CN106843694B - 三维图像处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维图像处理系统。该系统包括显示设备，向操作者呈现待处理的三维影像，且向操作者提供虚拟力源的工具，其中所述三维影像包括三维目标区域的至少一部分轮廓面，所述虚拟力源被配置为能形成虚拟力场；输入设备，接收操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源；处理设备，基于操作者设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而产生形变；其中，所述系统是三维勾画系统；所述三维影像是医学影像，所述三维目标区域是病灶区域。

Description

三维图像处理系统

技术领域

本发明主要涉及三维影像处理，尤其涉及一种三维区域的变形方法和三维图像处理系统。

背景技术

放射治疗(后文简称放疗)是指利用放射性同位素产生的射线和各类X射线治疗机或加速器产生的X射线、电子线、质子束以及其他粒子束等治疗肿瘤的一种方法。

放射治疗计划系统是放射治疗的重要组成部分。放射治疗计划的目的是尽可能地对靶区施行高剂量照射同时使周围正常组织所受影响最小。

现有的放射治疗系统，需要通过输入患者的医学影像(如CT影像)数据，利用计算机来设计出可用于直线加速器的治疗方案。完成一个治疗计划通常包括靶区和关键器官的勾画、计划布野和优化、剂量计算和计划验证等关键步骤。其中对感兴趣区域(ROI)——肿瘤区域的勾画往往是一项繁重的任务，而传统的勾画工具(如鼠标)往往达不到理想的勾画效果。具体地说，用传统勾画工具进行的勾画不仅精度难以保证，也不符合人们对勾画操作的使用习惯。整个勾画过程需要对每一层的序列图像勾画直到覆盖整个靶器官，更是使上述缺点更加明显，从而严重影响医师的工作效率。

目前已有一些开发者注意到这个问题，开始采用触控平板或触摸屏加电子笔的交互方式方便医师勾画ROI。但是这些新的勾画工具仍然受限于二维平面的交互方式，医师不得不在ROI的每一层都勾画一遍轮廓线，勾画效率仍然不高。

三维虚拟设备的出现提供了在三维空间勾画目标区域的可能，为此，一种可用的三维区域勾画方法和系统，对于三维医学影像或者其它三维影像的勾画是有益的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三维区域的变形方法和三维图像处理系统，可以提高勾画效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维区域变形的方法，包括以下步骤：向操作者呈现待处理的三维影像，所述三维影像包括三维目标区域的至少一部分轮廓面；向操作者提供虚拟力源的工具，其中，所述虚拟力源被配置为能形成虚拟力场；基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而可形变。

在本发明的一实施例中，所述虚拟力源包括引力点、排斥点和/或力线，其中，所述引力点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟引力场，用于使引力点周围的目标轮廓面趋于向所述引力点的方向变形；所述排斥点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟斥力场，用于使斥力点周围的目标轮廓面趋于远离所述斥力点的方向变形；所述力线，由至少两个引力点或者至少两个排斥点或者至少一个引力点和一个排斥点限定，其被配置为能在所述三维影像中形成连续延伸的虚拟力场，以使所述力线周围的目标轮廓面趋于连续地变形。

在本发明的一实施例中，在基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而可形变的步骤中，包括：基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而趋于形变，以及根据操作者的操作，将所述轮廓面形变为新的轮廓。

在本发明的一实施例中，在根据操作者的操作将所述轮廓面形变为新的轮廓的步骤中，所述操作者的操作为对轮廓面的拖曳。

在本发明的一实施例中，在基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而可形变的步骤中，包括：基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而形变。

在本发明的一实施例中，所述方法是勾画操作的一部分。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括向操作者展示所述三维影像的呈现参数。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括获得所述三维影像中的三维目标区域的初始轮廓面的步骤，包括：接收一特征点的选定；在所述特征点周围产生三维目标区域的所述初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括获得所述三维影像中的三维目标区域的初始轮廓面的步骤，包括：接收勾画者提供的粗略轮廓面作为所述初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

在本发明的一实施例中，所述引力点的属性包括引力衰减率，所述引力衰减率表征所述引力点的引力值随远离所述引力点的方向衰减的变化率；以及/或者所述排斥点的属性包括斥力衰减率，所述斥力衰减率表征所述排斥点的斥力值随远离所述排斥点的方向衰减的变化率。

