CN110148208A - 一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以对数字人鼻咽部精准展示提高肿瘤放疗领域教学效果的数字人鼻咽部放疗模型构建方法，包括以下步骤，数字人3D模型构建步骤；虚拟肿瘤模型构建步骤；数字人3D放疗教学模型构建步骤。本发明的有益效果是，通过数字人鼻咽部放疗模型的构建以及对数字人鼻咽部模型肿瘤部位精准显示，可以在肿瘤放疗教学时，对数字人鼻咽部结构的三维形态和毗邻关系进行精准展示，对鼻咽癌的放疗计划进行教学演示，提高学员学习效果。

Description

一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，具体涉及一种数字人鼻咽部放疗教学模型构建方法。

背景技术

鼻咽部结构复杂，肿瘤形状不规则且多为浸润型，在肿瘤放疗教学领域向医学院的学生进行相关知识放疗教学时，传统放疗教学手段采用图片对人体鼻咽部结构进行展示，无法对人体鼻咽部结构的三维形态和毗邻关系进行精准展示，鼻咽癌的放疗计划教学演示效果差，不能让学生对肿瘤病变部位有直观的印象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可以对数字人鼻咽部精准展示的数字人鼻咽部放疗教学模型构建方法，包括以下步骤，

数字人3D模型构建步骤；

虚拟肿瘤模型构建步骤；

数字人3D放疗教学模型构建步骤。

进一步的，

所述数字人3D模型构建步骤包括，

采集数字人薄层切片图像，切片厚度为0.2mm，对数字人鼻咽部组织图像和数字人鼻咽部周围组织图像进行组织分割和边界提取，获取对应的二维二值化组织图像，采用面绘制算法对所述二维二值化图像进行面绘制，获取二维二值化组织图像对应的3D模型；

用不同伪彩色对鼻咽部组织图像及周围组织图像分别进行标识；

采用数字人鼻咽部组织图像伪彩色对数字人鼻咽部组织3D模型进行标识，采用数字人鼻咽部周围组织图像伪彩色对数字人鼻咽部周围组织3D模型进行标识，将数字人鼻咽部组织和数字人鼻咽部周围组织3D模型显示于同一坐标系中，得到数字人鼻咽部3D模型；

推荐剂量赋值步骤，包括，依据预设值对数字人鼻咽部3D模型组织进行推荐剂量赋值。

进一步的，

所述面绘制算法包括以下步骤,

A1：将二值化数据分层读入内存，扫描相邻两层数据，以上下两层临近的八个体素点组成体元,对体元顶点和边分别进行编号，顶点编号规则为以x、y、z方向上坐标最小的体素为基准体素，以基准体素的x、y、z索引作为该体元的x、y、z索引，以边对应的两个顶点的x、y、z索引为边的编号；

A2：每个体元中，用曲面S = {(x, y, z)：F(x, y, z) = Ft}表示虚实部分的等值面，将体元每个顶点的值与等值面S作比较，若顶点为实点则对应位为1，若顶点为虚点则对应位为0，构造该体元的状态表；

A3：根据体元状态表，得到与等值面有交点的体元边界；

A4：采用线性插值方法，获取体元边界与等值面的交点；

A5：采用中心差分方法，获取体元各交点处的法向量，采用线性插值法，求出三角形各顶点处的法向量；

A6：根据各三角面片各顶点的坐标值及法向量绘制等值面图像。

进一步的，

所述虚拟肿瘤模型构建步骤包括，

响应用户操作，获取3D空间中肿瘤中心点参数、长轴a参数、短轴b参数，构建虚拟椭球形肿瘤模型；

响应用户操作，实施鼻咽部肿瘤CT医学图像与数字人3D模型配准，生成数字人模型肿瘤案例库数据。

进一步的，

CT医学图像数据与数字人3D模型配准包括以下步骤；

B1：响应用户操作，选择CT医学图像与二维数字人图像最接近的两幅图像，作为待配准图像，以二维数字人图像作为参考图, CT医学图像作为浮动图，分别计算CT医学图像和二维数字人图像的中心点；

