CN1758284A - 从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，步骤如下：对二维断层图像序列进行“非种子区域分割”处理，分割出图像序列中的目标对象区域，提取各层对象的轮廓线；建立一条反应颌骨走向的弓形“参照基准线”，生成各层轮廓线相对于它的“归一化位置”信息；利用“归一化位置”信息快速建立各层轮廓线之间的对应关系，并结合相邻层的影响确定解决分支问题的关键点位置；用“多阶凸包点对应匹配”的思想，用分层分段迭代的方法拼接三角面片。本发明能充分利用颌骨断层图像的特点和颌骨的外形特点，有针对性地快速重建颌骨的三维模型。

Description

从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于图像的重建的方法，特别是从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法

背景技术

在医学上对断层图像序列进行三维重构，再现感兴趣人体部分的形貌，极大限度地辅助医学诊断，为拟定最佳手术方案提供可靠的依据，以提高手术质量。近年来这项技术又与工业上兴起的快速成型技术相结合，根据重构的结果，辅以特殊材料快速制造出病体的替代品，这在外科手术中取得显著成效。因此，有必要先对断层数据进行面向制造而不是仅面向可视化的三维重建，即有必要建立几何表面模型。

典型的方法重建的方法有Marching cubes方法和基于平面轮廓的三角形算法两种。基于平面轮廓的三角形算法有效率较高、重建模型简洁的特点，但是其轮廓对应、轮廓拼接和分叉问题是难点。但经文献检索发现，A.B.Ekoule，F.C.Peyrin，C.L.Odet在ACM Trans.Graph.10(2)：182-199(1991)上发表的“ATriangulation Algorithm from Arbitrary Shaped Multiple Planar Contours”一文，提出了一种新的分解方法把任意形状的轮廓线分解成多个元成分的凸的子轮廓线。然后，对一个切片层上的一个轮廓线连接到另一个切片层上的多个轮廓线的问题，在两层中间生成一个新的唯一确定的插值轮廓线，再使用前面所说的方法进行连接。但该算法存着下列缺点：(1)采用面积重叠法解决层间轮廓的对应问题，效率不高。(2)需要建立额外的中间层插值轮廓线解决一对多的问题。(3)对应的层间轮廓线的形状可以有较大差异，但是其凸包的形状必须是相似的。

发明内容

本发明针对背景技术的不中之处，提出一种从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，针对颌骨断层图像数据的特点和三维外形特征，快速分割出图像中的目标区域和轮廓线，并解决了断层切片间有多个轮廓线间互连的对应和分支问题。从断层图像序列中很好地重建出三维颌骨的表面模型。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明步骤如下：

步骤一：对二维断层图像序列进行“非种子区域分割”处理，分割出图像序列中的目标对象区域，提取各层对象的轮廓线；

步骤二：建立一条反应颌骨走向的弓形“参照基准线”，生成轮廓线相对于它的“归一化位置”信息；

步骤三：利用“归一化位置”信息快速建立各层轮廓线之间的对应关系，并结合相邻层的影响确定解决分支问题的关键点位置；

步骤四：用“多阶凸包点对应匹配”的思想，用分层分段迭代的方法拼接三角面片。

上述步骤一包括：

(1)对断层图像进行中值滤波的预处理，从一个非颌骨点出发，利用改进的种子填充算法，迭代加入满足条件的与其连通的非边界点，每个点至多加入一次，分离连通的软组织和背景区域；

(2)找到最大的物质区域即颌骨区域，对其它区域进行反填充，除去可能的噪声区域和其它骨质区域，得到最终的二值分割图像；

(3)用形态学从每层二值图像得到1个象素宽的、连续的轮廓线，对轮廓线重新采样，删除不必要的点，得到最终的轮廓线。

上述步骤二包括：

(1)将所有二值图像叠加为一幅总的二值图像，对目标区域进行细化操作得到一条“弓”形的“参照基准线”，这条线反映了颌骨总体走向；

(2)以“参照线”为基准，计算每个轮廓线在平面上的开始“归一化位置”、结束“归一化位置”和相应的开始点、结束点；把每个截面上的轮廓线按“归一化位置”的大小排序，小的在前面。

