.计算重建切面上每个像素的灰度值

对重建切面上的每个像素点，根据存储在其对应链表中的距离小于T的断层图像上的像素点的灰度值和两者之间的距离，平方距离加权得到其灰度值，其公式如下：

$p_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k*C_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k}$

其中W_k＝1/d_k ²，p_i是重建切面上像素点的灰度值，C_k和d_k分别是p_i对应像素的链表中存储的第k个灰度值和距离，n为p_i对应像素的链表中存储的灰度值的数目，即重建切面上每一个像素点的灰度值都是由其周围距离T内的原始断层图像上像素点的灰度值平方距离加权得到的；

208.显示重建得到的切面图像；

209.在完成上述过程后可返回步骤204，采集感兴趣人体器官的下一帧断层图像并进行重建显示。

在本成像系统的使用中，重建过程中的距离阈值T是程序根据预先设定的马达的移动方式自动确定的。重建过程是一种渐进的重建过程，每扫描一帧感兴趣对象的断层图像都会按照步骤205计算其重建区域，并按照步骤206将其映射到重建切面，然后按步骤207计算重建切面的像素值，最后更新显示重建切面。此方法的优点在于在扫描感兴趣人体器官的同时能够实时地更新重建切面的显示不需要等待采集完感兴趣人体器官的断层图像序列后再进行重建显示。

本发明方法只需要对断层图像中距离重建切面较近的像素进行处理，计算量小、处理速度快。由于是从非平行断层图像直接得到任意切面图像，避免了从体素得到任意切面图像时的第二次插值，重建精度高于现有重建方法。在本发明方法重建切面上的每个像素的值都是由断层图像上的多个像素平方距离加权得到的，能够对图像中的噪声起到一定的抑制作用。

(四)附图说明

图1是本发明重建方法的流程图。

图2是确定断层图像中的重建区域的示意图，图中的灰色区域即得到的断层图像中的重建区域，本区域内的所有像素到重建切面的距离都小于T。

图3是步骤S5中确定重建切面上到(x’，y’，z’)点的距离小于T的像素的示意图。(x’，y’，z’)点是断层图像上的像素点在重建空间坐标系中的坐标，在重建切面上以(x’，y’，0)点为圆心，以

为半径做圆，则重建切面上圆内的所有像素点到(x’，y’，z’)点的距离均小于T。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法，步骤如下：

S1)确定插值过程中的距离阈值T

若重建切面上的某像素周围距离T的范围内原始断层图像上有灰度值非0的像素，则重建切面的此像素被赋值，其灰度值由其周围距离T范围内的原始断层图像上所有灰度值非0像素的灰度值平方距离加权得到；否则，重建切面上的此像素的灰度值被赋值为0；

S2)选择断层图像中的感兴趣区域

在断层图像中与重建有关的信息往往只存在于图像中心的某个区域，可在图像中选择一个区域作为图像中的感兴趣区域，此区域将适用于断层图像序列中的所有图像，重建过程将只对断层图像中感兴趣区域内的像素进行处理；

S3)确定重建切面的位置

通过输入重建切面的坐标或者使用图形化的人机交互界面确定重建切面的位置及大小，在存储空间中为重建切面上的每个像素开辟一个链表，并以此平面为XOY平面建立重建空间坐标系；

S4)确定断层图像中的重建区域

若两者不平行，设每帧断层图像其和重建切面的夹角为α，则断层图像上所有到重建切面的距离小于T的像素都将位于断层图像与重建切面交线两侧宽度为W＝T/sinα的区域内，将此区域和断层图像中感兴趣区域的重叠区域称为重建区域；若两者平行，计算两者的距离，距离小于T则将断层图像中的感兴趣区域作为重建区域，距离大于T这帧断层图像中的重建区域为空；