B2：对二维数字人图像进行几何坐标变换得到新区域； B3：通过插值方法得到CT医学图像在B2步骤新区域的坐标；B4：计算数字人数字图像和CT医学图像之间的相似度；B5：对相似度函数不断迭代，当相似性测度值达到设定的预期值或者设定的迭代上限时，停止迭代并得到最终变换参数；

B6：分割CT医学图像中的肿瘤图像，根据步骤B5的变换矩阵对肿瘤图像作变换， 将肿瘤分割序列图像与二维数字人图像分别进行三维重建，并显示在同一三维坐标系统中。

进一步的，

所述数字人3D放疗教学模型构建步骤包括，

建立二维数字人医学图像与3D模型坐标映射关系步骤；

靶区勾画步骤；

不规则靶区重建步骤。

进一步的，

建立二维数字人医学图像与数字人3D模型坐标映射关系步骤包括，

将二维数字人医学图像横坐标x映射到三维坐标系的X轴，二维数字人医学图像的纵坐标y映射到三维坐标系的Y轴，将数字人图像的层厚数据和层数数据转换后映射到三维坐标系的Z轴，建立二维数字人图像与数字人3D模型一一对应的坐标映射；

在本发明实施过程中，数字人影像的层厚Slice thickness和层数Nums换算后作为三维坐标系的Z轴，即 z= Slice thickness *Nums/0.2mm；

所述靶区勾画步骤包括，响应用户操作，在二维数字人医学图像上设置任意形状靶区，依次在二维数字人医学图像上区分出X线照射区、安全边界以及非放射区，用不同的伪彩色对照射区、安全边界以及非放射区分别进行标识；

所述不规则靶区重建步骤包括，采用面绘制算法分别对所述照射区、所述安全边界二值化数据进行三维重建，并与数字人3D模型鼻咽部显示在同一坐标系中，得到数字人鼻咽部教学模型。

进一步的，

所述在二维图像上设置任意形状靶区具体包括，

采用lineto工具在屏幕上标定多个非连续点，对非连续点进行二次样条插值，插值后点组成封闭曲线形成新的屏幕坐标，经过平移变换，屏幕坐标转化成横断面窗口坐标，得到单张图像的靶区勾画结果。

本发明的有益效果是，

本发明数字人切片厚度薄，精度高，通过建立标准数字人体鼻咽部精准结构，构建数字人3D模型放射靶区，可以实现数字人鼻咽部精准展示，提高肿瘤领域放疗教学效果。

附图说明

图1为本发明一实施例数字人鼻咽部模型构建方法流程图。

具体实施方式

在本发明的实施过程中需要采集以下数据，数字人薄层厚度0.2mm，鼻咽部组织及周围组织名称（脑干、脊髓、喉、眼球、晶状体、内耳、中耳、视交叉、视神经、腮腺、颞叶、垂体、颞下颌关节、口腔、颌下腺、甲状腺、海马、咽索肌）、鼻咽部肿瘤常见好发部位(咽隐窝)。

在本发明实施过程中，可视化人体图像( 即数字人)数据采集方式是，将一标准的中国健康尸体标本，经血管灌注、明胶包埋等前期处理后，被放入深低温冰槽冰冻，然后在零下25度低温实验室中用数控铣床从头到脚逐层进行铣切。每铣切一片，就用高清晰度数码相机进行拍摄，获取其数字化断层解剖图像，并输入电脑，得到完整的人体解剖结构数据集。数字化人体断层解剖数据集分辨率可达4064×2704，每像素大小0.12mm，层厚0.2mm。

