CN1627326A - 物体的体透明漫游方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种物体的体透明漫游方法及其系统，主要是将体数据的可视化技术发展实现为三维体结构透明可视化水平的基础上，与对物体的交互虚拟漫游技术相结合而成为统一的技术和系统。技术特征在于：对三维物体数据进行三维物体透明处理，形成三维物体透明数据，将上述体透明化的体数据进行体绘制加工处理，得到透明化了的三维虚拟体结构，利用虚拟漫游技术进行交互式漫游处理，实现从整体的内部向外部任意方位或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。利用本发明，在赋予了检测者视觉的“穿透”能力，检测者可以虚拟地从三维物体内部向外部任意方位，或者从三维物体外部向内部任意方位进行漫游式观察、检测的能力和立体的精确手术导航能力。
Description
技术领域：本发明涉及一种物体的体透明漫游方法及其系统，主要是在将体数据(VolumeData)可视化技术发展实现为三维体透明水平的基础上，与对物体的交互虚拟漫游技术相结合而成为统一的技术和系统——对物体内窥(视)和外视的全方位、交互式体透明漫游观察、检测技术及其系统。
背景技术：本发明中所说的“透明”，从实际意义上严格地说是指介于“全不透明”至“全透明”之间的中间状态，或称“半透明”。因为，如果被观察物体真的全透明了，就什么也看不到了，就没有实际意义了。根据文献，目前对三维物体或其局部进行虚拟漫游式观察、检测的技术和系统，尚无关于体透明观察、检测的报道。例如文献中的医学虚拟内窥镜，虽然观察者可以在人体空腔(如胃)内进行虚拟漫游式内视，但因其没有体透明能力，因而只能观察空腔表皮形态和情况，而不能看到腔壁厚度及其结构情况，更不能实现从人体空腔内部向外观察到腔壁外(后)面直至人体外表面间的人体三维结构或某种组织的三维真实情况。
另外，现有技术中的数据透明化处理，是简单低下的仅根据其灰度值就直接给数据赋以某一透明度值的方法，未能与视点距离等人类视觉习惯因素相联系。因而不能使后续的体透明效果满足实际使用要求，特别是这里的透明化从概念上和技术上根本就没有与虚拟漫游技术相联系、相结合，因而这种透明的观察方式只能是固定视点、固定方向的观察，不可能是任意方位的漫游方式。更无法突出某些细节，淡化、剥离或忽略某些细节与背景而实现对某一种组织的单独三维体透明漫游观察。
由于以上技术的各自缺陷和局限性，既尚未关系到也难以实现对三维物体或其某一局部或其某种组织(如人体的血管或骨骼等)进行全方位、交互虚拟漫游式的、视觉“穿透”性的三维体透明观察与检测。
由于无法使检测者的位置和检测能力可以在物体内部沿任意路径任意方位，或从物体外部向内部任意方位进行体透明虚拟漫游式检测，所以检测准确度和检测效率不能有效的提高，也不便于进行多人会诊或远程会诊。
发明内容：为克服和弥补现有技术的缺陷和局限性，本发明提出了一种物体的体透明漫游方法及其系统。在将由CT、MRI等探测器获得的三维物体的一系列切片的面数据转换为体数据，并进行体数据透明化处理和基于体绘制的三维重建而得到与原三维物体对应的三维透明虚拟物体的基础上，将透明化了的物体进行虚拟漫游处理，而最终形成了对物体的体透明交互漫游技术和方法。
利用本发明，在赋予了检测者视觉的“穿透”能力，或者说相当于将人类视觉原本仅有的对三维物体的表面立体感觉能力向纵深视野延伸和扩大为对三维物体内部结构的洞察透视能力的同时，也赋予了检测者可以虚拟地在三维物体内部沿任意路径向任意方位，或者从三维物体外部向内部任意方位进行漫游式观察、检测的行为能力。
本发明在医学及其临床领域的应用和体现则是：使基于医生视觉观察的计算机辅助诊断和导航，从此由依据影像的诊断和依据平面图像的导航，在性能、方式和水平上，延伸和跃升为新型的三维体透明漫游式的辅助诊断和精确导航，在一定程度上是对现代医学文明的一种促进。
本发明的技术特征在于：
