基于局部直方图的心血管冠脉增强的体绘制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种基于局部直方图的心血管 冠脉增强的体绘制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 体绘制技术（VolumeRendering)能够有效地展示体数据内部隐含的特征信息，帮 助用户对数据做进一步的分析与处理，广泛应用于医学、地质、气象、科学仿真等领域。体 绘制技术主要是通过传输函数对体数据进行分类，即对体数据内部特征映射不同的光学属 性，进而获取感兴趣特征的有效展示。然而，在医学体绘制中，仅仅依靠标量值的传输函数 无法有效地将标量值范围相近的两种软组织进行区分渲染。其中极具代表性的例子就是心 血管中的主动脉与冠状动脉，这两种软组织的标量值就非常接近，传统的体绘制方法无法 很好地将两者区分开来。
[0003] 为了有效分辨体数据内部的特征信息，近些年学术界提出了大量的传输函数设计 方法，主要可以分为两大类，即基于绘制结果图像的传输函数设计方法和基于空间数据属 性的传输函数设计方法。
[0004] 基于绘制结果图像的传输函数设计方法在基于绘制结果图像的传输函数设计过 程中，不需要用户交互式定义釆样点的光学属性，而是对绘制结果图像进行直观的操作，实 现后台传输函数的优化设计。相比于经典的基于标量值的传输函数设计方法，基于绘制结 果图像的传输函数设计方法简单直观、易于理解，对于不具备计算机图形学背景知识和传 输函数设计经验的用户，具有较强的实用性。然而，该类方法需要根据初始传输函数集绘制 大量的结果图像，且根据用户在图像上的交互式操作，进一步优化初始传输函数集，实现 最优传输函数的搜索与进化，整个过程的时间复杂度和空间复杂度较高，不利于高效的体 数据特征可视化与分析，具有一定的局限性。
[0005] 基于空间数据特征的传输函数设计方法拓展了基于标量值属性的传输函数设计 方法，在体数据分类过程中，引入其它的数据特征信息，帮助用户更加精确的分析与提取体 数据中隐含的特征，增强体数据分类的有效性。主要的方法有：
[0006] 1)对体数据进行分割然后再分别体绘制，这种方法无法被扩展成通用的体绘制方 法，因为在很多场景下它需要引入非常耗时的人工交互。
[0007] 2) 2D的传输函数设计，这种方法通常将标量值作为传输函数的第一维，梯度作为 第二维。梯度在增强边界显示方面十分有效，然而在区分具有相同标量值的软组织方面则 无能为力。然而在区分具有相同标量值的软组织方面则无能为力。
[0008] 经过对现有技术的检索发现：多模态虚拟心脏可视化方法研宄[D].哈尔滨工业 大学2012. -文中用到的直方图方法能够有效地区分心脏内不同标量值范围的组织，但是 无法有效地增强心血管中的冠脉。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于局部直方图的心血管冠脉增 强的体绘制方法及系统，稳定可靠、实现方便、真实高效、工程应用性强等优点。
[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0011] 本发明涉及一种基于局部直方图的心血管冠脉增强的体绘制方法，通过对心血管 体数据的全局直方图中的波峰创建局部直方图，并将多组局部直方图合并后高斯拟合，以 拟合结果构建第一维传输函数；心血管体数据中的冠脉和主动脉进行竞争性分析，即根据 狭窄度特性置信度和心肌距离置信度判断每块体数据属于冠脉还是属于主动脉，以判断结 果构建第二维传输函数，实现体绘制。
[0012] 所述方法具体包括以下步骤：
[0013] 1)建立心血管体数据的全局直方图；
[0014] 2)找到全局直方图中最高的波峰，S卩：由于心血管体数据中存在噪声导致产生的 全局直方图光滑性较差，根据全局直方图的最大值查找的最高波峰往往不是真正的最高波 峰；本发明为了克服这一问题，首先对全局直方图进行多项式最佳拟合，然后根据拟合出来 的多项式曲线进行最大值查找，从而找到真正的最高波峰。
[0015] 3)根据波峰创建局部直方图（PRH)，具体步骤为：
[0016] 3. 1)对步骤2找出的最高波峰进行均值y、方差为〇的高斯曲线拟合。
[0017] 所述的拟合，标准为最小化高斯曲线和直方图两者标量值在y±a〇范围内累 积的高度误差；a通常被赋值为1 ;
[0018] 3. 2)对体数据进行分块，每块的体素数目为83,计算每块体数据中标量值在
