CN112907718A - 一种超声三维体绘制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声三维体绘制方法，包括以下步骤：获取原始体数据，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据；获取原始不透明度传递函数；设置随灰度值变化的校正曲线，并将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数；基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制。本发明对不透明度传递函数进行校正，改善其分配效果，进而改善三维体绘制效果。

Description

一种超声三维体绘制方法及装置

技术领域

本发明涉及三维超声技术领域，尤其涉及一种超声三维体绘制方法、装置及计算机存储介质。

背景技术

传统的超声成像设备只能提供二维医学图像，超声医生只能凭借经验由多幅二维图像去估计病灶的大小、形状、位置及与其周围组织的几何关系，无法获得组织间及内部结构信息，这给超声医生的临床诊断带来了困难。随着医学成像设备和技术的发展，医学图像可视化在临床医学中发挥着越来越重要的作用。

目前，三维超声可视化成像技术已成为临床上一种主流的超声检查方法。而三维可视化体绘制技术作为三维超声可视化成像系统的重要组成部分，不仅能直观、形象的显示出成像物体的整体表面，而且还能有效地揭示三维体数据内部的结构信息，因此开展超声领域中的三维体绘制研究就显得十分必要。

现有的超声三维体绘制技术中，涉及的可视化算法主要有光线投射算法(RayCasting)、抛雪球(Splatting)算法和错切-变形(Shear-Warp)算法。而光线投射算法由于高的成像质量得到了广泛的应用，但是它的绘制速度相对其他可视化算法较慢。为此，人们研究了基于软件和硬件的不同体绘制加速算法，推动了这一技术的发展。针对光线投射算法的加速算法有很多，根据其算法思想可以归纳为两类，即减少投射光线数目和减少采样点数目的空间跳跃。同时随着硬件技术水平的提高，基于GPU的体绘制加速和并行体绘制技术使得其越来越广泛的应用在超声三维可视化成像系统中，为超声医生的诊断提供帮助。

传递函数设计是可视化体绘制的关键步骤，它负责将体数据中的数据属性转换成一定的光学属性，如颜色值和不透明度值，从而直接影响最终体绘制效果。颜色一般用来区分三维体数据中的不同物质，通常采用RGB模型，即通过传递函数将采样点的标量值映射为RGB三维向量。而体数据中的体素在最后的可视化图像中可见度则取决于不透明度传递函数的值，为突出感兴趣的组织信息，则分配较高的不透明度，对不感兴趣的结构则直接分配零或低的不透明度值。因此，设计一个好的不透明度传递函数对超声三维体绘制结果影响很大，从而影响超声医生的临床诊断。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种超声三维体绘制方法、装置及计算机存储介质，用以解决不透明度传递函数分配效果不佳，影响三维体绘制效果的问题。

本发明提供一种超声三维体绘制方法，包括以下步骤：

获取原始体数据，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据；

获取原始不透明度传递函数；

设置随灰度值变化的校正曲线，并将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数；

基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制。

进一步的，获取原始体数据，具体为：

获取根据设定的探头扫查参数进行三维扫查得到的原始体数据。

进一步的，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据，具体为：

对所述体数据进行滤波以及平滑处理，得到预处理后的体数据；

根据设定的探头扫查参数计算体重建所需的重建表，通过查所述重建表的方式重建预处理后的体数据，得到重建后的体数据。

进一步的，设置随灰度值变化的校正曲线，具体为：

f(x)＝(1+λ)^g(x)；

其中，f(x)为校正曲线函数，x为灰度值，λ为控制参数，λ∈(-1,1)，用于控制f(x)的幅度，g(x)为偏置函数，

I_H为体数据中结构组织对应的灰度强度均值，I_L为体数据中均匀组织对应的灰度强度均值，a、b、c为常数参数，e为自然常数，d为经验值；

通过调整校正曲线函数中的d值及λ值，获取所述校正曲线。

进一步的，将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数，具体为：

将所述校正曲线与所述原始不透明度传递函数在相同灰度值处对应的不透明度值相乘，得到校正后的不透明度传递函数。

进一步的，基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制。

进一步的，基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数计算各像素点的不透明度值；

采用光线投射算法对各像素点进行采样，得到各采样点的颜色值以及不透明度值；

按照合成规则对各采样点的颜色值与不透明度值进行合成，得到视屏幕上相应像素点的颜色值；

结合视屏幕上各像素点的颜色值，得到体绘制整体图。

进一步的，还包括：

根据体绘制结果对所述校正曲线进行调整，将调整后的校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到重新校正后的不透明度传递函数；

