CN107016228A - 一种基于hmds的医学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于HMDS的医学成像系统，属于医学图像处理与科学计算可视化相结合的技术领域。该基于HMDS的医学成像系统包括本地医学成像装置、网络数据库、终端医学成像装置，其中该终端医学成像装置具有HMDS。本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统，实时动态渲染，并且其成像效果更加真实、立体、直观，并且，医生可以对三维成像进行定位缩放、旋转、“进入”、上下移动、特定区域颜色及透明度的改变等动作以实现三维成像的交互式展示。

Description

一种基于HMDS的医学成像系统
技术领域
本发明涉及医学图像处理与科学计算可视化相结合的技术领域，尤其涉及一种基于HMDS的实时动态渲染医学成像系统。
背景技术
现有技术中，医生通过CT(电子计算机断层扫描)、MRI(磁共振成像)、DTI(弥散张量成像)、PET(正电子发射型计算机断层显像)等技术获取病变组织的形态、位置、拓扑结构等信息。医生仍然采用观看阅读连续的二维切片数据，以此对患者的病变组织进行判断分析。然而，仅仅通过直接观看两维切片数据会严重影响到医生对疾病的诊断，医生不能获得直观、真实的三维体结构。随着医学成像技术的飞速发展，人们对医学成像提出了新的需求，比如，如何获取人体结构的3D可视化，如何实现3D可视化基础上的交互式图像展示等等。现有的三维人体成像由于内部没有有效成像数据，实为间接体绘制。图1为现有技术中间接体绘制三维人体成像效果图，如图所示，该三维人体成像仅具有外表渲染效果，其内部为黑色的无效数据，因此，无法看到内脏器官内的组织结构。
此外，在医学成像技术领域，如何建立本地用户(如医学成像系统的编辑人员)和终端用户(如医生)之间的联系，使终端用户能够在其终端实现三维人体图像的实时动态渲染。
有鉴于此，如何设计一种新的基于HMDS的医学成像系统，以消除现有技术中的上述缺陷和不足,满足人们新的需求，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
为了克服现有技术中医学成像系统的技术问题，本发明提供了一种基于HMDS的医学成像系统，其成像效果更加真实、立体、直观的三维人体的成像，并且，医生可以对三维成像进行定位缩放、旋转、“进入”、上下移动、特定区域颜色及透明度的改变等动作以实现三维成像的交互式展示。
为了实现上述发明目的，本发明公开了一种基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，包括一本地医学成像装置、一网络数据库、一终端医学成像装置，所述本地医学成像装置用于编辑形成一DICOM数据进行实时动态的直接体绘制所需的一数据信息，所述数据信息存储于所述网络数据库中，所述终端医学成像装置通过访问所述网络数据库获取所述数据信息，并对所述DICOM数据进行实时动态的直接体绘制，形成并显示一三维人体图像，所述本地医学成像装置和/或所述终端医学成像装置包括一头戴式显示器，所述头戴式显示器用于对所述三维人体图像进行3D显示。
更进一步地，所述数据信息为所述三维人体图像的传递函数结果。
更进一步地，所述数据信息包括人体内脏器官表面和人体内脏器官内的组织结构的传递函数结果。
更进一步地，所述数据信息包括一立方体空间的传递函数结果。
更进一步地，所述终端医学成像装置具有一外部输入端，用户通过所述外部输入端对所述三维人体图像进行操作动作。
更进一步地，所述操作动作为以下任一种操作动作：1)改变某器官/组织的颜色和/或透明度；2)缩放视图；3)旋转视图；4)剪切视图；5)上下移动视图。
更进一步地，所述本地医学成像装置和/或所述终端医学成像装置具有一显示器，用于显示所述三维人体图像。
更进一步地，所述本地医学成像装置通过所述显示器和/或所述HMDS显示所述三维人体图像。
