CN114783591A - 一种脑肿瘤三维可视化辅助诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑肿瘤医学影像三维可视化辅助诊断系统，具体涉及医学影像三维重建技术领域，系统通过脑肿瘤提取功能提取出脑肿瘤图像，并对脑肿瘤图像与脑组织图像通过融合绘制的方式来绘制大脑的三维模型，以此来增强显示效果，并添加了多种功能模块来辅助诊断，其中包括：传输函数模块用于调整模型的颜色与不透明度，测量模块可以对角度与长度进行测量，切割功能可以对模型进行分割操作，切片提取功能可以同时观察多个方向的切片。

Description

一种脑肿瘤三维可视化辅助诊断系统

技术领域

本发明属于脑肿瘤医学影像三维重建技术领域，涉及一种脑肿瘤医学影像三维可视化辅助诊断系统。

背景技术

三维可视化技术与可视化系统在医疗诊疗领域发挥着越来越不可替代的作用。利用三维医学可视化技术，医生可以全面直观地把握肿瘤的形状、大小和位置。方便了医生对肿瘤进行综合观察与分析，但现有的多数三维医学影像系统虽然是三维显示，但是立体显示效果较差，肿瘤与脑组织的区分不明显，且系统的辅助功能不完善，影响医生的诊断效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种脑肿瘤医学影像三维可视化辅助诊断系统。本发明是这样实现的，系统通过新建算法来提取的肿瘤，并将肿瘤与脑组织三维融合绘制实现增强两者区分效果增强模型显示效果的目的，系统还添加了多个功能来辅助诊断。系统设置了文件模块，三维模型模块、传输函数模块、测量模块、显示模块五大模块，其中：

文件模块：负责打开与保存文件；

三维模型模块：负责对医学图像的三维模型进行操作，内置了模型切割功能用于分割模型来观察大脑内部构造。还内置了切片提取功能用于三个方向提取切片并进行显示。

传输函数调节模块：用于调节三维模型的显示效果包括颜色、不透明度等。

测量模块：用于测量角度与长度。

显示模块：用于通过显示器显示三个方向的图像与大脑的三维模型。内置了用于提取肿瘤的脑肿瘤提取功能；还内置了脑组织与脑肿瘤进行融合绘制三维融合绘制功能。

进一步的，所述脑肿瘤提取功能的算法包括以下步骤：

(1)读取脑肿瘤的切片数据；

(2)对图像进行幂计算与均值滤波处理，来增强肿瘤特征；

(3)采用基于直方图的自适应阈值分割算法先对图像进行预分割；

(4)得到预分割的图像后，选择分割结果中的最大区域；

(5)在最大区域的中心选择区域增长分割的种子点；

(6)将自适应阈值分割计算出的阈值与种子点的灰度值做加减运算作为区域生长法的阈值上下限，进行二次分割掩膜处理。

本发明的另一目的在于通过脑肿瘤医学影像三维重建融合绘制方法增强区分效果，所述脑肿瘤医学影像三维融合绘制的方法包括以下步骤：

第一步：获取医学图像数据。

第二步：图像分割处理，基于脑肿瘤提取功能，对脑肿瘤进行分割处理，将脑肿瘤从三维数据中分割出来。

第三步：三维融合重建，通过面绘制算法算法，重构出上一步分割出来的脑肿瘤的全视角三维立体图像，通过体绘制算法，绘制出脑组织的三维立体图像，最后将两者融合绘制。

进一步，所述构建三维模型切割功能的方法，通过创建一个切割部件，移动旋转切割部件的对模型进行切割，并将切割后的模型在另外一个窗口进行显示。实现步骤如下：

第一步：定义切割部件，移动时调用回调函数；

第二步：定义回调函数，用于实现在另外一个窗口对切割后的模型进行绘制；

第三步：设置切割部件的初始位置；

第四步：运行程序，通过鼠标自由控制切割部件的位置，移动切割部件时调用回调函数，实现切割功能。

进一步，切片提取功能的实现方法原理为：系统需要首先将二维医学影像序列合成体数据，然后将体数据可以看做是立方体，最后再将图像向三个方向进行投影显示为二维图像。确定数据三个方向的切片数量，依据切片数来确定滑块的最大值。利用Qt的信号槽机制将滑动块位置更改信号关联到函数上，当滑块滑动时就会向函数发射信号从而更改切片位置，模型上会显示插件反映当前提取切片的具体位置。