y± 〇 〇区间的体素数量占该块体素总数量的比重 其中：N为该块体 ? 数据的所有体素，V。为标量值在〇范围内的体素集。
[0019] 3. 3)判断每块体数据的0^是否满足《e，如果满足则该块体数据被增加到 PRH中，eG[0, 1]为比重阈值。
[0020] 4)从全局直方图中移除步骤3创建的PRH;
[0021] 5)按步骤2~4的操作遍历所有全局直方图；
[0022] 6)将所有得到的PRH中相似的合并，具体为：当一组PRH的方差相似且均值相近， 即0max/ 0min彡4且yMX-y―彡〇 _ ?max(1，2- 〇 _/40)，对这组PRH进行合并；然后合 并的PRH再次进行高斯曲线拟合。
[0023] 7)对心血管体数据中的冠脉和主动脉进行竞争性分析，即根据狭窄度特性置信度 和心肌距离置信度综合判断每块体数据属于冠脉还是属于主动脉。
[0024] 所述的狭窄度特性置信度是指：由于冠脉比主动脉要狭窄很多，因此通过在区间
[-1，1]的符号变量Pl来表示每块体数据中的血管在狭窄度特性上是属于冠脉还是属于主 动脉的置f曰度丹=(?r(^)-沿])/4，其中：A_ 2 '屯=(wB1_ ? A1) /2，①丨是王动 脉与冠脉的混合标量值区间，冠脉《的下确界《A1和主动脉《jOi)的上确界《B1。
[0025] 所述的心肌距离置信度是指：由于冠脉比主动脉更靠近心脏肌肉，因此通过在区 间[-1，1]的符号变量p2来表示每块体数据中的血管在心肌距离上是属于冠脉还是属于 主动脉的置信度厂2 =(吟((丨)-电)/ 4，其中：4 ⑶n+ %) / 2，d2 = ( ? B2_ ? A2) /2，①2是 心脏肌肉的标量值区间；冠脉《J?2)的上确界《A2和主动脉《J?2)的下确界《B2。
[0026] 所述的竞争性分析是指：按照要求设定n个评判特性，然后对这n个评判特性计算 出来符号变量Pi进行加权平均求出最终的符号判断变量P，
，其中：\表示第i 个评判特性在最终的分类结果中所占的权重，
当P〈〇,则判断该块体数据中的血管 属于冠脉；当P多〇,则判断该块体数据中的血管属于主动脉，在心血管冠脉增强领域一般 采用但不限于pJPP2，在不同的领域可以相应增加到n个。
[0027] 8)根据步骤1 - 6得到的PRH构建第一维传输函数（TF);然后根据步骤7得到的 在冠脉和主动脉标量值重叠区域中每块体数据的从属结果构建第二维传输函数（TF)。
[0028] 本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：直方图波峰检测模块、PRH模块、置 信度计算模块、传输函数构建模块以及体绘制模块，其中：直方图波峰检测模块与PRH模块 相连并输出直方图的波峰位置信息，PRH模块与置信度计算模块相连并输出体数据块的权 重参数信息，置信度计算模块与传输函数构建模块相连并输出体数据块的从属信息，传输 函数构建模块与体绘制模块相连并输出传输函数信息。 技术效果
[0029] 与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
[0030] 1)采用局部直方图来进行体绘制的传输函数设计，简单有效地将心血管中的冠脉 与主动脉区分开来，巧妙地实现了冠脉的增强显示；
[0031] 2)采用的局部直方图能够自适应不同成像机器生成的体数据，而且能够自动构建 传输函数，省时且鲁棒性强。
[0032] 3)采用高斯函数来拟合全局直方图的波峰，有效地将局部波峰从全局直方图中提 取出来。
[0033] 4)冠脉与主动脉的竞争性分析能够根据用户需求自定义n个特性，因此可以轻松 应用到其它组织的增强显示。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明流程示意图；
[0035] 图2为实施例中二维传输函数构建示意图。
[0036] 图3为实施例效果对比图。
【具体实施方式】
[0037] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1
[0038]本实施例在一台拥有IntelCoreDuoi73770KCPU、一个NVIDIAGeForceGTX 760和8G内存的个人计算机中实现，整个体绘制算法采用C++实现，光线投射过程使用 glsl着色语言。
[0039] 如图1所示，本实施例包括以下步骤：
[0040] 1)建立心血管体数据的全局直方图；
[0041] 2)找到全局直方图中最高的波峰；
[0042] 3)根据波峰创建局部直方图（PRH);
[0043]