CN112116694A - 一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法及装置，该方法包括获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据，根据支气管的三维模型数据和影像数据，确定支气管的掩膜像素数据，将掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据，根据掩膜膨胀数据对影像数据进行处理，得到第一影像数据，将第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到支气管的三维渲染模型。由于使用掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理得到的第一影像数据进行体绘制渲染，相比现有技术中的体绘制渲染，可以去除杂质，提高视野清晰度，减少计算量。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟支气管镜技术领域，尤其涉及一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法及装置。
背景技术
孤立性肺结节良、恶性鉴别，一直是临床和影像诊断学中面临的重大课题。传统的经支气管镜取活检有以下弊端：1.由于单纯根据胸部CT阅片协助判断病灶位置，在检查时有一定的盲目性；2.人体的肺内支气管相当于一棵倒着生长的树，图1为肺部支气管示意图，传统的支气管镜仅能进入主要的“枝干”，当肺结节生长在“树叶”的位置时，因为器械受限或医生水平受限，很难抵达或者准确抵达，因此对周围型肺结节诊断率相对较低。
随着支气管镜技术的发展，超细支气管镜能到达远端，对肺外周病变的诊断率逐步提高，但是支气管结构复杂，越接近远端，呼吸内镜医师越易迷失。近年来，虚拟支气管镜技术的进步，为呼吸内镜快速、准确到达病灶带来了可靠的辅助导航方法。
虚拟支气管镜，基于CT三维成像技术，提供了一个详细的、非侵入性的支气管视图，建立虚拟支气管路径，帮助临床医生进行模拟手术路径规划，并且可以在术中引导支气管镜到达肺外周病变的位置，辅助医生识别支气管支路信息。
虚拟支气管镜系统通过采用体绘制渲染下的管腔漫游模拟医生支气管镜检测视野。体绘制技术可以更真实的渲染管腔内部细节信息，在医学上可将各组织器官的性质属性、形状特征及相互之间的层次关系表现出来，能够精确的模拟原始CT数据。
虚拟支气管镜视角下医生想要随时透视支气管管壁，观察导航目标点(结节)内部或目标点周围血管真实形态，在对结节穿刺等操作时需要避开血管。这就需要将支气管体绘制渲染单独生成，为了提取支气管，需要提取-700—400之间CT值，这段CT值不仅包含支气管管壁，还混有肺内血管与肺泡和空气接触表面、肺泡与胸膜接触表面等等杂质，因此会造成渲染的支气管会有杂质，不清晰。
发明内容
本发明实施例提供一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法及装置，用以去除体绘制支气管时的杂质，提供支气管的三维渲染模型的清晰度。
第一方面，本发明实施例提供一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法，包括：
获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据；
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据；
将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据；
将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
上述技术方案中，由于使用掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理得到的第一影像数据进行体绘制渲染，相比现有技术中的体绘制渲染，可以去除杂质，提高视野清晰度，减少计算量。
可选的，所述根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据，包括：
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，将所述支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将所述支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到所述支气管的掩膜像素数据。
可选的，所述根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据，包括：
所述掩膜膨胀数据中数值为第一阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的保持不变；所述掩膜膨胀数据中数值为第二阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的数值设置为所述第二阈值，得到所述第一影像数据。
可选的，所述预设像素条件的影像数据值为-700至400的影像数据值。
可选的，在得到所述支气管的三维渲染模型之后，还包括：
将虚拟支气管镜的镜头相机以点光源的形式显示在显示设备的预设区域内，其中所述点光源的照亮区域为预设倍数的切光角。
可选的，所述点光源的光照效果由所述点光源的衰减值、环境光、漫反射光和镜面反射光确定的。
第二方面，本发明实施例提供一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的装置，包括：
获取单元，用于获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据；
处理单元，用于根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据；将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据；将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
可选的，所述处理单元具体用于：
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，将所述支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将所述支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到所述支气管的掩膜像素数据。
可选的，所述处理单元具体用于：
所述掩膜膨胀数据中数值为第一阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的保持不变；所述掩膜膨胀数据中数值为第二阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的数值设置为所述第二阈值，得到所述第一影像数据。
可选的，所述预设像素条件的影像数据值为-700至400的影像数据值。
可选的，所述处理单元还用于：在得到所述支气管的三维渲染模型之后，将虚拟支气管镜的镜头相机以点光源的形式显示在显示设备的预设区域内，其中所述点光源的照亮区域为预设倍数的切光角。
可选的，所述点光源的光照效果由所述点光源的衰减值、环境光、漫反射光和镜面反射光确定的。
