CN102222336B - 基于三维重建技术的膈肌表面积计算方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学成像技术领域，具体为基于三维重建技术的膈肌表面积计算方法与系统。本发明通过对CT图像进行三维重建，还原出人体膈肌的三维图像，然后采集膈肌表面的关键特征点并进行处理，最终计算出膈肌的表面积。本发明可以应用于医学中对与膈肌相关的呼吸疾病（例如慢性阻塞性肺疾病COPD）的诊断，通过对比不同呼吸状况下膈肌表面积的变化来判断病人的病变情况，从而提高了医生对于COPD等病例的诊断效率。

Description

基于三维重建技术的膈肌表面积计算方法与系统

技术领域

本发明属于医学成像技术领域，具体涉及一种肺部膈肌表面积计算方法与系统。 

背景技术

随着科学技术的迅速发展，把计算机三维重建技术运用到传统的医学成像系统中并加以利用，可以提高医学成像系统的利用效率以及医学研究中的突破进步，这已成为医学中一个研究的热门领域。

膈为一向上隆凸呈弯隆状的薄扁阔肌，介于胸腔和腹腔之间，成为胸腔的底和腹腔的顶。膈肌是人体最重要的呼吸肌。当膈肌收缩时，中心部分下移，从而增大了胸腔的上下径，胸腔和肺容积增大，产生吸气；松弛时膈穹窿上升恢复原位，胸腔容积减少，以助呼气。

慢性阻塞性肺疾病与膈肌有着密切的联系。由于膈肌位于胸腹联合部，不仅参与胸腹部的功能，也受到胸腹部疾病的影响，其形态和功能也发生了相应的变化，膈肌被认为是这个疾病的靶器官。但是就目前的计算机与医学发展，医生在实际操作中只能通过CT图来判断病人的病情。由于膈肌的变化是三维的，所以在二维的世界里，医生很难准确、快速地判断出病变的情况。而本发明正是通过提供一种对膈肌进行三维重建的方案，并计算出膈肌在三维形态下的表面积来为膈肌的研究提供更直观的数据与资料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快捷、方便、正确的肺部膈肌表面积计算方法与系统。

本发明提出的肺部膈肌表面积计算方法，是基于三维重建技术的， 即通过三维重建以及计算得到人体膈肌的表面积大小，并最终通过三维重建的立体图像与面积计算数据综合分析人体膈肌的病变情况。对应的系统由三大模块组成：数据获取与处理模块(1)、图像处理与建模模块(2)和面积计算模块(3)。其中： 

所述数据获取与处理模块(1)包括：CT扫描模块(1.1)，CT数据获取模块(1.2), CT数据选择模块(1.3)；由CT扫描模块(1.1)（扫描仪）对人体膈肌部位进行CT扫描，由CT数据获取模块(1.2) 得到膈肌冠状方向与矢状方向的原始数据，CT数据选择模块(1.3)选择尽力吸气时测量得到的数据和尽力呼气时测量得到的数据，同时选择的数据组必须在200帧以上的，而且图像中明确标示有膈肌起点与终点的白点的。

CT扫描时，首先医生要在人身上缠绕金属圈，标记出膈肌的起始位置。然后进行CT扫描，扫描时均采取平躺的方式，并得到人冠状方向与矢状方向的原始数据。选择数据时，要保证得到一个人有两组不同状态下的数据:尽力吸气时测量得到的数据和尽力呼气时测量得到的数据，同时选择的数据组必须在200帧以上的，而且图像中有明确标示膈肌起点与终点的白点。

所述图像处理与建模模块(2)包括：CT图像轮廓描点模块(2.1)以及三维重建模块(2.2)；CT图像轮廓描点模块(2.1)对CT图像的轮廓进行描点，三维重建模块(2.2)根据图像轮廓描点进行膈肌三维重建。在进行CT图像轮廓描点时，要注意轮廓的起始点和终止点，即前面提到过的用金属圈围绕的地方，并能对膈肌的轮廓做出较为准确的判断。描点的过程可为手工描点。只需对冠状方向和矢状方向的CT图像进行描点即可。在一组CT图像中也要对CT切片的选取做好掌握，在切片过程中确定从哪一帧开始，到哪一帧结束。此外，要得到较为良好的三维重建效果，必须控制好帧与帧之间的间隔，一般CT图像扫描的图层在1.5—2.5mm，选取的切片与切片间的距离为8-10mm左右。