上述步骤三包括：

(1)按顺序比较相邻层间的轮廓线“归一化位置”的重合度，判定轮廓线间的拓扑对应关系，对于同一个截面层上的并行轮廓线，用区域覆盖法加以判定，如果确定对应相邻层的上同一轮廓线，再结合平面三角剖分法组合新的轮廓线；

(2)对同一组中前后相继的2个轮廓线，在它们结束点、开始点附近找到合适的连接点，将连接点组成的线段投影到相邻截面层与对应的轮廓线作比较，以投影线段的相对长度和位置为依据分解或者临时组合轮廓线：如果投影线段长度大于所在层的较短轮廓线的长度，则把相邻层的对应轮廓分裂为三个新轮廓，中间的轮廓进行平面三角剖分，前后两个分别对应相邻层的两个轮廓；如果投影线段长度小于所在层的较短轮廓线的长度，且投影中心点在相邻层的对应轮廓内部，则把所在层的两个轮廓组合为一个新轮廓；如果投影线段长度小于所在层的较短轮廓线的长度，但投影中心点在相邻层的对应轮廓外部，则把相邻层的对应轮廓分裂为两个轮廓，分别对应相邻层的两个轮廓。这样将所有的情况都转化为单分支的问题；

(3)将相邻层上对应的轮廓线中没有很好对应的悬空的部分进行平面三角剖分，使其位置有很好的相似性。

上述步骤四包括：

(1)计算每个轮廓线的凸包，得到一阶凸包，上面的点称为一阶凸包点，用一阶凸包代替临时组合中的原始轮廓线，计算新组合轮廓线的凸包，得二阶凸包，上面的点称为二阶凸包点，对相邻层上2个对应的轮廓线，对其二阶凸包点进行最近距离标准的配对，没有二阶凸包的用一阶凸包代替，然后以两两配对好的二阶凸包点对为界，分段对其中的所有一阶凸包点或没有配对的二阶凸包点进行配对；再以两两配对好的点对为界，分段对其中的所剩下的点进行配对；

(2)在配对的过程中，如果出现二对二、二对多或多对二的情况，则转入三角面片的拼接处理过程，用最短弦线段优先的准则拼接三角面片。

所述的步骤四，具体为：

(1)计算每个轮廓线的凸包(包括临时组合中的原始轮廓线)，得到一阶凸包，上面的点称为一阶凸包点。用一阶凸包代替临时组合中的原始轮廓线，计算新组合轮廓线的凸包，得二阶凸包，上面的点称为二阶凸包点。对相邻层上2个对应的轮廓线，对其二阶凸包点进行最近距离标准的配对(没有二阶凸包的用一阶凸包代替)，这里，只有满足一定距离标准的配对才能通过。然后以两两配对好的二阶凸包点对为界，分段对其中的所有一阶凸包点(或没有配对的二阶凸包点)进行配对；再以两两配对好的点对为界，分段对其中的所剩下的点进行配对。

(2)在配对的过程中，如果出现二对二、二对多或多对二的情况，则转入三角面片的拼接处理过程，用最短弦线段优先的准则拼接三角面片。

本发明方法主要具有以下的特点和作用：(1)“非种子区域分割”方法，对那些特征区域的内部有洞又不需要处理的情况非常有效。(2)充分利用了人体颌骨的特点，利用弓形的“参照基准线”，和“归一化位置”信息，统一解决了颌骨重建过程中的对应和分支问题；同时考虑了相邻层轮廓线的影响，使重建出来的三维表面过渡更光滑、自然。(3)最后采用“多阶凸包点对应匹配”、分段迭代的策略，有效的从轮廓线重建了近似全局最优的三维表面模型，处理了各种复杂的情况。本发明主要适用于需要高效重建颌骨模型的场合。

