CN104715485A - 一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，包括以下步骤：首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立三维坐标系；分三段动态模拟肺部形变，以参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体位置。与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确等优点。

Description

一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法

技术领域

本发明涉及一种医学图像处理及应用领域，尤其是涉及一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法。

背景技术

近年，随着计算机图形学和医学影像学的不断发展，计算机辅助医疗成为研究的热门，其中针对肺部手术的辅助系统既是热点也是难点。肺部手术导航系统是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全的辅助系统。在肺部手术中，由于肺部呼吸所带来的软组织漂移，一般的导航系统很难精确定位病灶。现有的三维医学图像配准的方法有：刚体配准和非刚体配准。刚体配准简单、计算速度快，但是精度低。而一般非刚体配准计算速度慢，很难满足实时反馈的要求。其中，基于B-Spline(B-样条线)网格法虽然克服了此缺点，但其配准结果很大程度地依赖于网格疏密程度，很难满足局部有形变差异的要求，不适用于肺部形变的模拟。而本发明结合肺部解剖特点，具有模拟精确高、运算速度快的优点，应用到医学领域，非常适合于肺表面的模拟。

经对现有技术的文献检索发现，夏威等人在<<2013年中国生物医学工程联合学术年会>>上发表的“一种快速的三维肺部CT弹性配准算法”一文中的非刚体配准方法首先先采用点集配准算法获得点集位移向量，再求出变换函数，最后以基于互信息的方法进行细化配准，该方法使配准精度显著提高。但是由于其算法较复杂，计算速度慢，很难实时地反应病灶的移动情况。针对这类手术国内外依然没有一个成熟的精确定位技术提出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，使其通过一个新的动态分段模型，求取参考针和病灶的位置，并以参考针的移动速度来推测病灶的移动情况，相对于非刚体配准，大幅提高了模型生成的速度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立三维坐标系；

分三段动态模拟肺部形变，以参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体位置。

所述的数据分割具体为：选取某一肺实质作为种子，将在设定灰度范围内的体素置为1，其余体素置为0，从而将肺数据从整个腹部体数据中分离。

所述的肺部膨胀的起点选取过程如下：

通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域，在该区域中选取一个经验点，即肺下部和肺上部形变差异的临界值，作为肺部膨胀的起点。

所述的分三段动态模拟肺部形变具体为：

1)根据对临床数据的统计学分析，将单个肺分为形变速率有显著差异的三段线性模型，命名为A、B、C区，其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部；

2)对于这三个区域的形变程度，用三种速率系数来描述，且：k_A<k_B<k_C。

所述的k_A：k_B：k_C＝1：1.2：1.5。

所述的计算病灶移动速度具体为：在分段肺部形变模型的基础上，根据参考针的事实移动速率，以及参考针与病灶的空间坐标，即可计算病灶的移动速度。

与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确的优点，较好的解决了前面方法所存在的计算速度慢、不适用于肺部模型等问题，降低对医生经验的依赖和手术费用，提高手术的精度和效率，有广泛的适用范围。

附图说明

图1为单段t时刻的v_x-x关系图；

图2为分三段后t时刻v_x-x关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺部膨胀的起点，作为坐标系的原点，建立三维坐标系。分三段动态模拟肺部形变，以参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体的位置。

以下对本发明方法作进一步的描述，具体步骤如下：

1.数据分割

肺部数据分割方法是：选取某一肺实质作为种子，将在某一灰度范围内的体素置为1，其余体素置为0，从而将肺数据从其他数据中分离。

2.选取肺膨胀原点

通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域。选取一个经验点，作为肺部膨胀的起点。

3.建立动态模拟分段肺部形变的模型

3.1线性形变模型

由于肺部的位置受胸腔的限制，可认为其基本不变。建立一个三维坐标系，原点为肺膨胀起点。其中有一个立方体M，关于该坐标系原点膨胀与收缩。本发明定义在膨胀与收缩中，该坐标系原点位置不变。