三维重建模块(2.2)在三维重建时，丢弃处在纵膈区域，或是阻断了胸壁而不能清楚的描述膈肌的轮廓的冠状面和矢状面的图像。剩余的冠状面和矢状图像被用来三维重建。在这剩余的少许图像中，膈穹窿的小部分由于心脏或纵膈的存在不是很确定，这部分通过最近的界限清楚的膈肌轮廓用线性插值法重建。

所述面积计算模块(3)包括，数据处理模块(3.1)、计算模块(3.2)；数据处理模块(3.1)对图像的三维坐标数据进行选择、处理，计算模块(3.2)根据数据处理模块(3.1)选择、处理的三维坐标数据进行面积计算。

数据处理模块(3.1)进行下述数据选择、处理工作。由于冠状面组数少于矢状面的组数，冠状面的数据选取18--24组，矢状面的数据选取28--35组，其中每组冠状面数据选取14--18个特征点坐标数据，每组矢状面数据选取10--14个特征点坐标数据，在选取数据时必须保证最开始的那组和最后一组保留。此外还要有冠状面方向上，病例剑突位置、病例最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三维坐标数据，用于计算膈肌前侧表面积。

计算模块(3.2)，运用Dist_cal( )函数和Triangle_cal( )函数,分别提供计算三维坐标下两点之间距离和三角形面积计算的公式。其中，用于计算三维空间中两点间距离的公式为：

     （1）         

已知的是空间中的三个点的坐标，可以用公式（1）求出由这三个点组成的三角形的三条边。然后再运用计算三角形面积的公式求出三角形的面积：

s=

                 （2）

其中p=（a+b+c）/2，a、b、c为三角形的三条边的长度，由公式（1）求出。

由于冠状切片和矢状切片上的数据个数不同，且矢状切片并不是连续的，中间部分是没有矢状切片的，它们需要分开来处理。因此定义Area_cal( )函数和Area2_cal( )函数来分别计算冠状切片和矢状切片间的表面积。对于计算所述切片间的面积，采用的方法如下：

从第一帧切片开始，依次计算相邻两切片间的面积。首先进行小三角形的划分，相邻两切片间的特征点个数大体相同，可按顺序将两切片间的面积分割成一排排锯齿状的小三角形。这样相邻两切片间的小三角形的划分就有规律可循。可以通过循环结构依次对这些小三角形进行面积计算并累加。这样就可以计算出两切片间的表面积，而再用一个外循环可以将每两个相邻切片间的表面积累加起来就是总的表面积。

将所需要的函数处理完后，接下来就是对膈肌表面积的求解。根据膈肌的形状特征，可将膈肌分为前部、两侧、顶部和后部。首先是对前部表面积的计算，即求两个前部三角形面片的面积之和。接下来加上两侧的面积，最后加上顶部和后部的面积。得到最终表面积的值。一般存储的数据单位都是毫米，所以要将其转换成平方厘米。

本发明在三维重建(2.2)的同时还得到特征点的三维坐标数据，通过对其进行数据处理(3.1)，可以得到膈肌的表面积的值，以及其膈肌冠状和矢状方向的最大轮廓的长度值等数据特征。

最后，根据图像处理与建模模块(2)获得的三维重建图像，以及面积计算模块(3)得到的膈肌表面积、轮廓等数值大小，进行综合分析。

附图说明

图1是本发明的模块结构示意图。

图2是膈肌的冠状面图像及描点。

图3是膈肌的矢状面图像及描点。

图4是膈肌的三维重建效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明。

例1，甲在医生指导下平躺在CT扫描台上进行CT扫描，让甲尽力吸气，达到最大吸气状态时得到一组扫描数据；然后尽力呼气，在达到最大呼气状态时另一组扫描数据。

根据得到的两组CT原始图像数据，首先对其进行描点操作。描点操作分为冠状方向的描点和矢状方向的描点。描点时从最起始的一帧图像开始，以左边白点标记为起点，右边白点标记为终点，使描点均匀，将膈肌的轮廓描出来，其中冠状方向大约描16个特征点，如附图2所示；矢状方向大约描12个特征点，如附图3所示。

冠状方向从开始到结束描取20帧图像的膈肌轮廓，矢状方向描取30帧，帧与帧之间的间隔在8-10mm之间。利用冠状方向和矢状方向的描点数据，通过特征点与特征点之间曲线的拟合，可以得到甲的膈肌三维重建图像，如附图4所示。

