专利名称：基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法
技术领域：
本发明涉及的是一种图像处理技术领域的方法，具体涉及一种基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法。
背景技术：
目前，CT和MRI技术的迅速发展，使得虚拟内窥镜技术成为对管道性脏器进行三维可视化重建及观察诊断的主要方法。这一技术用模拟了传统光学内窥镜体在腔道内行进，以光学内窥镜的视角从内部对脏器内壁进行观察。这个技术的优点在于其完全无侵入性。然而，现有的虚拟内窥镜技术的缺点是内窥视角有着很大的限制，无法从外部对脏器的整体形态进行观察，病灶定位不够直观，容易被皱褶阻挡，有遗漏处，使得检查过程过于冗长繁琐。
经对现有技术的文献检索发现，Hanno Hoppe等在American Journal ofRoentgenology(美国伦琴射线学杂志，2004年第182期第1151-1158页)上发表的“Virtual Colon Dissection with CT Colonography Compared with AxialInterpretation and Conventional ColonoscopyPreliminary Results”(用于CT结肠数据的虚拟切割方法与中轴线解释法和传统内窥镜比较的初步结果)一文中，提出了一种将结肠纵向虚拟切开成条状来进行可视化诊断的方法。这种方法可以部分解决虚拟内窥诊断时视角限制的问题。其不足在于这种方法对结肠进行切开时，为了避免产生扭曲，将结肠分割为多段，检查时费时费力；只对结肠中的部分片段有效；切开后的数据失去了原来的空间结构，使得观察不够直观，影响病灶的定位。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，使得对结肠的诊断可以不受内窥视角的限制，变得直观、快捷，同时又不会对结肠内壁的解剖结构带来形变而，而且平切精确完整，观察方使。
本发明是通过以下技术方法实现的，本发明首先从原始医学数据中分割出脏器图像，用膨胀的方法产生虚拟脏器外壁，再对该管道性脏器找出中心路径，然后对于中心路径上的每一点确定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所确定的方向，在与中心线切线方向垂直的平面里，确定切除向量，并将切除向量遍历到的脏器体数据置为背景像素，最后对剩余的体数据进行区域生长，保证连通，最后把原始数据减去已显示数据，得到另外一半脏器，以交互式的方式显示出来。
所述的从原始医学数据中分割出脏器图像，用膨胀的方法产生虚拟脏器外壁，再对该管道性脏器找出中心路径，是指用种子生成的区域分割算法对原始医学数据进行分割，提取所需要观察脏器空腔的三维位置数据，经三维数字形态学膨胀算法产生虚拟结肠壁。然后再利用距离变换的方法或者拓扑学细化的方法或者结合手工标记的方法，找出贯穿整个管道性空腔并且位于空腔内中心位置的一条中心路径。
所述的对于中心路径上的每一点确定剖曲面法向量，是指根据中心路径上每一点的切线方向，求解出该点的剖曲面法向量，剖曲面法向量可以由以下三个条件唯一确定a.与切线方向垂直；b.跟上一个中心路径点的裁切方向的夹角尽可能少；c.向量长度为1。
所述的再按照剖曲面法向量所确定的方向，在与中心线切线方向垂直的平面里，确定切除向量，并将切除向量遍历到的脏器体数据置为背景像素，是指计算一条与单位切向量垂直，与剖面面法向量成ω角的切除向量。令ω在需要切除的方向内进行遍历，再对任意一条切除向量从起点开始逐步延长，直到接触结肠外壁。把遍历所经过的空腔壁体数据标记为无效部分，像素值置为背景像素，从而使部分体数据得到切除。
所述的对剩余的模型进行区域生长，保证连通，是指对于切开结果中需要保留的像素进行区域生长，而保证结果区域的连通性，因为切割可能产生的碎片与保留区域不连通，因而得以清除，得到便于观察诊断的器官影像。
所述的把原始数据减去已显示数据，得到另外一部份结肠，是指把原始数据中，刚才被置为无效区域的部分置为有效区域，把原来已显示的有效区域置为无效部分，像素值置背景像素，从而得到完整的另一半数据。
本发明相对于现有技术的优势在于1、视角更为灵活和开阔，可观察整体形态和空间位置关系，使诊断过程更为直观高效，对病例的检查效率提高五倍以上。2、两部分数据组合后能100％保留原始数据，没有变形扭曲，安全可靠。3、不需人为估算，对每一截面数据都进行精确的切割，确保没多切，没漏切，不会产生零碎碎片。
图1空腔性脏器虚拟切开示意2各向量空间位置示意图具体实施方式
下面结合附图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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例实施步骤如下(1)图像分割。(2)找出中心路径。(3)确定剖曲面法向量。(4)利用遍历进行切割。(5)生长连通。(6)计算另一部分。(7)绘制并交互式显示。实施例采用对部分俯卧位人体结肠螺旋CT扫描数据进行处理，实现过程如下1.利用区域生长的方法在原始CT扫描图像中分割出结肠空腔的二值化体数据，然后进行形态学膨胀运算，再在膨胀后的体数据中减去原空腔的数据，从而得到结肠壁的体数据。
2.对分割并膨胀后的结肠二值化体数据，以外壁作为边界，进行距离变换，再利用距离变换值的倒数作最短路径算法，求出结肠空腔的中心路径，并对中心路径做适当的平滑和插值。
3.对中心路径上的每一个点，计算其剖曲面法向量。令所要求的当前中心路径点的剖曲面法向量为 指向下一个中心路径点的单位切向量(即近似中心路径切线向量)为 上一个中心路径点的剖曲面法向量为 剖曲面法向量 满足以下三个约束条件