在本发明的一实施例中，所述引力点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述引力点吸引造成的形变量；以及/或者所述排斥点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述排斥点排斥造成的形变量。

在本发明的一实施例中，当所述虚拟力源包括所述力线时，在所述操作者拖曳所述轮廓面的步骤中，使所述力线上的所有引力点和排斥点都参与虚拟力场计算。

在本发明的一实施例中，当所述虚拟力源包括所述力线时，在所述操作者拖曳所述轮廓面的步骤中，使所述力线上每个引力点和排斥点只对目标轮廓面位于该引力点和排斥点所在的垂直力面上的部分有虚拟力作用。

在本发明的一实施例中，通过三维虚拟设备向操作者呈现所述三维影像，并且通过三维输入设备接收操作者对虚拟力源的工具的操作。

在本发明的一实施例中，所述三维影像是医学影像，所述三维目标区域是病灶区域。

本发明还提出一种三维图像处理系统，包括显示设备、输入设备和处理设备。显示设备向操作者呈现待处理的三维影像，且向操作者提供虚拟力源的工具，其中所述三维影像包括三维目标区域的至少一部分轮廓面，所述虚拟力源被配置为能形成虚拟力场。输入设备接收操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源。处理设备基于操作者设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而产生形变。

在本发明的一实施例中，所述虚拟力源包括引力点、排斥点和/或力线，其中，所述引力点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟引力场，用于使引力点周围的目标轮廓面趋于向所述引力点的方向变形；所述排斥点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟斥力场，用于使斥力点周围的目标轮廓面趋于远离所述斥力点的方向变形；所述力线，由至少两个引力点或者至少两个排斥点或者至少一个引力点和一个排斥点限定，其被配置为能在所述三维影像中形成连续延伸的虚拟力场，以使所述力线周围的目标轮廓面趋于连续地变形。

在本发明的一实施例中，所述处理设备基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而趋于形变，以及根据操作者的操作，将所述轮廓面形变为新的轮廓。

在本发明的一实施例中，所述操作者的操作包括对轮廓面的拖曳，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓。

在本发明的一实施例中，所述处理设备基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而形变。

在本发明的一实施例中，所述系统是三维勾画系统。

在本发明的一实施例中，所述显示设备还向操作者展示所述三维影像的呈现参数。

在本发明的一实施例中，所述输入设备接收一特征点的选定，所述处理设备在所述特征点周围产生三维目标区域的初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

在本发明的一实施例中，所述输入设备接收勾画者提供的粗略轮廓面作为初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

在本发明的一实施例中，所述引力点的属性包括引力衰减率，所述引力衰减率表征所述引力点的引力值随远离所述引力点的方向衰减的变化率；以及/或者所述排斥点的属性包括斥力衰减率，所述斥力衰减率表征所述排斥点的斥力值随远离所述排斥点的方向衰减的变化率。

在本发明的一实施例中，所述引力点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述引力点吸引造成的形变量；以及/或者所述排斥点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述排斥点排斥造成的形变量。

在本发明的一实施例中，当所述虚拟力源包括所述力线时，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓的步骤中，使所述力线上的所有引力点和排斥点都参与虚拟力场计算。

在本发明的一实施例中，当所述虚拟力源包括所述力线时，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓的步骤中，使所述力线上每个引力点和排斥点只对目标轮廓面位于该引力点和排斥点所在的垂直力面上的部分有虚拟力作用。

在本发明的一实施例中，所述显示设备为三维虚拟设备，所述输入设备为三维输入设备。

在本发明的一实施例中，所述三维影像是医学影像，所述三维目标区域是病灶区域。

与现有技术相比，本发明允许勾画者在三维空间中直接进行目标区域的勾画，勾画效率比平面勾画高很多，而且勾画的目标区域的曲面平滑且贴合度好，另外目标区域的曲面非常直观，便于观察和修改。