设立方体8个顶点坐标分别为：

P₁＝(x1,y1,z1)，P₂＝(x2,y2,z2)，P₃＝(x3,y3,z3)，P₄＝(x4,y4,z4)，P₅＝(x5,y5,z5)，P₆＝(x6,y6,z6)，P₇＝(x7,y7,z7)，P₈＝(x8,y8,z8)，找到顶点中x,y,z的最大最小值Max＝{x_max,x_min,y_max,y_min,z_max,z_min}

其中：x_max＝max{x₁,x₂...x₈} x_min＝min{x₁,x₂...x₈}

y_max＝max{y₁,y₂...y₈} y_min＝min{y₁,y₂...y₈}

z_max＝max{z₁,z₂...z₈} z_min＝min{z₁,z₂...z₈}

求取出Max中x,y,z的绝对值最大值:x_abs y_abs z_abs。将该立方体正规化，在每一个轴向上除以对应的i_abs。将该立方体中所有坐标做归一化处理，得到参考点归一化坐标。

假设在该坐标系中，一参考点速度为(v_x,v_y,v_z)。现以x方向速度v_x说明模拟形变原理。设参考点t时刻，参考点p归一化坐标x轴坐标x_p>0，v_x为参考点x轴速度。则认为整个立方体内速度是线性变换的，可以求得V_max＝k*1＝k。本发明称k为速率系数。可画如下t时刻的v_x-x关系图，如图1所示。

由于参考点的速度无法直接得到，但能够得到的是等时间间隔的参考点的坐标。仍以x轴举例。则可以假设t₁时刻参考点x轴坐标：x_t1，t₂时刻参考点x轴坐标：x_t2，时间间隔：Δt。则可以利用该公式求得速率系数k。

$k=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{x_{t2}-x_{t1}}{\mathrm{\&Delta;t}}& x_t<0\\ \frac{x_{t2}-x_{t1}}{\mathrm{\&Delta;t}}& x_t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

当k>0时，代表体系膨胀；k<0时，体系收缩。

由此推衍到三个轴向即可完成三维空间中线性形变模型的建立。可以得到每个时刻的{k_x,k_y,k_z}。

利用该模型可以通过参考点的数据描述出立方体内任意一点的三维运动情况。假设i时刻通过参考点求得{k_x,k_y,k_z}，已知目标点的初始值为(x₀,y₀,z₀)，则可以

求得该时刻内目标的位移量(Δx_t,Δy_t,Δz_t)可由以下参数表示：

$({\mathrm{\&Delta;x}}_t,{\mathrm{\&Delta;y}}_t{\mathrm{\&Delta;z}}_t)=(\frac{x_0}{\left|x_0\right|}*k_x*x_0,\frac{y_0}{\left|y_0\right|}*k_y*y_0,\frac{z_0}{\left|z_0\right|}*k_x*z_0)$

则i时刻目标点的坐标(x,y,z)为：

$x=x_0+{\&Integral;}_{m=0}^i{\mathrm{\&Delta;x}}_i=x_0+{\&Integral;}_{m=0}^i\frac{x_0}{\left|x_0\right|}*k_x\left(i\right)*x_0$

$y=y_0+{\&Integral;}_{m=0}^i{\mathrm{\&Delta;y}}_i=y_0+{\&Integral;}_{m=0}^i\frac{y_0}{\left|y_0\right|}*k_y\left(i\right)*y_0$

$z=z_0+{\&Integral;}_{m=0}^i{\mathrm{\&Delta;z}}_i=x_0+{\&Integral;}_{m=0}^i\frac{z_0}{\left|z_0\right|}*k_z\left(i\right)*z_0$

k_x(i),k_y(i),k_z(i)分别为i时刻，x,y,z轴向的速率系数。

3.2动态分段线性模型

肺部形变作为一个典型的非线性形变，不能简单地用上述线性形变模型进行描述。根据肺部的解剖学结构特征可知：肺尖端形变的速率远远大于肺底端形变速率，不可能同时由线性模型计算出到。本发明根据对临床数据的统计学分析，将单个肺分为形变速率有显著差异的三段，命名为A、B、C区：A区为肺上部；B区为肺中部；C区为肺下部。对于这三个区域的形变程度，有三种速率系数来描述：k_A<k_B<k_C。根据对肺部CT的统计学分析得出比例为：1：1.2：1.5。设k＝k_A基础速率系数。设速率因数为：η_A＝k_A/k,η_B＝k_B/k,η_c＝k_C/k。其中η_A＝1。

