CN102592283B - 一种脑部肿瘤头皮定位图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑部肿瘤头皮定位图像处理方法，包括以下步骤：(1)初步估计病人颅内肿瘤的头皮投影区域，在区域内贴上两个可被成像设备识别的标志点，从成像设备获取二维医学图像切片集，重建头皮表层的三维轮廓；(2)在二维图像上手动勾画出肿瘤轮廓线，重建肿瘤表面；(3)在二维图像上确定标志点位置，重建标志点；(4)将三维重建的轮廓图像旋转到合适位置，等比例打印输出。本发明相对于现有技术，实现简便；应用于脑部肿瘤定位时，精度满足开颅肿瘤手术要求，有利于缩短手术时间，减少手术创伤，能在保证良好暴露前提下尽量减小切口长度。

Description

一种脑部肿瘤头皮定位图像处理方法

技术领域

本发明涉及图像的处理方法，特别涉及一种脑部肿瘤头皮定位图像处理方法。

背景技术

脑部肿瘤头皮定位是进行开颅肿瘤手术前的重要步骤，定位的精度直接影响手术质量。目前脑外科医生通常仅根据CT、MRI等影像数据所示的肿瘤信息，依靠临床经验来设计开颅手术切口、切除肿瘤。术前因不能明确肿瘤的确切位置，往往需做较大切口，且有时因定位不准确，术中有需要再延长切口的可能。立体定向头架或神经导航系统能精确定位脑部肿瘤，且能正确引导手术入路的方向和深度，但费用昂贵、操作繁琐，不适用于中小医院。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种脑部肿瘤图像的处理方法，实现脑部肿瘤的准确定位，且不需要昂贵的设备。

本发明的技术方案通过以下技术方案实现：

一种脑部肿瘤图像的处理方法，包括以下步骤：

（1）初步估计病人颅内肿瘤的头皮投影区域，在区域内贴上两个可被成像设备识别的标志点，从成像设备获取二维医学图像切片集，并重建头皮表层的三维轮廓；其中成像设备可为CT、MRI等；

（2）在二维图像上手动勾画出肿瘤轮廓线，重建肿瘤表面；

（3）在二维图像上确定标志点位置，重建标志点；

（4）将三维重建的轮廓图像旋转到合适切面，等比例打印输出：具体包括以下步骤：

（4.1）将打印选择框中的三维图像保存到内存，获取原始尺寸cx和cy；

（4.2）得到矩形打印框左上角P₁和右上角P₂的屏幕坐标，计算P₁、P₂间的屏幕距离ScreenDis；

（4.3）采用基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，获取P₁、P₂对应的三维坐标P₁’、P₂’，计算三维距离RealDis；

（4.4）由屏幕距离ScreenDis和实际距离RealDis可求得图像缩放缩放因子：

$\mathrm{factor}=\frac{\mathrm{Real}\mathrm{Dis}}{\mathrm{ScreenDis}}$

（4.5）按内存中图像以px*py大小输出到打印设备，其中，

px=factor*cx

py=factor*cy。

步骤（1）所述重建头皮表层的三维轮廓，具体包括以下步骤：

（1.1）读取第一张脑部切片图像；

（1.2）对脑部切片图像做均值滤波，去除噪声信息；

（1.3）将脑部切片图像转化为二值图像；

（1.4）对二值图像分别求X方向和Y方向的导数，将X方向和Y方向的导数都不为零的像素点确认为切片图像的轮廓点；

（1.5）通过八邻域搜索算法将轮廓点顺序排列成轮廓线；

（1.6）读取下一张脑部切片图像，重复步骤（1.2）～（1.6），直至脑部切片图像读取完毕；

（1.7）采用最短对角线准则将相邻轮廓线上的轮廓点依次连接成三角网格，实现头皮表层的三维轮廓的重建。

步骤（4.3）基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，具体为：

（4.3.1）将三维场景中各物体的像素坐标通过指定的模型变换M和投影变换P投影到指定的视口坐标系中，实现三维物体的二维投影，三维坐标变为二维坐标，像素的深度值则存储在OpenGL深度缓存中；

