CN1664866B - 具有封闭轮廓多平面重定格式的体绘制数据的可视化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有封闭轮廓多平面重定格式的体绘制数据的可视化。本发明提供一种用于可视化相对于查看矢量的体绘制图象的装置(100)以及方法(200)，其中所述装置包括处理器(110)、和所述处理器进行信号通信的检测部件(170)以及和所述处理器进行信号通信的重新取样装置(180)，所述检测部件用于检测所述图像数据中不透明结构的封闭轮廓，所述重新取样装置用于生成曲线多平面重定格式(MPR)重新取样，其遵循不透明结构的封闭轮廓；并且所述方法包括接收(212)一个体绘制图象，包括对于每个不透明像素的距离值以及表面法线，将所有垂直于查看矢量的不透明像素集合(214)为一组封闭点，以及将所述组封闭点分成(216)独立封闭轮廓。

Description

具有封闭轮廓多平面重定格式的体绘制数据的可视化

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年3月4日申请的美国暂定申请号60/550,134(代理人诉讼号2004P03697US)的优先权，其标题是“具有封闭轮廓MPRs的体绘制3D医学数据的增强显示”，这里一并参考其全部内容。

背景技术

体绘制是一种用于使用一种称作体绘制转换(VRT)或转换函数的分类方法来显示三维(3D)数据的技术，其将图象强度映射为颜色和不透明度。通过改变VRT转换函数的参数，用户可以手动地使得体绘制图象中的不同结构有选择地变得透明或不透明。

当绘制脉管图象时，例如，VRT转换函数一般设置为显示脉管的高强度不透明的细胞腔(lumen)。查看脉管细胞腔是一种一般帮助放射科医师检测病理学条件的有效机能，所述病理学的条件例如动脉瘤或器官狭窄，但是它仅仅分辨病理的一部分。大部分基本信息并没有被运送到细胞腔几何结构，而是在细胞腔紧邻的周围区域的内容中。在健康的脉管中，例如，细胞腔是紧邻着血管壁的。然而在其它情况下，其它物质可能聚集在脉管细胞腔和血管壁之间，例如血小板和血栓。这种其它物质的可视化、测量和分类对临床医生来说将是有用的。

一般地，血小板和血栓可以表示为计算机X射线断层照相术血管造影图象(CTA)，但是其它的图象形式也可以表示这种物质，例如磁共振(MR)、计算机X射线断层造影术(CT)、旋转三维血管造影术(三维血管造影术，3D Angio)和3D/4D超声波。普遍可能的是仅仅通过调节体绘制图像转换函数来可视化细胞腔。不幸的是，如果可能，使用这种转换函数自动地乃至半自动地同时并且全部可视化血小板和细胞腔是非常困难的。因此，我们需要一种可视化具有封闭的体绘制数据的自动化方式。

发明内容

通过这样一种装置和方法来阐明现有技术的这些及其他缺点和弊端，即该装置和方法用于可视化具有封闭轮廓多平面重定格式的体绘制数据。

一种用于可视化关于观察向量的体绘制图象的示例性系统包括处理器、检测部件以及重新取样装置，所述检测部件在与处理器进行信号通信时用于检测图像数据中的不透明结构的封闭轮廓，所述重新取样装置在与处理器进行信号通信时用于生成其沿着不透明结构的封闭轮廓的曲线多平面重定格式(MPR)重新取样。

一种对应的方法包括接收体绘制图象，其包括对于每个不透明像素的距离值和表面法线，将所有正交于观察向量的不透明像素聚集变成一组封闭点，并且将该组封闭点分离为独立的封闭轮廓。

根据以下示例性实施例的描述、并结合附图，本发明的这些及其他方面、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

当前说明书根据以下示例性附图阐明了一种用于可视化具有封闭轮廓多平面重定格式体绘制数据的系统和方法，其中：

附图1示出根据本发明一个示例性实施例的用于可视化具有封闭轮廓体绘制数据的系统的示意图；

附图2示出根据本发明示例性实施例的用于可视化具有封闭轮廓的体绘制数据的方法流程图；

附图3示出根据本发明示例性实施例的具有封闭轮廓的示范性三维形状实施例的示意图；

附图4示出根据本发明示例性实施例的另一个示范性三维形状的示意图；以及

附图5示出根据本发明示例性实施例的具有封闭MPRs的附图4中的示范性三维形状的示意图。

具体实施方式

本发明的一个示例性实施例通过检测所述图象中不透明结构的封闭轮廓而自动地同时产生血小板和细胞腔的可视化，然后迅速地生成其沿着不透明结构封闭轮廓的曲线多平面重定格式(MPR)重新取样。