具体实施方式

结合本发明方法的具体内容提供以下实施例：

核磁共振设备所采集的人体器官二维图像序列是满足具有多种复杂特征的二维断层扫描图像序列。在实际应用中，医生通过观察该序列中每张图像所表现出来的特征来判断人体各组织器官的位置，重点确定病变组织的位置，从而制定出射线治疗和手术的方案。本发明可以应用在这种场合。

本实例所使用的二维图像序列为某某医院利用马可尼医疗设备公司1.5T核磁共振影像设备(Eclipse 1.5T，Marconi Medical Systems，Inc.)采集的48岁男子的下颌部的二维图像序列。

运行发明方法的设备为普通个人台式计算机，其具体配置为P43.0G，512M内存，160G硬盘，软件平台为Windows XP以及一个自设计的计算机辅助植牙系统。

具体实施情况如下：

步骤一，对二维断层图像序列进行“非种子区域分割”处理，分割出图像序列中的目标对象区域，提取各层对象的轮廓线：

(1)对输入步骤一的断层图像进行中值滤波的预处理，从一个非颌骨点出发，利用改进的种子填充算法，迭代加入满足条件的与其连通的非边界点(每个点至多加入一次)，分离连通的软组织和背景区域。

(2)从(1)的结果中找到最大的物质区域即颌骨区域，对其它区域进行反填充，除去可能的噪声区域和其它骨质区域，得到最终的二值分割图像。

(3)对(2)的分割结果，用形态学从每层二值图像得到1个象素宽的、连续的轮廓线。对轮廓线重新采样，删除不必要的点，得到最终的轮廓线。

步骤二，建立一条反应颌骨走向的弓形“参照基准线”，生成轮廓线相对于它的“归一化位置”信息：

(1)将步骤一中的所有二值图像叠加为一幅总的二值图像，对目标区域进行细化操作得到一条“弓”形的“参照基准线”，这条线反映了颌骨总体走向。

(2)以(1)中建立的“参照线”为基准，计算每个轮廓线在平面上的开始“归一化位置”、结束“归一化位置”和相应的开始点、结束点；把每个截面上的轮廓线按“归一化位置”的大小排序，小的在前面。

步骤三，利用“归一化位置”信息快速建立各层轮廓线之间的对应关系，并结合相邻层的影响确定解决分支问题的关键点位置：

(1)按顺序比较相邻层间的轮廓线“归一化位置”的重合度，判定轮廓线间的拓扑对应关系。对于同一个截面层上的并行轮廓线，用区域覆盖法加以判定，如果确定对应相邻层的上同一轮廓线，再结合平面三角剖分法组合新的轮廓线。

(2)对同一组中前后相继的2个轮廓线，在它们结束点、开始点附近找到合适的连接点，将连接点组成的线段投影到相邻截面层与对应的轮廓线作比较，以投影线段的相对长度和位置为依据分解或者临时组合轮廓线：如果投影线段长度大于所在层的较短轮廓线的长度，则把相邻层的对应轮廓分裂为三个新轮廓，中间的轮廓进行平面三角剖分，前后两个分别对应相邻层的两个轮廓；如果投影线段长度小于所在层的较短轮廓线的长度，且投影中心点在相邻层的对应轮廓内部，则把所在层的两个轮廓组合为一个新轮廓；如果投影线段长度小于所在层的较短轮廓线的长度，但投影中心点在相邻层的对应轮廓外部，则把相邻层的对应轮廓分裂为两个轮廓，分别对应相邻层的两个轮廓。这样将所有的情况都转化为单分支的问题；

(3)将相邻层上对应的轮廓线中没有很好对应的悬空的部分进行平面三角剖分，使其位置有很好的相似性。

步骤四，用“多阶凸包点对应匹配”的思想，用分层分段迭代的方法拼接三角面片：

(1)计算步骤二得到的每个轮廓线的凸包(包括临时组合中的原始轮廓线)，得到一阶凸包，上面的点称为一阶凸包点。用一阶凸包代替临时组合中的原始轮廓线，计算新组合轮廓线的凸包，得二阶凸包，上面的点称为二阶凸包点。对相邻层上2个对应的轮廓线，对其二阶凸包点进行最近距离标准的配对(没有二阶凸包的用一阶凸包代替)，这里，只有满足一定距离标准的配对才能通过。然后以两两配对好的二阶凸包点对为界，分段对其中的所有一阶凸包点(或没有配对的二阶凸包点)进行配对；再以两两配对好的点对为界，分段对其中的所剩下的点进行配对。

