CN105550985A - 器官腔壁展开方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种器官腔壁展开方法，包括以下步骤：一种器官腔壁展开方法，包括以下步骤：获得器官的掩膜和中心线；初始化中心线上的点的光线方向，包括判断掩膜是否存在粘连，如果存在，则去除粘连；将掩膜中的连通域分成若干片层；求出片层在三维坐标系上的主方向即第一方向、第二方向、第三方向；求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量；将初始法向量在第一方向和第二方向所在平面的投影结果赋值给光线方向的法向量、将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量；根据上述步骤获得的中心线及光线方向对腔壁进行采样，并将采样结果映射到二维平面，生成腔壁展开二维视图。如此设置，改善了腔壁展开效果。

Description

器官腔壁展开方法

技术领域

本发明涉及医学领域断层扫描(ComputedTomography，简称CT)图像的处理，尤其涉及一种基于光线投射的支气管、血管、结肠等管状器官的腔壁展开方法。

背景技术

结肠是人体重要的管腔器官,计算机断层扫描结肠成像(ComputedTomographyColonography,简称CTC)自1994年诞生之后，通过不断发展，目前已经成为检测结肠疾病常用的医学影像技术。CT结肠成像技术(CTC)与结肠镜有类似的作用，能对全结肠进行成像检查，且侵入性较低。在结肠CT图像后处理中，对肠壁进行展开是将结肠腔内3D视图转换为2D平面视图，从而方便观察比对结肠内部组织，发现结肠病变组织并进行显示，利于后续进一步的诊断治疗。

现有的肠壁展开技术主要分为三种，分别为线性光线投射技术、非线性光线投射技术以及局部光线投射技术。其中，非线性光线投射技术需要实时利用梯度场弯曲投射方向，运算量较大，运行速度慢。局部投射技术只能将展开的结果保存为视频供用户浏览，无法生成一整幅2D的视图。基于光线投射的肠壁展开算法，当结肠的弯曲角度很大时，容易出现因为射线初始方向不准确导致的展开图错误，和因为射线交叉导致展开图部分内容重复出现的问题。

综上所述，现有的肠壁展开方法需要加以改善，从而提升肠壁展开的速度和精度，满足医学诊断对肠壁图像的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种器官腔壁展开方法，用于改善腔壁展开的效果。

为了实现前述发明目的，本发明提供一种器官腔壁展开方法，包括以下步骤：

获得器官的掩膜和中心线；

初始化中心线上的点的光线方向，包括判断掩膜是否存在粘连，如果存在，则去除粘连；将掩膜中的连通域分成若干片层；求出片层在三维坐标系上的主方向即第一方向、第二方向、第三方向；求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量；将初始法向量在第一方向和第二方向所在平面的投影结果赋值给光线方向的法向量、将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量；

根据上述步骤获得的中心线及光线方向对腔壁进行采样，并将采样结果映射到二维平面，生成腔壁展开二维视图。

优选地，求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量的步骤之后还包括：判断是否完成遍历中心线上的点，如果没完成，则判断当前点是否在掩膜内，如果当前点在掩膜内，则将初始法向量在第一方向和第二方向所在平面的投影结果赋值给光线方向的法向量、将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量；如果当前点不在掩膜内，则将上一个点的光线方向法向量和切向量赋值给当前点；如果完成遍历中心线上的点，则输出中心线上所有点的光线方向初始化结果。

优选地，将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量的步骤中，当初始切向量与第三方向的夹角小于90度，则将第三方向赋值给光线方向的切向量；当初始切向量与第三方向的夹角大于90度，则将第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量。

优选地，其特征在于，求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量的步骤中，求出的初始法向量的旋转最小。

优选地，初始化中心线上的点的光线方向的步骤中，中心线上的某一点不在掩膜内时，将中心线上与某一点相邻的点的光线方向的法向量及切向量赋值给所述某一点。

优选地，将掩膜中的连通域分成若干片层的步骤包括：将所述中心线与掩膜中的连通域两端面的交点，分别作为起点和终点，并计算所述连通域内任一点与所述起点和终点之间的互补测地距离，根据计算得到的连通域的互补测地距离，将所述连通域分成具有预设距离间隔的所述若干片层。