如附图1所示，根据本发明示例性实施例，通常以附图标记100来表示一种用于可视化具有封闭轮廓体绘制数据的系统。系统100包括其与系统总线104进行信号通信的至少一个处理器或中央处理器(CPU)102。只读存储器(ROM)106、随机存取存储器(RAM)108、显示器适配器110、I/O适配器112、用户接口适配器114、通信适配器128以及图象适配器130也与系统总线104进行信号通信。显示装置116经由显示适配器110而与系统总线104进行信号通信。诸如磁或光盘存储装置这样的磁盘存储器118经由I/O适配器112而与系统总线104进行信号通信。鼠标120、键盘122以及监视器跟踪装置124经由用户接口适配器114而与系统总线104进行信号通信。成象装置132经由图象适配器130而与系统总线104进行信号通信。

检测部件170和重新取样装置180也包括在所述系统100中，并且与CPU102和系统总线104进行信号通信。虽然将检测部件170和重新取样装置180显示为耦合到至少一个处理器或CPU102，但是这些组件最好是体现在存储于至少一个所述存储器106、108和118中的计算机程序代码，其中由CPU102执行所述计算机程序代码。

转向附图2，根据本发明示例性实施例，通常由附图标记200来表示一种用于可视化具有封闭轮廓体绘制数据的方法。流程图200包括开始框210，其将控制传递给输入框212。输入框212接收体绘制图象，所述体绘制图象包括每个像素不透明度值且包括对于每个不透明象素的距离值和表面法线。框212将控制传递给功能框214。功能框214将正交于观察者的所有不透明像素集合成一组封闭点，并且顺次将控制传递给功能框216。框216将该组封闭点分成单独的封闭轮廓，且将控制传递给功能框218。

功能框218顺次使三维曲线拟合为每个封闭轮廓以创建一组封闭曲线，其中在给定封闭曲线上的每个点与不透明目标的表面法线相关，所述不透明目标的表面法线垂直于查看方向V。框218将控制传递给功能框220。框220产生用作封闭MPRs的平面，且可能将控制传递给一个可选功能框222，该可选功能框使用一个强度-颜色查找表来进行例如将强度映射为(R，G，B)颜色元组(tuples)。可选择地，方框220或222将控制传递给功能框224。为了更好的显示那些原色映射应用不能区分的质地(tissues)和结构，功能框224将本地标记或分类算法施加于由封闭MPRs定义的区域。方框220、222和/或224将控制传递给输出框226，以通过颜色和/或标记显示对如血小板和血栓这样的不同物质的原始的、查出的和/或分类的颜色。框226将控制传递给结束框228。

现在转向附图3，通常由附图标记300表示一种具有封闭轮廓的示例性三维(3D)图象。对于一个简单三维球面形状310，例如所述球面的封闭轮廓是一个圆周320。因此，对于观察方向V，所述球面310的封闭轮廓定义为大圆320，在该大圆上表面法线正好垂直于所述观察方向V或与所述观察方向V具有一个90度的角。

如附图4所示，脉管成像一般地由附图标记400表示。前视图的脉管图象410是在观看体绘制图象中的影象脉管目标430、432和434时由观察者所看到的，而俯视图脉管图象420示出了观察方向V和观察目标的关系。

转向附图5，具有封闭轮廓的脉管图像一般地由附图标记500表示。所述前视图图象510看起来象附图4中的图象410，但是也示出了如其在前视图中出现的封闭多平面重定格式重新取样(MPRs)540。同样地，俯视图图象520看起来象图4的图象420，但是也显示了边缘-顶面(edge-on)表示中的MPRs540。

在体绘制处理期间，通常是模拟灯光照在不透明表面上。为了模拟灯光效果，有必要知道或能够估计出在任何特定表面三维坐标点(voxel)处图象中不透明表面的表面法线。绘制算法或者是预先计算出表面法线或者是在操作中计算表面法线。对于每个完全不透明的三维坐标点(voxel)可能既存储深度值又存储表面法线，所述完全不透明的三维坐标点(voxel)在最后绘制的图象中是可见的。