条件1与单位切向量垂直，也即 条件2跟上一条剖曲面法向量的夹角尽可能少(可等价为与切向量和上一条剖曲面法向量共面)。也即a1a2a3x1x2x3x1′x2′x3′=0]]>条件3剖曲面法向量的长度为1。也即||Xr||=x12+x22+x32=1.]]>4.以中心路径上的每一个点为起点，计算一条与单位且向量垂直，与剖面法向量成ω角的切除向量，ω遍历-90°到+90°。对任意一条计算所得向量以0.5像素为步长延长，直到碰到结肠外壁，所指向的像素点全部置为背景像素。其中各向量空间位置关系如图2所示。
5.因为处理后的图像下部可能有零星的碎片，因此对结肠上部保留的体像素部分进行区域生长，把能生长到的部分保留，不能生长到的部分作为背景像素，以此清除切开带来的碎片，得到便于观察诊断的器官影像。
6.保存第一次分割结果后，把原始数据对第一次分割出来的数据进行集合减运算，得到另一部分没被显示的结肠数据。
7.对切割后的部分结肠进行体绘制，然后显示出来，并允许任意转换视角，对切开后的结肠内壁进行观察。
如图1所示，是虚拟切开在二维上的示意图。经过这样的处理，结肠三维模型被沿中心路径平均切开两部分，并去除了下半部的结肠的阻挡，使得对上半部结肠壁的内部结构形态和病变部位都得以暴露，观察视角大大增大，可以更为自由地选择观察点，以避开墙壁皱褶的遮挡，观察更为直观和灵活，医师检查效率提高5倍以上。另外，在去除一半结肠的基础上，所观察另一半结肠的空间位置和形态都得以保留，可以直观观察到结肠的总体结构和空间扭曲情况，病灶在结肠中的位置信息也一目了然。
权利要求
1.一种基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征在于，首先从原始医学数据中分割出脏器图像，用膨胀的方法产生虚拟脏器外壁，再对该管道性脏器找出中心路径，然后对于中心路径上的每一点确定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所确定的方向，在与中心线切线方向垂直的平面里，确定切除向量，并将切除向量遍历到的脏器体数据置为背景像素，最后对剩余的体数据进行区域生长，保证连通，最后把原始数据减去已显示数据，得到另外一半脏器，以交互式的方式显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征是，所述的从原始医学数据中分割出脏器图像，用膨胀的方法产生虚拟脏器外壁，再对该管道性脏器找出中心路径，是指用种子生成的区域分割算法对原始医学数据进行分割，提取所需要观察脏器空腔的三维位置数据，经三维数字形态学膨胀算法产生虚拟结肠壁，然后再利用距离变换的方法或者拓扑学细化的方法或者结合手工标记的方法，找出贯穿整个管道性空腔并且位于空腔内中心位置的一条中心路径。
3.根据权利要求1所述的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征是，所述的对于中心路径上的每一点确定剖曲面法向量，是指根据中心路径上每一点的切线方向，求解出该点的剖曲面法向量，剖曲面法向量由以下三个条件唯一确定a.与切线方向垂直；b.跟上一个中心路径点的裁切方向的夹角尽可能少；c.向量长度为1。
4.根据权利要求1所述的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征是，所述的再按照剖曲面法向量所确定的方向，在与中心线切线方向垂直的平面里，确定切除向量，并将切除向量遍历到的脏器体数据置为背景像素，是指计算一条与单位切向量垂直，与剖面面法向量成ω角的切除向量，令ω在需要切除的方向内进行遍历，再对任意一条切除向量从起点开始逐步延长，直到接触结肠外壁，把遍历所经过的空腔壁体数据标记为无效部分，像素值置为背景像素，从而使部分体数据得到切除。
5.根据权利要求1所述的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征是，所述的对剩余的模型进行区域生长，保证连通，是指对于切开结果中需要保留的像素进行区域生长，而保证结果区域的连通性，因为切割可能产生的碎片与保留区域不连通，因而得以清除，得到便于观察诊断的器官影像。
6.根据权利要求1所述的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法，其特征是，所述的把原始数据减去已显示数据，得到另外一部份结肠，是指把原始数据中，刚才被置为无效区域的部分置为有效区域，把原来已显示的有效区域置为无效部分，像素值置背景像素，从而得到完整的另一半数据。
全文摘要
一种图像处理技术领域的基于遍历切除向量的管道性脏器虚拟切开可视化方法。本发明首先从原始医学数据中分割出脏器图像，用膨胀的方法产生虚拟脏器外壁，再对该管道性脏器找出中心路径，然后对于中心路径上的每一点确定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所确定的方向，在与中心线切线方向垂直的平面里，确定切除向量，并将切除向量遍历到的脏器体数据置为背景像素，最后对剩余的体数据进行区域生长，保证连通，最后把原始数据减去已显示数据，得到另外一半脏器，以交互式的方式显示出来。本发明使得对结肠的诊断可以不受内窥视角的限制，变得直观、快捷，同时又不会对结肠内壁的解剖结构带来形变而，而且平切精确完整，观察方便。
文档编号A61B5/055GK101059868SQ20071004172
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月7日 优先权日2007年6月7日
发明者梁家斌, 曹立基, 赵俊 申请人:上海交通大学