CN104680479A - 一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，基于断层影像重建的人体器官，通过器官的惯量主轴确定器官地图的本初子午线和等高线等绘图要素，采用断层重建和断层边界展开等方法实现器官表面的地图化。本发明可为器官表面的形态分析提供定量化研究。

Description

一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法

技术领域

本发明涉及医学影像处理领域，特别涉及一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法。

背景技术

断层影像主要包括CT、MRI等，目前断层影像已被广泛应用在器官形态学研究领域。断层影像的处理方法有图像分割、形态学处理、三维成像等。通过图像处理和形态测量，可以分析被检测物随时间的变化，例如人体器官的生长、发育和衰老等形态学研究。

目前通过CT断层扫描等方式得到的断层影像均为三维影像，在进行观看和分析时不够直观。同时，在与之前所拍摄的影像进行比对时，也不易发现差别。

因此，寻求一种更直观的断层影像显示方法具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，该方法可以将通过CT断层扫描得到的器官的三维图像转换为二维图像，即将其表面进行地图化，从而便于观察和分析，具有更直观、更形象的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，对器官进行CT扫描后，得到器官的三维图像，对此三维图像进行定位、断层重建；对每一幅断层图像进行边界提取，得到整个器官的三维表面图像；由器官的惯量主轴确定剪开线，以此剪开线剪开断层影像的边界；然后定义一个海平面作为基线，沿基线展开断层影像边界，构成器官表面地图；最后以基线为水平直线，器官断层边界相对水平直线的距离形成等高线，构成器官表面的网格图形。

具体包括以下步骤：

(1)重建：对器官进行CT断层扫描，由几何变换寻找器官的惯量主轴，把器官的惯量主轴作为器官的本体坐标，然后进行断层重建；

(2)边界提取：对于重建后器官的每个断层图像，提取其断层边界以获取器官表面信息；

(3)确定剪开线：确定器官最小轴转动惯量对应的最小惯量主轴以及最大轴转动惯量对应的最大惯量主轴，将这两个惯量主轴形成的平面与重建后器官表面形成的切割线作为器官的本初子午线，以该本初子午线作为器官表面展开的剪开线；

(4)确定基线：沿步骤(3)所述的剪开线将断层剪开、排序，确定该断层图像上垂直于最小惯量主轴或者最大惯量主轴的断层边界的平均半径，建立一个圆心在质心上、半径为上述平均半径的圆，以此圆周作为断层边界的海平面，以海平面为基线，实现断层边界的展开，得到器官表面地图；

(5)摊平：以基线为水平直线，以器官断层边界相对海平面的距离形成等高线；

(6)所有断层图像均按照步骤(5)处理后，组成有等高线标志的器官表面网格图形。

具体的，所述步骤(1)中，当器官被数字化后，器官就是由具有位置和密度的体微元(包含位置和密度两个物理量的对象)组成的集合，某一位置坐标相同的体微元的集合即为断层(两个位置坐标相同的体微元的集合即为轴)，那么器官断层的重建就是体微元位置坐标的变换。采用如下方法进行断层重建：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{x_{\mathrm{oi}}-\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δx}}\right)\mathrm{\Δx}+\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)\\ y_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{y_{\mathrm{oi}}-\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δy}}\right)\mathrm{\Δy}+\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right)\\ z_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{z_{\mathrm{oi}}-\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δz}}\right)\mathrm{\Δz}+\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right)\end{array}\right.;$

式中，(x_oi,y_oi,z_oi)为当前体微元的位置，(x_i,y_i,z_i)表示重建后体微元的位置，trunc()为取整函数，其中Δx＝Δy＝Δz，并与原始图像中图像的水平分辨率、垂直分辨率和CT扫描层距相同。采用Δx＝Δy＝Δz是为了保持CT图像的各向同性。

CT扫描把器官的表面微分成有限个断层影像的边界的集合。这样，器官表面的地图化就是对断层影像的边界展开。在进行CT扫描时，设定空气的CT值为0(设备的初始化)，所述步骤(2)，对每个断层图像，提取其断层边界的方法如下：

式中，z表示CT扫描的断层影像的层的序号，(x,y)_z表示z层中体微元的位置，ρ(x,y)_z表示体微元的密度。

器官表面的地图化，需要把器官表面“剪开”。可以把一个圆柱体的表面剪成一个矩形，也可以剪成一个菱形，虽然怎样剪最后的面积都是一样的，但只有矩形是唯一的。具体的，所述步骤(3)中，以本初子午线为器官表面展开的剪开线，展开后每一个断层用如下方式表示：