S5)将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面

对断层图像上重建区域中的每个像素点，计算其在重建空间坐标系中的坐标(x′，y′，z′)点，以(x′，y′，0)点为圆心，

为半径在重建切面上画圆，则重建切面上圆内的所有像素点到此断层图像像素点的距离都小于T，将断层图像上此像素点的灰度值及其到重建切面上圆内像素点的距离分别存储到重建切面上对应像素点的链表当中；

S6)计算重建切面上每个像素的灰度值

对重建切面上的每个像素点根据存储在其对应链表中的距离小于T的断层图像上的像素点的灰度值和两者之间的距离，平方距离加权得到其灰度值，其公式如下：

$p_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k*C_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k}$

其中W_k＝1/d_k ²，p_i是重建切面上像素点的灰度值，C_k和d_k分别是p_i对应像素的链表中存储的第k个灰度值和距离，n为p_i对应像素的链表中存储的灰度值的数目，即重建切面上每一个像素点的灰度值都是由其周围距离T内的原始断层图像上像素点的灰度值平方距离加权得到的；

S7)显示重建得到的切面图像。

所述步骤S1)中的距离阈值由操作者手动输入并进行调整。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述步骤S1)中的距离阈值是由程序自动确定的。

Claims (2)

1、一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法，步骤如下：

S1)确定插值过程中的距离阈值T

若重建切面上的某像素周围距离T的范围内原始断层图像上有灰度值非0的像素，则重建切面的此像素被赋值其灰度值由其周围距离T范围内的原始断层图像上所有灰度值非0像素的灰度值平方距离加权得到；否则，重建切面上的此像素的灰度值被赋值为0；

S2)选择断层图像中的感兴趣区域

在断层图像中与重建有关的信息往往只存在于图像中心的某个区域可在图像中选择一个区域作为图像中的感兴趣区域，此区域将适用于断层图像序列中的所有图像，重建过程将只对断层图像中感兴趣区域内的像素进行处理；

S3)确定重建切面的位置

通过输入重建切面的坐标或者使用图形化的人机交互界面确定重建切面的位置及大小，在存储空间中为重建切面上的每个像素开辟一个链表，并以此平面为XOY平面建立重建空间坐标系；

S4)确定断层图像中的重建区域

若两者不平行，设每帧断层图像其和重建切面的夹角为α，则断层图像上所有到重建切面的距离小于T的像素都将位于断层图像与重建切面交线两侧宽度为W＝T/sinα的区域内，将此区域和断层图像中感兴趣区域的重叠区域称为重建区域；若两者平行，计算两者的距离，距离小于T则将断层图像中的感兴趣区域作为重建区域，距离大于T这帧断层图像中的重建区域为空；

S5)将断层图像上重建区域内的所有像素点映射到重建切面

对断层图像上重建区域中的每个像素点，计算其在重建空间坐标系中的坐标(x′，y′，z′)点，以(x′，y′，0)点为圆心，

为半径在重建切面上画圆，则重建切面上圆内的所有像素点到此断层图像像素点的距离都小于T，将断层图像上此像素点的灰度值及其到重建切面上圆内像素点的距离分别存储到重建切面上对应像素点的链表当中；

S6)计算重建切面上每个像素的灰度值

对重建切面上的每个像素点，根据存储在其对应链表中的距离小于T的断层图像上的像素点的灰度值和两者之间的距离，平方距离加权得到其灰度值，其公式如下：

$p_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k*C_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k}$

其中W_k＝1/d_k ²，p_i是重建切面上像素点的灰度值，C_k和d_k分别是p_i对应像素的链表中存储的第k个灰度值和距离，n为p_i对应像素的链表中存储的灰度值的数目，即重建切面上每一个像素点的灰度值都是由其周围距离T内的原始断层图像上像素点的灰度值平方距离加权得到的；

S7)显示重建得到的切面图像。

2、如权利要求1所述的一种由非平行断层图像序列重建任意切面的方法，其特征在于所述步骤S1)中的距离阈值可以由操作者手动输入并进行调整，也可以由程序自动确定。

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