CN103021019A

CN103021019A - 一种基于膝关节ct图像的高逼真度模型体绘制方法

Info

Publication number: CN103021019A
Application number: CN2013100082825A
Authority: CN
Inventors: 李晋芳; 何汉武; 文俊伟; 黄浩; 莫建清
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明是一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法。包括有如下步骤：1）对原始膝关节CT图像进行预处理；2）采用光线投影法完成对膝关节CT图像的三维可视化。本发明针对膝关节CT图像的三维模型重建采用光线投影法的原理，根据原始膝关节的CT图像绘制出膝关节的三维模型，实现其可视化的效果，方便对医学图像的研究，使医生对患者的病情进行诊治更加准确和快速。本发明提出的基于CT图像的高逼真度膝关节模型体绘制方法克服了其他绘制方法的不足，医学中比较常见的CT图像和MRI图像，都可以采用该方法来达到可视化的目的。本发明是一种方便实用，结果也完全符合预期要求的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法,利用本发明能根据医学组织（器官）CT图像快速、准确绘制出其三维模型，满足不同的医疗、科研需求。

Description

一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法

技术领域

本发明是一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，特别是一种适合基于CT图像的人体器官（组织）的三维模型体绘制的方法。属于基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法的创新技术。

背景技术

随着社会经济的不断向前发展，尤其是经济全球化的深入和对知识经济的重视，提升专利发展水平已经成为一种共识。纵观国内外，围绕专利方面的竞争相当激烈，它是一个国家和地区综合实力与核心竞争力的显著标志。

医学图像数据可视化在临床上是辅助诊断和治疗的重要手段，在医学领域里，大量的CT图像产生了二维断层数据，通过观察组织或者器官的二维断层图像来判断病情是比较常用的方法，但是它的弊端在于不能精确的确定患者病变部位详细信息。假如将这些数字图像成像技术获得的人体信息在计算机上直观的表达出来，并将其以三维的形式显示，从而获得传统手段无法获得的结构信息，就可以使临床医生对人体内部病变部位的观察更直接、清晰，重要的是准确率也更高，具有很高的临床价值，这也正是医学图像处理蓬勃发展的原因所在。

医学图像三维重建通过数字图像处理技术，对组织或者器官进行三维重建，是辅助医生对患者器官以及各种组织进行有效分析和显示的工具。除了辅助医疗诊治外，医学图像三维重建也可以为外科手术仿真提供支持，仿真手术操作演练中所需要的精准模型也可以通过此种方法来实现，此外它还是机器人外科手术、手术仪器试制与分析、远程医疗、远程手术等医学课题的基础。

目前有众多的工具可以将医学图像实现可视化，为医生给病人准确诊治提供了极大便利。但都存在不同程度的缺陷，有些执行效率低下，有些计算能力较差，有些三维图形功能层次比较低等。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法。本发明通过可视化流程,实现膝关节体模型的三维重建,方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，包括有如下步骤：

1）对原始膝关节CT图像进行预处理；

2）采用光线投影法完成对膝关节CT图像的三维可视化。

上述光线投影法,包括如下步骤：

21)从屏幕上每一点发出一条视线，该视线会穿过三维视场的体元矩阵，沿着该视线等距设置采样点，将距离采样点最近的8个数据点所组成体素的颜色值以及不透明度进行三次线性插值，求出该采样点的不透明度以及颜色值;

22)按照从前到后或者从后到前的合成公式对所有采样点的颜色和不透明度进行合成,当所有像素点都进行以上过程后，就会得到此数据的体绘制结果图像。

上述光线投影法分为光线生成、光强计算、光像合成与显示三部分。

上述光线生成的过程如下：以屏幕上任一像素点为原点，按照设定的视点方向，发出一条射线，对其要求是该射线要穿过由C T断层图像叠加组成的三维体数据场。

上述光强计算的方法如下：光线穿过三维数据场的体素矩阵，沿着这条射线选择K个等距采样点，由距某一采样点最近的八个定点的颜色值和不透明度做三次线性插值，求出该采样点的不透明度及颜色值。

上述光像合成及显示，其方法如下：在求出该射线上所有采样点的颜色值和不透明度以后，用由前到后或者由后到前的两种方法将每一采样点颜色值及不透明度进行组合，从而算出屏幕上该像素点处的颜色值；三维模型的显示则依靠可视化编程传统程序编写规则，把演员、绘制器添加到绘制窗口即可达到目的。

上述步骤1）对原始膝关节CT图像进行预处理的初始数据为二维断层医学图像。

本发明针对膝关节CT图像的高逼真度模型重建采用光线投影法的原理，根据原始膝关节的CT图像，绘制出膝关节的三维模型，实现其可视化的效果，方便对医学图像的研究，使医生对患者的病情进行诊治更加准确和快速。本发明提出的基于CT图像的膝关节模型体绘制方法克服了其他绘制方法的不足，医学中比较常见的CT图像和MRI图像，都可以采用该方法来达到可视化的目的。本发明是一种方便实用，结果也完全符合预期要求的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法, 利用本发明能根据医学组织（器官）CT图像快速、准确绘制出其三维模型，满足不同的医疗、科研需求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为通过本发明绘出的高逼真三维模型立体图。