基于重新校正后的不透明度传递函数重新进行体绘制。

本发明还提供一种超声三维体绘制装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述超声三维体绘制方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述超声三维体绘制方法。

有益效果：本发明首先根据探头扫查参数进行三维扫查以获取原始体数据；对原始体数据进行预处理并经体数据重建获得重建后体数据；.获取原始不透明度传递函数；设计一条随像素灰度值变化的不透明度传递函数校正曲线，并将设计好的校正曲线融合到原始不透明度传递函数从而得到最终的不透明度传递函数；基于校正后的不透明度传递函数绘制三维体数据并显示最终的绘制效果于输出设备上。本发明通过对不透明度传递函数进行校正，基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制，从而显示出体数据的整体表面及体数据的内部结构信息，为超声医生快速准确的诊断提供更多的帮助。

附图说明

图1为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的方法流程图；

图2为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的凸阵扇扫的扫查方式示意图；

图3为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的原始不透明度传递函数图；

图4为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的校正曲线图；

图5为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的第一校正曲线与原始不透明度传递函数的融合示意图；

图6为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的第二校正曲线与原始不透明度传递函数的融合示意图；

图7为本发明提供的超声三维体绘制方法第一实施例的光线投射算法原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了超声三维体绘制方法，包括以下步骤：

S1、获取原始体数据，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据；

S2、获取原始不透明度传递函数；

S3、设置随灰度值变化的校正曲线，并将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数；

S4、基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制。

本实施例对不透明度传递函数进行校正，基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制，从而显示出体数据的整体表面及体数据的内部结构信息，为超声医生快速准确的诊断提供更多的帮助。具体的，首先根据探头扫查参数进行三维扫查以获取原始体数据；对原始体数据进行预处理并经体数据重建获得重建后体数据；.获取原始不透明度传递函数(Opacity Transfer Function,OTF)；设计一条随像素灰度值变化的不透明度传递函数校正曲线，并将设计好的校正曲线融合到原始不透明度传递函数从而得到最终的不透明度传递函数；基于校正后的不透明度传递函数绘制三维体数据并显示最终的绘制效果于输出设备上。

采用上述三维超声成像可视化体绘制方案，可以将重建后的体数据绘制到可视二维视图中得到体数据的整体表面图像，并从中观察到体数据的内部结构信息，有利于三维体数据中空间结构和位置形态特征的分析。本实施例设计了效果较好的不透明度传递函数，对体绘制效果起到一个好的帮助，从而为超声医生快速准确的诊断提供更多的帮助。

优选的，获取原始体数据，具体为：

获取根据设定的探头扫查参数进行三维扫查得到的原始体数据。

本实施例中，采用三维超声容积探头进行三维扫查获取原始体数据，扫查方式为凸阵扇扫，具体见图2所示，图2中数字1表示重建后体数据正中心处冠状切面，数字2表示重建后体数据正中心处矢状切面，数字3表示重建后体数据正中心处横断切面。另外，获取探头扫查参数的方式有多种，可以是通过读取预设值，还可以是通过接收其它设备发送的扫查参数的方式，具体此处不做限定。此外，扫查参数具体包括扫描角度、扇扫角度、扫描半径、扇扫半径、成像质量等等，此处亦不做限定。

优选的，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据，具体为：

对所述体数据进行滤波以及平滑处理，得到预处理后的体数据；

根据设定的探头扫查参数计算体重建所需的重建表，通过查所述重建表的方式重建预处理后的体数据，得到重建后的体数据。

本实施例中，在对原始体数据进行两次重建之前，先对原始体数据进行预处理，包括滤波、平滑等操作，以提高原始体数据的信噪比。体重建过程为了加速进程，根据预设的扫查参数计算并存储两次体重建所需的重建表，以便通过查表的方式重建出原始体数据，加速重建过程。重建表具体是指体重建过程中根据探头扫查参数预先建好的坐标位置，通过查表方式确定体数据的坐标位置，得到重建后的体数据。