下面通过一个具体的实施例来对本发明进行说明。

在本实施例中, 中国数字化人体数据集的鼻咽部放疗教学模型构建方法包括，

数字人3D模型构建步骤；

虚拟肿瘤模型构建步骤；

数字人3D放疗教学模型构建步骤。

在本发明实施过程中，

数字人3D模型构建步骤包括，采集数字人薄层切片图像，切片厚度为0.2mm，对数字人鼻咽部组织图像和数字人鼻咽部周围组织图像进行组织分割和边界提取，获取对应的二维二值化组织图像，采用面绘制算法对所述二维二值化图像进行面绘制，获取二维二值化组织图像对应的3D模型；

用不同伪彩色对鼻咽部组织图像及周围组织图像分别进行标识；

采用数字人鼻咽部组织图像伪彩色对数字人鼻咽部组织3D模型进行标识，采用数字人鼻咽部周围组织图像伪彩色对数字人鼻咽部周围组织3D模型进行标识，将数字人鼻咽部组织和数字人鼻咽部周围组织3D模型显示于同一坐标系中，得到数字人鼻咽部3D模型；

推荐剂量赋值步骤，包括，依据预设值对数字人鼻咽部3D模型组织进行推荐剂量赋值。

推荐放射剂量，是临床上的经验积累所得的一个数值，不同的组织有不同的剂量数值，比如脑组织跟肌肉赋予不同的推荐剂量值，本发明把这个数值作为事先设定的预设值，在3D模型的不同组织区域中进行标注，采用不同颜色示出，或者直接在3D模型的不同组织区域用数值示出。

对3D模型的不同组织区域进行推荐放射剂量标注，便于放射治疗学和肿瘤学放疗教学过程中演示，为靶区勾画提供边界参考。

在本发明实施过程中，

面绘制算法包括以下步骤：

A1：将二值化数据分层读入内存，扫描相邻两层数据，以上下两层临近的八个体素点组成体元,对体元顶点和边分别进行编号，顶点编号规则为以x、y、z方向上坐标最小的体素为基准体素，以基准体素的x、y、z索引作为该体元的x、y、z索引，以边对应的两个顶点的x、y、z索引为边的编号；

A2：每个体元中，用曲面S = {(x, y, z)：F(x, y, z) = Ft}表示虚实部分的等值面，将体元每个顶点的值与等值面S作比较,若顶点为实点则对应位为1，若顶点为虚点则对应位为0，构造该体元的状态表，；

式中Ft为定值，表示一个等值面上所有的点的值等于Ft。

每一个体元的情况不同，Ft值不同。

在本发明一实施例中状态表（01110100），表示2、4、5、6为实点，0、1、3、7为虚点。

A3：根据体元状态表，得到与等值面有交点的体元边界；

A4：采用线性插值方法，获取体元边界与等值面的交点；

A5：采用中心差分方法，获取体元各交点处的法向量，采用线性插值法，求出三角形各顶点处的法向量；

A6：根据各三角面片各顶点的坐标值及法向量绘制等值面图像。

本发明一实施例面绘制算法采用marching cube算法。

在本发明实施过程中，响应用户操作，获取3D空间中肿瘤中心点参数、长轴a参数、短轴b参数，构建虚拟椭球形肿瘤模型；

本步骤直接对数字人3D模型操作生成椭球型的虚拟肿瘤。

响应用户操作，实施鼻咽部肿瘤CT医学图像与数字人3D模型配准，生成数字人模型肿瘤案例库数据。

在本发明实施过程中，

B1：响应用户操作，选择CT医学图像与二维数字人图像最接近的两幅图像，作为待配准图像，以二维数字人图像作为参考图, CT医学图像作为浮动图，分别计算CT医学图像和二维数字人图像的中心点；

B2：对二维数字人图像进行几何坐标变换得到新区域； B3：通过插值方法得到CT医学图像在B2步骤新区域的坐标；B4：计算数字人数字图像和CT医学图像之间的相似度；B5：对相似度函数不断迭代，当相似性测度值达到设定的预期值或者设定的迭代上限时，停止迭代并得到最终变换参数；