然后进行面积计算，采用通过冠状方向上的特征点计算左右两侧膈肌面积，通过矢状方向上的特征点计算顶部膈肌面积和后侧膈肌面积，通过剑突特征点以及左上、左下、右上、右下特征点组成的两个三角形面片计算前侧膈肌面积。

冠状方向上的16个特征点，前4个与后4个特征点分别描取的是左边侧面膈肌的轮廓和右边侧面膈肌的轮廓。故相邻两帧图像中，从，分别选取开始的2个特征点，第一帧的两个点与第二帧的第一个点组成一个小三角形，利用公式（1）计算出三角形的三条边，利用公式（2）计算出三角形的面积；然后第二帧的这两个特征点与第一帧的第二个点组成另一个三角形，并用相同的方法计算出其面积。然后依次类推，将两帧图像间构成的小三角形面积计算出来，接着计算出相邻两帧间所有小三角形面积，最后求它们的和即为左右两侧膈肌的表面积。

采用与冠状方向求左右两侧膈肌表面积相同的方法在矢状方向上求出膈肌顶部表面积和膈肌后侧表面积。其中矢状方向上前8个特征点为顶部轮廓的特征点，后4个特征点为膈肌后侧轮廓的特征点。

计算剑突点和左上、左下点组成的大三角形面片、剑突点和右上、右下点组成的大三角形面片，它们的和为膈肌前侧表面积。

这四部分相加即为膈肌总的表面积。

Claims (6)

1.一种基于三维重建技术的膈肌表面积计算系统，其特征在于系统由三大模块组成：数据获取与处理模块(1)、图像处理与建模模块(2)和面积计算模块(3)；其中： 

所述数据获取与处理模块(1)包括：CT扫描模块(1.1)、CT数据获取模块(1.2)和CT数据选择模块(1.3)；由CT扫描模块(1.1)对人体膈肌部位进行CT扫描，由CT数据获取模块(1.2) 得到膈肌冠状方向与矢状方向的原始数据，CT数据选择模块(1.3)选择尽力吸气时测量得到的数据和尽力呼气时测量得到的数据，同时选择的数据组必须在200帧以上的，而且图像中明确标示有膈肌起点与终点的白点的；

所述图像处理与建模模块(2)包括：CT图像轮廓描点模块(2.1)以及三维重建模块(2.2)；CT图像轮廓描点模块(2.1)对CT图像的轮廓进行描点，三维重建模块(2.2)根据图像轮廓描点进行膈肌三维图像重建； 

三维重建模块(2.2)在三维重建时，丢弃处在纵膈区域，或是阻断了胸壁而不能清楚的描述膈肌的轮廓的冠状面和矢状面的图像；剩余的冠状面和矢状图像被用来三维重建；对膈穹窿的小部分根据最近的界限清楚的膈肌轮廓，用线性插值法重建；

所述面积计算模块(3)包括，数据处理模块(3.1)、计算模块(3.2)；数据处理模块(3.1)对图像的三维坐标数据进行选择、处理，计算模块(3.2)根据数据处理模块(3.1)选择、处理的三维坐标数据进行面积计算；

计算模块(3.2)，运用Dist_cal( )函数和Triangle_cal( )函数,分别提供计算三维坐标下两点之间距离和三角形面积计算的公式；其中，用于计算三维空间中两点间距离的公式为：

     （1）         

已知的是空间中的三个点的坐标，用公式（1）求出由这三个点组成的三角形的三条边，然后再运用计算三角形面积的公式求出三角形的面积：

s=

                 （2）

其中p=（a+b+c）/2，a、b、c为三角形的三条边的长度；

定义Area_cal( )函数和Area2_cal( )函数来分别计算冠状切片和矢状切片间的表面积；对于所述切片间面积计算方法如下：

从第一帧切片开始，依次计算相邻两切片间的面积；首先进行小三角形的划分，相邻两切片间的特征点个数大体相同，故按顺序将两切片间的面积分割成一排排锯齿状的小三角形；通过循环结构依次对这些小三角形进行面积计算并累加，计算得到两切片间的表面积；再用一个外循环将每两个相邻切片间的表面积累加起来得到总的表面积；