本实施例中，由于采用光线投射算法进行体绘制，中间需要借助不透明度值和颜色值等光学属性经过重采样累加，不透明度值和颜色值由像素灰度值映射，并最终显示绘制效果，因此需要不透明度传递函数作为灰度映射，常用的一维不透明度传递函数就是根据采样点的灰度值映射为不透明度值。一般情况下，一维不透明度传递函数有基于梯形映射关系的、斜坡映射关系的、三角形映射关系等。本实施例选择的原始不透明度传递函数的映射关系为如图3所示抛物线形。

优选的，设置随灰度值变化的校正曲线，具体为：

f(x)＝(1+λ)^g(x)；

其中，f(x)为校正曲线函数，x为灰度值，λ为控制参数，λ∈(-1,1)，用于控制f(x)的幅度，g(x)为偏置函数，

I_H为体数据中结构组织对应的灰度强度均值，I_L为体数据中均匀组织对应的灰度强度均值，a、b、c为常数参数，e为自然常数，d为经验值；

通过调整校正曲线函数中的d值及λ值，获取所述校正曲线。

本实施例中，为了改进原始不透明度传递函数，构造了一条不透明度传递函数校正曲线，并将其融合到原始不透明度传递函数，从而得到新的不透明度传递函数。如图4所示，给出了10组参数(d值及λ值)下的校正曲线。I_H、I_L分别为体数据中结构组织对应的灰度强度均值和均匀组织对应的灰度强度均值，结构组织和均匀组织的判断方法很多，此处不作限定。d是个经验值，本实施例中取值为50。λ用来控制f(x)的幅度，取值范围为(-1,1)。图4中10组曲线就是在不同d值及λ值下作用的校正曲线结果图。d值及λ值这两个参数的取值可通过多次体绘制进行调整确定，以便不断增强体绘制效果，具体的，如果调节到体绘制效果明显优于原始绘制效果，主要从对比度效果看，说明参数合适。

优选的，将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数，具体为：

将所述校正曲线与所述原始不透明度传递函数在相同灰度值处对应的不透明度值相乘，得到校正后的不透明度传递函数。

将校正曲线与原始不透明度传递函数对应灰度值位置相乘，得到校正后的不透明度传递函数。图5和图6分别给出了两种不同校正曲线对同一原始不透明度传递函数进行融合校正的示意图，图5和图6中横坐标都表示灰度强度，纵坐标都表示该灰度强度对应的不透明度值。图5中：(a)是原始不透明度传递函数曲线，(c)是d取值50，λ取值0.75时的第一校正曲线，(b)则为融合校正后的不透明度传递函数，(d)为校正前的原始不透明度传递函数与校正后的不透明度传递函数的对比图。图6中：(a)是原始不透明度传递函数曲线，(c)是d取值50，λ取值-0.25时的第二校正曲线，(b)则为融合校正后的不透明度传递函数，(d)为校正前的原始不透明度传递函数与校正后的不透明度传递函数的对比图。实际中d和λ的取值需要经过多次的体绘制试验进行确定。

优选的，基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制。

不透明度传递函数确认后，可以采用现有技术中任意的体绘制算法进行体绘制。本实施例选用光线投射算法，光线投射算法绘制质量相比其它算法更高。

优选的，基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数计算各像素点的不透明度值；

采用光线投射算法对各像素点进行采样，得到各采样点的颜色值以及不透明度值；

按照合成规则对各采样点的颜色值与不透明度值进行合成，得到视屏幕上相应像素点的颜色值；

结合视屏幕上各像素点的颜色值，得到体绘制整体图。

本实施例中，将融合后的不透明度传递函数通过光线投射算法进行体绘制，图7为光线投射算法的原理示意图，光线投射算法模拟光线从视点出发，穿过视屏幕进入到体数据中，对体数据进行采样，得到各个采样点的颜色值及不透明度值(由融合后的OTF映射给出)，然后按照一定的合成规则对这些采样点进行合成以得到视屏幕上该像素点的颜色值，待视屏幕上的所有像素点都计算完，就得到一幅完整的体绘制整体表面图。目前主要有从前向后合成和从后向前合成两种不同的合成算法。本实施例采用从前向后的合成算法，其合成公式如下：

c_out*α_out＝c_in*α_in+c_now*α_now*(1-α_in)