B6：分割CT医学图像中的肿瘤图像，根据步骤B5的变换矩阵对肿瘤图像作变换， 将肿瘤分割序列图像与二维数字人图像分别进行三维重建，并显示在同一三维坐标系统中。

在本发明实施过程中，数字人3D放疗教学模型构建步骤包括，

建立二维数字人医学影像数据与其3D模型坐标映射关系步骤；

靶区勾画步骤；

不规则靶区重建步骤；

在本发明实施过程中，建立二维数字人医学图像与数字人3D模型坐标映射关系步骤包括，

将二维数字人医学图像横坐标x映射到三维坐标系的X轴，二维数字人医学图像的纵坐标y映射到三维坐标系的Y轴，将数字人图像的层厚数据和层数数据转换后映射到三维坐标系的Z轴，建立二维数字人图像与数字人3D模型一一对应的坐标映射；

所述靶区勾画步骤包括，响应用户操作，在二维数字人医学图像上设置任意形状靶区，依次在二维数字人医学图像上区分出X线照射区、安全边界以及非放射区，用不同的伪彩色对照射区、安全边界以及非放射区分别进行标识；

在本发明实施过程中，依次在二维影像上区分出X线照射区、安全边界以及非放射区，照射区内受照剂量最大，剂量分布最均匀，安全边界周围组织受照剂量最小，非放射区杜绝X线照射，用不同的伪彩色对照射区、安全边界以及非放射区分别进行标识。

所述不规则靶区重建步骤包括，采用面绘制算法分别对所述照射区、所述安全边界二值化数据进行三维重建，并与数字人3D模型鼻咽部显示在同一坐标系中，得到数字人鼻咽部教学模型。

在本发明实施过程中，

所述在二维图像上设置任意形状靶区具体包括，采用lineto工具在屏幕上标定多个非连续点，对非连续点进行二次样条插值，插值后点组成封闭曲线形成新的屏幕坐标，经过平移变换，屏幕坐标转化成横断面窗口坐标，得到单张图像的靶区勾画结果采用lineto工具在屏幕上标定多个非连续点，对非连续点进行二次样条插值，插值后点组成封闭曲线形成新的屏幕坐标，经过平移变换，屏幕坐标转化成横断面窗口坐标，得到单张影像的靶区勾画结果。

本发明中的lineto工具指软件中的一个函数，用当前画笔画一条线，从当前位置连到一个指定的点。这个函数调用完毕，当前位置变成x,y。

本发明通过构建数字人模型，并对数字人模型中的鼻咽部肿瘤进行重建显示，构建数字人3D模型放射靶区，对数字人鼻咽部精准展示，方便同学了解鼻咽部的解剖结构和放疗计划全过程，提高放疗教学效果提高了鼻咽部肿瘤放疗教学领域的放疗教学效果。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书，凡在本说明书的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，包括以下步骤，

数字人3D模型构建步骤；

虚拟肿瘤模型构建步骤；

数字人3D放疗教学模型构建步骤。

2.如权利要求1所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

所述数字人3D模型构建步骤包括，

采集数字人薄层切片图像，切片厚度为0.2mm，对数字人鼻咽部组织图像和数字人鼻咽部周围组织图像进行组织分割和边界提取，获取对应的二维二值化组织图像，采用面绘制算法对所述二维二值化图像进行面绘制，获取二维二值化组织图像对应的3D模型；

用不同伪彩色对鼻咽部组织图像及周围组织图像分别进行标识；

采用数字人鼻咽部组织图像伪彩色对数字人鼻咽部组织3D模型进行标识，采用数字人鼻咽部周围组织图像伪彩色对数字人鼻咽部周围组织3D模型进行标识，将数字人鼻咽部组织和数字人鼻咽部周围组织3D模型显示于同一坐标系中，得到数字人鼻咽部3D模型；