则可以利用t时刻、x方向，v_x-x关系图，如图2所示:

通过图示可以发现，三个区域离膨胀点的距离从远到近为：A、B、C区。此时利用参考点来确定系数时，首先要判断该参考点位于哪一个区域中，假设位于j区中，x轴向速率因数为η_j，x轴向速率系数：k_j。利用三个区域的速率系数比例反求出每个区域中的速率系数。K_i为：

$k_i=\frac{f\left(i\right)}{{\mathrm{\&eta;}}_j}*k_j,f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&eta;}}_A,& i=A\\ {\mathrm{\&eta;}}_B,& i=B\\ {\mathrm{\&eta;}}_C,& i=C\end{array}\right.$

由此完成模型的建立。通过该模型可以更精确的模拟肺上所有点的运动。

3.3总结

综上所述，动态分段线性模型是线性形变模型的升级。整个肺的运动可以分为三个不同速率系数的区域，快速计算参考点的事实移动速率后，即可实时地描述肺任意一点的运动，解决了肺部手术导航中肺动态形变这一难题。

4.计算病灶移动速度

本发明结合临床双针法使用，即在参考针的基础上，用穿刺针找到病灶位置。该方法可以利用参考针实时地反应整个肺的运动状况，首先利用上述模型计算参考针的移动速率。由于前面已确定病灶及参考针位置分区(A，B，C)，即可通过三种不同的计算公式快速地计算出病灶的移动速度。

具体实施方式

1.通过CT扫描，查看肺部病灶位置，在近似区域选择合适部位，插入参考针。

2.再次进行CT扫描，获得并读入一组三维图像。图像解析度分别为512×512×265，像素间距为0.714844毫米，切片间距为1.0毫米。

3.通过区域增长。选取某一肺实质作为种子，将在某一灰度范围内的体素置为1，其余体素置为0，从而将肺数据从其他数据中分离。

4.实时计算参考点的坐标及移动速度。本发明通过建立的分段动态模拟肺部形变的模型，可以实时地计算参考点的坐标(x,y,z)，确定在哪一个分区(A、B、C区)。本发明定义质点在x、y、z轴上的移动速度分别为V_X、V_Y、V_Z。V由质点在一定时间间隔Δt内的位移来决定。

5.确定病灶的移动速度。在肺部手术导航系统的帮助下，可以同时得到参考针和病灶的位置坐标。通过本发明中的方法，可以计算出病灶的移动速度，即可更加精确地实时反应病灶的具体的位置，从而引导肺部穿刺手术。

系统运行于PC平台之上，操作系统为windows 7，实验所使用的PC的主要配置为：CPU为Inte Core I7 4790，GPU为NVIDIA GTX 780。导航使用的NDI Aurora电磁跟踪系统。试验精度可以满足临床需求。

Claims (6)

1.一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立三维坐标系；

分三段动态模拟肺部形变，以参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体位置。

2.根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，所述的数据分割具体为：选取某一肺实质作为种子，将在设定灰度范围内的体素置为1，其余体素置为0，从而将肺数据从整个腹部体数据中分离。

3.根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，所述的肺部膨胀的起点选取过程如下：

通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域，在该区域中选取一个经验点，即肺下部和肺上部形变差异的临界值，作为肺部膨胀的起点。

4.根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，所述的分三段动态模拟肺部形变具体为：

1)根据对临床数据的统计学分析，将单个肺分为形变速率有显著差异的三段线性模型，命名为A、B、C区，其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部；

2)对于这三个区域的形变程度，用三种速率系数来描述，且：k_A<k_B<k_C。

5.根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，所述的k_A：k_B：k_C＝1：1.2：1.5。

6.根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，所述的计算病灶移动速度具体为：在分段肺部形变模型的基础上，根据参考针的事实移动速率，以及参考针与病灶的空间坐标，即可计算病灶的移动速度。