具体实施方式

实施实例：

本发明的流程图如图1所示，本发明的基于膝关节CT图像的高逼真三维模型体绘制方法，包括有如下步骤：

1）对原始膝关节CT图像进行预处理；

2）采用光线投影法完成对膝关节CT图像的三维可视化。

上述对原始膝关节CT图像的优化预处理包括如下步骤：

11）由于患者在进行CT扫描的时候，难免会存在由于人为操作和仪器的误差，所以需要对CT图像进行高斯平滑处理，尽可能的使之成为符合膝关节的真实数据。

12）转换CT数据的格式，使之能成为能够被光线投影法处理对象。

上述光线投影法,包括如下步骤：

上述光线生成的过程如下：以屏幕上任一像素点为原点，按照设定的视点方向，发出一条射线，对其要求是该射线要穿过由CT断层图像叠加组成的三维体数据场。

上述光强计算的方法如下：光线穿过三维数据场的体素矩阵，沿着这条射线选择K个等距采样点，由距某一采样点最近的八个顶点的颜色值和不透明度做三次线性插值，求出该采样点的不透明度及颜色值。

上述光像合成及显示的方法如下：在求出该射线上所有采样点的颜色值和不透明度以后，用由前到后或者由后到前的两种方法将每一采样点颜色值及不透明度进行组合，从而算出屏幕上该像素点处的颜色值；三维模型的显示则依靠可视化编程传统程序编写规则，把演员、绘制器添加到绘制窗口即可达到目的。

本发明在实现膝关节模型可视化的解决方案中利用了数据流方法，将各个数据处理模块连接成一个可流动的可视化网络，形成流水线管道。

本实施例中，具体操作步骤如下：对原始的膝关节断层CT图像进行处理是第一步，先是经过专用软件将其格式转换,使其格式符合下一步处理的要求，然后再将处理后的图像中不感兴趣或者对于后期绘制没有意义的地方处理掉。这样就得到了可视化流水线的数据源。

对于数据的各种处理是算法的核心，如前所述的光线投影法是本发明所采用的核心算法，在封装了该算法的类中，提供了输入和输出接口。首先是一个读取源数据的类用来读取数据，为了减少因为CT图像因为前期处理等造成的误差，要对读取的数据进行高斯平滑处理，这样会使数据更加能真实反映模型。数据的类型是很重要的，在程序编写过程中对其要求很严格，读取到数据流起始端的数据必须经过转换，使其转化为无符号字符型或者有符号整形才能成为下一步处理的数据,然后进行下一步的运算。

当以上工作全部完成之后，就是光线投影法的实施了。假定从屏幕上每一点发出一条射线，该视线会穿过三维视场的体元矩阵，沿着该视线等距设置采样点，将距离采样点最近的8个数据点所组成体素的颜色值以及不透明度进行三次线性插值，求出该采样点的不透明度以及颜色值;在具体的操作中，先是分别对颜色、透明度做出分别的处理，并且依据不同的标准在后期将其显示出来。

表1—灰度值和透明度值设定标准

Figure 2013100082825100002DEST_PATH_IMAGE002

该算法实现三维重建的关键，是通过对光线上所有像素点的密度进行加权求和，将其计算结果作为最终图像投影平面像素的密度值。进行到这里之后就可以通过映射将几何数据转化为图像数据。同时数据流也到了尽头，将演员和绘制器添加到绘制窗口中，就可以将图像数据显示到屏幕上并有简单的交互功能。

一个具体的实施实例

一般来讲，单层CT图像的分辨率越高，也就是像素值越高，则绘制出的模型会越精确。在本实例中，利用从某医院获得的患者的231张矩阵为512x512的膝关节CT图像，并且保证231张CT图像是按照扫描顺序排列。将膝关节CT图像按照预处理优化方法进行优化处理然，后放到能够被程序识别的文件夹中，确定无误后，运行程序就可以看到一个精确的膝关节模型。此外该发明具备简单的人机交互功能，例如可以实现模型的旋转、缩放、平移等，可以满足不同角度对模型进行观察，这样就实现了基于二维断层CT图像的膝关节模型可视化的目的。

经过多次试验表明，图像的前期优化处理是很重要的，也就是说在将图像放到文件夹之前应该进行优化。经过反复的对比得出的结论是，经过优化处理后再供程序进行体绘制要比没有经过优化处理而直接供程序处理去进行体绘制节约大量时间。前者需要约10秒，而后者是前者的至少5倍。

Claims

1.一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于包括有如下步骤：

1）对原始膝关节CT图像进行预处理；

2）采用光线投影法完成对膝关节CT图像的三维可视化。

2.根据权利要求1所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述光线投影法,包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述光线投影法分为光线生成、光强计算、光像合成与显示三部分。

4.根据权利要求3所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述光线生成的过程如下：以屏幕上任一像素点为原点，按照设定的视点方向，发出一条射线，对其要求是该射线要穿过由C T断层图像叠加组成的三维体数据场。

5.根据权利要求3所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述光强计算的方法如下：光线穿过三维数据场的体素矩阵，沿着这条射线选择K个等距采样点，由距某一采样点最近的八个定点的颜色值和不透明度做三次线性插值，求出该采样点的不透明度及颜色值。

6.根据权利要求3所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述光像合成及显示，其方法如下：在求出该射线上所有采样点的颜色值和不透明度以后，用由前到后或者由后到前的两种方法将每一采样点颜色值及不透明度进行组合，从而算出屏幕上该像素点处的颜色值；三维模型的显示则依靠可视化编程传统程序编写规则，把演员、绘制器添加到绘制窗口即可达到目的。

7.根据权利要求1所述的基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，其特征在于上述步骤1）对原始膝关节CT图像进行预处理的初始数据为二维断层医学图像。