CN107204045A - 基于ct图像的虚拟内窥镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于CT图像的虚拟内窥镜系统，包括：图像采集模块，图像采集模块用于接收若干幅CT图像；图像处理模块，图像处理模块与图像采集模块通信连接，图像处理模块用于对图像采集模块传输的若干幅CT图像中的每幅CT图像进行平滑处理及边界处理；三维变换模块，三维变换模块与图像处理模块通信连接，三维变换模块用于将经图像处理模块处理后的每幅CT图像进行表面重建以得到特定三维图像；中心线提取模块，中心线提取模块与三维变换模块通信连接，中心线提取模块用于提取特定三维图像的中心线；以及漫游模块，漫游模块与三维变换模块及中心线提取模块通信连接，漫游模块用于控制虚拟相机于特定三维图像中以中心线为视点移动的轨迹进行漫游。

Description

基于CT图像的虚拟内窥镜系统
技术领域
本发明涉及一种医学影像处理系统，特别涉及一种医学影像三维可视化系统。
背景技术
随着现代医学成像技术的发展，现代医疗设备可以帮助医生不通过手术就能够对患者的内部器官或组织病变做出诊断。计算机X光断层扫描(computed tomography CT)、磁共振成像(magnetic resonance MR)可以产生出代表人体内部器官信息的数据。但是，这些数据往往不是以连续的三维形式给出的，它们形成的只是一系列的组织或器官的断面，因此只有经验丰富的医生才能够正确的重构出病人的内部器官和组织，这给诊断带来了很大的主观性。
虚拟内窥镜(Virtual endoscopy,VE)技术是随着医学影像技术计算机图像图形学及虚拟现实等学科的交叉与融合而逐步形成的一种独特的技术，是传统内窥镜技术的一种延伸，其主要是采用虚拟现实技术，涉及计算机图形学、科学计算可视化和医学影像等多个领域。虚拟内窥镜基于上述二维医学影像数据直接重建出人体管状或带腔器官(如胃肠道、呼吸道、血管等器官)的三维实体模型，然后模拟传统的内窥镜在虚拟3D内部空腔组织进行漫游观察，也可以用交互的方式在器官结构内部进行成像和检查，从而清晰地显示出人体器官和组织的复杂特征和整个空间定位关系，有助于医生做出正确的诊断。它无需向病人体内插入异物，极大地减轻了病人的痛苦，同时还能对常规内窥镜无法检查的区域进行检查，在医疗诊断及手术上有着重要的意义。通过虚拟内窥镜技术，内科医生可以获得更佳的影像化的解剖图，以全新的视角观察人体内部结构，如结肠、支气管、血管及其他器官。
虚拟内窥镜通过图像重建，计算机显示连续的空腔器官内腔结构视图，用户可以沿一定路径在这个虚拟的内部空腔做漫游观察，模拟传统的内窥镜检查过程，所看到的景象与用视频内窥镜观察到的一样，甚至还可以显示解剖结构的三维外观图像以及各个方位的切片图像。除此之外，虚拟内窥镜还可以提供传统的内窥镜所不具备的对视向、视角、视野、转换、照明等的观测、控制和选择功能，其视觉反馈定位和导航系统能确定操作者相对于实际的解剖结构的距离和位置。
至今，虚拟内窥镜技术仍处于初期临床实验阶段，目前的应用仅局限于教学、培训和设计治疗方案等少数领域，且处于初级研究阶段，但随着计算机和医学成像技术的飞速发展，虚拟内窥镜研究不仅有重要的理论意义，而且有着广阔的应用前景。
如中国专利申请公开第200910048616.5号揭示的一种三维心脏超声虚拟内窥镜系统，包含：数据采集单元，通过超声对心脏进行二维图像数据采集；图像预处理单元，对采集到的二维图像数据进行滤波处理和图像分割；三维视图重建单元，对经过预处理的图像数据进行三维视图重建；导航单元，设置一虚拟内窥镜视点，并允许该虚拟内窥镜视点在重建的三维视图中进行任意角度的观察；以及测量单元，对所观察的特定部位的数据进行测量和分析。然而，该专利申请的虚拟内窥镜系统仅仅是针对心脏超声重建，不适合对器官组织进行多深度、多角度的观察，不适合广泛推广应用。
又如中国专利申请公开第201010575814.X号揭示的一种虚拟内窥镜成像的数据处理方法，在该方法中，通过CT、MRI对人体进行扫描获得的成像数据，对图像进行分割，分离需要观察的图像，在此基础上运用递进网格算法进行三维重建，得到观察对象的空间数据。然而，该专利申请中公开的数据处理方法并未揭示虚拟内窥镜系统的整体组成和运行。