附图说明

图1是本发明一实施例的三维影像处理系统的示意图。

图2是本发明第一实施例的三维区域变形的方法的流程图。

图3是本发明第一实施例的引力点工具示意图。

图4是本发明第一实施例的排斥点工具示意图。

图5是本发明第一实施例的引力线工具示意图。

图6是本发明第二实施例的三维区域变形的方法的流程图。

图7是本发明第二实施例的引力点工具示意图。

图8是本发明第二实施例的排斥点工具示意图。

图9是本发明第二实施例的引力线工具示意图。

图10是本发明第二实施例的目标轮廓面拖动示例。

图11是本发明第二实施例的目标轮廓面拖动示例。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本发明的实施例描述三维区域的变形的方法和三维影像处理系统。这一系统和方法允许在三维空间直接进行操作，因而提供了更有效率的交互方式。这一系统和方法可以让操作者针对各种三维影像进行处理。

根据本发明的一种实施例，首先向操作者呈现待处理的三维影像，供操作者在此三维影像上做勾画等操作。勾画操作的目的是勾勒出三维目标区域的封闭轮廓面。可以先形成三维影像中的三维目标区域的初始轮廓面，然后让勾画者在初始轮廓面的基础上对至少一部分轮廓面进行局部调整。根据本发明的实施例，向勾画者提供虚拟力源的工具，虚拟力源被配置为能形成虚拟力场。操作者通过组合使用各种虚拟力源的工具，在至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源。在系统内部动态地计算所述轮廓面受到来自虚拟力源的虚拟力场作用而产生的形变。系统可以及时地向操作者呈现形变后的轮廓面。

虚拟力源的工具包括引力点、排斥点和/或力线。引力点(Attraction Point)被配置为能在三维影像中形成虚拟引力场，用于使引力点周围的目标轮廓面趋于向引力点的方向变形。排斥点(Repulsion Point)被配置为能在三维影像中形成虚拟斥力场，用于使排斥点周围的目标轮廓面趋于远离斥力点的方向变形。力线，由至少两个引力点或者至少两个排斥点或者至少一个引力点和一个排斥点限定，其被配置为能在三维影像中形成连续延伸的虚拟力场，以使力线周围的目标轮廓面趋于连续地变形。

更具体来说，引力点会产生一个虚拟引力场，从而控制它所要作用的平面(后文称为目标轮廓面)的形变量和形变率。可以为引力点定义属性，例如：引力值和引力衰减率，以便产生合适的虚拟引力场。引力衰减率表征引力点的引力值随远离所述引力点的方向衰减的变化率。可以理解，引力点所产生的虚拟引力场类似现实中的引力。在虚拟引力场中，引力值随着与引力点的距离增大而降低。引力值和引力衰减率都可以调整的。另外，可以将目标轮廓面也作为引力点的属性，在设置引力点时就定义目标轮廓面。这样，可以更精确地确定引力点的作用范围。

与引力点相反，排斥点会产生一个虚拟斥力场，从而控制它所要作用的面(后文称为目标轮廓面)的形变量和形变率。可以为排斥点定义属性，例如：斥力值和斥力衰减率，以便产生合适的虚拟斥力场。斥力衰减率表征引力点的引力值随远离所述斥力点的方向衰减的变化率。在虚拟斥力场中，斥力值随着与斥力点的距离增大而降低。斥力值和斥力衰减率都可以调整的。另外，可以将目标轮廓面也作为斥力点的属性，在设置斥力点时就定义目标轮廓面。这样，可以更精确地确定斥力点的作用范围。

力线会沿着其延伸方向产生一个虚拟引力场，从而控制它所要作用的面(后文称为目标轮廓面)的形变量和形变率。力线的虚拟引力场是由力线上的各个引力点和/或排斥点综合产生。如前所述，引力线上各个引力点和/或排斥点的引力值和/或斥力值根据已知引力点和/或排斥点(可由操作者设定)的引力值和/或斥力值确定。允许操作者将已知引力点和/或排斥点作为要形成的力线的两端，也允许将已知引力点和/或排斥点放置在要形成的力线的中间。力线上的引力值和/或斥力值可以自动根据两端或中间的多个引力点和/或排斥点的值平滑地变化。这一变化的规律可以是线性变化或者非线性变化，并且线性或非线性变化的曲线也可以是多种多样的。允许操作者设置或者选择代表各种变化规律的函数，从而满足其需求。