进一步，所述构建体绘制传输函数模块实现方式如下：

上方设计不透明度与颜色传递界面，分别由6个滑动块，QDoubleSpinBox和颜色选择按钮组成，滑动块可以调节灰度值，后方的QDoubleSpinBox可以调节相应的不透明值。颜色选择按钮会弹出颜色选择对话框，用户选择颜色后，软件将选择的颜色的RBG值输入到颜色传输函数中，实现颜色传输函数的映射。如果用户想更加直观地了解当前传输函数，可以在菜单栏按下相应的传输函数功能按钮，这样会显示传输函数曲线图，传输函数曲线图会同时显示当前灰度值、不透明度、颜色三者的映射关系。

下方的参数调节界面用来调整光照强度与梯度不透明度函数，光照调节组件由三个QDoubleSpinBox组成，由上至下负责调节环境光、散射光、反射光。梯度调节界面由三个滑动块和QDoubleSpinBox组成，滑动块对应模型的梯度值，后面的QDoubleSpinBox用来调整不透明度。

进一步，测量模块的实现：

系统采用交互式测量的方法，交互式测量要求用户通过鼠标拾取的方法获取空间中两个测量点的坐标值，求取两个点之间的欧氏距离。将计算的结果显示到线的上方即为感兴趣的组织和器官之间的距离。同时，可通过鼠标的拖动将图中的十字架进行任意角度的拖曳，以测量其他组织和器官之间的角度，从而达到交互式测量的目的。

本发明的优点及积极效果为：

1.本发明通过图像提取功能能够实现全自动脑部肿瘤区域分割提取；通过三维模型的构建对脑肿瘤区域进行还原，模拟操作更方便，真实性更好，脑肿瘤与脑组织的融合绘制，使两者的区分效果更加明显。

2.本发明创建了传输函数动调节界面，优点是用户自己可以根据需要自由调节传输函数，调节模型的显示效果，满足不同的需求。

3.本发明添加了模型分割功能，可以对图像进行分割操作来观察模型内部结构。

4.显示模块可以同时观察到三视图的图像信息，来更加便捷的诊断病情，实现了矢状面、冠状面和横断面图像的显示。

5.测量模块可以精准测量组织的长度与角度。

6.系统功能完善，绘制效果清晰，肿瘤与脑组织的区分效果明显。

附图说明

图1系统UI界面

图2系统的功能分布

图3肿瘤提取流程图

图4肿瘤提取效果图

图5融合绘制流程图

图6三维融合绘制效果图

图7切割插件

图8切割原理流程图

图9模型切割效果图

图10传输函数关系图

图11传输函数调节界面

图12不透明度与颜色调节界面

图13灰度值、不透明度与颜色映射关系曲线

图14光照与梯度调节界面

图15测量流程图

图16测量结果

图17切片提取流程图

图18切片提取效果图

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

系统界面，如图1所示，人机交互系统的UI界面，由三个大部分组成：菜单界面，功能调节界面与视图界面，软件最上方是相应的菜单内置不同功能子菜单1。功能调节界面最上方为体绘制传输函数曲线界面3，点击传输函数功能按钮后会展示当前体绘制的传输函数映射曲线，下面是不透明度与颜色调节界面4，再下方为信息展示界面5，显示当前序列影像的页数、长度、宽度等信息，也可以将测量的距离与角度的大小以及像素单位等信息展示出来，方便使用者了解当前操作的具体信息。最下面则是梯度与光照调节界面6用于调节人体绘制的梯度传输函数与光照强度。

显示界面2，系统设置了四个分界面，分别为(从左到右，从上到下)体绘制三维模型展示界面(第一分界面)，冠状面展示界面(第二分界面)、矢状面展示界面(第三分界面)、横断面展示界面(第四分界面)，在每一分界面下均有一滑动块，使用切片功能时，可以通过滑块调节显示的切片位置。

系统功能设计了五个大部分，系统的功能分布如图2所示：文件功能部分负责文件的打开与保存功能，文件打开目前支持nii.gz、dicom、mhd三种格式的文件，文件保存支持使用面绘制算法绘制的模型进行保存。三维模型功能部分主要负责用户旋转、放大、切割模型以及模型的切片提取，来帮助使用者更好的观察模型结构及其内部构造。测量功能部分支持角度与长度的测量。体绘制传输调节功能负责调节模型显示效果可以使用户在梯度、不透明度、颜色、光照四个方面调节体绘制模型的显示效果。