更进一步地，所述终端医学成像装置通过所述显示器和/或所述HMDS显示所述三维人体图像。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：第一、人体成像效果更加真实、立体、直观，医生能够自动识别患者器官，辨识病灶；第二、实现三维成像交互式展示，医生可以对三维成像进行定位缩放、旋转视图以实现多角度观看、拉伸视图以“进入”人体内部进行观察、改变特定区域的颜色和/或透明度以突出显示某具体器官或组织结构；第三、通过HMDS(head-mounted displays set)，医学成像及三维立体空间更加清晰，能够看到二维无法观看到的死角，并且增加了互动性和沉浸感；第四、网络数据库和本地数据库共存，进行数据存储、共享、管理，优化资源配置；第五、通过专人专号设置，保证各个用户数据之间的安全独立性。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为现有技术中间接体绘制三维人体成像效果图；
图2是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的结构示意图；
图3是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的数据存储流程图；
图4是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的资源获取流程图；
图5-图9是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的终端医学成像装置显示器显示的效果图；
图10-图13是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的HMDS显示的效果图；
图14-图17是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的HMDS特殊显示的效果图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“上”、“下”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“HMDS”一词是指用于呈现虚拟现实(VR)的头盔式显示器(Head-mounted Displays Set)；“破损原始DICOM数据”是指为达到某个器官的显示效果，而进行人为的算法去除或者切割分离，破坏原始图像文件数据；“图源”是指解析原始DICOM文件生成的Texture2D/3D图像体数据，“医学成像装置”是指利用各种不同媒介作为信息载体，将人体内部的结构重现为影像的各种仪器，其影像信息与人体实际结构有着空间和时间分布上的对应关系。
本发明的目的在于提供一种基于HMDS的医学成像系统，实现医学成像实时动态渲染显示，其效果更加真实、立体、直观，并且，医生可以对三维成像进行定位缩放、旋转、“进入”、特定区域颜色及透明度的改变等动作以实现三维成像的交互式展示。
下面结合附图2-17详细说明本发明的具体实施例。
图2是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的结构示意图。如图所示，本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统主要包括：本地医学成像装置1、网络数据库3、终端医学成像装置2，其中：
本地医学成像装置1，其用于基于光盘驱动器所读取的原始DICOM数据，以医学图像算法为基础，进行三维体绘制，实现人体的三维立体效果。本发明所提供的本地医学成像装置1，其支持512*512像素，共4096张图像的读取编辑。
本地医学成像装置1中的光盘驱动器读取存储于光盘中的原始DICOM数据，自动读取存储于光盘中的CT(电子计算机断层扫描)、MRI(核磁共振)、DTI(弥散张量成像)、PET-CT(正电子发射型计算机断层显像)等信息，并进一步解析生成Texture2D/3D图像体数据。本地医学成像装置1依据患者、图像采集器、图像采集时间、拍片类型、器官的不同对Texture2D/3D图像体数据进行分类并存储于本地医学成像装置1的本地数据库中，生成唯一标识，具体为：在解析CT、MRI、DTI、PET-CT盘中所有DICOM数据时，由于其包含了多组医学图片信息，基于此，每个DICOM文件解析得到一相应的Series Number和Study ID值，根据解析第一张得到的Series Number和Study ID值作为一组，后续每解析一张得到的SeriesNumber和Study ID值要与前面解析过的组标识Series Number和Study ID值进行比较，当Series Number和Study ID值均与前面解析过的Series Number和Study ID值相同时，则为同组数据，不同则为新的DICOM数组，以此对DICOM体数据进行分类。需要说明的是，由于用来作为体数据渲染的图像组应该数据源越多越好，这样效果更加精细，光盘数据的图源数据和用来渲染的图像数据组的多少会影响最终渲染效果，因此，本地医学成像装置1会自动挑选出其中数据最多的一组图源进行解析，以供后续进行体绘制，进一步地，在自动挑选图源时，本地医学成像装置1还会优选层厚较薄的图源，该层厚范围优选为0.2-0.7mm。