$i=\left\{\begin{array}{cc}0& x_z^i=x_z^c,y_z^i>y_z^c\\ 1& x_z^i-x_z^c=-\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ 2& x_z^i-x_z^c=-2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ ...& \\ n-1& x_z^i-x_z^c=2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ n& x_z^i-x_z^c=\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\end{array}\right.;$

式中，表示断层边界体微元的位置，表示断层质心相对惯性参考系的位置，i表示断层边界上体微元剪开后的位置序号。

具体的，所述步骤(4)中，以海平面为基线，实现断层影像边界展开，展开后各断层图像的表示方法如下：

$p{(x,y)}_z=p{(i+x_z^c,h_z^i)}_z;$

式中， $h_z^i=r_z^i-\stackrel{\‾}{r_z},r_z^i=\sqrt{{(x_z^i-x_z^c)}^2+{(y_z^i-y_z^c)}^2},$ $\stackrel{\‾}{r_z}=\frac{\mathrm{\Σ}{r}_z^i}{n},$ 表示断层影像边界点的位置，表示断层影像质心相对惯性参考系的位置。

具体的，所述步骤(6)中，得到的器官表面网格图形的表示方法如下：

$p(i,j)=p(\∫\left(\sqrt{l^2\left(i\right)+Z_i^2}\right)\mathrm{di},\∫\left(\sqrt{l^2\left(j\right)+Z_j^2}\right)\mathrm{dj}),$

式中p(i,j)表示器官表面地图摊平后断层影像边界点在平面中的位置，其中 $l\left(i\right)=\sqrt{{(z_i-z_{i-1})}^2+Z_i^2},$ Z_i＝∫|z_i-z_i-1|di， $l\left(j\right)=\sqrt{{(z_j-z_{j-1})}^2+Z_j^2},$ Z_j＝∫|z_j-z_j-1|dj；(i,j)表示器官地图中的某一位置，z_i,z_j表示(i,j)这一位置的序号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、根据CT断层扫描得到的器官的三维结构，本发明可以对该三维结构表面进行剪开、摊平等处理，将器官表面地图化，使观看更加直观。

2、本发明将器官的表面摊平，将三维信息转为二维信息(网格图形)，可广泛地应用到人体器官的生长、发育和衰老等形态学研究中。

附图说明

图1是本发明实施例1针对一右足第1趾骨外侧籽骨的CT扫描图。

图2(A)是图1所示CT扫描图中某一个断层示意图。

图2(B)是图2(A)所示断层图像的边界示意图。

图2(C)是确定了断层图像的基线。

图2(D)是图2(A)所示断层图像的边界展开后的示意图。

图2(E)为摊平的断层边界。

图3(A)为第1次测试的表面地图。

图3(B)为第2次测试的表面地图。

图3(C)为两次测试的变化图。

图4(A)为第1次测试的摊平平面网格图形。

图4(B)为第2次测试的摊平平面网格图形。

图5是本实施例方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图5，本实施例以图1所示的右足第1跖骨外侧籽骨的CT扫描图为例，来具体说明本实施例所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法包括的步骤。

(1)重建：对经过CT断层扫描得到的图像，由几何变换寻找籽骨的惯量主轴，把惯量主轴作为籽骨本体坐标，然后进行断层重建。

进行断层重建的具体步骤是：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{x_{\mathrm{oi}}-\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δx}}\right)\mathrm{\Δx}+\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)\\ y_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{y_{\mathrm{oi}}-\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δy}}\right)\mathrm{\Δy}+\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right);\\ z_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{z_{\mathrm{oi}}-\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δz}}\right)\mathrm{\Δz}+\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right),\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，(x_oi,y_oi,z_oi)为当前体微元的位置，(x_i,y_i,z_i)表示重建后体微元的位置，trunc()为取整函数，其中Δx＝Δy＝Δz，且与原始图像中图像的水平分辨率、垂直分辨率和CT扫描层距相同。采用上述公式(1)进行重建，可以使体微元在保持正方体形态的同时，还使转动后新的断层具有封闭性和连续性。

(2)边界提取：对于重建后器官的每个断层图像，提取其断层边界以获取籽骨表面信息。具体采用如下方法：

式中，z表示CT扫描的断层的层的序号，(x,y)_z表示z层中体微元的位置，ρ(x,y)_z表示体微元的密度。

图2(A)是图1所示CT扫描图中籽骨重建后的一个断层示意图，图2(B)为采用上述公式(2)提取的断层边界。

(3)确定剪开线。通过上述步骤(2)提取的各个断层的边界，得到了籽骨表面的信息。以最小和最大转动惯量的两个惯量主轴形成的平面与籽骨表面形成的切割线作为籽骨的本初子午线，以本初子午线为籽骨表面展开的剪开线，展开后每一个断层用如下方式表示：