对三维物体的体数据进行基于体的体透明处理，形成物体的体透明数据；再将上述体透明化了的体数据利用体绘制技术进行体绘制加工，亦即基于体绘制的三维重建工作，得到与原真实物体相对应的、其内部结构透明化了的三维虚拟物体；然后利用虚拟漫游技术对其进行交互式漫游处理，从而实现在物体或其局部内部沿任意路径向任意方位，或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。
对由CT、MRI或其它探测器获得的三维真实物体的一系列切片的平面数据或其DICOM格式的数据，先进行预处理——数据转换。其数据转换方法可以是将这种面数据直接进行纵向叠加，使二维数组变为三维数组，从而将面数据转换成为体数据。也可以在此基础上对这种体数据再辅以数据广义模糊增强处理，以形成灰度对比度得到了增强的高质量体数据。
所述的(三维)物体的体数据还包括物体各种局部(结构)的单独体数据：即在已生成的物体的体数据(集)里，根据每一种局部(结构)的数据特征，将符合这些特征的体数据抽取出来组成各该局部(结构)的体数据(子集)。
一种实现上述对物体体透明漫游方法的系统，其特征在于：该系统包括体数据透明处理器4、三维透明虚拟物体形成器5、虚拟漫游处理器7；
体数据透明处理器4：对三维物体的(三维)体数据或其某些感兴趣局部的体数据进行体透明(化)处理，形成体透明化了的体数据；系统采用基于体的体透明处理技术和方案。具体实现方法可采用体素透明度值直接赋值法，或体素透明度值多因素融合赋值法；
三维透明虚拟物体形成器5：对物体或物体局部的体透明化了的体数据，利用体绘制技术进行体绘制加工，亦即基于体绘制的三维重建工作，得到与原真实物体相对应的、其内部结构透明化了的三维虚拟物体或其局部；
虚拟漫游处理器7：对上述透明的虚拟三维物体或其局部，利用虚拟漫游技术进行交互式漫游处理，实现在物体或其局部或其某种组织的内部沿任意路径向任意方位，或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。这就为对物体进行基于视觉观察的检测、诊断或医学导航提供了一种新型的体透明漫游方式和机制。
基于体的体透明处理技术和方案，可以采用现行的体素透明度(值)简易赋值法，也可以采用本发明(本项目)研究出的体素透明度(值)多因素融合赋值法。其中，体素透明度(值)简易赋值法是现行的处理方法，即对体数据中的每一个体素在256级透明度中赋予一个透明度值T＝K1T1。
所述的体(素)透明度(值)多因素融合赋值法是：令透明度值T＝K1T1+K2T2+K3T3，其中：K1、K2、K3为可调加权因子，是某一取值范围内的整数或百分数；T1：为某体素的原有灰度值、T2：视点与该体素的欧式距离、T3：光源与该体素的欧式距离。由于本方法考虑到了T2、T3等与人的视觉习惯相关的因素，因而利用本方法的体数据透明处理器处理的体素，其透明度赋值细致、全面，从而整体透明效果更清晰、真实感更强，而且各因素的比重灵活可调。
在体数据透明处理器之前，先得将由CT、MRI或其它探测器获得的一系列切片的面数据或其DICOM格式的数据转换成为体数据，这就要加上数据转换器2。所述数据转换器2是：对面数据进行直接纵向叠加从而使数据由二维数组变成三维数组，即面数据转换成为体数据。也可以在此基础上对这种体数据再辅以数据广义模糊增强处理。亦即既可以采用直接法，也可以采用直接法加数据广义模糊增强处理。
直接法是通常的、最简单的体数据形成方法，因为它是将面数据进行直接纵向叠加从而使数据由二维数组变成三维数组的，故称为面数据至体数据的直接转换法，简称直接法。
所述的数据广义模糊增强处理是：
(1)利用左/右半梯度模糊隶属函数将二维数据由灰度空间转换至广义模糊空间；
(2)运用本系统专门研究出的线性广义模糊算子的两个功能进行：(i)把广义模糊空间数据的广义模糊隶属度值进行线性增大/减小处理；(ii)同时把经过(i)处理的数据由广义模糊空间转换至经典模糊空间；
(3)利用线性模糊分布逆算子再把上述数据从经典模糊空间转换回灰度空间；
出于线性广义模糊算子所建立的灰度域与变换域的关系，第(2)步中隶属度值的处理结果在回到灰度域时，会表现出灰度对比度增强的效果，亦即可以提供高质量的体数据。