本地医学成像装置1进一步通过反向渲染编辑器11进行编辑和实时动态体绘制，该编辑是在64位储存空间基础上进行的，并且，编辑人员通过观看实时体绘制效果反向调整编辑过程。需要说明的是，该反向渲染编辑正是要将现有技术中间接体绘制三维人体图像中的内脏器官内的组织结构体数据的3D空间的传递函数，反向渲染编辑出来。其中，
编辑，对Texture2D/3D图像体数据进行编辑，编辑形成三维人体图像的传递函数结果，如传递函数所需的立方编辑框与弧线编辑的数组数量、坐标、颜色、透明度等信息，该传递函数结果包括了人体内脏器官表面和人体内脏器官内的组织结构的传递函数结果，以及立方体空间的传递函数结果。
体绘制，即体可视化渲染。体可视化渲染主要包括面绘制(Surface Rendering)和直接体绘制(Direct Volume Rendering)两种方法，其中，面绘制(Surface Rendering)主要通过提取物体的表面信息，然后通过光照计算进行渲染得到具有立体效果的图像，其只利用了体数据中的部分信息来构成最终的绘制结果，无法得到整个体数据的全部信息，许多细节信息丢失，不利于结构的详细体数据分析，其可视化效果不佳；直接体绘制(DirectVolume Rendering)通过累积整个体数据中的体素的光学属性得到最终的绘制结果，该绘制结果更加完整、具体，视觉效果更佳。本发明所采用的体可视化渲染方式为直接体绘制方法，并且该体绘制为实时动态体绘制，体绘制的算法采用光线透射法，可以更好的反映体数据中的整体结构信息，并且，由于其绘制效果由体数据中所有体素所决定，所以可以反映体数据中的细节信息，如人体内脏器官内的组织结构，显示出的结构更加完整。此外，由于体绘制的计算过程涉及的计算量很大，因此，本发明的本地医学成像装置1内具有GPU，利用GPU高速并行运算功能实现直接体绘制，实时GPU渲染。
数据库，用于存储数据，具体包括网络数据库3和分别设置于本地医学成像装置1、终端医学成像装置2的本地数据库。其中，网络数据库3用于存储解析原始DICOM数据生成的Texture2D/3D图像体数据，以及本地医学成像装置1编辑得到的三维人体图像的传递函数结果。本地数据库同样可用于存储解析原始DICOM数据生成的Texture2D/3D数据，以及本地医学成像装置1编辑得到的三维人体图像的传递函数结果，此外，本地数据库的设置使得用户的保存动作可以随时发生，采用以精确到毫秒的本地系统时间为图像保存的标识依据之一，同时支持保存动作完成后回到3D模式下，用户可以对原有效果进行继续编辑，以方便用户在某次较佳图像效果的基础编辑下继续细节的调试，节省编辑时间，亦同时支持查看并找回上次编辑的三维人体图像的相关数据。
如图3所示的数据存储流程，本地医学成像装置1或终端医学成像装置2的用户在使用时，首先通过本地数据库进行备份、共享、管理，再进一步通过网络传入网络数据库3进行备份、共享、管理。其中，数据的存储为整体存储。此外，本领域的普通技术人员应当知悉，数据的存储亦可以进一步根据用户的需要进行分器官保存，以方便对编辑后三维人体图像数据的管理，优化数据配置。
终端医学成像装置2，即终端医学成像装置(通常为终端用户使用该终端医学成像装置，如医生)，不同于本地医学成像装置1之处在于，终端医学成像装置2无法进行编辑，其通过访问网络数据库获得渲染所需的数据，如三维人体图像的传递函数结果。该终端医学成像装置2具有显示器21(如计算机平面显示器)和内置的GPU，用于对解析DICOM数据生成的Texture2D/3D进行实时动态渲染并显示实时动态渲染后的三维人体图像，实时呈现多角度、局部缩放、镜头裁剪拉伸内部器官的观看效果。用户通过终端医学成像装置2进行图像的查看时，不仅可以看到实时动态渲染后的三维人体图像，而且可以看到该三维人体图像相对应的解析原始DICOM数据后生成的Texture2D/3D图像。