因此，提供一种能够对任意器官或组织进行检查，操作灵活、视觉逼真性高的虚拟内窥镜系统成为业内急需解决的问题。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种利用CT数据的具有高真实性及逼真性的基于CT图像的虚拟内窥镜系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其包括：图像采集模块，图像采集模块用于接收若干幅CT图像；图像处理模块，图像处理模块与图像采集模块通信连接，图像处理模块用于对图像采集模块传输的若干幅CT图像中的每幅CT图像进行平滑处理及边界处理；三维变换模块，三维变换模块与图像处理模块通信连接，三维变换模块用于将经图像处理模块处理后的每幅CT图像进行表面重建以得到特定三维图像；中心线提取模块，中心线提取模块与三维变换模块通信连接，中心线提取模块用于提取特定三维图像的中心线；以及漫游模块，漫游模块与三维变换模块及中心线提取模块通信连接，漫游模块用于控制虚拟相机于特定三维图像中以中心线为视点移动的轨迹进行漫游。
其中，本发明的虚拟内窥镜系统可用于任意器官或组织，优选地用于肝脏、肾脏或肠胃等器官或组织，特别地如直肠。
可选择地，每幅CT图像为来自特定器官取自不同截面的DICOM格式的CT图像。
可选择地，图像处理模块包括通信连接的图像预处理单元及轮廓提取单元，其中，图像预处理单元用于对每幅CT图像进行图像平滑处理及图像增强处理；轮廓提取单元用于检测经图像预处理单元处理后的每幅CT图像的轮廓边缘并提取目标轮廓线。
可选择地，图像预处理单元包括通信连接的图像平滑子单元及图像增强子单元，其中，图像平滑子单元用于对每幅CT图像的像素灰度值直接进行运算处理以滤除每幅CT图像中的噪声；图像增强子单元用于对经图像平滑子单元处理后的每幅CT图像进行尖锐化增强处理以增加每幅CT图像的边缘鲜明度
可选择地，轮廓提取单元包括依次通信连接的轮廓定位子单元、分割子单元、边界检测子单元、及边界确定单元，其中，轮廓定位子单元通过体积和灰度自动定位出每幅CT图像中的特定器官的边界位置，分割子单元通过B样条弹性配准每幅CT图像，利用自适应对每幅CT图像进行分割以得到分割部分图像，边界检测子单元通过微分算子法考察分割部分图像中的每个像素在任意邻域内灰度的变化，根据每个像素任意邻域一阶和/或二阶方向导数变化定位出目标轮廓边界点，边界确定单元通过依次搜索相邻的目标轮廓边界点并进行依次连接以获得确定的目标轮廓线。
可选择地，三维变换模块包括依次通信连接的轮廓匹配单元、轮廓拼接处理单元、轮廓插值单元、以及曲面拟合单元，其中，轮廓匹配单元用于在由边界确定单元确定的目标轮廓线圈定的若干个截面轮廓内，寻找不同的截面轮廓之间的顺序关系并进行匹配；轮廓拼接处理单元通过采用三角面片法构造至少三个不同的截面轮廓之间的表面以得到医学二维断层图像；轮廓插值单元用于在相邻的医学二维断层图像之间进行插值以实现各层的医学二维断层图像间结构的过渡；曲面拟合单元用于对相邻的医学二维断层图像之间的曲面进行平滑，并对若个层的医学二维断层图像进行拟合形成最终重建曲面以得到特定三维CT图像。
可选择地，中心线提取模块包括：依次通信连接的边界距离场建立单元、中心路径初步确认单元及中心点处理单元，其中，边界距离场建立单元用于在特定三维CT图像中建立相应的边界距离场；中心路径初步确认单元用于根据边界距离场得到若干个初始中心路径点；中心路径点处理单元用于将相邻的初始中心路径点依次连接形成中心路径。
可选择地，边界距离场建立单元包括：通信连接的体素点分类子单元及体素点赋值子单元，其中，体素点分类子单元用于将目标体素点分为若干个边界体素点、内部体素点和背景体素点；体素点赋值子单元用于对边界体素点、内部体素点和背景体素点进行赋值。
可选择地，中心路径初步确认单元在获得初始中心路径点后，依次对全部初始中心路径点进行可视性检查得到中心点。
可选择地，漫游模块包括投影变换单元及参数输入单元，其中，投影变换单元用于在特定三维图像中建立三维图像数据坐标系、虚拟相机坐标系及像平面坐标系，参数输入单元用于设定起始点参数、终止点参数、及原点参数以控制虚拟相机根据参数沿着中心路径进行漫游。
可选择地，虚拟相机的漫游方式分为自动漫游、手动漫游和引导式漫游，虚拟相机漫游经过中心线路径保存于系统内并进行连续回放。优选地，虚拟相机的漫游方式为引导式漫游。
其中，引导式漫游是由用户设定漫游的起点和终点，系统根据器官模型和用户设定的信息完成漫游的一种半自动漫游方式。采用引导式漫游时，虚拟相机可以自动地沿着事先计算好的路径从起始点移动到目标点，同时观察者可以在任何时候校正相机位置和方向。
本发明的有益效果是：(1)、扩大了检查范围，能够对任意器官或组织进行检查，大大降低了检查难度，并能够减少意外事故的发生；(2)、操控灵活，用户可以任意调整观察的位置、视角方向、视图的大小、视图间的快速切换等，实现不同的观察效果，几乎可以观察器官内任意部位；(3)、提高了内窥场景的真实性和视觉逼真性，并且得到扫描数据后，可以多次使用；(4)、为用户提供逼真的三维医学图像，对器官组织进行多深度、多角度的观察，并可以有效参与数据的处理和分析过程。