最后求解膈肌表面积，根据膈肌的形状特征，将膈肌分为前部、两侧、顶部和后部；首先计算前部表面积，即求两个前部三角形面片的面积之和；接下来加上两侧的面积，最后加上顶部和后部的面积，得到最终表面积。

2.根据权利要求1所述计算系统，其特征在于所述三维重建模块(2.2)根据图像轮廓描点进行膈肌三维图像重建时，控制帧与帧之间的间隔，CT图像扫描的图层在1.5—2.5mm，选取的切片与切片间的距离为8-10mm。

3.根据权利要求1所述计算系统，其特征在于所述数据处理模块(3.1)对图像的三维坐标数据进行选择、处理，包括如下工作：选取冠状面的数据18--24组，选取矢状面的数据28--35组，其中每组冠状面数据选取14--18个特征点坐标数据，每组矢状面数据选取10--14个特征点坐标数据，在选取数据时必须保证最开始的那组和最后一组保留；此外还要选取冠状面方向上，剑突位置、最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三维坐标数据，用于计算膈肌前侧表面积。

4.一种基于三维重建技术的肺部膈肌表面积计算方法，其特征在于具体步骤为：

(1)数据获取与处理；

(2)图像处理与三维图像建模；

(3) 面积计算；

其中： 所述数据获取与处理步骤包括：CT扫描、CT数据获取和CT数据选择；由CT扫描仪对人体膈肌部位进行CT扫描，由CT数据获取得到膈肌冠状方向与矢状方向的原始数据，CT数据选择是选择尽力吸气时测量得到的数据和尽力呼气时测量得到的数据，同时选择的数据组必须在200帧以上的，而且图像中明确标示有膈肌起点与终点的白点的；

所述图像处理与三维图像建模包括：CT图像轮廓描点 以及三维图像重建 ；即根据CT图像轮廓描点进行膈肌三维图像重建； 

在三维图像重建时，丢弃处在纵膈区域，或是阻断了胸壁而不能清楚的描述膈肌的轮廓的冠状面和矢状面的图像；剩余的冠状面和矢状图像被用来三维重建；对膈穹窿的小部分根据最近的界限清楚的膈肌轮廓，用线性插值法重建；

所述面积计算步骤包括数据处理 、具体计算；即对图像的三维坐标数据进行选择、处理，然后进行面积计算；

面积计算，是运用Dist_cal( )函数和Triangle_cal( )函数,分别提供计算三维坐标下两点之间距离和三角形面积计算的公式；其中，用于计算三维空间中两点间距离的公式为：

     （1）         

已知的是空间中的三个点的坐标，用公式（1）求出由这三个点组成的三角形的三条边，然后再运用计算三角形面积的公式求出三角形的面积：

s=

                 （2）

其中p=（a+b+c）/2，a、b、c为三角形的三条边的长度；

定义Area_cal( )函数和Area2_cal( )函数来分别计算冠状切片和矢状切片间的表面积；对于所述切片间面积计算方法如下：

从第一帧切片开始，依次计算相邻两切片间的面积；首先进行小三角形的划分，相邻两切片间的特征点个数大体相同，按顺序将两切片间的面积分割成一排排锯齿状的小三角形；通过循环结构依次对这些小三角形进行面积计算并累加，计算得到两切片间的表面积；再用一个外循环将每两个相邻切片间的表面积累加起来得到总的表面积；

最后求解膈肌表面积，根据膈肌的形状特征，将膈肌分为前部、两侧、顶部和后部；首先计算前部表面积，即求两个前部三角形面片的面积之和；接下来加上两侧的面积，最后加上顶部和后部的面积，得到最终表面积。

5.根据权利要求4所述计算方法，其特征在于所述根据图像轮廓描点进行膈肌三维图像重建时，控制帧与帧之间的间隔，CT图像扫描的图层在1.5—2.5mm，选取的切片与切片间的距离为8-10mm。

6.根据权利要求4所述计算方法，其特征在于所述对图像的三维坐标数据进行选择、处理包括如下工作：选取冠状面的数据18--24组，选取矢状面的数据28--35组，其中每组冠状面数据选取14--18个特征点坐标数据，每组矢状面数据选取10--14个特征点坐标数据，在选取数据时必须保证最开始的那组和最后一组保留；此外还要选取冠状面方向上，剑突位置、最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三维坐标数据，用于计算膈肌前侧表面积。

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