CN101582172A - 一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
针对基于图像构建计算机三维仿真模型的问题，本发明提出一种简单、可行的方法，即一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法。该方法利用人体肾脏的连续断面彩色图像数据进行肾脏的宏观结构及其微细结构——肾单位的计算机三维模型的构建，在整合宏观结构和微细结构的基础上进行仿真计算，从而实现三维虚拟肾脏的生理功能，如：吸收、排泄、渗透等功能的仿真，并且所构建的模型具有可交互性。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术和计算机图像处理领域，具体涉及一种具有生理功能的人体肾脏及其微细结构计算机三维模型构建方法。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、多媒体技术、网络技术以及人机交互技术相结合的产物。20世纪90年代以来，计算机科学领域的科研人员越来越多地将研究重点投入到虚拟现实当中，它提供了传统计算机科学与非计算机学科之间进行学科交叉的技术桥梁。进入21世纪，人类利用高性能计算机对人体自身进行研究的步伐逐渐加快，虚拟现实技术以其强大的交互性能和真实的环境再现效果使得这一研究更加具有实用价值，例如将虚拟现实技术应用到人体部位功能恢复训练、辅助外科手术、行为预测与仿真模拟等方面。
虚拟现实技术与生命科学的交叉点在于虚拟人体整体或部分器官功能进行建模与仿真，从而可以对医学研究中难以进行的某些实验进行虚拟实现。随着计算机技术的发展，计算机应用于辅助三维重建技术，建立的三维立体解剖结构可以从任意角度、任意方向上观察，并可以任意切割，为影像诊断和外科手术提供重要的形态学依据。90年代初期，美国National Library of Medicine发起进行可视化人体的计划，1994年，美国科罗拉多大学医学院承担采集任务的第一个男性可视化人体数据集采集完毕，次年，第一个女性可视化人体数据集采集完毕。随后进行的就是根据该数据集进行一系列不同侧重点的研究工作。主要分为单纯基于图像的研究和对图像进行进一步加工利用的研究。单纯对于图像的研究主要是依靠彩色的人体切片图像对CT和MR的图像采集结果进行效果的提升。而研究最多的是对于图像的进一步加工利用，也就是建立三维虚拟人的工作。迄今为止，包括美国、中国、韩国在内的多个国家已建立或正在建立三维虚拟人体模型，这种模型以人体断面连续切片为建模基础，人体断面连续切片满足作为重建数据源的二维图像的连续性、完整性、精确性的要求，而且能够提供更丰富的数据量。目前最先进行虚拟人研究的美、中、韩三国已经相继建立起自己的虚拟人模型，并着手进行下一步的生理人研究计划。
如何利用重建的三维虚拟人体进行更有价值的研究？最佳的途径是使这些模型具有真实的生理功能，最终的目标是代替真实的人体进行各项科学研究实验。人体是由许多具有各自丰富功能的器官组成的，生理人的研究首先需要从各个生理器官着手。目前国际上对骨骼、肌肉、心脏、肝脏等重要的人体结构和器官进行了三维结构的重建以及进行生理仿真实验。对于骨骼、肌肉等主要进行的是力学分析实验，对于肝脏这个人体最重要的代谢器官，主要是进行肝脏结构的重建以及虚拟手术等功能的实验。
本发明所关注的人体器官为肾脏。肾脏是人体主要的排泄器官，用显微镜观察，可见到每一个肾脏主要由约100万个具有相同结构与机能的肾单位和少量结缔组织所组成，其间有大量血管和神经纤维。肾脏的三维重建与其他器官不同，它没有心脏等器官的肌肉组织可以进行力学结构分析，它内部充满了血管并且具有上百万的肾单位。对于肾脏的生理功能研究主要集中于药物在其内部的排泄过程。因此本发明所采用的重建方法不同于原有的人体器官重建技术，而是兼顾肾脏的宏观和微观结构，分步骤进行重建，之后加以整合，并进行生理功能仿真分析。
由此可见，虚拟人数据库的建立只是人类探索虚拟人体的一个开端。它的切片数据可以为后续研究提供精确的人体解剖学依据，作为计算机领域三维模型建立的可靠数据来源。基于生理微细结构水平的虚拟现实技术与人体断面扫描虚拟人数据库之间有很强的互补性。但该领域目前的研究现状是需要考虑切片数据库建立之后如何能被更好地利用，如何做好由“虚拟数字人”向“虚拟生理人”转变的重要工作。利用虚拟现实技术，构建具有生理功能的人体或器官的计算机三维模型被证明是一个合理有意义的研究领域，其中，基于彩色序列图像的三维重建技术是构建计算机三维模型的最有前景的方法之一。