图1是本发明一实施例的三维影像处理系统的示意图。参考图1所示，本实施例的三维影像处理系统可包括显示设备12、输入设备14和处理设备16。显示设备12主要用于向操作者提供操作的交互界面。为此，显示设备12能够向操作者呈现待处理的三维影像。例如是在交互界面上呈现此三维影像。查看此三维影像的视角、比例等参数是可以调整的，从而允许操作者旋转、缩放三维影像。较佳地，将三维影像的视角、比例也呈现在交互界面上。可在交互界面上向操作者提供操作所需的虚拟力源工具，例如引力点工具、排斥点工具和力线工具。

输入设备14接收操作者的操作，操作例如可以包括虚拟力源的设置，如前所述，虚拟力源包括引力点、排斥点和/或力线。具体地说，操作者可以在三维影像上设置引力点、排斥点和/或力线，从而目标轮廓面的形状在它们的作用下是可形变的。

处理设备16向显示设备12提供操作的交互界面，包括待处理的三维影像、查看三维影像的参数以及各种操作工具。处理设备16从输入设备14接收操作者的操作，从而动态地确定目标轮廓面的形状，并及时地向显示设备12输出。如前文所述，作为操作的起点，处理设备16会先获得三维影像中的三维目标区域的目标轮廓面，再根据操作中产生的虚拟力场，动态地确定目标轮廓面的形变。

在一种具体的实施场景中，前述三维影像可以是包括病人的感兴趣区域的三维影像；前述操作可以是对感兴趣区域的勾画操作；显示设备12和处理设备16可以是三维虚拟设备。其中，显示设备12是具有三维显示功能的显示屏，处理设备16是主机。显示设备12较佳地是带有三轴陀螺仪及位置感应功能，从而提供更好的交互体验。有许多商用的三维虚拟设备可以实施为本实施例的显示设备12和处理设备16的组合，在此不再展开。另外，输入设备14可以是对三维虚拟空间的手柄、感应手套、位置传感器或者手势交互设备。

通过上述的设备组合，操作者可以选择引力点、排斥点和/或力线，放置在目标轮廓面附近的位置，产生所需的虚拟力场。

图2是本发明第一实施例的变形方法的流程图。这一方法可以在图1所示的三维影像处理系统中实施。参考图2所示，本实施例的方法包括如下步骤：

在步骤21，呈现待处理的三维影像，所述三维影像包括三维目标区域的至少一部分轮廓面；

在步骤22，向操作者提供虚拟力源工具，该虚拟力源被配置为能提供虚拟力场，可选择地，该虚拟力源工具包括引力点工具、排斥点工具和/或力线工具；

在步骤23，基于操作者在目标轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，使目标轮廓面在虚拟力源的虚拟力场的作用下，是可形变的。

下面描述这一方法的一些示例性的细节。

在步骤21中，至少一部分轮廓面可以来自系统自动产生或者由操作者手动产生的初始轮廓面。举例来说，系统会接收一特征点的选定，然后在特征点周围产生三维目标区域的初始轮廓面。特征点的选定由操作者使用输入设备14输入，然后由处理设备16在特征点周围产生三维目标区域的初始轮廓面。处理设备16可以使用特征点周围的CT密度值来产生此初始轮廓面。在另一例子中，系统直接接收操作者提供的粗略轮廓面作为初始轮廓面。在此例子中，操作者使用输入设备14勾勒出粗略轮廓面，然后提供给处理设备16，作为初始轮廓面。

图3是本发明第一实施例的引力点工具示意图，其为一个三维场景的二维示意图。参考图3所示，初始轮廓面具有轮廓面30。操作者在轮廓面30附近设置引力点31，同时在轮廓面30上画一条曲线33以与轮廓面30封闭起来，作为边界，以使得该引力点31仅对边界33内的区域，即目标轮廓面32起作用。引力点31会产生一个虚拟引力场，从而控制目标轮廓面32的形变量和形变率。引力点31的属性中，引力值和引力衰减率都可以有预设值，并且允许操作者调整。例如当引力值变大时，目标轮廓面32的形变更加明显，反之亦然。又如，引力衰减率变大时，目标轮廓面32上与引力点31距离不同的点受到的引力值的差异更加明显，从而目标轮廓面32的各个位置的形变差异更加明显。引力点31可以包括形变速率属性供选择，同时界面内可以包括不同等级的累计时间供选择，其中累计时间的等级不同可以表示时间长度不同。因此，当选定了引力点31的形变速率以及特定等级的累积时间时，可以产生该目标轮廓面32的形变趋势以及形变结果。引力点31还可以包括形变量阈值属性，以使其形变量在阈值范围内。

