CN108510580A - 一种椎骨ct图像三维可视化方法 - Google Patents

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刘欢
王淼淼
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    • G—PHYSICS
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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Abstract

本发明公开了一种椎骨CT图像三维可视化方法，属于医学领域，为了弥补传统Marching Cubes算法在进行三维重建可视化的过程中，处理体素和等值点数量过多的问题，本发明提供一种椎骨CT图像三维可视化方法，在传统Marching Cubes算法理论基础之上进行改进，确定体素内三角面片剖分构型时，利用黄金分割方法计算等值面与体素棱边交点，将三角面片拟合成等值面，再计算三角面片的法向量，采用中心差分方法求解体素内8个顶点的梯度值，并通过可视化工具包VTK(Visualization Toolkit)完成显示、旋转、缩放等交互操作，实现透明、半透明可视化功能设置，以便于医生和研究人员能够从任意角度观察和分析，为观察椎骨内、外结构信息和后期的治疗、研究提供理论依据和技术支持。

Description

一种椎骨CT图像三维可视化方法
技术领域
本发明属于医学领域,特别涉及了椎骨临床外科和科学研究中一种椎骨CT图像三维可视化方法。
背景技术
Marching Cubes算法是三维重建可视化方法面绘制中经典的算法，原理简单、重建效率高，但其重建结果的质量和速度还有待进一步提高，国内外的研究人员相继提出了区间树硬件加速，提高算法处理效率，Lopes提出了提高绘制精度的方法，针对传统Marching Cubes算法在进行三维重建可视化的过程中，处理体素和等值点数量过多的问题还有待进一步改进，三维重建可视化的效果直接影响临床手术的成功率和科学研究的精确度，尤其在椎弓根螺钉精准置入手术中，对椎骨三维可视化过程的时间和精度都有更高的要求，所以，设计出一种更适合的椎骨CT图像三维可视化方法至关重要。
发明内容
本发明目标在于针对传统Marching Cubes算法在进行三维重建可视化的过程中，处理体素和等值点数量过多的问题，提供一种高效的椎骨CT图像三维可视化方法以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：
一种椎骨CT图像三维可视化方法，进行图像预处理后，在传统Marching Cubes算法基础之上进行改进，在确定体素内三角面片剖分构型时，利用黄金分割方法计算等值面与体素棱边的交点，即三角面片的顶点，将获得的三角面片近似拟合成等值面，为了使重建后的图像更加逼真加入光照模型，再计算三角面片的法向量，直接计算比较复杂，采用中心差分方法求解出体素内8个顶点的梯度值，并通过可视化工具包VTK (Visualization Toolkit)完成显示、旋转、缩放等交互操作，实现透明、半透明可视化功能设置，以便于医生和研究人员能够从任意角度观察和分析，为观察椎骨内、外结构信息和后期的治疗、研究提供理论依据和技术支持。
作为本发明优选：确定三角剖分构型时，利用黄金分割方法代替传统线性插值法，公共棱边上的顶点计算次数由4减少到1。
作为本发明优选：利用VTK进行个性化的可视化操作，并且可以根据操作者需要进行个性化功能设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：所述椎骨CT图像三维可视化方法，与传统Marching Cubes算法相比，在计算等值面与体素棱边交点过于冗杂的问题上进行相应改进，对于相邻体素，公共棱边只进行一次计算，这样在不影响绘制效果的同时，大大降低了处理时间，提高了算法的执行效率。
附图说明
图1为椎骨CT图像三维可视化方法流程图；
图2为四个相邻的体素三维结构示意图；
