CN111080680A - 一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统 - Google Patents

一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请给出了一种结合胸部CT影片和预先建模数据进行美观化三维重建的方法。本发明会结合预先准备的三维艺术模型，自动的从用户输入的胸部图片生成准确并美观的三维胸部器官重建输出。相比常见的CT深度学习分割重建技术，由于我们充分利用了三维艺术模型的信息，这个技术可以很大程度缓解由于深度学习网络不可避免的分割错误导致最终重建效果不佳的问题，也可以缓解在厚层CT输入上由于层厚分别率差导致三维重构效果不理想的情况。

Description

一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统
技术领域
本申请属于智能建模技术领域，尤其是涉及一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统。
背景技术
三维器官重建就是通过改变CT图像的原始数据的矩阵和视野进行图像再次重组处理建成的三维立体图形，从而对手术方案的确定，治疗方案与估计发挥不可取代的作用，目前，尚未有能够准确对三维胸部器官进行重建的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种面向患者的三维胸部器官重建方法，具体步骤包括：
步骤M1：准备好要进行三维器官重建的胸部CT影片，为一组医学数字成像和通信文件。载入准备好的胸部CT影片为三维数组。
步骤M2，对准备好的胸部CT影片进行三维器官分割，得到对应器官的位置和粗糙轮廓。
步骤M3,基于步骤M2得到的三维器官分割位图的结果，将其和预先准备的三维艺术模型进行配准，得到对应器官更加美观的细致轮廓；其中艺术模型为预先建模的三维网格模型，可以为STL格式或Obj格式。
步骤M4,基于步骤M3得到的三维器官配准结果，进行进一步的后处理并生成最终三维器官重建输出。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，步骤M3.1：准备艺术模型。针对需要三维重建输出的器官比如肺，主动脉，骨头，器官，心脏，我们准备对应的美观的，符合重建要求的标准化艺术模型。该模型由三维网格面(3dmesh)的形式表达，可以为STL格式或Obj格式，文件内至少包括如下信息，器官表面的网格面的点坐标(vertexinformation)，用三角形或多变形表达的面信息(surfaceinformation)，器官表面的颜色和材质(textureinformation)，器官表面的面法向量(surfacenormal)。
步骤M3.2:将艺术模型转化为三维图像。分别针对每个器官艺术模型的三维网格面(3dmesh)，我们将其转化为三维图像位图(3dvolume)。转化方法如下：将三维网格面投射到一个空白的三维图像中，然后将三维网格面内部的像素标为前景，而将三维网格面外部像素标为背景。
步骤M3.3:对于艺术模型转化的三维图像，和三维器官分割的结果三维图像，我们进行三维图像配准(3dvolumeregistration)。配准步骤包括且不限于刚性配准(affineregistration)和非刚配准(elasticregistration)。我们可以使用多种算法进行配准操作，包括基于传统方法和基于神经网络的配准方法。我们可以针对每个器官单独进行配准，也可以对所有器官同时进行配准。三维图像配准会输出一个或多个形变场(registrationdeformationfield)，通过该形变场进行坐标变化后，艺术模型的三维图像和器官分割的结果三维图像会尽可能的接近。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，步骤M2.1：CT影片预处理。将胸部CT影片三维数组通过使用在阅片时所用的影像窗位，突出识别不同器官的像素灰度值，针对胸部CT影片我们采用多窗位同时处理。将每一个像素灰度值大小都归一化在0到1之间，得到处理后的胸部CT影片三位数组。