引力点31造成的目标面形变量可以根据目标面所在的虚拟引力场分布而确定，引力点造成的虚拟引力场分布可用以下公式计算得出：

Field＝G/((alpha*r)^2)

在此Field为空间中某点的虚拟引力场值，G为引力点的引力值，alpha为衰减率，r为空间中点到引力点的距离。alpha和r的取值范围应为非0正数。不同的场景可分别定义自己的取值范围。

在此示例中，引力点31的位置也是可以调整的。当引力点31的位置调整后，其目标轮廓面32所受的虚拟引力场随之改变，从而目标轮廓面32的形变也随之改变。举例来说，可以令引力点31更靠近目标轮廓面32，从而让目标轮廓面32受到的虚拟引力更大，形变更加明显；反之，也可以令引力点31更远离目标轮廓面32，从而让目标轮廓面32受到的虚拟引力更小，形变更不明显。

图4是本发明第一实施例的排斥点工具示意图，其为一个三维场景的二维示意图。参考图4所示，初始轮廓面具有局部的轮廓面40。勾画者在轮廓面40附近设置排斥点41，画一条与局部轮廓面40封闭的曲线43作为边界，以使排斥点41仅作用于边界内的区域，即目标轮廓面42。排斥点41会产生一个虚拟斥力场，从而控制目标轮廓面4242的形变量和形变率。排斥点41的属性中，斥力值和斥力衰减率都可以有预设值，并且允许勾画者调整。例如当斥力值变大时，目标轮廓面42受到的形变更加明显，反之亦然。又如，斥力衰减率变大时，目标轮廓面42上与排斥点41距离不同的点受到的斥力值的差异更加明显，从而目标轮廓面42的各个位置的形变差异更加明显。

排斥点41造成的目标轮廓面42形变量可以根据目标轮廓面42所在的虚拟斥力场分布而确定，斥力点造成的虚拟斥力场分布可用以下公式计算得出：

Field’＝G’/((alpha*r)^2)

在此Field’为空间中某点的虚拟斥力场值，G’为斥力点的斥力值，alpha为衰减率，r为空间中点到引力点的距离。alpha和r的取值范围应为非0正数。不同的场景可分别定义自己的取值范围。

在此示例中，排斥点41的位置也是可以调整的。当排斥点41的位置调整后，其虚拟斥力场随之改变，从而目标轮廓面4242的形变也随之改变。举例来说，可以令排斥点41更靠近目标轮廓面42，从而让目标轮廓面42受到的虚拟斥力更大，形变更加明显；反之，也可以令排斥点41更远离目标轮廓面42，从而让目标轮廓面42受到的虚拟斥力更小，形变更不明显。

图5是本发明第一实施例的力线工具示意图。参考图5所示，初始轮廓面具有局部轮廓面50。当在局部轮廓面50附近定义排斥点51a、51b和引力点51c以设置力线51且选择作用目标轮廓面52后，力线51会产生一个虚拟力场，虚拟力场会沿着力线51的延伸方向，控制目标轮廓面52的形变量和形变率。排斥点51a、51b和引力点51c的属性中，引力值、斥力值、引力衰减率以及斥力衰减率都可以有预设值，并且允许操作者调整。力线51上其他点的引力或者斥力值可以自动根据多个点51a、51b和51c的值平滑地变化。

在本发明的实施例中，对力线计算力场分布可以有两种策略供操作者选择。一种策略是力线上的所有点都参与虚拟力场计算，即虚拟力场是力线上所有点的累计叠加的结果。另一种策略是力线上每个点只对对应的垂直力面(即，与力线垂直的平面上)上有力场作用，垂直力面之间通过平滑过渡。如图5所示，力线51上的各点只对目标面位于该点所在的垂直力面上的部分有引力或斥力作用。例如排斥点51b只对目标轮廓面52位于排斥点51b所在的垂直力面53上的部分，即线段52a起作用。后一种策略可以简化计算。