在系统中可以加入(三维物体)的局部体数据提取器3和漫游检测部位与漫游方式选择器8。所述的(三维物体)的局部体数据提取器3是：根据每一种感兴趣的局部结构或组织的数据特征，把与之相关的体数据提取出来，组成各该局部或组织的体数据；所述的漫游检测部位与漫游方式选择器8是：可以选择可控连续式或可控步进式观测制式；可以选择Zoom细化放大观测方式或非Zoom正常观测方式。包括体透明可控连续式漫游9、体透明可控步进式漫游10和物体局部或某种组织的透明Zoom可控连续漫游11。
为便于本系统使用人员在不同对象、不同情况、不同习惯下选择不同的透明度，以提高检测(或导航)准确度与快速性，在三维透明虚拟物体形成器5之后，可以加入体透明对比度增强器6：与数据转换器2中对只有灰度值的数据进行数据广义模糊增强处理，可增强其灰度对比度的原理相同，这里对已有透明度值的体数据进行数据广义模糊增强处理可增强其透明对比度。利用这种体透明增强技术增强透明对比度，从而达到突出某些细节，或者淡化、剥离、忽略某些细节与背景，提高体透明漫游清晰度之目的。
附图说明：
图1：体透明漫游系统实现与组成框图
图2：人脑体透明效果图
a：非透明人脑外观原图
b：低透明度体透明人脑图
c：高透明度体透明人脑图
图3：头颅体透明效果图
a：非透明头颅外观原图
b：低透明度体透明头颅图
c：中透明度体透明头颅图
d：高透明度体透明头颅图
具体实施方式：
现结合附图对本发明作进一步描述：
利用本发明，使被检查、被诊断的物体或被手术治疗的人体(或人体组织)呈三维结构透明状态的基础上，系统使用人员可虚拟地在物体内部沿任意路径向任意方位，或从物体外部向内部任意方位进行体透明漫游观察、诊断或进行医学导航。
本实施例中，以MRI和各种CT断层切片数据或其DICOM格式数据为基础，以非透明人脑图2(a)和非透明头颅图3(a)为例。结合图1，了解体透明漫游系统(装置)实现与组成。
CT、MRI等探测数据或其DICOM格式数据1经过数据转换器2，将物体的一系列切片(二维)面数据进行转换而形成物体的体数据。其数据转换方法可以是将面数据进行直接纵向叠加从而使数据由二维数组变成三维数组，即面数据转换成为体数据。也可以在此基础上对这种体数据再辅以数据广义模糊增强处理。
利用三维物体的局部体数据提取器3，根据每一种局部结构的数据特征，把与之相关的体数据提取出来，组成各该局部或组织的(三维)体数据；
在体数据透明处理器4中，采用体(素)透明度(值)的多因素融合赋值法对物体的体数据或其各个局部的体数据进行体透明处理，形成体透明数据；
利用体绘制技术进行体绘制加工，即基于体绘制的三维重建，通过三维透明虚拟物体形成器5得到与真实物体相对应的、透明化了的三维虚拟物体；
体透明对比度增强器6采用数据广义模糊增强处理以增强透明对比度。
对上述透明的虚拟三维物体或其局部，利用虚拟漫游处理器7，进行交互式漫游处理，实现从物体或其局部或某种组织内部沿任意路径向任意方位，或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。这就为对物体的视觉检测、诊断或医学导航提供了一种新型的体透明漫游的方式和机制。
Claims (10)
1、一种物体的体透明漫游方法，其特征在于：对三维物体的体数据进行体透明处理，形成体透明化的体数据；对上述体透明化了的体数据利用体绘制技术进行体绘制加工，亦即基于体绘制的三维重建工作，得到与原真实物体相对应的、其内部结构透明化的三维虚拟物体；对上述透明化了的三维虚拟物体，利用虚拟漫游技术进行交互式漫游处理，实现从物体的内部沿任意路径向任意方位，或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。
2、根据权利要求1所述的一种物体的体透明漫游方法，其特征在于：对由CT、MRI等探测器获得的三维真实物体的一系列切片的数据或其DICOM格式的数据，先进行数据转换的预处理；所述的数据转换方法可以是将这种面数据进行直接纵向叠加，使二维数组变为三维数组，从而将面数据转换成为体数据，也可以在此基础上对这种体数据再辅以数据广义模糊增强处理，以形成灰度对比度得到增强的高质量体数据。