附图说明
图1为本发明的基于CT图像的虚拟内窥镜系统的构造示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参照图1，作为一种非限制性实施方式，本发明的基于CT图像的虚拟内窥镜系统包括：图像采集模块100、图像处理模块200、三维变换模块300、中心线提取模块400以及漫游模块500。
图像采集模块100接收为来自特定器官取自不同截面的DICOM格式的CT图像。
图像处理模块200包括图像预处理单元210及轮廓提取单元220。具体来讲，图像预处理单元210包括图像平滑子单元2101及图像增强子单元2102。其中，图像平滑子单元2101对每幅CT图像的像素灰度值直接进行运算处理，从而滤除每幅CT图像中的噪声。而图像增强子单元2102则对经图像平滑子单元2101处理后的每幅CT图像进行尖锐化增强处理，从而增加每幅CT图像的边缘鲜明度。轮廓提取单元220则包括轮廓定位子单元2201、分割子单元2202、边界检测子单元2203、及边界确定单元2204。其中，利用轮廓定位子单元2201定位出每幅CT图像中的特定器官的边界位置。分割子单元2202对每幅CT图像进行分割，从而得到若干个分割部分图像。边界检测子单元2203对若干个分割部分图像中的每个分割部分图像的目标轮廓边界点进行定位。边界确定单元2204则可以通过依次搜索相邻的目标轮廓边界点并进行连接，从而获得确定的目标轮廓线。
三维变换模块300包括轮廓匹配单元310、轮廓拼接处理单元320、轮廓插值单元330以及曲面拟合单元340。具体来讲，轮廓匹配单元310可在由边界确定单元2204确定的目标轮廓线圈定的若干个截面轮廓内，寻找不同的截面轮廓之间的顺序关系并进行匹配。轮廓拼接处理单元320用于构造至少三个不同的截面轮廓之间的表面，从而得到若干层的医学二维断层图像。轮廓插值单元330则在相邻的医学二维断层图像之间进行插值，实现各层的医学二维断层图像间结构的过渡。曲面拟合单元340对相邻的医学二维断层图像之间的曲面进行平滑，并对若个层的医学二维断层图像进行拟合形成最终重建曲面，从而得到特定三维CT图像。
中心线提取模块400包括边界距离场建立单元410、中心路径初步确认单元420及中心点处理单元430。
具体来讲，边界距离场建立单元410包括体素点分类子单元4101及体素点赋值子单元4102，其中，体素点分类子单元4101用于将目标体素点分为若干个边界体素点、内部体素点和背景体素点，体素点赋值子单元4102则对边界体素点、内部体素点和背景体素点进行赋值，所有的背景体素点的边界距离赋值为0，所有的边界体素点的边界距离赋值为1，而剩余的内部体素点的边界距离则赋值为∞。
中心路径初步确认单元420用于根据边界距离场得到若干个初始中心路径点，其在获得初始中心路径点后，依次对全部初始中心路径点进行可视性检查得到中心点。中心路径点处理单元430则将相邻的初始中心路径点依次连接形成中心路径。
漫游模块500包括投影变换单元510及参数输入单元520，其中，投影变换单元510用于在特定三维图像中建立三维图像数据坐标系、虚拟相机坐标系及像平面坐标系。利用参数输入单元520设定起始点参数、终止点参数、及原点参数，从而可以控制虚拟相机根据参数沿着中心路径进行漫游。
由此，用户可以将CT图像输入本发明的基于CT图像的虚拟内窥镜系统中，系统会自动的将CT图像转换为对应的三维立体图像，同时对应地生成三维立体图像中的中心线，以该中心线作为移动的轨迹，引导虚拟相机沿其漫游，实现了逼真的三维医学图像，同时可对器官组织进行多深度、多角度的观察。
尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。此外，本发明中的温度、浓度或时间等参数可以根据具体使用条件在本发明所公开的范围内适当选取。

Claims (10)

1.一种基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，所述图像采集模块用于接收若干幅CT图像；
图像处理模块，所述图像处理模块与所述图像采集模块通信连接，所述图像处理模块用于对所述图像采集模块传输的所述若干幅CT图像中的每幅CT图像进行平滑处理及边界处理；
三维变换模块，所述三维变换模块与所述图像处理模块通信连接，所述三维变换模块用于将经所述图像处理模块处理后的所述每幅CT图像进行表面重建以得到特定三维图像；
