专利名称：一种腔体内壁三维形态的重建方法
技术领域：
本发明涉及计算机视觉和图像处理技术，特别是一种腔体内壁三维形态的重建方法。
背景技术：
在美国，腔体肿瘤，如腔体癌、胃癌、宫颈癌等都是致死率非常高的常见病。腔体癌在癌症病中排第五位。病人如果在第三期或第四期才被确诊为腔体癌，其五年相对生存率 (五年生存率是指病人被确诊为癌症后至少能活5年的概率，5年相对生存率是排除了与该疾病不相关的死亡因素后估算出的病人的生存率。)低于50%。而且，据研究，腔体癌在肿瘤被切除后的复发率很高(高达80%)。因此，一种高效且无创的检测手段对于腔体肿瘤的检测和术后复查是十分重要的。常规的内窥镜检查是现阶段最常用的一种诊断及治疗手段。然而，这种方法有创，昂贵， 视野有限不方便观察。近几年来，作为一种无创的能够替代纤维腔体镜检查的诊断工具，计算机断层成像(CT)和核磁成像(MR)被用来对整个腔体进行诊断。借助CT或MR图像，放射科医师可以对腔体粘膜层和腔体壁内同腔体病灶有关系的形态和纹理特征进行观察。临床上，放射科医师需要逐片阅读图像(CT或MR)来定位可疑病灶，而因为缺乏三维信息，这样的阅读和定位过程是耗时且会造成疲劳误差的。因此，人们提出了一种计算机辅助诊断(CAD)的方法，来提升放射科医师的诊断效率并减轻他们的工作量。同CT相比，MRI在软组织间的图像对比度更好，从而更有利于诊断和肿瘤分期(举个例子来说，Tl加权的MR图像在腔体壁处的对比度非常好，而这一点对腔体病灶的检测是至关重要的)，所以在CAD系统中，更倾向于使用MR腔体造影。目前，大多数腔体病灶检测技术都基于二维图像(MR、CT等)，即对一整套腔体数据进行逐片处理，综合各片的检测情况进行病灶定位。该技术的主要缺陷是系统的工作量大、 耗时，对各片检测情况的分析与综合也容易造成误差，且不如三维信息直观。对于算法本身，现有的腔体病灶检测算法多使用的是一些传统的典型特征，比如曲率和形状因子，一些研究显示，早期的腔体癌中，小于IOmm的较平或较小的肿瘤是很难被检测到的，而上述特征在像素和像素之间差异较大，会造成很高的假阳性率。鉴于以上现有技术存在的缺点，使得腔体病灶检测技术实用性较差，因此未能得以广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种腔体内壁三维形态的重建方法，使得能够快速、直观地了解腔体内壁的形态。本发明腔体内壁三维形态的重建方法，包括以下步骤(1)获取三维腔体体数据；(2)计算腔体内壁上每个体素处的有效曲率值；(3)将腔体内壁体上每个体素的灰度值变成二值，通过寻找等值面，重建出腔体内壁的三维虚拟模型；(4)将步骤(2)得出的每个体素处的有效曲率值投影到色彩空间，然后用投影后的色彩空间对步骤(3)重建的三维虚拟模型进行渲染，从而得到腔体内壁的三维形态。其中，步骤(2)中，通过以下方法计算体素处的有效曲率值(2.1)用水平集方法对腔体的内壁和外壁进行分割，进而得到介于内壁和外壁之间且与内壁和外壁平行的若干层，对于每一层，首先用其中所有像素的灰度值生成一个向量， 然后将向量中的元素按升序排列，以向量序号为横坐标、向量中每个元素的值为纵坐标画曲线形成该层的ILIC (Inter-layer Intensity Curve)曲线；(2. 2)计算腔体内壁每个体素处的原始曲率值；(2. 3)根据步骤(2.1)得到的ILIC曲线计算腔体壁的有效厚度值，并计算腔体内壁上每个体素处的有效厚度值；(2. 4)通过
M1(X) = ( Η⑴/扭)"1朋⑶计算腔体内壁上每个体素处的有效曲率值，其中抛⑴代表体素χ处的原始曲率值，TH(X)和所分别代表体素χ处的有效厚度值和整个腔体壁的有效厚度值，代表有效曲率值，η为权重指数因子，调节厚度项TH(X)ZfH对有效曲率值的影响程度。步骤(2.2)中，通过公式 = In XXv1H(φ(γ - λ-))-ν2[1 — Η(φ(γ-χ))γφ
计算腔体内壁每个体素处的原始曲率值，其中，代表所要求的原始曲率值，我是用于分割腔体内壁的内边界水平集函数，χ表示中间层上的体素，代表图像域,V1和V2是
fl if Iv - A-I < Λ