3、根据权利要求1或2所述的一种物体的体透明漫游方法，其特征在于：所述的三维物体的体数据还包括该物体各种局部或组织的体数据：即对已生成的三维物体的体数据，根据每一种局部或组织的数据特征，组成各该局部或组织的局部体数据。
4、一种实现上述一种物体的体透明漫游方法的系统，其特征在于：该系统包括体数据透明处理器(4)、三维虚拟透明物体形成器(5)、虚拟漫游处理器(7)；
体数据透明处理器(4)：对三维物体的体数据或其某些感兴趣局部的体数据进行体透明处理，形成体透明化的体数据；具体实现方法可采用体素透明度简易赋值法，或采用体素透明度多因素融合赋值法；
三维透明虚拟物体形成器(5)：对物体或物体局部的体透明化了的体数据，利用体绘制技术进行体绘制加工，亦即基于体绘制的三维重建工作，得到与原真实物体相对应的、其结构透明化了的三维虚拟物体或其局部；
漫游处理器(7)：对上述透明的虚拟三维物体或其局部，利用虚拟漫游技术进行交互式漫游处理，实现从物体或其局部或其某种组织进行由内部沿任意路径向任意方位，或由外部向内部任意方位的交互式体透明漫游。
5、根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的体素透明度的多因素融合赋值法是：令透明度值T＝K1T1+K2T2+K3T3，其中：K1、K2、K3为可调加权因子，是某一取值范围内的整数或百分数；T1：为某体素的原有灰度值，T2：视点与该体素的欧式距离，T3：光源与该体素的欧式距离。
6、根据权利要求4所述的系统，其特征在于：在处理由CT、MRI或其它探测器获得的一系列平面切片的数据或其DICOM格式的数据时，在体数据透明处理器之前加数据转换器(2)；所述的数据转换器(2)是：对面数据进行直接纵向叠加从而使数据由二维数组变成三维数组，即面数据转换成为体数据；也可以在此基础上，对这种体数据再辅以数据广义模糊增强处理。
7、根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的数据广义模糊增强处理是：
(1)利用左/右半梯度模糊隶属函数将二维数据由灰度空间转换至广义模糊空间；
(2)运用本系统专门研究出的线性广义模糊算子的两个功能进行：(i)把广义模糊空间数据的广义模糊隶属度值进行线性增大/减小处理；(ii)同时把经过(i)处理的数据由广义模糊空间转换至经典模糊空间；
(3)利用线性模糊分布逆算子再把上述数据从经典模糊空间转换回灰度空间；出于线性广义模糊算子所建立的灰度域与变换域的关系，第(2)步中隶属度值的处理结果在回到灰度域时，会表现出灰度对比度增强的效果。
8、根据权利要求4或6所述的的系统，其特征在于：在系统中可以加入局部体数据提取器(3)和漫游检测部位与漫游方式选择器(8)；所述的局部体数据提取器(3)是：根据每一种感兴趣的局部结构或组织的数据特征，把与之相关的体数据提取出来，组成各该局部或组织的体数据；所述的漫游检测部位与漫游方式选择器(8)是：可以选择可控连续式或可控步进式观测制式；可以选择Zoom细化放大观测方式或非Zoom正常观测方式。
9、根据权利要求4或6或8所述的的系统，其特征在于：在三维透明虚拟物体形成器(5)之后，可以加入体透明对比度增强器(6)：与数据转换器(2)中对只有灰度值的数据进行数据广义模糊增强处理可增强其灰度对比度的原理相同，这里对已有透明度值的体数据进行数据广义模糊增强处理可增强其透明对比度。
10、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：漫游检测部位与漫游方式选择器(8)包括体透明可控连续式漫游(9)、体透明可控步进式漫游(10)和物体局部或某种组织的透明Zoom可控连续漫游(11)。
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