一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种医学图像处理及应用领域，尤其是设及一种分段动态模拟肺部形 变的快速融合方法。
【背景技术】
[0002] 近年，随着计算机图形学和医学影像学的不断发展，计算机辅助医疗成为研究的 热口，其中针对肺部手术的辅助系统既是热点也是难点。肺部手术导航系统是将病人术前 或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，术中跟踪手术器械并将手术器械的位 置在病人影像上W虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的 位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全的辅助系统。在肺部手术中，由于肺部呼 吸所带来的软组织漂移，一般的导航系统很难精确定位病灶。现有的=维医学图像配准的 方法有：刚体配准和非刚体配准。刚体配准简单、计算速度快，但是精度低。而一般非刚体 配准计算速度慢，很难满足实时反馈的要求。其中，基于B-Spline任-样条线）网格法虽然 克服了此缺点，但其配准结果很大程度地依赖于网格疏密程度，很难满足局部有形变差异 的要求，不适用于肺部形变的模拟。而本发明结合肺部解剖特点，具有模拟精确高、运算速 度快的优点，应用到医学领域，非常适合于肺表面的模拟。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，夏威等人在<<2013年中国生物医学工程联合学 术年会〉〉上发表的"一种快速的=维肺部CT弹性配准算法"一文中的非刚体配准方法首 先先采用点集配准算法获得点集位移向量，再求出变换函数，最后W基于互信息的方法进 行细化配准，该方法使配准精度显著提高。但是由于其算法较复杂，计算速度慢，很难实时 地反应病灶的移动情况。针对该类手术国内外依然没有一个成熟的精确定位技术提出。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分段动态模拟 肺部形变的快速融合方法，使其通过一个新的动态分段模型，求取参考针和病灶的位置，并 W参考针的移动速度来推测病灶的移动情况，相对于非刚体配准，大幅提高了模型生成的 速度。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0007] 首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找 到肺部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立=维坐标系；
[000引分=段动态模拟肺部形变，W参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时 反应病灶的具体位置。
[0009] 所述的数据分割具体为；选取某一肺实质作为种子，将在设定灰度范围内的体素 置为1，其余体素置为0,从而将肺数据从整个腹部体数据中分离。
[0010] 所述的肺部膨胀的起点选取过程如下：
[0011] 通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域，在 该区域中选取一个经验点，即肺下部和肺上部形变差异的临界值，作为肺部膨胀的起点。
[0012] 所述的分=段动态模拟肺部形变具体为：
[0013] 1)根据对临床数据的统计学分析，将单个肺分为形变速率有显著差异的=段线性 模型，命名为A、B、C区，其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部；
[0014] 。对于该立个区域的形变程度，用立种速率系数来描述，且；kA<kB<kc。
[001 引 所述的kA;kB;kc= 1 ;1. 2 ;1. 5。
[0016] 所述的计算病灶移动速度具体为；在分段肺部形变模型的基础上，根据参考针的 事实移动速率，W及参考针与病灶的空间坐标，即可计算病灶的移动速度。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确的优点，较好的解决了前面方法所 存在的计算速度慢、不适用于肺部模型等问题，降低对医生经验的依赖和手术费用，提高手 术的精度和效率，有广泛的适用范围。
【附图说明】
[001引图1为单段t时刻的V,-X关系图；
[0019] 图2为分S段后t时刻Vy-x关系图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0021] 本发明首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学 方法找到肺部膨胀的起点，作为坐标系的原点，建立=维坐标系。分=段动态模拟肺部形 变，W参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体的位置。
[0022] W下对本发明方法作进一步的描述，具体步骤如下：
[002引 1.数据分割
[0024]肺部数据分割方法是：选取某一肺实质作为种子，将在某一灰度范围内的体素置 为1，其余体素置为0，从而将肺数据从其他数据中分离。
[002引 2.选取肺膨胀原点