第三方面，本发明实施例还提供一种计算设备，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行上述虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读非易失性存储介质，包括计算机可读指令，当计算机读取并执行所述计算机可读指令时，使得计算机执行上述虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种肺部支气管的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种系统架构的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种虚拟支气管镜显示的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种三维模型的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种半透明管腔体绘制的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种聚光灯光照的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种透视显示效果的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例提供的一种系统架构。如图2所示，该系统架构可以为服务器100，包括处理器110、通信接口120和存储器130。
其中，通信接口120用于与终端设备进行通信，收发该终端设备传输的信息，实现通信。
处理器110是服务器100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个服务器100的各个部分，通过运行或执行存储在存储器130内的软件程序/或模块，以及调用存储在存储器130内的数据，执行服务器100的各种功能和处理数据。可选地，处理器110可以包括一个或多个处理单元。
存储器130可用于存储软件程序以及模块，处理器110通过运行存储在存储器130的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器130可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据业务处理所创建的数据等。此外，存储器130可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
需要说明的是，上述图2所示的结构仅是一种示例，本发明实施例对此不做限定。
基于上述描述，图3详细的示出了本发明实施例提供的一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法的流程，该流程可以由虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的装置执行，该装置可以位于上述服务器内，可以是上述服务器。
如图3所示，该流程具体包括：
步骤301，获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据。
在本发明实施例中，影像数据可以为计算机体层摄影(Computed Tomography，CT)影像、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)影像等等。为了便于描述，下面将以CT影像为例进行描述。
虚拟支气管镜系统实现流程可概括成以下步骤：第一步需要进行薄层肺部CT检查；第二步，根据CT序列图像重建支气管树、病灶、肺内血管等三维模型；第三步，标记目标病灶点；第四步，系统规划一条或多条最佳路径；第五步管腔体绘制重建，使用者可以由气管开始，沿着最佳路径引导线逐级向下预览模拟支气管镜操作的路径。在各级隆突部位部分软件可自动停止，操作者根据自身内镜操作习惯旋转虚拟视野，以确定分支路径。
如图4所示，通过病人肺部薄层CT数据，三维重建出支气管树(树状结构的气管)、病灶(圆点)、肺内动静脉血管(深色)的三维模型。通过算法提取出支气管中心线如图4中上半部分的第二个图中白线所示，使用者标记其中一个病灶位置，系统自动规划出最佳路径，如图4中上半部分的第三个图中黑线所示。体绘制渲染出支气管管壁，如图4中下半部分图所示，在黑色路径线引导下，可模拟支气关键视野观察支气管各级管腔。
在体绘制管腔漫游过程中，医生需要在虚拟支气管镜视角透视支气管管壁，观察导航目标点(结节)内部或目标点周围血管真实形态与占位信息。如图5所示，病灶处于支气末端，浸润支气管与动脉血管，医生做检查时需要透过管壁看到病灶与支气管、血管的占位信息，从而选择合适的穿刺点，避让血管，这也是穿刺成功的关键。
为了解决这一技术问题，需要先得到支气管的三维模型数据和CT数据。
步骤302，根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据。
具体的，可以根据支气管的三维模型数据和影像数据，将支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到支气管的掩膜像素数据。该第一阈值和第二阈值可以依据经验设置，例如，第一阈值可以为1，第二阈值可以为0。
也就是说，根据支气管三维模型stl和CT影像数据ImageData，可以计算支气管二值序列掩膜像素数据MaskData，管腔内部像素点数值置为1，外部像素点数值置为零。
步骤303，将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据。
该预设数量可以依据经验设置，也就是将掩膜像素数据膨胀一定数量的像素点。例如将上述掩膜像素数据MaskData膨胀4个像素点(经验值)得到掩膜膨胀数据MaskDataNew，使为1的区域扩大，防止后续管腔体绘制细节丢失。
然后再用该掩膜膨胀数据对影像数据进行处理，具体的，掩膜膨胀数据中数值为第一阈值时，将影像数据中处于同一像素点位置的保持不变。掩膜膨胀数据中数值为第二阈值时，将影像数据中处于同一像素点位置的数值设置为第二阈值，得到第一影像数据。
例如，用得到的掩膜膨胀数据MaskDataNew对原始CT影像数据ImageData做修改，同一像素点位置，掩膜数值为1时CT影像数据的CT值保持不变，掩膜数值为0时CT影像数据的CT值设置为0，得到第一影像数据ImageDataNew。
步骤304，将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
该预设像素条件的影像数据值可以为-700至400的影像数据值。
最后输入第一影像数据ImageDataNew，利用体绘制方法渲染CT值处于-700—400之间像素，可以得到去除杂质，只有支气管管腔的三维渲染模型，如图6所示。
需要说明的是，医生透视管壁时，只需要透视当前视角局部区域，图6所示，全局半透明由于多模型混色，视野互相干扰，不能很清楚的辨认局部占位信息。因此为了解决这一技术问题，在得到支气管的三维渲染模型之后，还需要将虚拟支气管镜的镜头相机以点光源的形式显示在显示设备的预设区域内，其中点光源的照亮区域为预设倍数的切光角。该预设倍数可以依据经验设置。点光源的光照效果由所述点光源的衰减值、环境光、漫反射光和镜面反射光确定的。
具体的，为了有效解决视野干扰，在渲染的三维模型上增加圆形光照视窗，视窗动态跟随用户交互移动，使观察者能够通过视窗局部透视管壁。将虚拟支气管镜的相机的焦点位置设置成“聚光灯”点光源，聚光灯效果图如图7所示：点光源发出光照方向SpotDir设置为垂直指向屏幕内部的方向，可以用向量(0,0,1)表示；以一定角度值自定义聚光灯点亮区域半径的切光角φ，光源发出的光线照亮其正下方矩形片元fragment，此光线呈“扇形”分布，在2*φ以内的区域将被照亮，以外的区域不被照亮。在真实世界，通常光在近处时非常亮，在远处时显得昏暗，光源的亮度在距离刚开始增加的时候减少的非常快，之后距离虽然增加，但减少的速度会慢下来。根据这一光照特点，为标记点的点光源加入一定的衰减参数，计算出衰减值，衰减值计算公式为：
Fatt＝I/(Kc+Kl*d+Kq*d*d)，其中Fatt为光线的衰减值，I为当前片元的光的亮度，d为片元到光源的距离Kc为常数项，Kl为一次项，Kq为二次项；I通常取值为1.0，Kc、Kl、Kq取值可查表，d＝length(light_direction)。
