一种复杂器官轮廓线的三维重建方法与流程

本发明属于轮廓线三维重建技术领域，特别是涉及一种复杂器官轮廓线的三维重建方法。

背景技术：

轮廓线的三维重建一直是医疗可视化中不可忽视的重要问题，三维医学数据在临床能够为治疗提供直观和有价值的科学参考，而其中对于复杂的轮廓线的处理一直是研究的热点，包含多分支，非凸轮廓线和嵌套等难以处理的问题。第一种方法是早期常见的轮廓线重建方法，通过计算上下轮廓线关键点的距离来获得最佳三角面片的连接方式。在处理复杂轮廓线时，常利用delaunay三角形剖分法或其他插值方法，往往计算比较复杂，且生成的曲面会出现局部尖锐或者突变情况。该方法的具体介绍参见文献“improvedconstructionofdelaunaybasedcontoursurfaces”(作者：s.w.cheng,t.k.de)。第二种是利用隐函数拟合的方式来拟合轮廓线的复杂区域，计算量一般比较大，不能应用到整体轮廓线的重建。该方法的具体介绍参见文献“surfacerenderingforparallelslicesofcontoursfrommedicalimaging”(作者：wangqiang,zhigengpan等)。第三种是将轮廓线转看成点云的形式，转而将轮廓线重建变成点云的曲面拟合，但是这种方式在处理嵌套轮廓线和多分支情况时往往出现失真的状况。第四种就是利用移动立方体方法(mc方法)，该方法在设定阈值后，可以直接处理ct图像进行三维重建，但对于医生手动勾画出来的轮廓线往往需要再进行预处理，该方法的具体介绍参见文献“3dreconstructionoffacefrom2dctscanimages”(作者：t.senthilkumar，anupavijai)。

本发明致力于发明一种复杂器官轮廓线的三维重建方法，用于解决现有的器官轮廓线重建过程复杂、不能处理轮廓线嵌套、多分支以及非凸轮廓多边形同时处理效率慢、处理效果差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复杂器官轮廓线的三维重建方法，通过对器官轮廓线进行预处理，建立器官轮廓线及其嵌套轮廓线的柱体曲面；同时对相邻器官轮廓线对应的的柱体曲面融合获取整体曲面并利用加权拉普拉斯网格平滑方法对整体曲面平滑，解决了现有的器官轮廓线重建过程复杂、不能处理轮廓线嵌套、多分支以及非凸轮廓多边形同时处理效率慢、处理效果差的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种复杂器官轮廓线的三维重建方法，包括如下步骤：

s000：对输入的每一条器官轮廓线进行预处理；

s001：对所述器官轮廓线的每一层建立对应的柱体曲面；

s002：融合全部所述柱体曲面得到整体曲面；

s003：利用加权拉普拉斯网格平滑方法对所述整体曲面进行网格平滑；

其中，所述器官轮廓线采用轮廓点集合e表示；所述轮廓点集合e内的点为按照顺时针或逆时针获取构成轮廓线的线段端点。

优选地，s000中对输入的每一条器官轮廓线进行预处理具体包括如下过程：

a000：采用线段快速排斥算法筛选出构成器官轮廓线的可能相交的两线段；

a001：对a000中可能相交的两线段采用线段跨立实验算法确认相交两线段；

a002：删除相交两线段中的前位线段的终点与后位线段的始点，同时删除位于前位线段的终点与后位线段的始点之间的所有点；

a003：连接相交两线段中前位线段的始点与后位线段的终点形成新的线段构成器官轮廓线。

优选地，所述柱体曲面生成规则如下：

b000：计算当前器官轮廓线与上层器官轮廓线间的高度h1；

b001：计算当前器官轮廓线与下层器官轮廓线间的高度h2；

b002：在距离当前器官轮廓线向上高度h1/2水平面处建立与当前器官轮廓线形状一致的上层轮廓多边形；

b003：在距离当前器官轮廓线向下深度h2/2水平面处建立与当前器官轮廓线形状一致的下层轮廓多边形；

b004：将所述上层轮廓多边形与所述下层轮廓多边形连接形成柱体曲面；

b005：将所述当前器官轮廓线的内嵌器官轮廓线按照b000至b004步骤获取对应的柱体曲面；

其中，所述内嵌器官轮廓线为包含在当前器官轮廓线内部的器官轮廓线。

优选地，s002中融合全部所述柱体曲面得到整体曲面具体包括如下过程：

c000：确认两相邻柱体曲面的相交面；

c001：分别获取两相邻柱体在相交面的投影多边形；

c002：将两投影多边形不重叠的部分绘制成面；

其中，若当前器官轮廓线包含内嵌器官轮廓线，则判断与当前器官轮廓线相邻的上层或下层器官轮廓线是否具有内嵌器官轮廓线；若是，则当前器官轮廓线包含内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面与上层或下层器官轮廓线的内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面按照c000至c002的步骤融合；若否，则当前器官轮廓线对应的柱体曲面与其内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面融合。