两个用于调节的参数j是一个阶梯函数，尤&-^ = L “ ； ‘ ，/P是一个事先定义步骤(2. 3)中，通过以下方法计算腔体壁的有效厚度值计算步骤(2. 1)得到的每条ILIC曲线对应的灰度均值，以层数索引为横坐标、每层对应的灰度均值为纵坐标画曲线，将该曲线半高宽对应的层的数量作为腔体壁的有效厚度值。步骤(2. 3)中，通过以下方法计算腔体内壁上每个体素处的有效厚度值对于腔体内壁上某一体素Α，在腔体外壁上寻找一个对应体素B使得所述体素A与体素B之间的欧几里德距离最短，对于体素A和B之间的线段上的每一个体素，做如下操作
l(X) = g(X,a)xi(r)其中，ι表示线段！！上的任一体素，/(X)为体素ι对应的灰度值，
g(if,cr)表示尺度σ下的二维高斯核函数，线段35上所有灰度值在腔体壁的有效厚度范
围内的体素都被挑选出来，被挑选出来的体素的总个数就是体素A处的有效厚度值。步骤(4)中，通过以下方法将步骤(2)得出的每个体素的有效曲率值投影到HSV色彩空间(4. 1)对有效曲率值进行如下处理有效曲率值为负则变为0，有效曲率值为正则保持不变；(4. 2)将步骤(4. 1)处理后的有效曲率值归一化为从0到1之间的实数；(4. 3) 基于HSV色彩空间，对于每个体素，保持其S和V为常数，H被指定为归一化后的有效曲率值。所述三维腔体体数据优选腔体部位的Tl加权MR图像数据集。
本发明方法通过CT或MR图像重建出腔体内壁的三维形态，使得能够快速、直观地了解腔体内壁的形态。
图1为本腔体内壁三维形态重建方法的流程图。图2为ILIC曲线示意图。图3为腔体壁内所有层对应的均值和方差曲线示意图。图如-c依次为一个原始的Tl加权的核磁图像、用本发明方法重建的三维模型的外部视野和内部视野。图fe-c依次为另一个原始的Tl加权的核磁图像、用本发明方法重建的三维模型的外部视野和内部视野。图6为对应于图fe的Tl加权的核磁图像，用原始曲率值替代本发明中的有效曲率值后，重建的三维模型的外部视野。
具体实施例方式本发明方法基于对腔体壁hter-layer Intensity Curves (ILICs)的分析，结合腔体壁厚度信息，计算三维腔体内壁上每个体素的有效曲率值，使用有效曲率值对重建的三维虚拟腔体模型进行渲染，从而得到腔体内壁的三维形态。下面结合附图对本发明做进一步说明。参照图1，本腔体内壁三维形态的重建方法，包括以下步骤(1)获取三维腔体体数据；(2)计算腔体内壁上每个体素处的有效曲率值；(3)重建腔体内壁的三维虚拟模型； (4)使用有效曲率值对重建的三维虚拟模型进行渲染。下面详细说明。1.三维腔体体数据可以选用CT或MR图像数据集。由于同CT相比，MR图像在软组织间的图像对比度更好，故优选MR图像数据集。其中又优选腔体部位的Tl加权MR图像数据集，图像可以是DICOM格式。2.计算体素的有效曲率值。在三维体数据中，基于水平集方法对腔体的内壁和外壁进行分割，进而得到内壁和外壁之间与内壁和外壁平行的若干层对应的ILIC曲线；基于 ILIC曲线，得到腔体壁的整体有效厚度，以及每个体素处的有效壁厚和原始曲率值；最终， 结合有效壁厚及原始曲率值，计算出腔体内壁上每个体素处的有效曲率值。具体如下
(1) ILIC的生成
首先使用水平集方法对腔体壁的内边界(内壁)和外边界(外壁)进行分割，通过该方法定义了两个水平集函数内边界水平集函数(ILSF):我00表示某个体素到内边界的距离；
外边界水平集函数(0LSF):i4(x)表示某个体素到外边界的距离。然后利用下面的公式(1)，
确定腔体壁的中间层及中间层水平集函数(MLSF)表示某个体素到中间层的距离
為0)<0,惑(幻>0并且=丨為⑴I(1)
定义一个距离D,在S< ￡5的范围内，定义一个ROI (感兴趣区域)，在其中，生成2D条同腔体壁内外边界平行的层。对于每一层，首先用其中所有像素的灰度值生成一个向量，然后将向量中的元素按升序排列。如图2所示，以向量序号为横坐标，向量中每个元素的值为纵坐标画出的曲线，即为每层对应的ILIC。(2)原始曲率的计算
基于上面提到的内边界水平集函数,提出了一种新的曲率的计算方法来衡量某表面在不同尺度空间的弯曲程度，如下式所示
权利要求