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发明内容
针对基于图像构建计算机三维仿真模型的问题，本发明提出一种简单、可行的方法，即一种具有生理功能的人体肾脏及其微细结构计算机三维模型构建方法。该方法利用人体肾脏的连续断面彩色图像数据进行肾脏的宏观结构及其微细结构——肾单位的计算机三维模型的构建，在整合宏观结构和微细结构的基础上进行仿真计算，从而实现三维虚拟肾脏的生理功能，如：吸收、排泄、渗透等功能的仿真，并且所构建的模型具有可交互性。
本发明的技术方案，一种具有生理功能的人体肾脏及其微细结构计算机三维模型构建方法，包括如下具体步骤：
(1)三维数据场的获取
对人体肾脏的连续断面彩色图像数据进行分割、配准、融合等预处理，得到图像中的轮廓线并对其进行编辑、修改、储存等操作，得到轮廓线数据；将连续数据离散化处理，重新填充和分类，形成三维数据场。
(2)肾脏宏观结构的三维重建；
采用面绘制方法来构建肾脏的宏观三维模型，通过由空间三维数据场构造出中间几何图元(如平面多边形)，然后由计算机图形学技术实现画面绘制来拟合物体表面，描述物体三维结构。
(3)肾脏微细结构——肾单位的三维重建；
采用肾脏的连续切片彩色图像数据，在计算机图像软件的处理下重组空间结构，利用三维体绘制的方法构建微细结构。
(4)肾脏微观结构的三维模型与肾脏宏观结构的三维模型的整合；
采用重复栅格的方式生成整个物体或系统的仿真计算模型，利用多次运算的中间结果的传递来减少一次运算的运算量。
本发明的有益效果在于：通过使用该方法，能够在构建肾脏宏观三维模型及其微细结构三维模型的基础上实现肾脏生理功能的仿真，在保持较高的仿真程度的基础上，可以用于肾脏的手术、代谢、吸收等领域的模拟。
附图说明
图1是本发明的仿真计算模型建立过程示意图；
图2是本发明的三维可视化场景建立过程示意图；
图3是本发明的场景实时驱动渲染和数据整合流程图；
图4是本发明一种具有生理功能的人体肾脏及其微细结构计算机三维模型构建方法的流程图。
具体实施方式
本发明研究的技术路线是分别建立仿真计算模型和实现计算机三维模型的交互式操作，然后再进行集成整合的。
人体肾脏中，肾单位是肾脏基本结构和实现生理功能的基本单位。每个肾单位由肾小体和肾小管组成。肾小体内有一个毛细血管团，称为肾小球，肾小球是个血管球，由肾动脉分支形成。肾小球外有肾小囊包绕。肾小囊分两层，两层之间有囊腔与肾小管的管腔相通。肾脏的物理结构决定了对其的三维重建必须要涵盖宏观结构和微细结构两部分的内容。
本发明的仿真计算模型的建立是以肾单位的生理特性数据和常用药物成分的药理特性数据结合为基础的，其建立过程如图1所示(。首先，根据肾单位的结构生理环境特征抽象化成为生理结构特征参数，将目标药物的药理特性与生理结构的特征参数建立一一对应的肾脏内药物代谢公式，根据公式通过计算机进行仿真计算，得到的药物代谢结果与临床数据进行比较并进行修正，通过多次修正，最终达到使该仿真模型可以达到临床实验的数据准确度，从而完成仿真理论模型的建立工作。
本发明涉及到肾脏的宏观模型和微观模型，这两种模型的建立并不是在同一个过程中一次性建立的，而是按照分别建立三维模型最终整合为一体化的肾脏模型的步骤进行的，如图2所示。具体方法是，根据虚拟人切片数据采集的彩色图像选取肾脏部位连续序列，并对肾脏的外部轮廓和内部组织结构进行图像分割和配准，利用开源三维重建软件VTK对处理后的图像进行三维重建，建立肾脏的三维宏观模型。同时，根据解剖学理论对于肾脏的肾单位进行三维模拟建模，重点表达出肾单位中血管的结构组成及肾单位的整体分布状态。最后，将基于真实人体切片图像重建的三维宏观模型与三维模拟建模的肾脏微细机构进行一体化整合，形成完整的宏观微观一体化的人体肾脏模型。
完成仿真计算模型和三维肾脏模型之后，需要对二者进行整合(如图3)，最终形成一个可以人机交互操作的具有生理功能的虚拟肾脏(如图4)。以肾单位作为肾脏生理功能计算的最小单位，并以其内部的血液中药物的吸收、分布、代谢、消除和排泄等的处置，数量(浓度)与时间的关系等作为计算参数，运用有限元方法采用医学有限元软件对肾脏内数以百万计的肾单位采用图1所示的仿真计算模型在应用程序的后台进行仿真计算，同时将计算结果实时反映到人机交互可视化界面中，对于肾脏内的药物排泄情况进行可视化表现。完成以上功能之后，可通过输入肾脏不同病理条件参数，利用后台的仿真计算模型模拟肾脏在不同病理条件下对药物的排泄情况变化；也可改变药物性质的关键参数，仿真计算不同药物在相同肾脏生理状态下的代谢过程。