终端医学成像装置2还具有HMDS22，同样用于显示三维人体，实现三维人体图像和空间图像在用户操作动作下进行实时渲染，实时呈现多角度、局部缩放、镜头裁剪拉伸内部器官的观看效果。但不同于终端医学成像装置2的显示器21对三维人体数据的二维显示，HMDS22进行三维显示，呈现的是三维虚拟现实的图像，其更具真实性。为了防止观看者产生眩晕的感觉，该HMDS22的FPS设定为最低30FPS，最高60FPS，只有达到最低30FPS才可以添加HMDS。终端医学成像装置2在进行具体的图像显示时，用户可以选择显示器21和/或HMDS22进行显示。
上述操作动作是指用户通过终端医学成像装置2的一外部输入设备(23)，如鼠标、键盘等，对三维人体图像进行的操作控制，以实现人机交互，该操作动作包括但不限于：1)改变某个具体器官/组织的颜色和/或透明度，即用户可以进行单独器官的色彩和/或透明度调整，以实现器官与病灶边界线区分清晰辨识度高；2)定位缩放视图；3)旋转视图，实现三维人体图像的多视角360度观察；4)“进入”人体器官内部观察内部构造，实时剪切效果渲染；5)上下移动视图。
此外，由于用来作为体数据渲染的图像组应该数据源越多越好，这样效果更加精细，光盘数据的图源数据和用来渲染的图像数据组的多少会影响最终渲染效果，因此，终端医学成像装置2会自动挑选出其中数据最多的一组图源进行解析，并进一步渲染，同样地，在自动挑选图源时，终端医学成像装置2还会优选层厚较薄的图源，该层厚范围优选为0.2-0.7mm。终端医学成像装置2通过网络数据库3获得本地医学成像装置1编辑形成的传递函数结果，以实现实时动态渲染(Dynamic real time rendering)。
终端医学成像装置2可以通过网络访问网络数据库3获取图源，网络数据库3中的图源可以是来自于本地医学成像装置1，亦可以是来自于另一个终端医学成像装置2，举例说明，当两位医生A、B各自使用自己的终端医学成像装置2，医生A可以将图源上传至网络数据库3，供医生B获取，以实现两位医生的交互诊断。除此之外，终端医学成像装置2还可以通过设置一光盘驱动器，以直接读取解析光盘中DICOM文件生成Texture2D/3D图像体数据。
此外，在另一较佳实施例中，不同于现有技术中较常采用的“通过滤波操作消除图像数据中的噪声，提高图像的质量”，本地医学成像装置1和/或终端医学成像装置2在进行体绘制过程中，并不对图像进行滤波处理，以使得病灶边缘清晰易辨别，实现病灶的易识别。
需要说明的是，本发明所提供的原始DICOM数据的读取，均为不破坏原始图像文件DICOM体数据的读取方式，其区别于现有技术中破损原始DICOM数据的读取方式。本地医学成像装置1如同终端医学成像装置，亦可以进一步具有外部输入设备和/或显示器和/或HMDS12，用于进行图像显示。并且，本地医学成像装置1中的显示器和HMDS12、终端医学成像装置2中的显示器21和HMDS22均能实现三维人体图像放大至60倍进行显示，同时，根据用户的选择，将关闭光照的表现方式作为显示方式。
在另一较佳实施中，该医学成像系统具有专人专号设置，即当用户使用本地医学成像装置1对人体内脏器官成像效果进行更新深度的数据调整时，其通过使用其专有的账号进行本地医学成像装置1的登录，以实现各个用户数据之间的安全独立性。
本发明所提供的医学成像系统，其体绘制渲染采用了特殊的传递函数编辑效果，如：不同器官具有不同的颜色，形成真实的器官图像；需要观测的器官和病灶体采用原本色彩，其他器官采用蓝色作为组织色；三维人体图像包括人体内脏器官以及人体内脏器官内的组织结构。此外，不同用户可以对存储于网络数据库中的同一图源进行分别编辑。
本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统，在使用DICOM数据基础上研究特殊的传递函数算法使得器官边缘清晰合理以及病灶边界线区分清晰辨识度高，并且器官颜色、透明度的不同对比使得三维立体层次感更强，其为大数据研究算法的结果，使边缘线以点成形的效果呈现，而不是以面成形的效果呈现,因此通过本系统显示的图像可以达到最髙清晰可见度来识别病灶。
图4是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的资源获取流程图。如图所示，本地医学成像装置或终端医学成像装置通过光驱读取CT盘中的DICOM数据，根据CT盘的盘符判断此CT盘是否已经被读取，其中的DICOM数据是否已被解析。当CT盘已被读取，其中的DICOM数据已被解析，那么将不对该CT盘进行资源获取。当CT盘未被读取过，则进一步忽略已被建立的DICOM DIR，读取不含图像信息格式的DICOM数据；