优选地，s003中利用加权拉普拉斯网格平滑方法对所述整体曲面进行网格平滑具体包括如下过程：

定义包含n个顶点的曲面网格模型m＝(v，e，f)；

其中，e表示曲面网格模型中棱边的集合，且曲面网格模型中的顶点，在笛卡尔坐标为n(i)＝{j|(i,j)∈e}；

通过δi＝∑j∈niwij(vj-vi)＝[∑j∈niwijvj]-vi计算获得网格平滑后的拉普拉斯坐标；

其中，权重wij是归一化的且采用距离加权法，

表述为λ为一个控制网格收缩程度的参数。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过对器官轮廓线进行预处理，建立器官轮廓线及其嵌套轮廓线的柱体曲面；同时对相邻器官轮廓线对应的的柱体曲面融合获取整体曲面并利用加权拉普拉斯网格平滑方法对整体曲面平滑，实现了轮廓线嵌套、多分支以及非凸轮廓多边形的处理，具有处理复杂轮廓线三维重建的通用性，能够高效处理轮廓线嵌套，多分支和非凸轮廓多边形，提高重建效率和重建效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种复杂器官轮廓线的三维重建方法流程图；

图2为本发明的s000中对输入的每一条器官轮廓线进行预处理的流程图；

图3为本发明中柱体曲面生成规则的流程图；

图4为本发明实施例中具有不平顺点的器官轮廓线的示意图；

图5为消除图4中不平顺点后的示意图；

图6为本发明实施例中经过s000预处理后的示意图；

图7为本发明实施例中所有柱体曲面融合成整体曲面的示意图；

图8为本发明实施例中对整体曲面网格平滑后的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种复杂器官轮廓线的三维重建方法，包括如下步骤：

s000：对输入的每一条器官轮廓线进行预处理；

s001：对器官轮廓线的每一层建立对应的柱体曲面；

s002：融合全部柱体曲面得到整体曲面；

s003：利用加权拉普拉斯网格平滑方法对整体曲面进行网格平滑；

其中，器官轮廓线采用轮廓点集合e表示；轮廓点集合e内的点为按照顺时针或逆时针获取构成轮廓线的线段端点。

请参阅图2以及4-6所示，s000中对输入的每一条器官轮廓线进行预处理具体包括如下过程：

a000：采用线段快速排斥算法筛选出构成器官轮廓线的可能相交的两线段；

a001：对a000中可能相交的两线段采用线段跨立实验算法确认相交两线段；

a002：删除相交两线段中的前位线段的终点与后位线段的始点，同时删除位于前位线段的终点与后位线段的始点之间的所有点；

a003：连接相交两线段中前位线段的始点与后位线段的终点形成新的线段构成器官轮廓线；

其中，如图4中若有造成局部不平顺的点，需要将其消除得到图5的结果。这样处理后就得到可以进行重建的轮廓线数据如图6，该图中包含了多分支轮廓线，嵌套轮廓线和非凸多边形轮廓线。

请参阅图3所示，柱体曲面生成规则如下：

b000：计算当前器官轮廓线与上层器官轮廓线间的高度h1；

b001：计算当前器官轮廓线与下层器官轮廓线间的高度h2；

b002：在距离当前器官轮廓线向上高度h1/2水平面处建立与当前器官轮廓线形状一致的上层轮廓多边形；

b003：在距离当前器官轮廓线向下深度h2/2水平面处建立与当前器官轮廓线形状一致的下层轮廓多边形；

b004：将上层轮廓多边形与下层轮廓多边形连接形成柱体曲面；

b005：将当前器官轮廓线的内嵌器官轮廓线按照b000至b004步骤获取对应的柱体曲面；

其中，内嵌器官轮廓线为包含在当前器官轮廓线内部的器官轮廓线。

其中，s002中融合全部柱体曲面得到整体曲面具体包括如下过程：

c000：确认两相邻柱体曲面的相交面；

c001：分别获取两相邻柱体在相交面的投影多边形；

c002：将两投影多边形不重叠的部分绘制成面，用三角面连接结果如图7所示；

其中，若当前器官轮廓线包含内嵌器官轮廓线，则判断与当前器官轮廓线相邻的上层或下层器官轮廓线是否具有内嵌器官轮廓线；若是，则当前器官轮廓线包含内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面与上层或下层器官轮廓线的内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面按照c000至c002的步骤融合；若否，则当前器官轮廓线对应的柱体曲面与其内嵌器官轮廓线对应的柱体曲面融合。

其中，s003中利用加权拉普拉斯网格平滑方法对整体曲面进行网格平滑具体包括如下过程：

定义包含n个顶点的曲面网格模型m＝(v，e，f)；

其中，e表示曲面网格模型中棱边的集合，且曲面网格模型中的顶点，在笛卡尔坐标为n(i)＝{j|(i,j)∈e}；

通过δi＝∑j∈niwij(vj-vi)＝[∑j∈niwijvj]-vi计算获得网格平滑后的拉普拉斯坐标；

其中，权重wij是归一化的且采用距离加权法，

表述为λ为一个控制网格收缩程度的参数；

具体的为先读入s002中构成整体曲面的点，同时记录每个点的邻接点的集合。然后开始遍历，针对每个点建立一个新向量，获取它的邻域邻接点集合后按照加权拉普拉斯网格平滑的算法进行计算，得到当前点的新向量，即它的新位置。遍历完毕后，就得到一个新的三维曲面如图8所示。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。