在本发明的各实施例中，同一个目标轮廓面可以被多个力源(包括引力点、排斥点和引力线)形成的合并力场同时作用，所以可以根据目标轮廓面的特征灵活的选用一个或多个力源。

在本发明的第一实施例中对引力点、排斥点以及力线等虚拟力源做了详细的描述，然而，可以理解，对于三维影像的目标轮廓面的变形而言，仅具有一种虚拟力源工具，例如引力点工具，也可以完成其变形操作。另外，对于病人的感兴趣区域的勾画操作的场景而言，通过上述工具还可以模拟感兴趣区域与重要器官之间的关系。例如，与感兴趣区域邻近的重要器官占据了一定的空间时，重要器官可以设置排斥点，即，表示感兴趣区域的自然生长朝向重要器官方向是受限的；反之，当感兴趣区域与重要器官之间具有间隙时，间隙处可以设置引力点，即，表示感兴趣区域的自然生长更倾向于朝向该间隙。

图6是本发明第二实施例的方法流程图。参考图6所示，本实施例的方法包括如下步骤：

在步骤61，向操作者呈现待处理的三维影像，其中，所述三维影像包括三维目标区域的轮廓面；

在步骤62，向操作者提供虚拟力源的工具，其中，虚拟力源被配置为能形成虚拟力场，示例性地，所述虚拟力源工具可以包括引力点工具、排斥点工具和/或力线工具；

在步骤63，基于操作者在轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源所造成的虚拟力场，使轮廓面在来自虚拟力源的虚拟力场的作用下是可形变的；

在步骤64，响应于操作者对目标轮廓面的操作，例如拖曳，根据虚拟力源，例如引力点、排斥点和/或力线，造成的虚拟力场，使目标轮廓面的形状动态地改变。

本实施例与前一实施例不同的是，操作者可以拖动目标轮廓面，例如朝向或者远离引力点、排斥点和/或力线移动，来动态地改变目标轮廓面的形状。可以理解，虚拟引力场或斥力场矢量(引力或斥力强弱向量)越大，则拖动目标轮廓面顺着虚拟引力场或斥力场矢量方向拖动产生的形变越剧烈，逆着虚拟引力场或斥力场矢量方向拖动形变越小。

图7是本发明第二实施例的引力点工具示意图，其为一个三维场景的二维示意图。参考图7所示，初始轮廓面具有局部的轮廓面70。在轮廓面70附近设置引力点71，同时画一条与局部轮廓面70封闭的曲线73作为边界，以使引力点71的虚拟力场仅作用在边界内的区域，即目标轮廓面72上。引力点71产生的虚拟引力场作用到目标轮廓面72上。当操作者对目标轮廓面72施加一个向着引力点71的拖曳74时，目标轮廓面72在拖动作用以及引力点的引力作用下发生形变。通常地，目标轮廓面72根据引力点71的引力属性(例如，引力值)和目标轮廓区域的形变属性(例如，形变率)发生形变，可以理解，目标轮廓区域的形变属性可以整合到引力点71的属性中。

图8是本发明第二实施例的排斥点工具示意图，其为一个三维场景的二维示意图。参考图8所示，初始轮廓面具有局部的轮廓面80。在轮廓面80附近设置排斥点81，同时画一条与局部轮廓面80封闭的曲线作为边界83，以使排斥点81的虚拟力场仅作用在边界内的区域，即目标轮廓面82上。排斥点41产生的虚拟斥力场作用到目标轮廓面82上。当操作者对目标轮廓面82施加一个远离排斥点81的拖曳84时，目标轮廓面82在拖动作用以及排斥点的斥力作用下发生形变。

图9是本发明第二实施例的力线工具示意图。参考图9所示，初始轮廓面具有局部轮廓面90。当在局部轮廓面90附近定义排斥点91a、91b和引力点91c以设置力线91且选择作用目标轮廓面92后。力线91会产生一个虚拟力场，虚拟力场会沿着力线91的延伸方向作用到目标轮廓面92上。当操作者对作用目标面92施加一个向着力线91的拖曳操作94时，目标轮廓面82在拖动作用和引力点的引力以及排斥点的斥力共同作用下发生形变。