步骤M2.2：三维器官分割。我们采用已有的一个三维医学图像分割网络，带有注意力机制(attention)的U-Net网络。我们的发明也可以适用于任何可以进行三维医学图像分割的网络。针对预处理后的CT影片三位数组，该网络可以输出需要的器官分割结果，包括肺，主动脉，骨头，器官，心脏等。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，步骤M4.1：使用三维图像配准步骤输出的三维形变场，对艺术模型进行坐标变化。坐标变化后的艺术模型和胸部CT影片的对应器官的位置和轮廓会基本一致，因此坐标变换后的艺术模型即可作为胸部CT影片的对应器官的初始重建结果。
步骤M4.2：获得初始重建结果后，我们进行多种后处理方式纠正。这些纠正包括：位移，缩放，平滑等。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，器官分割结果以三维图像位图的形式输出。
一种面向患者的三维胸部器官重建系统，系统用于执行以下步骤：
步骤M1：准备好要进行三维器官重建的胸部CT影片，为一组医学数字成像和通信文件。载入准备好的胸部CT影片为三维数组。
步骤M2，对准备好的胸部CT影片进行三维器官分割，得到对应器官的位置和粗糙轮廓。
步骤M3,基于步骤M2得到的三维器官分割位图的结果，将其和预先准备的三维艺术模型进行配准，得到对应器官更加美观的细致轮廓；其中艺术模型为预先建模的三维网格模型，可以为STL格式或Obj格式。
步骤M4,基于步骤M3得到的三维器官配准结果，进行进一步的后处理并生成最终三维器官重建输出。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建系统，步骤M3.1：准备艺术模型。针对需要三维重建输出的器官比如肺，主动脉，骨头，器官，心脏，我们准备对应的美观的，符合重建要求的标准化艺术模型。该模型由三维网格面(3dmesh)的形式表达，可以为STL格式或Obj格式，文件内至少包括如下信息，器官表面的网格面的点坐标(vertexinformation)，用三角形或多变形表达的面信息(surfaceinformation)，器官表面的颜色和材质(textureinformation)，器官表面的面法向量(surfacenormal)。
步骤M3.2:将艺术模型转化为三维图像。分别针对每个器官艺术模型的三维网格面(3dmesh)，我们将其转化为三维图像位图(3dvolume)。转化方法如下：将三维网格面投射到一个空白的三维图像中，然后将三维网格面内部的像素标为前景，而将三维网格面外部像素标为背景。
步骤M3.3:对于艺术模型转化的三维图像，和三维器官分割的结果三维图像，我们进行三维图像配准(3dvolumeregistration)。配准步骤包括且不限于刚性配准(affineregistration)和非刚配准(elasticregistration)。我们可以使用多种算法进行配准操作，包括基于传统方法和基于神经网络的配准方法。我们可以针对每个器官单独进行配准，也可以对所有器官同时进行配准。三维图像配准会输出一个或多个形变场(registrationdeformationfield)，通过该形变场进行坐标变化后，艺术模型的三维图像和器官分割的结果三维图像会尽可能的接近。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，步骤M2.1：CT影片预处理。将胸部CT影片三维数组通过使用在阅片时所用的影像窗位，突出识别不同器官的像素灰度值，针对胸部CT影片我们采用多窗位同时处理。将每一个像素灰度值大小都归一化在0到1之间，得到处理后的胸部CT影片三位数组。
步骤M2.2：三维器官分割。我们采用已有的一个三维医学图像分割网络，带有注意力机制(attention)的U-Net网络。我们的发明也可以适用于任何可以进行三维医学图像分割的网络。针对预处理后的CT影片三位数组，该网络可以输出需要的器官分割结果，包括肺，主动脉，骨头，器官，心脏等。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，步骤M4.1：使用三维图像配准步骤输出的三维形变场，对艺术模型进行坐标变化。坐标变化后的艺术模型和胸部CT影片的对应器官的位置和轮廓会基本一致，因此坐标变换后的艺术模型即可作为胸部CT影片的对应器官的初始重建结果。