优选地，所述器官腔壁展开方法还包括在初始化中心线上的点的光线方向的步骤完成之后进行的校正光线方向步骤。

优选地，校正光线方向步骤包括如下步骤：a、确定出中心线上第一个适合进行腔壁展开的中心点P0，此点之前的中心点的方向设定为P0的方向；b、得到各个中心点的腔壁展开方向；c、调整步骤b中没处理到的中心点。

优选地，步骤a中，对中心线上每个中心点在每一个角度上的射线，逐次增加一定的步长，当射线到达的位置的CT值大于特定阈值时，也就是位于器官腔壁上时，停止前进，射线到达的位置点作为此方向上的展开点，旋转360度，得到若干展开点，求出展开点和中心点之间的距离，如果距离最大值大于距离最小值的3倍，此点不是合适点，反之，此点作为合适的中心点，记为P0。

优选地，步骤b中包括：①选择P0作为前控制点，间隔一定中心点数选择后控制点；②检测前控制点和后控制点对应的展开面的交叉情况；③记前后两控制点之间的中心点为S，为距前控制点第j个的中心点；④把P_i+1作为P_i，P_i后的第n个中心点作为P_i+1，重复步骤②-④，直到P_i+1超出了末个中心点。

优选地，步骤③中，如果前后两控制点对应的展开面是不交叉的即情况为C0，则不进行方向校正，的各个射线方向通过前后控制面插值得到；前后两控制点对应的展开面是前交叉，此交叉情况记为C1；前后两控制点对应的展开面是后交叉，此交叉情况记为C2；前后两控制点对应的展开面是相互交叉，此交叉情况记为C3；如果是C1或C3，则前控制点逐次前移，判断新的前控制点和后控制点的交叉情况，直至为非C1和非C3情况，此时，情况为C0或C2，如果为C2，依据由近及远的原则，依次利用的切向量和法向量，作为P_i+1的切向量和法向量，并利用光线投射，计算出此方向下的展开面，并和P_i的展开面进行判断，直至调整为C0情况，然后P_i，P_i+1之间的中心点方向按上述插值得到。

优选地，步骤c包括：如果后一个控制点超出了末个中心点，则把后一个控制点设置为末个中心点，对后一控制点进行方向调整后，中间的中心点方向通过插值得到。

优选地，器官腔壁展开方法还包括输出腔壁展开二维视图的步骤。

本发明通过初始化中心线上的点的光线方向，提升了展开过程中所用的中心线上的点的光线投射方向即光线的初始方向的准确性，明显改善了腔壁展开的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中器官腔壁展开方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中连通域分成间隔预设距离的多个片层的示意图。

图3为本发明实施例中利用主成分分析出片层的主方向的示意图。

图4为本发明实施例中光线方向校正步骤中采用的控制点及中心点的示意图。

图5为本发明实施例中检测前控制点和后控制点对应的展开面的交叉情况的示意图。

图6a-6c分别为本发明实施例中前控制点和后控制点对应的展开面相互交叉、前交叉、后交叉的示意图。

图7为本发明实施例中光线方向校正步骤中初始调整的流程示意图。

图8为本发明实施例中光线方向校正步骤中主调整的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的一实施例中，腔壁为结肠的内壁，腔壁展开方法为肠壁展开方法，在其他可替代的实施例中，所述腔壁还可以为血管壁、气管壁等管状器官的内壁。

结肠CT图像的后处理通常包括以下步骤：

获得CT结肠数据：通过对受检者进行俯卧位和仰躺位进行两次扫描，得到符合DICOM((DigitalImagingandCommunicationsinMedicine，即医学数字成像和通信)3.0格式的CT结肠数据。

电子清肠：分离出结肠空腔内含有对比增强剂的残留液体。对比增强剂可以大幅提高结肠内残留液体的CT值，从而利于将结肠内残留液体和结肠组织区分开。

结肠分割：通常包括获取结肠的二维扫描横断面图像数据集；从所述二维扫描横断面图像中分割出结肠内的空气区域和液体区域；以分割出的液体区域内的液体点为种子点，反向探测空气点，判断是否丢失结肠段区域；如果是，则利用探测到的空气点为种子点，进行区域生长，补偿出丢失的结肠段区域，以完成结肠图像分割。结肠分割步骤中获得结肠掩膜(Mask)。