$i=\left\{\begin{array}{cc}0& x_z^i=x_z^c,y_z^i>y_z^c\\ 1& x_z^i-x_z^c=-\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ 2& x_z^i-x_z^c=-2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ ...& \\ n-1& x_z^i-x_z^c=2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ n& x_z^i-x_z^c=\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c,\end{array}\right.;---\left(3\right)$

式中，表示断层边界体微元的位置，表示断层质心相对惯性参考系的位置，i表示断层边界上体微元剪开后的序号。

(4)确定基线：沿步骤(3)所述的剪开线将断层剪开并进行排序，确定该断层图像上垂直于最小惯量主轴(也称为最小惯量轴)或者最大惯量主轴(也称为最大惯量轴)的断层边界的平均半径，建立一个圆心在质心上、半径为上述平均半径的圆，以此圆周作为断层边界的海平面，以海平面为基线，实现断层边界的展开。展开后各断层图像的表示方法如下：

$p{(x,y)}_z=p{(i+x_z^c,h_z^i)}_z;---\left(4\right)$

式中， $h_z^i=r_z^i-\stackrel{\‾}{r_z},r_z^i=\sqrt{{(x_z^i-x_z^c)}^2+{(y_z^i-y_z^c)}^2},$ $\stackrel{\‾}{r_z}=\frac{\mathrm{\Σ}{r}_z^i}{n},$ 表示断层边界点的位置，表示断层质心相对惯性参考系的位置。

本实施例中，参见图2(C)，图中实线表示的圆周为定义的海平面，以此海平面为基线，从剪开线处展开，得到如图2(D)所示的图像。

(5)摊平：以基线为水平直线，籽骨断层边界相对海平面的距离形成等高线。图2(E)为摊平的断层边界。展开为直线，断层边界位置之间以两点之间的距离确定。

(6)所有器官断层边界的摊开线组成有等高线标志的器官表面网格图形。

地图的表示方法如下：

$p(x,y)=p(\∫\left(\sqrt{l^2\left(i\right)+Z_i^2}\right)\mathrm{di},\∫\left(\sqrt{l^2\left(j\right)+Z_j^2}\right)\mathrm{dj}),---\left(5\right)$

式中p(i,j)表示骨表面地图摊平后体微元在平面中的位置，其中 $l\left(i\right)=\sqrt{{(z_i-z_{i-1})}^2+Z_i^2},$ Z_i＝∫|z_i-z_i-1|di, $l\left(j\right)=\sqrt{{(z_j-z_{j-1})}^2+Z_j^2},$ Z_j＝∫|z_j-z_j-1|dj，(i,j)表示器官地图中的某一位置，z_i,z_j表示(i,j)这一位置序号。

由方程(1)对转动后断层进行重建，由方程(2)提取边界，根据主轴坐标确定本初子午线，由方程(3)对表面展开，由方程(4)完成对籽骨表面的地图化。图3(A)为第1次测试的表面地图。图3(B)为第2次测试的表面地图。图3(C)为两次测试的变化图。

在骨表面地图的基础上，由方程(5)将骨的表面地图摊平为平面，如图4。

图4(A)为第1次测试的摊平平面。图4(B)为第2次测试的摊平平面。

图3和图4表明本方法可以定量分析骨骼表面的信息，将一个三维的骨骼图像展开成地图化的方式，使观看更加直观，具有很广泛的应用价值。

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上述实施例的限制，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 (7)

1.一种基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，对器官进行CT扫描后，得到器官的三维图像，对此三维图像进行定位、断层重建；对每一幅断层图像进行边界提取，得到整个器官的三维表面图像；由器官的惯量主轴确定剪开线，以此剪开线剪开断层影像的边界；然后定义一个海平面作为基线，沿基线展开断层影像边界，构成器官表面地图；最后以基线为水平直线，器官断层边界相对水平直线的距离形成等高线，构成器官表面的网格图形。