图10是本发明第二实施例的目标轮廓面拖动的一个示例，其中该目标轮廓面从实线位置102拖动到虚线位置103。参考图10所示，更具体地说，在单一引力点101作用下，顺着引力场矢量方向拖动作用目标轮廓面102，目标轮廓面102上各个点移动的距离关系如下：

当拖动目标轮廓面102某点朝引力点101方向移动，在移动过程中的某个瞬间(注意瞬间的意思是在该点附近)移动的距离ds，假设拖动点的场强为f，另外一点的场强为0.3f，则对应的另外一点瞬间移动的距离为0.3*ds(可理解为该点场强小，所以受到的引力小，所以移动距离更小)，若要计算0.3f点沿场强方向的移动距离，则可根据场强的变化做积分处理得出整体目标面的位移距离。

因此有，顺着引力场或斥力场矢量方向拖动目标轮廓面上一点P1产生微小位移ds1，假设该点P1场强为f1，则对于该次拖动，在目标轮廓面上任意一点P2有：ds1*f2＝ds2*f1。因此在点P2产生的平面位移为：ds2＝ds1*f2/f1。

通过计算每个点的位置，计算目标轮廓面102移动到新的目标轮廓面103的位置。

图11是本发明第二实施例的目标轮廓面拖动的另一个示例，其中，该目标轮廓面从实线位置拖动到虚线位置。参考图11所示，在单一排斥点111作用下，逆着斥力场矢量方向推动目标轮廓面112，目标轮廓面112上各个点移动的距离关系如下：

当推动目标轮廓面某点朝向排斥点方向移动，在移动过程中的某个瞬间(注意瞬间的意思是在该点附近)移动的距离ds，假设拖动点的场强为f，另外一点的场强为0.3f，则对应的另外一点瞬间移动的距离为ds/0.3(可理解为该点场强小，所以受到的斥力小，所以移动距离更大)，若要计算0.3f点沿场强方向的移动距离，则需要根据场强的变化做积分处理得出整体目标面位移距离。

因此有，逆着引力场或斥力场矢量方向拖动目标轮廓面上一点P1产生微小位移ds1，假设该点场强为f1，则对于该次拖动，在目标轮廓面上任意一点P2有：ds1*f1＝ds2*f2。因此在P2产生的平面位移为：ds2＝ds1*f1/f2。

通过计算每个点的位置，计算目标轮廓面112移动到新的目标轮廓面113的位置。

假如有多个引力点和/或排斥点形成的力场g，拖动目标轮廓面移动的距离S，则可以首先算出每个引力点和排斥点造成的力场分布，然后叠加这些力场形成一个综合力场，最终可以拖动目标轮廓面在综合力场的作用下发生形变。

在处理拖动目标轮廓面在力线产生的力场作用下变化问题时可以仿照上面的方法，首先计算出力场分布，然后拖动目标轮廓面上某点，根据公式可以计算出目标轮廓面上任意点的位移距离。例如，可用有限元加差值算法计算出力场分布。

需要注意的是，拖动目标轮廓面进而产生形变的过程是非线性的(non-linear)，因为引力场或斥力场是非线性的，所以越接近力场密集区域(在这里一般情况下就是引力点、排斥点或力线本身)形变就会越快，也就是说目标轮廓面的形变是由操作者的拖动方向及距离与所在的力场共同决定的。并且，由于同一个目标轮廓面可以被多个引力源或斥力源形成的合并力场同时作用，所以可以根据平面的特征灵活的选用一个或多个引力源或斥力源。

本发明的实施例还允许操作者修正操作的错误。具体地说，如果拖动后用户发现目标轮廓面并不能很好符合预期，则可能是目标轮廓面选取不合理，需要修改的面没有包括进来或者包括的面过大，将应该按照另外的引力点或排斥点形变的面也放在了作用域里；或者可能是引力或斥力源的参数及放置的位置不合理。相应地，允许操作者重新选取目标轮廓面。尽量使目标轮廓面平滑过度。或者操作者可以直接选中引力源或斥力源调出参数菜单进行修改。例如更改位置，更改引力值或斥力值，更改引力衰减系数或斥力衰减系数等。同时操作者可以勾选自动重新计算，这样的话每次修改参数后目标轮廓面会自动重新计算出新的适形。