进一步地，本地医学成像装置或终端医学成像装置自动挑选出含数据最多的一组DICOM数组进行读取，即并非读取所有的DICOM数组，从而获得CT片中患者信息(如姓名、性别、采集器官)以及CT图片信息，该CT图片信息通过本地数据库进行存储后，再存储至网络数据库中。此步骤中，CT图片信息若已生成相应的Texture 2D，将不被存储；
最后，将上一步骤中被存储的CT片中患者信息和CT图片信息进一步生成Texture3D，以供后续进行体绘制。
图10-图13是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的HMDS显示的效果图；图14-图17是本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统的HMDS特殊显示的效果图，该特殊显示是指，对感兴趣的器官或组织进行特殊对比处理，其通过反向渲染编辑器改变器官或组织的颜色和/或透明度实现。
与现有技术相比较，本发明所提供的基于HMDS的医学成像系统具有以下优点：第一、人体成像效果更加真实、立体、直观，医生能够自动识别患者器官，辨识病灶；第二、实现三维人体成像的交互式展示，医生可以对三维成像进行定位缩放、旋转视图以实现多角度观看、拉伸视图以“进入”人体内部进行观察、上下移动视图、改变特定区域的颜色和/或透明度以突出显示某具体器官或组织结构；第三、通过HMDS(head-mounted displays set)，医学成像更加清晰，能够看到二维无法观看到的死角，并且增加了互动性和沉浸感；第四、网络数据库和本地数据库共存，进行数据存储、共享、管理，优化资源配置；第五、通过专人专号设置，保证各个用户数据之间的安全独立性。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，包括一本地医学成像装置、一网络数据库、一终端医学成像装置，所述本地医学成像装置用于编辑形成一DICOM数据进行实时动态的直接体绘制所需的一数据信息，所述数据信息存储于所述网络数据库中，所述终端医学成像装置通过访问所述网络数据库获取所述数据信息，并对所述DICOM数据进行实时动态的直接体绘制，形成并显示一三维人体图像，所述本地医学成像装置和/或所述终端医学成像装置包括一头戴式显示器，所述头戴式显示器用于对所述三维人体图像进行3D显示。
2.如权利要求1所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述数据信息为所述三维人体图像的传递函数结果。
3.如权利要求2所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述数据信息包括人体内脏器官表面和人体内脏器官内的组织结构的传递函数结果。
4.如权利要求2所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述数据信息包括一立方体空间的传递函数结果。
5.如权利要求1所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述终端医学成像装置具有一外部输入端，用户通过所述外部输入端对所述三维人体图像进行操作动作。
6.如权利要求5所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述操作动作为以下任一种操作动作：1)改变某器官/组织的颜色和/或透明度；2)缩放视图；3)旋转视图；4)剪切视图；5)上下移动视图。
7.如权利要求1所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述本地医学成像装置和/或所述终端医学成像装置具有一显示器，用于显示所述三维人体图像。
8.如权利要求7所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述本地医学成像装置通过所述显示器和/或所述HMDS显示所述三维人体图像。
9.如权利要求7所述的基于HMDS的医学成像系统，其特征在于，所述终端医学成像装置通过所述显示器和/或所述HMDS显示所述三维人体图像。
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