现在更加详细的描述附图2的方法200的操作。对于每个像素给定一个绘制图象，其具有：

1、位于范围[0..1]中象素的不透明度值ALPHA[x，y]；

2、如果不透明度是1，从该像素3D位置到观察者位置的距离ZDEPTH[x，y]；以及

3、如果不透明度是1，所述不透明表面三维坐标点(voxel)的表面法线NORMAL[x，y]。

然后执行以下算法来创建一组封闭曲线：

首先，将所有那些ALPHA[x，y]＝1AND NORMAL[x，y]垂直于观察者的像素[x，y]集合成一组OCCLUDING_POINTS。

接下来，通过找出OCCLUDING_CONTOURS的所连接成分，将OCCLUDING_POINTS分为K个独立的OCCLUDING_CONTOURS[1..K]。K等于OCCLUDING_POINTS中发现的连接成分的数目。

接下来，将三维曲线拟合为OCCLUDING_CONTOURS的每个元以创建一组曲线OCCLUDING_CURVES[1..K]。

给定封闭曲线上的每个点与所述不透明目标n的表面法线相关联，其垂直于观察方向V。现在可能产生以下形式的用作封闭MPRs的平面：

给定一个封闭轮廓f(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))和相关函数n(f(t))＝(x(f(t))，y(f(t))，z(f(t)))，其给出与f(t)中每个点有关的单位表面法线，创建一个表面S(s，t)＝f(t)+n(f(t))s。表面S具有对可视化有用的某些属性：

1、如果f(t)和n(f(t))是连续的则S(s，t)是连续的。

2、如果s被限制在正值或零值，则S(s，t)包括轮廓f(t)加上轮廓f(t)的偏移量，所述偏移量移自所述表面法线方向的不透明结构。

3、如果f(t)对观察者来说是可见的，则S(s，t)对观察者来说是可见的。

直观地，在[0..k]的表面S(s，t)、s是通过长度k的线性分段清除的点的轨迹，这是因为它沿着总是定位在f(t)的不透明表面法线的方向移动。

假设在给定位置[x，y，z]的体积的强度由函数I(x，y，z)表示。表面S(s，t)可以显示为图象中的一个不透明表面，其具有在S(s，t)＝I(S(s，t))表面的颜色。可选择地，可以使用一个强度-颜色的查找表格。例如，假设T:R-＞R3是将强度映射为(R，G，B)颜色元组(tuples)的函数。因此显示表面S具有S(s，t)＝T(I(S(s，t)))表面的颜色。这允许使用专门的查找表格来通过颜色区分诸如血小板和血栓这样的物质。可选择地，为了更好的显示那些通过原色映射的应用不能区分的质地(tissues)和结构，可将本地标记或分类算法施加于由封闭MPRs所定义的区域。

因此，图1的装置100使用图2的方法200来查看具有如图5中封闭MPRs这样的封闭MPRs的如图4中脉管目标430、432和434这样的目标。因此，图5的封闭MPRs 540显示为前视图所呈现的，以及显示为所述俯视图中的边缘-顶面表示。

在装置100的替换实施例中，可将一些或所有的计算机程序代码存储在其位于处理机芯片102的寄存器中。另外，如同系统100的其他元件一样，可以制造出检测部件170和重新取样装置180许多不同结构和实现。

可以理解，可以采用硬件、软件、固件、专用处理机或它们的结合的不同形式来实现本发明的阐述。最好是，通过硬件和软件的结合来实现本发明的阐述。

此外，最好将软件实现成确实体现于程序存储器单元中的应用程序。所述应用程序可以加载到包含所有适当结构的机器，或者由包含所有适当结构的机器来执行。最好是，在其具有诸如一个或多个中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出(I/O)接口这样的硬件的计算机平台上实现所述机器。

所述计算机平台还包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种处理与函数可以是微指令代码的一部分，或是应用程序的一部分或其中任何的结合，其由CPU来执行。另外，可将各种其它的外部设备连接到所述计算机平台，诸如额外的数据存储器和打印装置。