在医学影像中，如果目标轮廓面无法贴合肿瘤表面(即勾画误差过大)，可能是引力源或斥力源的参数及放置的位置不合理，所以形成的引力场或斥力场并不能很好的模拟肿瘤细胞的生长方向和速度，也可以直接选中力源调出参数菜单进行修改，然后可以勾选自动重新计算。

本发明上述实施例的三维区域变形的方法和三维图像处理系统具有以下优势：

1、允许勾画者在三维空间中直接进行目标区域的勾画，勾画效率比平面勾画高很多。

2、勾画的目标区域的曲面平滑且贴合度好。尤其是在医学影像中，引力源或斥力源可以模拟肿瘤细胞的生长方式，所以修改时曲面的变形方式也比较满足实际的肿瘤演化过程。

3、目标区域的曲面非常直观，便于观察和修改。借助三维虚拟设备，在三维空间中勾画后的目标区域曲面与预期区域(例如肿瘤区域)的比对非常容易，而且随着透明度，着色的调节，勾画者无需像在二维平面上那样一层一层的检查，而是可以直接在三维空间中立刻定位不满意的勾勒部分。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

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 (12)

1.一种三维图像处理系统，包括：

显示设备，向操作者呈现待处理的三维影像，且向操作者提供虚拟力源的工具，其中所述三维影像包括三维目标区域的至少一部分轮廓面，所述虚拟力源被配置为能形成虚拟力场；

输入设备，接收操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源；

处理设备，基于操作者设置的虚拟力源，使所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而产生形变；

其中，所述系统是三维勾画系统；所述三维影像是医学影像，所述三维目标区域是病灶区域。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟力源包括引力点、排斥点和/或力线，其中，所述引力点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟引力场，用于使引力点周围的目标轮廓面趋于向所述引力点的方向变形；所述排斥点被配置为能在所述三维影像中形成虚拟斥力场，用于使斥力点周围的目标轮廓面趋于远离所述斥力点的方向变形；所述力线，由至少两个引力点或者至少两个排斥点或者至少一个引力点和一个排斥点限定，其被配置为能在所述三维影像中形成连续延伸的虚拟力场，以使所述力线周围的目标轮廓面趋于连续地变形。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理设备基于操作者在所述至少一部分轮廓面的内部和/或外部设置的虚拟力源，所述轮廓面受到来自所述虚拟力源的虚拟力场作用而趋于形变，以及根据操作者的操作，将所述轮廓面形变为新的轮廓。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述操作者的操作包括对轮廓面的拖曳，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示设备还向操作者展示所述三维影像的呈现参数。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输入设备接收一特征点的选定，所述处理设备在所述特征点周围产生三维目标区域的初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输入设备接收勾画者提供的粗略轮廓面作为初始轮廓面，所述三维目标区域的至少一部分轮廓面来自所述初始轮廓面。

8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述引力点的属性包括引力衰减率，所述引力衰减率表征所述引力点的引力值随远离所述引力点的方向衰减的变化率；以及/或者

所述排斥点的属性包括斥力衰减率，所述斥力衰减率表征所述排斥点的斥力值随远离所述排斥点的方向衰减的变化率。

9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述引力点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述引力点吸引造成的形变量；以及/或者

所述排斥点的属性包括形变速率，所述形变速率表征单位时间内受所述排斥点排斥造成的形变量。

10.如权利要求4所述的系统，其特征在于，当所述虚拟力源包括所述力线时，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓的步骤中，使所述力线上的所有引力点和排斥点都参与虚拟力场计算。

11.如权利要求4所述的系统，其特征在于，当所述虚拟力源包括所述力线时，所述处理设备在根据所述拖曳操作将所述轮廓面形变为新的轮廓的步骤中，使所述力线上每个引力点和排斥点只对目标轮廓面位于该引力点和排斥点所在的垂直力面上的部分有虚拟力作用。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示设备为三维虚拟设备，所述输入设备为三维输入设备。

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