[0026] 通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域。选 取一个经验点，作为肺部膨胀的起点。
[0027] 3.建立动态模拟分段肺部形变的模型
[002引 3. 1线性形变模型
[0029] 由于肺部的位置受胸腔的限制，可认为其基本不变。建立一个S维坐标系，原点为 肺膨胀起点。其中有一个立方体M，关于该坐标系原点膨胀与收缩。本发明定义在膨胀与收 缩中，该坐标系原点位置不变。
[0030] 设立方体8个顶点坐标分别为；
[003"1]Pi= (xl,yl,zl)，P2= (x2,y2,z2)，P3= (x3,y3,z3)，P4= (x4,y4,z4)，P5= (x5,y5,z;5)，Pe= (x6,y6,z6)，P7=(x7,y7,z7)，P8=(x8,y8,z8)，找到顶点中X,y,z的最 大最小值Max= (Xmax，Xmin,ymax，y-in，Zmax，ZmJ
[003引 其中；Xmax=max{x。X2. . .Xg}Xm化=min{x。X2. . .Xg}
[003引 ymax=max{y。y2. . .ysly。化=min{y。y2. . .ysl
[0034] Zmax=max{z。Z2. . .Zg}Zm化=min{z。Z2. . .Zg}
[0035] 求取出Max中X,y,z的绝对值最大值：Xsb,YabsZgb,。将该立方体正规化，在每一 个轴向上除W对应的igbs。将该立方体中所有坐标做归一化处理，得到参考点归一化坐标。
[0036] 假设在该坐标系中，一参考点速度为（Vy，Vy，V,)。现WX方向速度Vy说明模拟形 变原理。设参考点t时刻，参考点P归一化坐标X轴坐标Xp〉0,Vy为参考点X轴速度。则认 为整个立方体内速度是线性变换的，可W求得k= ^，Vm"=k*l=k。本发明称k为速率 系数。可画如下t时刻的Vy-X关系图，如图1所示。
[0037] 由于参考点的速度无法直接得到，但能够得到的是等时间间隔的参考点的坐标。 仍WX轴举例。则可W假设ti时刻参考点X轴坐标；Xti，t2时刻参考点X轴坐标；Xt2,时间 间隔：At。则可W利用该公式求得速率系数k。
[00%]
【主权项】
1. 一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于，包括w下步骤： 首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺 部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立=维坐标系； 分=段动态模拟肺部形变，W参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应 病灶的具体位置。
2. 根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于， 所述的数据分割具体为；选取某一肺实质作为种子，将在设定灰度范围内的体素置为1，其 余体素置为0,从而将肺数据从整个腹部体数据中分离。
3. 根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于， 所述的肺部膨胀的起点选取过程如下： 通过观察多张肺部X光片，用统计学的方法，来确定某一始终保持静止的区域，在该区 域中选取一个经验点，即肺下部和肺上部形变差异的临界值，作为肺部膨胀的起点。
4. 根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于， 所述的分=段动态模拟肺部形变具体为： 1) 根据对临床数据的统计学分析，将单个肺分为形变速率有显著差异的=段线性模 型，命名为A、B、C区，其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部； 2) 对于该S个区域的形变程度，用S种速率系数来描述，且；k/k/ke。
5. 根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于， 所述的kA;kB;k。= 1 ;1. 2 ;1. 5。
6. 根据权利要求1所述的一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，其特征在于， 所述的计算病灶移动速度具体为；在分段肺部形变模型的基础上，根据参考针的事实移动 速率，W及参考针与病灶的空间坐标，即可计算病灶的移动速度。
【专利摘要】本发明涉及一种分段动态模拟肺部形变的快速融合方法，包括以下步骤：首先通过数据分割将肺部数据从整个腹部体数据中分割出来，再用统计学方法找到肺部膨胀的起点，将其作为坐标系的原点，建立三维坐标系；分三段动态模拟肺部形变，以参考针为基础计算病灶移动速度，更加精确地实时反应病灶的具体位置。与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确等优点。
【IPC分类】A61B6-00, G06T7-00
【公开号】CN104715485
【申请号】CN201510128778
【发明人】金擎初, 余炜, 洪士彬, 舒品, 穆容, 顾力栩, 陈炜生
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月23日