中心线提取；

肠壁展开；

息肉检测；

输出后处理结果。

本发明实施例中的肠壁展开方法包括以下步骤：

步骤S1：获得结肠掩膜(Mask)和中心线，步骤S1为业界熟知，不再赘述。

步骤S2：中心线上的点的光线方向初始化，点的光线方向是指点的切向量和法向量。

步骤S3：根据清肠后的数据，对光线方向进行校正。清肠后的数据，包括增强的结肠CT图像经过电子清肠算法将肠腔内液体部分移除后得到的图像，也包括患者服用药剂物理清肠后扫描的结肠CT图像。

步骤S4：生成肠壁展开2D视图。

步骤S5：输出肠壁展开2D视图。

步骤S2

中心线点光线方向初始化包括如下步骤：

a.针对结肠掩膜(Mask)，确认结肠掩膜是否存在粘连情况；如果存在，则去除粘连部分。

将所述中心线与掩膜中的连通域两端面的交点，分别作为起点和终点，并计算所述连通域内任一点与所述起点和终点之间的互补测地距离。

在具体实施中，采用如下的公式计算所述连通域内任一点与所述起点和终点之间的互补测地距离：

CGDF_AB(p)＝GDF_A(p)-GDF_B(p)；

其中，CGDF_AB为A、B与所选取的连通域内任一像素点p之间的互补测地距离，A、B分别为所述起点和终点，GDF_A(p)、GDF_B(p)分别为起点A和终点B与所选取的连通域内任一像素点p之间的测地距离场的值。

根据计算得到的连通域的互补测地距离，将所述连通域分成具有预设距离间隔的多个等距块。

在具体实施中，在计算得到A、B与所选取的连通域内任一像素点p之间的互补测地距离之后，通过设置相应的距离间隔，例如设置距离间隔为2-3个像素的长度，可以将所述连通域的互补测地距离场划分成为一系列的等距块(片层)，同一等距块中的像素具有一定范围内的互补测地距离。

利用PCA(principalcompomentanalysis)即主成分分析，计算具有一定厚度的片层的三个相互垂直的主方向(第一方向dir1、第二方向dir2、第三方向dir3)；一定厚度的片层由CGDF距离场取一定的距离间隔分隔而成。将片层中每个像素点的三维坐标作为该像素点的3个特征，由PCA出计算三个主方向。

b.对结肠中心线，根据中心线求出点的初始法向量N′和初始切向量T′，求出的初始法向量N′的旋转最小化，即中心线上相邻的两个点之间的法向量夹角最小化。

c.判断是否完成遍历中心线上的点，如果没完成，则判断当前点是否在结肠掩膜内，如果当前点在结肠掩膜内，则将初始法向量N′投影到对应的主方向第一方向dir1和第二方向dir2所在平面，并赋值给光线方向法向量N；然后，根据初始切向量T′确定是否翻转dir3的方向，并赋值给光线平面的切向量T，如果初始切向量T′与第三方向dir3的夹角小于90度，代表两个向量方向基本相同，则保持dir3不变，即第三方向dir3赋予切向量T，否则，翻转dir3，并将翻转后的dir3赋予切向量T。

如果当前点不在结肠掩膜内，则将上一个点的光线方向法向量N和切向量T赋值给当前点。

归一化当前点的法向量N和切向量T，归一化后向量N和T的长度为1。

然后转至步骤c。

步骤c中，如果判断完成遍历中心线上的点，则输出中心线上所有点的光线方向初始化结果。

步骤S3

所述光线方向校正包括如下步骤：

1)利用初始调整单元对光线方向进行初始校正，主要确定出中心线上第一个合适做肠壁展开的中心点P0，此点之前的中心点的方向设定为P0的方向。具体来说：以第一个中心点开始，把初始法向量绕初始切向量等角度旋转360度。为了描述方便，此案默认每个射线的角度都为1度。对中心线上每个中心点在每一个角度上的射线，利用光线投射算法，即逐次增加很小的步长，比如0.01mm，从清肠后的数据中得到此位置的CT值，当CT值大于-800HU，也就是位于肠壁上时，停止前进，此点作为此方向上的展开点，旋转360度，以间隔1度为例，则可以得到360个展开点，判断展开点和中心点之间的距离，如果最大值大于最小值的3倍，此点不是合适点，反之，此点作为合适的中心点，记为P0。