肿瘤提取功能使用：

点击冠状面、矢状面或者横断面下方的分割按钮，启动肿瘤提取模块，肿瘤提取模块通过系统分割算法对影像进行分割操作。

系统分割算法具体实现步骤如下：

(1)读取脑肿瘤的切片数据；

(2)对图像进行幂计算数据增强与均值滤波处理，来增强肿瘤特征；

(3)采用基于直方图的自适应阈值分割算法先对图像进行预分割；

(4)得到预分割的图像后，选择分割结果中的最大区域；

(5)在最大区域的中心选择区域增长分割的种子点；

(6)将自适应阈值分割计算出的阈值与种子点的灰度值做加减运算作为区域生长法的阈值上下限，进行二次分割掩膜处理。

流程图如图3所示，得到最终分割结果如图4所示。

三维融合绘制模块使用：

需要首先使用肿瘤提取模块，然后点击体绘制下方的融合重建按钮，启动三维融合重建模块。三维融合重建过程包含三个方面：医学序列图像的读取、肿瘤图像的分割、三维重融合绘制。具体步骤如下：

第一步：医学图像数据的获取。

第二步：图像分割处理，基于系统的分割功能，对脑肿瘤进行分割处理，将脑肿瘤从三维数据中分割出来。

第三步：三维融合重建，首先使用面绘制算法，重构出上一步分割出来的脑肿瘤的全视角三维立体图像，再通过体绘制算法，绘制出脑组织的三维立体图像，最后将两者融合绘制。基本流程如图5所示，绘制结构如图6所示。

三维模型切割模块的使用：

打开文件后，点击体绘制下方的切割按钮，就会在屏幕上创建一个可以交互式放置的平面，如图7所示。通过控制此平面的任意地移动和旋转平面，这样就会生成各种不同角度和方向的平面，程序会将生成的平面数据输入到切割模型的函数中，这样就可以实现实时交互切割三维模型，切割流程图如图8所示，具体步骤如下：

第一步：定义切割部件，移动时调用回调函数；

第二步：读取脑部医学影像序列并进行三维重建；通过类函数VTkPlane创建切割平面实体，将切割平面实体的位置与切割部件的位置绑定起来；

第三步：定义回调函数，调用时实现切割模型的绘制；

第四步：设置切割部件的初始位置；

第五步：运行程序，通过鼠标自由控制切割部件的位置，移动切割部件时调用回调函数，实现切割功能。

分割过程与结果如图9所示。

传输函数模块调用：

体绘制传输函数模块如图11所示，分为不透明度传输函数、梯度不透明度传输函数、颜色传输函数和光照阴影设置四个方面，不同的传输函数有不同的效果，关系如图10所示。

系统根据体绘制传输函数的特点，开发了传输函数调节模块不透明度与颜色传递界面，如图12所示，分别由6个滑动块，QDoubleSpinBox和颜色选择按钮组成，滑动块可以调节灰度值，后方的QDoubleSpinBox可以调节相应的不透明值。颜色选择按钮会弹出颜色选择对话框，用户选择颜色后，软件将选择的颜色的RBG值输入到颜色传输函数中，实现颜色传输函数的映射。如果用户想更加直观地了解当前传输函数，可以在菜单栏点击相应的传输函数功能按钮，这样会显示传输函数曲线图，如图13所示，为传输函数曲线图该曲线图会同时显示当前灰度值、不透明度、颜色三者的映射关系。

下方的参数调节界面用来调整光照强度与梯度不透明度函数，如图14所示，光照调节组件由三个QDoubleSpinBox组成，由上至下负责调节环境光、散射光、反射光。梯度调节界面由三个滑动块和QDoubleSpinBox组成，滑动块对应模型的梯度值，后面的QDoubleSpinBox用来调整不透明度。

长度与角度测量模块使用：

系统的交互式测量要求用户通过鼠标拾取的方法获取空间中两个测量点的坐标值，求取两个点之间的欧氏距离，将计算的结果显示到线的上方即为感兴趣的组织和器官之间的距离。同时，可通过鼠标的拖动将图中的十字架进行任意角度的拖曳，以测量其他组织和器官之间的角度，从而达到交互式测量的目的。

长度流程图与角度流程图如图15所示。在评估一些比较复杂的情况时，需要对各个相关结构之间的角度关系进行测量分析；角度测量与长度测量的流程相似，测量流程如图15所示。长度角度测量的模型结果如图16所示。