参照Phong光照模型，最终光照结果为result＝ambient+diffuse*Fatt+specular*Fatt。
其中ambient为环境光，diffuse为漫反射光，specular为镜面反射光，可以自行计算。再漫反射光和镜面反射光上乘上根据和光源的距离所计算出的衰减值后，最终效果为距离光源越远光线亮度越低，距离光源越近亮度越高。
最终得到的透视显示效果如图8所示，用户透视管腔时能看到局部三维模型显示效果与占位信息，随着鼠标移动交互，观测位置动态变化。
在本发明实施例中，获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据，根据支气管的三维模型数据和影像数据，确定支气管的掩膜像素数据，将掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据，根据掩膜膨胀数据对影像数据进行处理，得到第一影像数据，将第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的CT值，得到支气管的三维渲染模型。由于使用掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理得到的第一影像数据进行体绘制渲染，相比现有技术中的体绘制渲染，可以去除杂质，提高视野清晰度，减少计算量。
基于相同的技术构思，图9示例性的示出了本发明实施例提供的一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的装置的结构，该装置可以执行虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的流程。
如图9所示，该装置具体包括：
获取单元901，用于获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据；
处理单元902，用于根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据；将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据；将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
可选的，所述处理单元902具体用于：
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，将所述支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将所述支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到所述支气管的掩膜像素数据。
可选的，所述处理单元902具体用于：
所述掩膜膨胀数据中数值为第一阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的保持不变；所述掩膜膨胀数据中数值为第二阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的数值设置为所述第二阈值，得到所述第一影像数据。
可选的，所述预设像素条件的影像数据值为-700至400的影像数据值。
可选的，所述处理单元902还用于：在得到所述支气管的三维渲染模型之后，将虚拟支气管镜的镜头相机以点光源的形式显示在显示设备的预设区域内，其中所述点光源的照亮区域为预设倍数的切光角。
可选的，所述点光源的光照效果由所述点光源的衰减值、环境光、漫反射光和镜面反射光确定的。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种计算设备，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行上述虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种计算机可读非易失性存储介质，包括计算机可读指令，当计算机读取并执行计算机可读指令时，使得计算机执行上述虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的方法，其特征在于，包括：
获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据；
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据；
将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据；
将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据，包括：
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，将所述支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将所述支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到所述支气管的掩膜像素数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据，包括：
所述掩膜膨胀数据中数值为第一阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的保持不变；所述掩膜膨胀数据中数值为第二阈值时，将所述影像数据中处于同一像素点位置的数值设置为所述第二阈值，得到所述第一影像数据。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设像素条件的影像数据值为-700至400的影像数据值。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在得到所述支气管的三维渲染模型之后，还包括：
将虚拟支气管镜的镜头相机以点光源的形式显示在显示设备的预设区域内，其中所述点光源的照亮区域为预设倍数的切光角。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述点光源的光照效果由所述点光源的衰减值、环境光、漫反射光和镜面反射光确定的。
7.一种虚拟支气管镜辅助系统中三维模型绘制的装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取虚拟支气管镜辅助系统中的支气管的三维模型数据和影像数据；
处理单元，用于根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，确定所述支气管的掩膜像素数据；将所述掩膜像素数据膨胀预设数量的像素点，得到掩膜膨胀数据；根据所述掩膜膨胀数据对所述影像数据进行处理，得到第一影像数据；将所述第一影像数据利用体绘制法渲染符合预设像素条件的影像数据值，得到所述支气管的三维渲染模型。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元具体用于：
根据所述支气管的三维模型数据和影像数据，将所述支气管的管腔内部的像素点的数值设置为第一阈值，将所述支气管的管腔外部的像素点的数值设置为第二阈值，得到所述支气管的掩膜像素数据。
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行权利要求1至6任一项所述的方法。
10.一种计算机可读非易失性存储介质，其特征在于，包括计算机可读指令，当计算机读取并执行所述计算机可读指令时，使得计算机执行如权利要求1至6任一项所述的方法。
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