2)利用主调整单元对光线方向进行主校正，用以得到各个中心点的肠壁展开方向。具体来说：

①选择P0作为前控制点，间隔一定中心点数选择后控制点，如图4所示。本实施例中，间距设为50，即P0+50的中心点作为后控制点，对前控制点的360个初始方向进行光线投射，得到360个前展开点，对后控制点也进行每个初始方向的光线投射，得到360个后展开点。

②检测前控制点和后控制点对应的展开面的交叉情况。如图5所示，P_i为前控制点，P_i+1为后控制点，T为初始切向量，B_i(k)为前控制点的第k个展开点，B_i+1(k)为后控制点的第k个展开点，Q_i(k)为后控制点上的第k个展开点与前控制点的连线方向，即B_i+1(k)-P_i,W_i+1(k)为前控制点的第k个展开点与后控制点的连线方向，即B_i(k)-P_i+1。

如果T_i*Q_i(k)＜0,且-T_i+1*W_i+1(k)＜0,则前后两控制点对应的展开面是相互交叉，此交叉情况记为C3；如果T_i*Q_i(k)＜0，-T_i+1*W_i+1(k)＞＝0,则前后两控制点对应的展开面是前交叉，此交叉情况记为C1；如果T_i*Q_i(k)＞＝0，-T_i+1*W_i+1(k)＜0,则前后两控制点对应的展开面是后交叉，此交叉情况记为C2；其它情况，前后两控制点对应的展开面是不交叉的，此情况记为C0。三种交叉情况如图6a-6c所示。

③记前后两控制点之间的中心点为S，为距前控制点第j个的中心点，即前控制点之后的第j个中心点。如果是C0，则不进行方向校正，的各个射线方向通过前后控制面插值得到。如公式(1)所示。为距前控制点第j个中心点的第k个方向。

对于距前控制点j的中心点的第k个展开方向，通过前后两个控制点的线性插值得到，t为前后两个控制点之间的距离，方向由此值减去中心点确定。

$R_j^i\left(k\right)=\left(\frac{t-j}{t}{B}_i\right(k)+\frac{j}{t}{B}_{i+1}\left(k\right))-S_j^i---\left(1\right)$

如果是C1或C3，则前控制点逐次前移，判断新的前控制点和后控制点的交叉情况，直至为非C1和非C3情况，此时，情况为C0或C2，如果为C0，按上述处理，如果为C2，依据由近及远的原则，依次利用的切向量和法向量，作为P_i+1的切向量和法向量，并利用光线投射，计算出此方向下的展开面，并和P_i的展开面进行判断，直至调整为C0情况，然后P_i，P_i+1之间的中心点方向按上述插值得到。

④把P_i+1作为P_i，P_i后的第50个中心点作为P_i+1，重复②-④，直到P_i+1超出了末各中心点。

3)利用末端调整单元对光线方向进行最后校正，主要处理主调整单元没处理到的中心点。如果后一个控制点超出了末个中心点，则把后一个控制点设置为末个中心点，对后一控制点进行方向调整后，中间的中心点方向进行插值得到。

步骤S4

生成肠壁展开2D视图包括如下步骤：根据步骤S3中确定的中心点及光线方向对肠壁进行采样，并将采样结果映射到二维平面，即生成肠壁展开后的2D视图。

本发明上述实施例的肠壁展开方法可以在例如计算机软件、硬件或计算机软件与硬件的组合的计算机可读取介质中加以实施。对于硬件实施而言，本发明中所描述的实施例可在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。在部分情况下，这类实施例可以通过控制器进行实施。

对软件实施而言，本发明中所描述的实施例可通过诸如程序模块(procedures)和函数模块(functions)等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块执行一个或多个本文中描述的功能和操作。软件代码可通过在适当编程语言中编写的应用软件来加以实施，可以储存在内存中，由控制器或处理器执行。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种器官腔壁展开方法，包括以下步骤：