图3为重建结果示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的具体实施方案进行详细的说明，很明显，所说明的实施例只是本发明中的一部分，并不是全部实施例，对于本发明中的实施例，在本领域的普通技术人员在没有付出创造性劳动而获得的，都属于本发明所保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中：一种椎骨CT图像三维可视化方法，进行图像预处理后，在传统Marching Cubes算法基础之上进行改进，在确定体素内三角面片剖分构型时，利用黄金分割方法计算等值面与体素棱边的交点，即三角面片的顶点，将获得的三角面片近似拟合成等值面，为了使重建后的图像更加逼真加入光照模型，再计算三角面片的法向量，直接计算比较复杂，采用中心差分方法求解出体素内8个顶点的梯度值，并通过VTK完成显示、旋转、缩放等交互操作，实现透明、半透明可视化功能设置，以便于医生和研究人员能够从任意角度观察和分析，为观察椎骨内、外结构信息和后期的治疗、研究提供理论依据和技术支持。
具体的工作流程为：进行图像预处理后，在传统Marching Cubes算法基础之上进行改进，在确定体素内三角面片剖分构型时，利用黄金分割方法计算等值面与体素棱边的交点，即三角面片的顶点，将获得的三角面片近似拟合成等值面，为了使重建后的图像更加逼真加入光照模型，再计算三角面片的法向量，直接计算比较复杂，采用中心差分方法求解出体素内8个顶点的梯度值，并通过VTK完成显示、旋转、缩放等交互操作，实现透明、半透明可视化功能设置，以便于医生和研究人员能够从任意角度观察和分析，为观察椎骨内、外结构信息和后期的治疗、研究提供理论依据和技术支持。
1、确定三角面片顶点
传统的Marching Cubes算法中8个相邻的立方体中一个公共的顶点需要计算8次，四个相邻立方体中的一条公共棱边，需要计算4次，严重影响运算的速度，在确定等值面与棱边交点位置时利用棱边的黄金分割点来代替线性插值点，再分别计算交点的坐标，不需要进行重复计算，公共棱边计算次数由4减少到1，计算过程简化，时间降低，算法执行效率整体提高。
2、VTK可视化设置
VTK提供图像处理和可视化的能力，在VTK中，二维图像数据和三维体数据表示为vtkImagineData对象，VTK将常用的重建算法封装到类中用于三维重建，VTK类库作为一个开源可视化软件，可以根据不同研究需要进行相应的改进，对试验的成功至关重要。
利用VTK将三维重建可视化后的每一节椎骨根据不同需要，可以设定不同的不透明度，也可以将病灶区域所在的椎骨设置成透明，有利于观察椎骨内部结构，对后期的椎弓根螺钉置入轨迹分析至关重要。
通过改进的Marching Cubes移动立方体算法，进行椎骨CT图像三维可视化，经过测试获得实验结果，且效率更高。
上述描述清楚的说明了本发明的技术方案、流程及优势，本领域的技术人员显然理解，本发明不因上述实施例而受到限制，上述描述的实施例与说明书只是本发明的技术方案及原理并不代表全部，在不背弃本发明精神和内容的前提下，本发明进行相应算法的改进，都在本发明要求保护的范围之内，以特有的形式实现本发明的实验结果。本发明所保护的范围由所附的权利要求书及等同要件限定。

Claims (3)

1.一种椎骨CT图像三维可视化方法，进行图像预处理后，在传统Marching Cubes算法基础之上进行改进，在确定体素内三角面片剖分构型时，利用黄金分割方法计算等值面与体素棱边的交点，即三角面片的顶点，将获得的三角面片近似拟合成等值面，为了使重建后的图像更加逼真加入光照模型，再计算三角面片的法向量，直接计算比较复杂，采用中心差分方法求解出体素内8个顶点的梯度值，并通过可视化工具包VTK (VisualizationToolkit)完成显示、旋转、缩放等交互操作，实现透明、半透明可视化功能设置，以便于医生和研究人员能够从任意角度观察和分析，为观察椎骨内、外结构信息和后期的治疗、研究提供理论依据和技术支持。
2.根据权利要求1所述一种椎骨CT图像三维可视化方法,其特征在于，确定三角剖分构型时，利用黄金分割方法代替传统线性插值法，公共棱边上的顶点计算次数由4减少到1。
3.根据权利要求1所述一种椎骨CT图像三维可视化方法,其特征在于，利用VTK进行个性化的可视化操作，并且可以根据操作者需要进行个性化功能设置。
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