α_out＝α_in+α_now*(1-α_in)

其中，c_now表示当前体素的颜色值，α_now表示当前体素的不透明度的值；c_in表示在投射射线进入体素之前颜色积累值，α_in表示在投射射线进入体素之前的不透明度积累值。c_out表示在投射射线进入体素之后的颜色累积值，α_out表示在投射射线进入体素之后的不透明度积累值。

优选的，还包括：

根据体绘制结果对所述校正曲线进行调整，将调整后的校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到重新校正后的不透明度传递函数；

基于重新校正后的不透明度传递函数重新进行体绘制。

本实施例中，在得到三维体绘制表面图之后，还可以根据绘制效果重新调整校正曲线各参数(主要有d和λ)，以得到新的体绘制结果。通过试验校正曲线各参数，得到满足设定条件的不透明度传递函数，基于此更好的观察三维体数据的空间结构和位置形态特征的分析，以便清楚的观察想要的内部结构信息，从而为超声医生快速准确的诊断提供更多的帮助。

完成体绘制得到体绘制表面图后，调节体绘制表面图的亮度、对比度、伪彩等，进一步增强三维可视化效果，帮助超声医生诊断。

实施例2

本发明的实施例2提供了超声三维体绘制装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的超声三维体绘制方法。

本发明实施例提供的超声三维体绘制装置，用于实现超声三维体绘制方法，因此，超声三维体绘制方法所具备的技术效果，超声三维体绘制装置同样具备，在此不再赘述。

实施例3

本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的超声三维体绘制方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现超声三维体绘制方法，因此，超声三维体绘制方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声三维体绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取原始体数据，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据；

获取原始不透明度传递函数；

设置随灰度值变化的校正曲线，并将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数；

基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制。

2.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，获取原始体数据，具体为：

获取根据设定的探头扫查参数进行三维扫查得到的原始体数据。

3.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，对所述体数据进行预处理以及重建，得到重建后的体数据，具体为：

对所述体数据进行滤波以及平滑处理，得到预处理后的体数据；

根据设定的探头扫查参数计算体重建所需的重建表，通过查所述重建表的方式重建预处理后的体数据，得到重建后的体数据。

4.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，设置随灰度值变化的校正曲线，具体为：

f(x)＝(1+λ)^g(x)；

其中，f(x)为校正曲线函数，x为灰度值，λ为控制参数，λ∈(-1,1)，用于控制f(x)的幅度，g(x)为偏置函数，

I_H为体数据中结构组织对应的灰度强度均值，I_L为体数据中均匀组织对应的灰度强度均值，a、b、c为常数参数，e为自然常数，d为经验值；

通过调整校正曲线函数中的d值及λ值，获取所述校正曲线。

5.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，将所述校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到校正后的不透明度传递函数，具体为：

将所述校正曲线与所述原始不透明度传递函数在相同灰度值处对应的不透明度值相乘，得到校正后的不透明度传递函数。

6.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，基于校正后的不透明度传递函数进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制。

7.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，基于校正后的不透明度传递函数采用光线投射算法进行体绘制，具体为：

基于校正后的不透明度传递函数计算各像素点的不透明度值；

采用光线投射算法对各像素点进行采样，得到各采样点的颜色值以及不透明度值；

按照合成规则对各采样点的颜色值与不透明度值进行合成，得到视屏幕上相应像素点的颜色值；

结合视屏幕上各像素点的颜色值，得到体绘制整体图。

8.根据权利要求1所述的超声三维体绘制方法，其特征在于，还包括：

根据体绘制结果对所述校正曲线进行调整，将调整后的校正曲线融合到所述原始不透明度传递函数，得到重新校正后的不透明度传递函数；

基于重新校正后的不透明度传递函数重新进行体绘制。

9.一种超声三维体绘制装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-8任一项所述的超声三维体绘制方法。

10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8任一项所述的超声三维体绘制方法。

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