获得器官的掩膜和中心线；

初始化中心线上的点的光线方向，包括判断掩膜是否存在粘连，如果存在，则去除粘连；将掩膜中的连通域分成若干片层；求出片层在三维坐标系上的主方向即第一方向、第二方向、第三方向；求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量；将初始法向量在第一方向和第二方向所在平面的投影结果赋值给光线方向的法向量、将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量；

根据上述步骤获得的中心线及光线方向对腔壁进行采样，并将采样结果映射到二维平面，生成腔壁展开二维视图。

2.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量的步骤之后还包括：判断是否完成遍历中心线上的点，如果没完成，则判断当前点是否在掩膜内，如果当前点在掩膜内，则将初始法向量在第一方向和第二方向所在平面的投影结果赋值给光线方向的法向量、将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量；如果当前点不在掩膜内，则将上一个点的光线方向法向量和切向量赋值给当前点；如果完成遍历中心线上的点，则输出中心线上所有点的光线方向初始化结果。

3.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，将第三方向或者第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量的步骤中，当初始切向量与第三方向的夹角小于90度，则将第三方向赋值给光线方向的切向量；当初始切向量与第三方向的夹角大于90度，则将第三方向的反方向赋值给光线方向的切向量。

4.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，求出中心线上的点的初始法向量及初始切向量的步骤中，求出的初始法向量的旋转最小。

5.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，初始化中心线上的点的光线方向的步骤中，中心线上的某一点不在掩膜内时，将中心线上与某一点相邻的点的光线方向的法向量及切向量赋值给所述某一点。

6.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，将掩膜中的连通域分成若干片层的步骤包括：将所述中心线与掩膜中的连通域两端面的交点，分别作为起点和终点，并计算所述连通域内任一点与所述起点和终点之间的互补测地距离，根据计算得到的连通域的互补测地距离，将所述连通域分成具有预设距离间隔的所述若干片层。

7.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，所述器官腔壁展开方法还包括在初始化中心线上的点的光线方向的步骤完成之后进行的校正光线方向步骤。

8.如权利要求7所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，校正光线方向步骤包括如下步骤：a、确定出中心线上第一个适合进行腔壁展开的中心点P0，此点之前的中心点的方向设定为P0的方向；b、得到各个中心点的腔壁展开方向；c、调整步骤b中没处理到的中心点。

9.如权利要求8所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，步骤a包括对中心线上每个中心点在每一个角度上的射线，逐次增加一定的步长，当射线到达的位置的CT值大于特定阈值时，也就是位于器官腔壁上时，停止前进，射线到达的位置点作为此方向上的展开点，旋转360度，得到若干展开点，求出展开点和中心点之间的距离，如果距离最大值大于距离最小值的3倍，此点不是合适点，反之，此点作为合适的中心点，记为P0。

10.如权利要求9所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，步骤b包括：①选择P0作为前控制点，间隔一定中心点数选择后控制点；②检测前控制点和后控制点对应的展开面的交叉情况；③记前后两控制点之间的中心点为S，为距前控制点第j个的中心点；④把P_i+1作为P_i，P_i后的第n个中心点作为P_i+1，重复步骤②-④，直到P_i+1超出了末个中心点。

11.如权利要求10所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，步骤③中，如果前后两控制点对应的展开面是不交叉的即情况为C0，则不进行方向校正，的各个射线方向通过前后控制面插值得到；前后两控制点对应的展开面是前交叉，此交叉情况记为C1；前后两控制点对应的展开面是后交叉，此交叉情况记为C2；前后两控制点对应的展开面是相互交叉，此交叉情况记为C3；如果是C1或C3，则前控制点逐次前移，判断新的前控制点和后控制点的交叉情况，直至为非C1和非C3情况，此时，情况为C0或C2，如果为C2，依据由近及远的原则，依次利用的切向量和法向量，作为P_i+1的切向量和法向量，并利用光线投射，计算出此方向下的展开面，并和P_i的展开面进行判断，直至调整为C0情况，然后P_i，P_i+1之间的中心点方向按上述插值得到。

12.如权利要求8所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，步骤c包括：如果后一个控制点超出了末个中心点，则把后一个控制点设置为末个中心点，对后一控制点进行方向调整后，中间的中心点方向通过插值得到。

13.如权利要求1所述的器官腔壁展开方法，其特征在于，器官腔壁展开方法还包括输出腔壁展开二维视图的步骤。