步骤M4.2：获得初始重建结果后，我们进行多种后处理方式纠正。这些纠正包括：位移，缩放，平滑等。
优选地，本发明的面向患者的三维胸部器官重建方法，器官分割结果以三维图像位图的形式输出。
本发明的有益效果是：
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种面向患者的三维胸部器官重建方法和系统，包括：
具体步骤见如下段落。
·步骤M1：准备好要进行三维器官重建的胸部CT影片，为一组医学数字成像和通信文件。载入准备好的胸部CT影片为三维数组。
·步骤M2，对准备好的胸部CT影片进行三维器官分割，得到对应器官的位置和粗糙轮廓。
o步骤M2.1：CT影片预处理。(1)将胸部CT影片三维数组通过使用在阅片时所用的影像窗位，突出识别不同器官的像素灰度值，针对胸部CT影片我们采用多窗位(骨窗、肺窗、纵膈窗)同时处理。(2)将每一个像素灰度值大小都归一化在0到1之间，得到处理后的胸部CT影片三位数组。
o步骤M2.2：三维器官分割。我们采用已有的一个三维医学图像分割网络，带有注意力机制(attention)的U-Net网络。我们的发明也可以适用于任何可以进行三维医学图像分割的网络。针对预处理后的CT影片三位数组，该网络可以输出需要的器官分割结果，包括肺，主动脉，骨头，器官，心脏等。器官分割结果以三维图像位图(3d volume)的形式输出。
·步骤M3,基于步骤M2得到的三维器官分割位图的结果，将其和预先准备的三维艺术模型进行配准，得到对应器官更加美观的细致轮廓；其中艺术模型为预先建模的三维网格模型，可以为STL格式或Obj格式。
o步骤M3.1：准备艺术模型。针对需要三维重建输出的器官比如肺，主动脉，骨头，器官，心脏，我们准备对应的美观的，符合重建要求的标准化艺术模型。该模型由三维网格面(3d mesh)的形式表达，可以为STL格式或Obj格式，文件内至少包括如下信息，(1)器官表面的网格面的点坐标(vertex information)，(2)用三角形或多变形表达的面信息(surface information)，(3)器官表面的颜色和材质(texture information)，(4)器官表面的面法向量(surface normal)。
o步骤M3.2:将艺术模型转化为三维图像。分别针对每个器官艺术模型的三维网格面(3d mesh)，我们将其转化为三维图像位图(3d volume)。转化方法如下：将三维网格面投射到一个空白的三维图像中，然后将三维网格面内部的像素标为前景，而将三维网格面外部像素标为背景。
o步骤M3.3:对于艺术模型转化的三维图像(即M3.2的输出结果)，和三维器官分割的结果三维图像(即M2.2的输出结果)，我们进行三维图像配准(3d volumeregistration)。配准步骤包括且不限于刚性配准(affine registration)和非刚配准(elastic registration)。我们可以使用多种算法进行配准操作，包括基于传统方法和(或)基于神经网络的配准方法。我们可以针对每个器官单独进行配准，也可以对所有器官同时进行配准。三维图像配准会输出一个或多个形变场(registration deformationfield)，通过该形变场进行坐标变化后，艺术模型的三维图像(即M3.2的输出结果)和器官分割的结果三维图像(即M2.2的输出结果)会尽可能的接近。
·步骤M4,基于步骤M3得到的三维器官配准结果，进行进一步的后处理并生成最终三维器官重建输出。
o步骤M4.1：使用三维图像配准步骤输出的三维形变场(即步骤M3.3的输出结果)，对艺术模型(即步骤M3.1的输出结果)进行坐标变化。坐标变化后的艺术模型和胸部CT影片的对应器官的位置和轮廓会基本一致，因此坐标变换后的艺术模型即可作为胸部CT影片的对应器官的初始重建结果。