（4.3.2）从OpenGL的深度缓存中取得当前屏幕坐标的深度值，通过以下公式（1）求得三维坐标

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ObjX}\\ \mathrm{ObjY}\\ \mathrm{ObjZ}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{INV}\left(\mathrm{PM}\right)\left[\begin{array}{c}\frac{2(\mathrm{winX}-\mathrm{view}[0\left]\right)}{\mathrm{view}\left[2\right]}-1\\ \frac{2(\mathrm{winY}-\mathrm{view}[1\left]\right)}{\mathrm{view}\left[3\right]}-1\\ 2\left(\mathrm{winZ}\right)-1\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，winX、winY为屏幕二维坐标，winZ为winX、winY所在位置像素的深度值；view[0]为视口原点横坐标，view[1]为视口原点纵坐标，view[2]为视口宽度，view[3]为视口高度，INV()表示矩阵的逆，ObjX、ObjY、ObjZ即为所要求的三维坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：本发明对头皮外表面和肿瘤表面进行三维重建，得到肿瘤在头皮的投影位置，并据此做出手术规划，指导开颅手术的进行；实现简便；应用于脑部肿瘤定位时，定位只需两个标志点，精度满足开颅肿瘤手术要求，有利于缩短手术时间，减少手术创伤，能在保证良好暴露前提下尽量减小切口长度。

附图说明

图1为本发明一种脑部肿瘤头皮定位的图像处理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明一种脑部肿瘤头皮定位图像处理方法包括以下步骤：

（1）初步估计病人颅内肿瘤的头皮投影区域，在区域内贴上两个可被成像设备识别的标志点，从成像设备获取二维医学图像切片集，重建头皮表层的三维轮廓，具体包括以下步骤：

（1.1）读取第一张脑部切片图像；

（1.2）对脑部切片图像做均值滤波，去除噪声信息；

（1.3）将脑部切片图像转化为二值图像；

（1.4）对二值图像分别求X方向和Y方向的导数，将X方向和Y方向的导数都不为零的像素点确认为切片图像的轮廓点；

（1.5）通过八邻域搜索算法将轮廓点顺序排列成轮廓线；

（1.6）读取下一张脑部切片图像，重复步骤（1.2）～（1.6），直至脑部切片图像读取完毕；

（1.7）采用最短对角线准则将相邻轮廓线上的轮廓点依次连接成三角网格，实现头皮表层的三维轮廓的重建。

（2）在二维图像上手动勾画出肿瘤轮廓线，重建肿瘤表面；

（3）在二维图像上确定标志点位置，重建标志点；

（4）将三维重建的轮廓图像旋转到合适位置，等比例打印输出：具体包括以下步骤：

（4.1）将打印选择框中的三维图像保存到内存，获取原始尺寸cx和cy；

（4.2）得到矩形打印框左上角P₁和右上角P₂的屏幕坐标，计算P₁、P₂间的屏幕距离ScreenDis；

（4.3）采用基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，获取P₁、P₂对应的三维坐标P₁’、P₂’，计算三维距离RealDis；

（4.4）由屏幕距离ScreenDis和实际距离RealDis可求得图像缩放缩放因子：

$\mathrm{factor}=\frac{\mathrm{Real}\mathrm{Dis}}{\mathrm{ScreenDis}}$

（4.5）按内存中图像以px*py大小输出到打印设备，其中，

px=factor*cx

py=factor*cy。

步骤（4.3）基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，具体为：

（4.3.1）将三维场景中各物体的像素坐标通过指定的模型变换M和投影变换P投影到指定的视口坐标系中，实现三维物体的二维投影，三维坐标变为二维坐标，像素的深度信息则存储在OpenGL深度缓存中；