1.一种腔体内壁三维形态的重建方法，其特征在于，包括以下步骤(1)获取三维腔体体数据；(2)计算腔体内壁上每个体素处的有效曲率值；(3)将腔体内壁上每个体素的灰度值变成二值，通过寻找等值面，重建出腔体内壁的三维虚拟模型；(4)将步骤(2)得出的每个体素处的有效曲率值投影到色彩空间，然后用投影后的色彩空间对步骤(3)重建的三维虚拟模型进行渲染，从而得到腔体内壁的三维形态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，通过以下方法计算体素处的有效曲率值(2. 1)用水平集方法对腔体的内壁和外壁进行分割，进而得到介于内壁和外壁之间且与内壁和外壁平行的若干层，对于每一层，首先用其中所有像素的灰度值生成一个向量，然后将向量中的元素按升序排列，以向量序号为横坐标、向量中每个元素的值为纵坐标画曲线形成该层的ILIC曲线；(2. 2)计算腔体内壁每个体素处的原始曲率值；(2. 3)根据步骤(2. 1)得到的ILIC曲线计算腔体壁的有效厚度值，并计算腔体内壁上每个体素处的有效厚度值；(2. 4)通过
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2.2)中，通过公式撤(我)= Jn^Cy-χ) (V1Hi^iy — x))-v2[1-j￥ (J\{y - x))]}dy计算腔体内壁每个体素处的原始曲率值，其中，Ji 代表所要求的原始曲率值，我是用于分割腔体内壁的内边界水平集函数，χ表示中间层上的体素，Ω , Ω代表图像域^和
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2.3)中，通过以下方法计算腔体壁的有效厚度值计算步骤(2. 1)得到的每条ILIC曲线对应的灰度均值，以层数索引为横坐标、每层对应的灰度均值为纵坐标画曲线，将该曲线半高宽对应的层的数量作为腔体壁的有效厚度值。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2.3)中，通过以下方法计算腔体内壁上每个体素处的有效厚度值对于腔体内壁上某一体素Α，在腔体外壁上寻找一个对应体素B使得所述体素A与体素B之间的欧几里德距离最短，对于体素A和B之间的线段H 上的每一个体素，做如下操作l(X) = g(X,a)xI(Z)其中，ζ表示线段上的任一体素，im为体素Z对应的灰度值，‘拟劝表示尺度σ 下的二维高斯核函数，线段Il上所有灰度值在腔体壁的有效厚度范围内的体素都被挑选出来，被挑选出来的体素的总个数就是体素A处的有效厚度值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，通过以下方法将步骤(2)得出的每个体素的有效曲率值投影到HSV色彩空间(4. 1)对有效曲率值进行如下处理有效曲率值为负则变为0，有效曲率值为正则保持不变；(4. 2)将步骤(4. 1)处理后的有效曲率值归一化为从0到1之间的实数；(4. 3)基于HSV色彩空间，对于每个体素，保持其S和V为常数，H被指定为归一化后的有效曲率值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述三维腔体体数据为腔体部位的Tl加权MR图像数据集。
全文摘要
一种腔体内壁三维形态的重建方法，包括以下步骤(1)获取三维腔体体数据；(2)计算腔体内壁上每个体素处的有效曲率值；(3)将腔体内壁体上每个体素的灰度值变成二值，通过寻找等值面，重建出腔体内壁的三维虚拟模型；(4)将步骤(2)得出的每个体素处的有效曲率值投影到色彩空间，然后用投影后的色彩空间对步骤(3)重建的三维虚拟模型进行渲染，从而得到腔体内壁的三维形态。本发明方法通过CT或MR图像重建出腔体内壁的三维形态，使得能够快速、直观地了解腔体内壁的形态。
文档编号G06T17/00GK102436675SQ20111028487
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者刘芳华, 段侪杰, 袁克虹 申请人:清华大学深圳研究生院