2.根据权利要求1所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，包括以下步骤：

(1)重建：对器官进行CT断层扫描，由几何变换寻找器官的惯量主轴，把器官的惯量主轴作为器官的本体坐标，然后进行断层重建；

(2)边界提取：对于重建后器官的每个断层图像，提取其断层边界以获取器官表面信息；

(3)确定剪开线：确定器官最小轴转动惯量对应的最小惯量主轴以及最大轴转动惯量对应的最大惯量主轴，将这两个惯量主轴形成的平面与重建后器官表面形成的切割线作为器官的本初子午线，以该本初子午线作为器官表面展开的剪开线；

(4)确定基线：沿步骤(3)所述的剪开线将断层剪开、排序，确定该断层图像上垂直于最小惯量主轴或者最大惯量主轴的断层边界的平均半径，建立一个圆心在质心上、半径为上述平均半径的圆，以此圆周作为断层边界的海平面，以海平面为基线，实现断层边界的展开，得到器官表面地图；

(5)摊平：以基线为水平直线，以器官断层边界相对海平面的距离形成等高线；

(6)所有断层图像均按照步骤(5)处理后，组成有等高线标志的器官表面网格图形。

3.根据权利要求2所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当器官被数字化后，器官是由具有位置和密度的体微元组成的集合，器官断层的重建即为体微元位置坐标的变换，采用如下方法进行断层重建：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{x_{\mathrm{oi}}-\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δx}}\right)\mathrm{\Δx}+\min \left(x_{\mathrm{oi}}\right)\\ y_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{y_{\mathrm{oi}}-\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δy}}\right)\mathrm{\Δy}+\min \left(y_{\mathrm{oi}}\right)\\ z_i=\mathrm{trunc}\left(\frac{z_{\mathrm{oi}}-\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right)}{\mathrm{\Δz}}\right)\mathrm{\Δz}+\min \left(z_{\mathrm{oi}}\right)\end{array}\right.;$

式中，(x_oi,y_oi,z_oi)为当前体微元的位置，(x_i,y_i,z_i)表示重建后体微元的位置，trunc()为取整函数，其中Δx＝Δy＝Δz，并与原始图像的水平分辨率、垂直分辨率和CT扫描层距相同。

4.根据权利要求2所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，在进行CT扫描时，设定空气的CT值为0，所述步骤(2)，对每个断层图像，提取其断层边界的方法如下：

式中，z表示CT扫描的断层影像的层的序号，(x,y)_z表示z层中体微元的位置，ρ(x,y)_z表示体微元的密度。

5.根据权利要求2所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，以本初子午线为器官表面展开的剪开线，展开后每一个断层用如下方式表示：

$i=\left\{\begin{array}{cc}0& x_z^i=x_z^c,y_z^i>y_z^c\\ 1& x_z^i-x_z^c=-\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ 2& x_z^i-x_z^c=-2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ ...& \\ n-1& x_z^i-x_z^c=2\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\\ n& x_z^i-x_z^c=\mathrm{\Δx},y_z^i>y_z^c\end{array}\right.;$

式中，表示断层边界体微元的位置，表示断层质心相对惯性参考系的位置，i表示断层边界上体微元剪开后的位置序号。

6.根据权利要求2所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，以海平面为基线，实现断层影像边界展开，展开后各断层图像的表示方法如下：

$p{(x,y)}_z=p{(i+x_z^c,h_z^i)}_z;$

式中， $h_z^i=r_z^i-\stackrel{\‾}{r_z},$ $r_z^i=\sqrt{{(x_z^i-x_z^c)}^2+{(y_z^i-y_z^c)}^2},$ $\stackrel{\‾}{r_z}=\frac{\mathrm{\Σ}{r}_z^i}{n},$ 表示断层影像边界点的位置，表示断层影像质心相对惯性参考系的位置。

7.根据权利要求2所述的基于断层影像重建的人体器官表面地图化方法，其特征在于，所述步骤(6)中，得到的器官表面网格图形的表示方法如下：

$p(i,j)=p(\∫\left(\sqrt{l^2\left(i\right)+Z_i^2}\right)\mathrm{di},\∫\left(\sqrt{l^2\left(j\right)+Z_j^2}\right)\mathrm{dj}),$

式中p(i,j)表示器官表面地图摊平后断层影像边界点在平面中的位置，其中 $l\left(i\right)=\sqrt{{(z_i-z_{i-1})}^2+Z_i^2},$ Z_i＝∫|z_i-z_i-1|di， $l\left(j\right)=\sqrt{{(z_j-z_{j-1})}^2+Z_j^2},$ Z_j＝∫|z_j-z_j-1|dj,(i,j)表示器官地图中的某一位置，z_i,z_j表示(i,j)这一位置的序号。