推荐剂量赋值步骤，包括，依据预设值对数字人鼻咽部3D模型组织进行推荐剂量赋值。

3.如权利要求2所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

所述面绘制算法包括以下步骤,

A1：将二值化数据分层读入内存，扫描相邻两层数据，以上下两层临近的八个体素点组成体元,对体元顶点和边分别进行编号，顶点编号规则为以x、y、z方向上坐标最小的体素为基准体素，以基准体素的x、y、z索引作为该体元的x、y、z索引，以边对应的两个顶点的x、y、z索引为边的编号；

A2：每个体元中，用曲面S = {(x, y, z)：F(x, y, z) = Ft}表示虚实部分的等值面，将体元每个顶点的值与等值面S作比较，若顶点为实点则对应位为1，若顶点为虚点则对应位为0，构造该体元的状态表；

A3：根据体元状态表，得到与等值面有交点的体元边界；

A4：采用线性插值方法，获取体元边界与等值面的交点；

A5：采用中心差分方法，获取体元各交点处的法向量，采用线性插值法，求出三角形各顶点处的法向量；

A6：根据各三角面片各顶点的坐标值及法向量绘制等值面图像。

4.如权利要求1所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

所述虚拟肿瘤模型构建步骤包括，

响应用户操作，获取3D空间中肿瘤中心点参数、长轴a参数、短轴b参数，构建虚拟椭球形肿瘤模型；

响应用户操作，实施鼻咽部肿瘤CT医学图像与数字人3D模型配准，生成数字人模型肿瘤案例库数据。

5.如权利要求4所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，CT医学图像数据与数字人3D模型配准包括以下步骤；

B1：响应用户操作，选择CT医学图像与二维数字人图像最接近的两幅图像，作为待配准图像，以二维数字人图像作为参考图, CT医学图像作为浮动图，分别计算CT医学图像和二维数字人图像的中心点；

B2：对二维数字人图像进行几何坐标变换得到新区域；

B3：通过插值方法得到CT医学图像在B2步骤新区域的坐标；

B4：计算数字人数字图像和CT医学图像之间的相似度；

B5：对相似度函数不断迭代，当相似性测度值达到设定的预期值或者设定的迭代上限时，停止迭代并得到最终变换参数；

B6：分割CT医学图像中的肿瘤图像，根据步骤B5的变换矩阵对肿瘤图像作变换， 将肿瘤分割序列图像与二维数字人图像分别进行三维重建，并显示在同一三维坐标系统中。

6.如权利要求1所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

所述数字人3D放疗教学模型构建步骤包括，

建立二维数字人医学图像与3D模型坐标映射关系步骤；

靶区勾画步骤；

不规则靶区重建步骤。

7.如权利要求6所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

建立二维数字人医学图像与数字人3D模型坐标映射关系步骤包括，

将二维数字人医学图像横坐标x映射到三维坐标系的X轴，二维数字人医学图像的纵坐标y映射到三维坐标系的Y轴，将数字人图像的层厚数据和层数数据转换后映射到三维坐标系的Z轴，建立二维数字人图像与数字人3D模型一一对应的坐标映射；

所述靶区勾画步骤包括，响应用户操作，在二维数字人医学图像上设置任意形状靶区，依次在二维数字人医学图像上区分出X线照射区、安全边界以及非放射区，用不同的伪彩色对照射区、安全边界以及非放射区分别进行标识；

所述不规则靶区重建步骤包括，采用面绘制算法分别对所述照射区、所述安全边界二值化数据进行三维重建，并与数字人3D模型鼻咽部显示在同一坐标系中，得到数字人鼻咽部教学模型。

8.如权利要求7所述的一种基于中国数字人的鼻咽部放疗教学模型构建方法,其特征在于，

所述在二维图像上设置任意形状靶区具体包括，

采用lineto工具在屏幕上标定多个非连续点，对非连续点进行二次样条插值，插值后点组成封闭曲线形成新的屏幕坐标，经过平移变换，屏幕坐标转化成横断面窗口坐标，得到单张图像的靶区勾画结果。