切片提取功能调用：

系统可以实现三个方向的切片的提取。要实现这个功能，首先需要编写一个回调函数VTKIPWCALLBACK用于滑动块可以调整切片的位置，然后使用插件显示所提取的切片在三维模型中的位置，最后在系统显示界面中来显示三个方向的切片图像，切片提取模块的功能实现流程图如图17所示。

第一步：实例化VTKImagePlaneWidget类来定义插件，类中定义函数SetSlicePosition用来调整插件的位置。

第二步：读取医学影像序列三个方向的切片数量，依据切片数来确定滑动块的最大值，移动滑动块时，调用回调函数VTKIPWCALLBACK。

第三步：利用Qt的信号槽机制将滑动块位置更改信号关联到SetSlicePos-ition上，当滑块滑动时就会向函数发射信号更改插件的位置与切片的提取位置。

功能使用：点击切片按钮后，三个窗口会显示不同的切面，第二窗口切面是冠状面；第三窗口切面是矢状面；第四窗口切面是横断面。移动相应的窗口下方的滑动块就可以改变切片，模型上会显示插件反映当前显示切片的提取位置，实现结果如图18所示。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种脑肿瘤医学影像三维可视化辅助诊断系统，包括：文件模块，三维模型模块、传输函数模块、测量模块、显示模块五大模块。所述文件模块负责读取医学影像数据并将医学数据以三维模型的形式进行显示；所述三维模型模块负责模型的切割与切片提取；传输函数模块负责模型显示效果调节；测量模块可以进行角度与长度测量；显示模块用于通过显示器显示三个方向的图像与大脑的三维模型，内置了用于提取肿瘤的脑肿瘤提取功能与用于大脑与脑肿瘤进行融合绘制三维融合绘制功能。

2.根据权利要求1所述的一种脑肿瘤医学影像三维重建显示交互系统，其特征在于提出了一种新的脑肿瘤提取算法，步骤如下：

(1)读取脑肿瘤的切片数据；

(2)对图像进行幂计算与均值滤波处理，来增强肿瘤特征；

(3)采用基于直方图的自适应阈值分割算法先对图像进行预分割；

(4)得到预分割的图像后，选择分割结果中的最大区域；

(5)在最大区域的中心选择区域增长分割的种子点；

(6)将自适应阈值分割计算出的阈值与种子点的灰度值做加减运算作为区域生长法的阈值上下限，进行二次分割处理，得到最后的图像。

3.根据权利要求1所述的一种脑肿瘤医学影像三维重建显示交互系统，特征在于：所述的脑肿瘤三维融合绘制功能，基于脑肿瘤提取模块，对脑肿瘤进行分割处理，将脑肿瘤从三维数据中分割出来。通过面绘制算法算法，重构出分割出来的脑肿瘤的全视角三维立体图像，然后通过体绘制算法，绘制出脑组织的三维立体图像，最后将两者融合绘制，增强了模型中两者的区分效果。

4.根据权利要求1所述的一种脑肿瘤医学影像三维重建显示交互系统，特征在于提出了一种新的模型分割方法，该方法通过创建一个切割部件，使用切割部件对模型进行切割，并将切割后的模型显示在另外一个窗口。

5.根据权利要求1所述的一种脑肿瘤医学影像三维重建显示交互系统，特征在于系统的切片提取功能，利用Qt的信号槽机制将滑动块位置更改信号关联到函数上，当滑块滑动时就会向函数发射信号从而更改切片位置，模型上会显示插件来反映当前提取的切片的具体位置。

6.根据权利要求1所述的一种脑肿瘤医学影像三维重建显示交互系统，特征在于构建了一种新的体绘制传输函数模块，实现方式如下：

上方设计不透明度与颜色传递界面，由6个滑动块、QDoubleSpinBox和颜色选择按钮组成，滑动块可以调节灰度值，后方的QDoubleSpinBox可以调节相应的不透明值。颜色选择按钮会弹出颜色选择对话框，用户选择颜色后，软件将选择的颜色的RBG值输入到颜色传输函数中，实现颜色传输函数的映射。需要更加直观地了解当前传输函数时，可以在菜单栏按下相应的传输函数功能按钮，这样会显示传输函数曲线图，传输函数曲线图会同时显示当前灰度值、不透明度与颜色三者的映射关系。

下方的参数调节界面是用来调整光照强度与梯度不透明度函数的，光照调节组件由三个QDoubleSpinBox组成，由上至下负责调节环境光、散射光、反射光。梯度调节界面由三个滑动块和QDoubleSpinBox组成，滑动块对应模型的梯度值，后面的QDoubleSpinBox用来调整不透明度。

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