中心线提取模块，所述中心线提取模块与所述三维变换模块通信连接，所述中心线提取模块用于提取所述特定三维图像的中心线；以及
漫游模块，所述漫游模块与所述三维变换模块及所述中心线提取模块通信连接，所述漫游模块用于控制虚拟相机于所述特定三维图像中以所述中心线为视点移动的轨迹进行漫游。
2.如权利要求1所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述每幅CT图像为来自特定器官取自不同截面的DICOM格式的CT图像。
3.如权利要求2所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述图像处理模块包括通信连接的图像预处理单元及轮廓提取单元，其中，
所述图像预处理单元用于对所述每幅CT图像进行图像平滑处理及图像增强处理；
所述轮廓提取单元用于检测经所述图像预处理单元处理后的所述每幅CT图像的轮廓边缘并提取目标轮廓线。
4.如权利要求3所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述图像预处理单元包括通信连接的图像平滑子单元及图像增强子单元，
其中，所述图像平滑子单元用于对所述每幅CT图像的像素灰度值直接进行运算处理以滤除所述每幅CT图像中的噪声；
所述图像增强子单元用于对经所述图像平滑子单元处理后的所述每幅CT图像进行尖锐化增强处理以增加所述每幅CT图像的边缘鲜明度。
5.如权利要求3所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述轮廓提取单元包括依次通信连接的轮廓定位子单元、分割子单元、边界检测子单元、及边界确定单元，
其中，所述轮廓定位子单元用于定位出所述每幅CT图像中的所述特定器官的边界位置；
所述分割子单元对所述每幅CT图像进行分割以得到若干个分割部分图像；
所述边界检测子单元用于对所述若干个分割部分图像中的每个分割部分图像的目标轮廓边界点进行定位；
所述边界确定单元用于通过依次搜索相邻的所述目标轮廓边界点并进行连接以获得确定的目标轮廓线。
6.如权利要求1所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述三维变换模块包括依次通信连接的轮廓匹配单元、轮廓拼接处理单元、轮廓插值单元、以及曲面拟合单元，
其中，所述轮廓匹配单元用于在由所述边界确定单元确定的所述目标轮廓线圈定的若干个截面轮廓内，寻找不同的截面轮廓之间的顺序关系并进行匹配；
所述轮廓拼接处理单元用于构造至少三个不同的所述截面轮廓之间的表面以得到若干层的医学二维断层图像；
所述轮廓插值单元用于在相邻的所述医学二维断层图像之间进行插值以实现各层的所述医学二维断层图像间结构的过渡；
所述曲面拟合单元用于对相邻的所述医学二维断层图像之间的曲面进行平滑，并对若个层的所述医学二维断层图像进行拟合形成最终重建曲面以得到所述特定三维CT图像。
7.如权利要求1所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述中心线提取模块包括：依次通信连接的边界距离场建立单元、中心路径初步确认单元及中心点处理单元，
其中，所述边界距离场建立单元用于在所述特定三维CT图像中建立相应的边界距离场；
所述中心路径初步确认单元用于根据所述边界距离场得到若干个初始中心路径点；
所述中心路径点处理单元用于将相邻的初始中心路径点依次连接形成中心路径。
8.如权利要求7所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述边界距离场建立单元包括：通信连接的体素点分类子单元及体素点赋值子单元，
其中，所述体素点分类子单元用于将目标体素点分为若干个边界体素点、内部体素点和背景体素点；
体素点赋值子单元用于对所述边界体素点、所述内部体素点和所述背景体素点进行赋值。
9.如权利要求7所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述中心路径初步确认单元在获得所述初始中心路径点后，依次对全部所述初始中心路径点进行可视性检查得到中心点。
10.如权利要求1所述的基于CT图像的虚拟内窥镜系统，其特征在于，所述漫游模块包括投影变换单元及参数输入单元，
其中，所述所述投影变换单元用于在所述特定三维图像中建立三维图像数据坐标系、虚拟相机坐标系及像平面坐标系，
所述参数输入单元用于设定起始点参数、终止点参数、及原点参数以控制所述虚拟相机根据参数沿着所述中心路径进行漫游。
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