(2)在(1)的配对过程中，如果出现二对二、二对多或多对二的情况，则转入三角面片的拼接处理过程，用最短弦线段优先的准则拼接三角面片。拼接完成后，再返回(1)处理剩下的配对过程。

最终的重建结果模型视觉效果光滑，拓扑正确，很好的符合了颌骨的几何外形，并能输入给快速成型机得到实物模型。

Claims (5)

1、从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：对二维断层图像序列进行“非种子区域分割”处理，分割出图像序列中的目标对象区域，提取各层对象的轮廓线；

步骤二：建立一条反应颌骨走向的弓形“参照基准线”，生成轮廓线相对于它的“归一化位置”信息；

步骤三：利用“归一化位置”信息快速建立各层轮廓线之间的对应关系，并结合相邻层的影响确定解决分支问题的关键点位置；

步骤四：用“多阶凸包点对应匹配”的思想，用分层分段迭代的方法拼接三角面片。

2、根据权利要求1所述的从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，其特征是，所述的步骤一包括：

(1)对断层图像进行中值滤波的预处理，从一个非颌骨点出发，利用改进的种子填充算法，迭代加入满足条件的与其连通的非边界点，每个点至多加入一次，分离连通的软组织和背景区域；

(2)找到最大的物质区域即颌骨区域，对其它区域进行反填充，除去可能的噪声区域和其它骨质区域，得到最终的二值分割图像；

(3)用形态学从每层二值图像得到1个象素宽的、连续的轮廓线，对轮廓线重新采样，删除不必要的点，得到最终的轮廓线。

3、根据权利要求1所述的从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，其特征是，所述的步骤二包括：

(1)将所有二值图像叠加为一幅总的二值图像，对目标区域进行细化操作得到一条“弓”形的“参照基准线”，这条线反映了颌骨总体走向；

(2)以“参照线”为基准，计算每个轮廓线在平面上的开始“归一化位置”、结束“归一化位置”和相应的开始点、结束点；把每个截面上的轮廓线按“归一化位置”的大小排序，小的在前面。

4、根据权利要求1所述的从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，其特征是，所述的步骤三包括：

(1)按顺序比较相邻层间的轮廓线“归一化位置”的重合度，判定轮廓线间的拓扑对应关系，对于同一个截面层上的并行轮廓线，用区域覆盖法加以判定，如果确定对应相邻层的上同一轮廓线，再结合平面三角剖分法组合新的轮廓线；

(2)对同一组中前后相继的2个轮廓线，在它们结束点、开始点附近找到合适的连接点，将连接点组成的线段投影到相邻截面层与对应的轮廓线作比较，以投影线段的相对长度和位置为依据分解或者临时组合轮廓线，将所有的情况都转化为单分支的问题；

(3)将相邻层上对应的轮廓线中没有很好对应的悬空的部分进行平面三角剖分，使其位置有很好的相似性。

5、根据权利要求1所述的从断层图像序列快速重建三维颌骨模型的方法，其特征是，所述的步骤四包括：

(1)计算每个轮廓线的凸包，得到一阶凸包，上面的点称为一阶凸包点，用一阶凸包代替临时组合中的原始轮廓线，计算新组合轮廓线的凸包，得二阶凸包，上面的点称为二阶凸包点，对相邻层上2个对应的轮廓线，对其二阶凸包点进行最近距离标准的配对，没有二阶凸包的用一阶凸包代替，然后以两两配对好的二阶凸包点对为界，分段对其中的所有一阶凸包点或没有配对的二阶凸包点进行配对；再以两两配对好的点对为界，分段对其中的所剩下的点进行配对；

(2)在配对的过程中，如果出现二对二、二对多或多对二的情况，则转入三角面片的拼接处理过程，用最短弦线段优先的准则拼接三角面片。