具体方法如下：
1)确定肾脏的计算机三维模型所覆盖的空间范围；
2)定义具有均一物理特性的独立栅格即肾单位的几何结构和物理组成(组成、性质等)，作为填充计算机三维模型覆盖区域的基本单元。在几何结构上，栅格对应于仿真计算模型中的体元；
3)将肾脏的计算机三维模型划分为几个几何体并定义其几何尺寸和物理组成，每个几何体均由上述步骤2)中的栅格组成。在物理组成上，几何体对应于仿真计算模型划分的小区域；
4)用2)中定义的栅格填充3)中定义的几何体，再利用所有的几何体求取1)中定义的空间区域，从而生成与肾脏的真实结构具有相同几何和物理组成的三维仿真计算模型；
5)通过仿真计算实现肾脏的生理功能。连续、完整地显示肾脏内部的微细结构，为具有生理功能的肾脏及其微细结构的计算机三维模型构建提供厚薄均匀、解剖信息丰富连续、完整的薄层断面数据集。在计算机三维模型和已经建立的肾脏数学模型的基础上用计算机仿真来研究通用的肾脏代谢功能。例如，应用计算机仿真可以给出一定条件下各种生理参数对肾图的影响，以此为根据可以对肾脏的重吸收、药物排泄等功能作进一步的分析。
Claims (5)
1.一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)获取三维数据场；
(2)肾脏宏观结构的三维重建；
(3)肾脏微细结构——肾单位的三维重建；
(4)实现肾脏微观结构的三维模型与肾脏宏观结构的三维模型的整合。
2.根据权利要求1所述的一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，首先，对人体肾脏的连续断面彩色图像数据进行分割、配准、融合等预处理，得到图像中的轮廓线并对其进行编辑、修改、储存等操作，获得轮廓线数据；然后，将连续数据离散化处理，重新填充和分类，形成三维数据场。
3.根据权利要求1所述的一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，肾脏宏观三维模型构建采用面绘制方法，具体通过由空间三维数据场构造出中间几何图元(如平面多边形)，然后由计算机图形学技术实现画面绘制来拟合物体表面，描述物体三维结构。
4.根据权利要求1所述的一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，采用肾脏的连续切片彩色图像数据，用计算机图像软件进行预处理，利用三维体绘制的方法构建微细结构，具体步骤：首先，读取肾脏的连续切片彩色图像数据，通过滤波、图像增强等图像预处理过程提高图像质量，获得较清晰的二维切片图像；然后，通过图像分割方法，建立并提取肾单位的区域轮廓，经配准后，建立所有二维肾单位图像的三维数据场，并对三维数据场中的每一个不同类元素赋以不同的颜色、透明度属性，在观察平面上进行投影，进行可视化成像处理。
5.根据权利要求1所述的一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，利用多次运算的中间结果的传递来减少一次运算的运算量，生成整个对象的仿真计算模型，具体步骤：
①确定肾脏的计算机三维模型所覆盖的空间范围；
②定义具有均一物理特性的独立栅格即肾单位的几何结构和物理组成(组成、性质等)，作为填充计算机三维模型覆盖区域的基本单元，在几何结构上，栅格对应于仿真计算模型中的体元；
③将肾脏的计算机三维模型划分为几个几何体并定义其几何尺寸和物理组成，每个几何体均由上述步骤②中的栅格组成，在物理组成上，几何体对应于仿真计算模型划分的小区域；
④用②中定义的栅格填充③中定义的几何体，再利用所有的几何体求取①中定义的空间区域，从而生成与肾脏的真实结构具有相同几何和物理组成的三维仿真计算模型；
⑤通过仿真计算实现肾脏的生理功能，在计算机三维模型和已经建立的肾脏数学模型的基础上用计算机仿真来研究通用的肾脏代谢功能。
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