（4.3.2）从OpenGL的深度缓存中取得当前屏幕坐标的深度信息，通过以下公式（1）求得三维坐标

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ObjX}\\ \mathrm{ObjY}\\ \mathrm{ObjZ}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{INV}\left(\mathrm{PM}\right)\left[\begin{array}{c}\frac{2(\mathrm{winX}-\mathrm{view}[0\left]\right)}{\mathrm{view}\left[2\right]}-1\\ \frac{2(\mathrm{winY}-\mathrm{view}[1\left]\right)}{\mathrm{view}\left[3\right]}-1\\ 2\left(\mathrm{winZ}\right)-1\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，winX、winY为屏幕二维坐标，winZ为winX、winY所在位置像素的深度值，范围在0～1之间；view[0]为视口原点横坐标，view[1]为视口原点纵坐标，view[2]为视口宽度，view[3]为视口高度。INV()表示矩阵的逆，W可取任意非零值，用于保证矩阵的齐次性；ObjX、ObjY、ObjZ即为所要求的三维坐标。

应用时，将打印图像中两标志点与头皮实际标志点对准，获取肿瘤在头皮的投影，医生利用投影结果做术前规划，指导开颅手术进行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种脑部肿瘤头皮定位的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）初步估计病人颅内肿瘤的头皮投影区域，在区域内贴上两个可被成像设备识别的标志点，从成像设备获取二维医学图像切片集，并重建头皮表层的三维轮廓；

所述重建头皮表层的三维轮廓，具体包括以下步骤：

（1.1）读取第一张脑部切片图像；

（1.2）对脑部切片图像做均值滤波，去除噪声信息；

（1.3）将脑部切片图像转化为二值图像；

（1.4）对二值图像分别求X方向和Y方向的导数，将X方向和Y方向的导数都不为零的像素点确认为切片图像的轮廓点；

（1.5）通过八邻域搜索算法将轮廓点顺序排列成轮廓线；

（1.6）读取下一张脑部切片图像，重复步骤（1.2）～（1.6），直至脑部切片图像读取完毕；

（1.7）采用最短对角线准则将相邻轮廓线上的轮廓点依次连接成三角网格，实现头皮表层的三维轮廓的重建；

（2）在二维图像上手动勾画出肿瘤轮廓线，重建肿瘤表面；

（3）在二维图像上确定标志点位置，重建标志点；

（4）将三维重建的轮廓图像旋转到合适位置，等比例打印输出：具体包括以下步骤：

（4.1）将打印选择框中的三维图像保存到内存，获取原始尺寸cx和cy；

（4.2）得到矩形打印框左上角P₁和右上角P₂的屏幕坐标，计算P₁、P₂间的屏幕距离ScreenDis；

（4.3）采用基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，获取P₁、P₂对应的三维坐标P₁’、P₂’，计算三维距离RealDis；

所述基于OpenGL深度缓存技术的反向坐标变换法，具体为：

（4.3.1）将三维场景中各物体的像素坐标通过模型变换M和投影变换P投影到指定的视口坐标系中，实现三维物体的二维投影，三维坐标变为二维坐标，像素的深度信息则存储在OpenGL深度缓存中；

（4.3.2）从OpenGL的深度缓存中取得当前屏幕坐标的深度值，通过以下公式（1）求得三维坐标：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ObjX}\\ \mathrm{ObjY}\\ \mathrm{ObjZ}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{INV}\left(\mathrm{PM}\right)\left[\begin{array}{c}\frac{2(\mathrm{winX}-\mathrm{view}[0\left]\right)}{\mathrm{view}\left[2\right]}-1\\ \frac{2(\mathrm{winY}-\mathrm{view}[1\left]\right)}{\mathrm{view}\left[3\right]}-1\\ 2\left(\mathrm{winZ}\right)-1\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，winX、winY为屏幕二维坐标，winZ为winX、winY所在位置像素的深度值，范围在0～1之间；view[0]为视口原点横坐标，view[1]为视口原点纵坐标，view[2]为视口宽度，view[3]为视口高度，INV()表示矩阵的逆，W可取任意非零值，用于保证矩阵的齐次性；ObjX、ObjY、ObjZ即为所要求的三维坐标；

（4.4）由屏幕距离ScreenDis和实际距离RealDis可求得图像缩放缩放因子：

$\mathrm{factor}=\frac{\mathrm{Real}\mathrm{Dis}}{\mathrm{ScreenDis}}$

（4.5）按内存中图像以px*py大小输出到打印设备，其中，

px=factor*cx

py=factor*cy。

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