应当进一步理解的是，因为附图描述的一些组成的系统组成部分和方法最好在软件中执行，依赖于本发明的编程方式，系统组成部分或处理功能方块间实际连接可以不同。这里给出的阐述，相关领域的普通技术人员将能想到本发明的这些和相似的实施例或者配置。

尽管这里结合附图已经描述了所述示例性实施例，仍然应当理解的是本发明不局限于这些具体的实施例，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，相关领域的普通技术人员可以进行不同的变换和修改。所有这种变换和修改将包含在如附加权利要求所阐明的本发明的范畴之内。

Claims (15)

1.一种用于可视化与观察向量相关的体绘制图象的方法，包括：

接收体绘制图象，包括用于每个不透明像素的距离值和表面法线；

将所有垂直于观察向量的不透明像素集合为一组封闭点；

将所述组封闭点分成单独的封闭轮廓；

将三维曲线拟合为每一封闭轮廓来创建一组封闭曲线，其中在封闭曲线上的每个点与垂直于观察向量的不透明目标的表面法线相关联；并且

响应于观察向量和至少一个单独的封闭轮廓而显示区域。

2.如权利要求1的方法，还包括产生来自所述组封闭轮廓的平面以用于封闭多平面重格式重新取样。

3.如权利要求2的方法，还包括将强度-颜色的查找表格施加到封闭多平面重格式重新取样定义的区域以将强度映射为颜色元组。

4.如权利要求2的方法，还包括将至少一个本地标记算法和分类施加到封闭多平面重格式重新取样定义的区域以便区分物质。

5.如权利要求2的方法，其中显示的区域通过封闭多平面重格式重新取样来定义。

6.一种用于可视化相对于观察向量的体绘制图像数据的装置，包括：

处理器；

与处理器进行信号通信的检测装置，用于检测图像数据中不透明结构的封闭轮廓；以及

与处理器进行信号通信的重新取样装置，用于生成曲线多平面重定格式重新取样，所述重新取样沿着不透明结构的单独的封闭轮廓；以及

与处理器进行信号通信的显示适配器，用于响应于观察向量和至少一个单独的封闭轮廓而显示区域，

其中所述处理器被配置成用于将三维曲线拟合为每一封闭轮廓来创建一组封闭曲线，其中在封闭曲线上的每个点与垂直于观察向量的不透明目标的表面法线相关联。

7.如权利要求6的装置，还包括与处理器进行信号通信的用于接收图像数据的至少一个图象适配器和一个通信适配器。

8.如权利要求6的装置，还包括与处理器进行信号通信的输入/输出适配器，用于存储对于每个在体绘制图象中不透明的像素的距离值和表面法线。

9.如权利要求6的装置，还包括与处理器进行信号通信的用户接口适配器，用于定义一种观察向量，由此垂直于观察向量的所有不透明像素被集聚为一组封闭点。

10.如权利要求6的装置，其中显示适配器被配置成用于显示由封闭多平面重定格式重新取样定义的区域。

11.一种用于可视化相对于观察向量的体绘制图像数据的装置，包括：

绘制装置，用于接收体绘制图像，包括用于每个不透明像素的距离值和表面法线；

矢量分解装置，用于将所有垂直于观察向量的不透明像素聚集为一组封闭点；

点分离装置，用于将所述组封闭点分成单独的封闭轮廓；

曲线拟合装置，用于将三维曲线拟合为每一封闭轮廓以创建一组封闭曲线，其中在封闭曲线上的每个点与垂直于观察向量的不透明目标的表面法线相关联；以及

显示装置，用于响应于观察向量和至少一个单独的封闭轮廓而显示区域。

12.如权利要求11的装置，还包括重新取样装置，用于产生来自所述组封闭轮廓的平面，以用于封闭多平面重定格式重新取样。

13.如权利要求12的装置，还包括查找装置，用于将强度-颜色查找表格施加到封闭多平面重定格式重新取样定义的区域以将强度映射为颜色元组。

14.如权利要求12的装置，还包括区分装置，用于将至少一个本地标记算法和分类施加到封闭多平面重定格式重新取样定义的区域以便区分物质。

15.如权利要求12的装置，其中显示装置被配置成用于显示由封闭多平面重定格式重新取样定义的区域。

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