o步骤M4.2：获得初始重建结果(即步骤M4.1的输出结果)后，我们进行多种后处理方式纠正。这些纠正包括：位移，缩放，平滑等。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (6)

1.一种面向患者的三维胸部器官重建方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤M1：准备好要进行三维器官重建的胸部CT影片，为一组医学数字成像和通信文件。载入准备好的胸部CT影片为三维数组；
步骤M2：对准备好的胸部CT影片进行三维器官分割，得到对应器官的位置和粗糙轮廓；
步骤M3：基于步骤M2得到的三维器官分割位图的结果，将其和预先准备的三维艺术模型进行配准，得到对应器官更加美观的细致轮廓；其中艺术模型为预先建模的三维网格模型，可以为STL格式或Obj格式；
步骤M4，基于步骤M3得到的三维器官配准结果，进行进一步的后处理并生成最终三维器官重建输出。
2.根据权利要求1所述的面向患者的三维胸部器官重建方法，其特征在于，步骤M3.1：准备艺术模型。针对需要三维重建输出的器官比如肺，主动脉，骨头，器官，心脏，我们准备对应的美观的，符合重建要求的标准化艺术模型；该模型由三维网格面的形式表达，可以为STL格式或Obj格式，文件内至少包括如下信息，(1)器官表面的网格面的点坐标，(2)用三角形或多变形表达的面信息，(3)器官表面的颜色和材质，(4)器官表面的面法向量；
步骤M3.2:将艺术模型转化为三维图像，分别针对每个器官艺术模型的三维网格面，我们将其转化为三维图像位图，转化方法如下：将三维网格面投射到一个空白的三维图像中，然后将三维网格面内部的像素标为前景，而将三维网格面外部像素标为背景。
步骤M3.3:对于艺术模型转化的三维图像和三维器官分割的结果三维图像，我们进行三维图像配准，配准步骤包括且不限于刚性配准和非刚配准，我们可以使用多种算法进行配准操作，包括基于传统方法和、或基于神经网络的配准方法，针对每个器官单独进行配准，也可以对所有器官同时进行配准，三维图像配准会输出一个或多个形变场，通过该形变场进行坐标变化后，艺术模型的三维图像和器官分割的结果三维图像会尽可能的接近。
3.根据权利要求1或2所述的面向患者的三维胸部器官重建方法，其特征在于，步骤M2.1：CT影片预处理，(1)将胸部CT影片三维数组通过使用在阅片时所用的影像窗位，突出识别不同器官的像素灰度值，针对胸部CT影片我们采用多窗位同时处理，2)将每一个像素灰度值大小都归一化在0到1之间，得到处理后的胸部CT影片三位数组；
步骤M2.2：三维器官分割。我们采用已有的一个三维医学图像分割网络，带有注意力机制的U-Net网络，也可以适用于任何可以进行三维医学图像分割的网络，针对预处理后的CT影片三位数组，该网络可以输出需要的器官分割结果，包括肺，主动脉，骨头，器官，心脏。
4.根据权利要求1-3任一项所述的面向患者的三维胸部器官重建方法，其特征在于，步骤M4.1：使用三维图像配准步骤输出的三维形变场，对艺术模型进行坐标变化，坐标变化后的艺术模型和胸部CT影片的对应器官的位置和轮廓会基本一致，因此坐标变换后的艺术模型即可作为胸部CT影片的对应器官的初始重建结果；
步骤M4.2：获得初始重建结果后，进行多种后处理方式纠正。
5.根据权利要求1-4任一项所述的面向患者的三维胸部器官重建方法，其特征在于，器官分割结果以三维图像位图的形式输出。
6.一种面向患者的三维胸部器官重建系统，其特征在于，系统用于执行以下步骤：
步骤M1，准备好要进行三维器官重建的胸部CT影片，为一组医学数字成像和通信文件，载入准备好的胸部CT影片为三维数组；
步骤M2，对准备好的胸部CT影片进行三维器官分割，得到对应器官的位置和粗糙轮廓；
步骤M3，基于步骤M2得到的三维器官分割位图的结果，将其和预先准备的三维艺术模型进行配准，得到对应器官更加美观的细致轮廓；其中艺术模型为预先建模的三维网格模型，可以为STL格式或Obj格式。
步骤M4，基于步骤M3得到的三维器官配准结果，进行进一步的后处理并生成最终三维器官重建输出。
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