专利名称：三维建模方法
技术领域：
本发明涉及一种三维建模方法，特别是涉及一种基于最小能量约束的离散化医学三维标测数据的三维建模方法。
背景技术：
在医学领域中，特别是在心电生理方面的研究和治疗方面，需要分析、研究和参考 心腔内膜的三维表面形态，以及附属于该表面形态的心内电生理信息，用以分析心内电生 理的异常情况和各类心律失常。心腔内膜的三维表面模型可以直观简洁地描述心腔内膜的 三维表面形态和附属于该三维表面形态上的心内电生理信息。各类的医学三维建模方法有很多，主要分为两大类一是基于CT/MRI序列图像的 三维建模方法；二是基于医疗设备实时采集的离散化数据的三维建模方法。何晖光等人在《软件学报》第13卷第2期发表的《基于分割的三维医学图像表面 重建算法》中描述了一种基于分割的三维医学图像表面重建算法，该论文的公开内容在此 引入以供参考。将图像分割与MC(Marching Cubes)算法相结合，采用适合的分割方法，对 图像进行分割。利用分割结果的等值面，应用MC算法进行三维重构。该方法适用于CT/MRI 图像密集数据的三维重构，不适应于具有稀疏特性的离散化数据的三维重构。谭建荣等人在《软件学报》第13卷第11期发表的《基于曲面局平特性的散乱数据 拓扑重建算法》中描述了一种基于曲面局平特性的，以散乱点集及其密度指标作为输入，以 三角形分片线性曲面作为输出的拓扑重建算法，该论文的公开内容在此引入以供参考。该 算法利用曲面局平特性，从散乱点集三维Delaimay三角剖分的领域结构中完成每个样点 周围的局部拓扑重建，从局部重建的三角片并集中得到三维重建的结果。该算法在散乱点 集较稀疏时，容易出较大曲面空洞、曲面形态不光滑和拓扑结构异常等问题。M-P-斯特凡诺等人的中国专利200780030522中描述了一种三维图形建模方法， 该专利的公开内容在此引入以供参考。该方法至少包括对于至少两个元素，确定与接口有 关的元素的一个或多个参数的步骤；在软件资源级借助于所确定的参数显示接口的三维图 形建模的步骤。M-A-古尔森等人的中国专利200710101291中描述了一种用于生成血管模型的 三维建模方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。该方法沿血管的中心线设置一系列 种子点，基于种子点为同心圆的系列环生成血管曲面。该方法仅局限于血管建模的领域，并 不能宽泛适用于复杂的心腔内膜的建模领域。Reisfeld等人的美国专利6，226，542中描述了一种用于心腔内三维建模的方法， 该专利的公开内容在此引入以供参考。该方法生成接近三维定位点的初始化网格点；对于 每一个网格点，都依据若干定位点与若干网格点的位移来确定一个唯一向量；按照向量移 动网格点来实现重建表面接近或类似于物体的三维表面形态。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种三维建模方法，应用医学导管 在心腔内采集医学三维标测数据，将医学三维标测数据进行三维表面重构。本发明的技术方案是一种三维建模方法，包括如下步骤
第一步，根据离散化医学三维标测数据，通过凸壳运算，生成医学三维标测数据的 拓扑表面形态；第二步，根据离散化医学三维标测数据，生成三维空间的可形变封闭曲面，该可形 变曲面包围所有采集的三维标测数据点；第三步，根据可形变封闭曲面的能量特性和医学三维标测数据的拓扑表面形态， 在最小能量约束条件下，采用水平集重构方法，将可形变封闭曲面迭代逼近拓扑表面形 态；第四步，将每个医学三维标测数据附近的可形变曲面进行局部调整，使局部可形 变曲面与每个三维标测数据重合，构建准确接近的医学三维标测数据拓扑表面形态的封闭 光滑曲面模型。所述水平集重构方法为窄带法。与现有技术相比，本发明的积极效果是应用医学导管在心腔内采集医学三维标 测数据，将医学三维标测数据进行三维表面重构，可生成准确接近于心腔内膜表面形态的 三维表面模型，用以指导和辅助医生进行心电生理或心律失常的医学研究。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图
)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。一种三维建模方法，包括如下步骤第一步，根据离散化医学三维标测数据，通过凸壳运算，生成医学三维标测数据的 拓扑表面形态通过正切线算法生成三维拓扑表面形态，包括如下步骤已知原有凸壳C由顶点序列Vp V2、…、Vm组成。P为待处理实时点。算法步骤步骤A、在C上任选三点Ni0, Vjo, Vko ；步骤B、判定P是否为C的内点，如果Z Vi0PVj0, Z VjtlPVktl及幺Vk0PVi0极性都相同， 则P是C的内点，算法终止；否则必定是二正一负或二负一正；步骤C、取一对极性不同的二个角，若Z Vi0PVj0与Z VjoPVko的极性不同(a)、若Vitl, Vktl均为Vjtl的相邻顶点，则Vjtl是一个切点，进入步骤D找另一个切点；(b)、若Vitl不是Vjtl的相邻顶点，找出VitlVjtl的中间点V'，若Vktl不是Vjtl的相邻顶点，找出VjtlVktl的中间点V"；(C)、按 VitlV' VjtlV" Vktl 的次序依次比较 Z VitlPV'和Z V' PVjo, Z V' PVj0 和Z VjoPV" RZ VjoPV"和Z V" PVko 这三对极性。把首先找到的一对极性不同的相邻二角的三个点作为新的Vitl，Vjo, Vktl，重复步骤 C。如果三对极性都相同，则P是C的内点，算法停止。步骤D、取另一对极性不同的二个角，在此区间中求另一切点。除按VitlV' VjoV" Vko 相反次序进行比较外，处理步骤与步骤C完全一样；步骤Edi Vt代表编号较小的切点，V' t代表编号较大的切点；步骤F、当^^凡^与^^卞的极性相同时，新凸壳由？，^ -,V',组 成，否则，由P，V' t, V' t+1，…，Vm，Vt组成。第二步，根据离散化医学三维标测数据，生成三维空间的可形变封闭曲面，该可形 变曲面包围所有采集的三维标测数据点生成三维空间的可形变封闭曲面，包括如下步骤
步骤A、计算三维标测数据中心位置，可以选择计算为数据重心，或者为数据几何 中心；步骤B、计算标测数据物体半径，依据中心位置和数据中最远点，计算最大距离作 为物体半径；步骤C、依据最小数据量球面网格生成算法，生成可形变封闭曲面首先，初始生成六个有限网格点的正方形平面；其次，将六个正方形网格点平面拼 接成一个立方体；最后，依据需要的球面半径大小，以立方体中心为球心，将每一网格点在 该点与球心方向上移动到距球心距离为半径大小处。从而构建出球心、半径为指定的均勻 球面网格模型。第三步，根据可形变封闭曲面的能量特性和医学三维标测数据的拓扑表面形态， 在最小能量约束条件下，采用水平集重构方法，将可形变封闭曲面迭代逼近拓扑表面形态。水平集重构方法主要思想是将曲线、曲面和图像演化表示为更高维的超平面水平 集，其演化速度就是该曲线曲面当地曲率的函数，水平集重构方法包括步骤如下步骤A、设定可形变曲面为Γ，可形变曲面的深化速度函数为F，可形变曲面的高 维平滑函数Φ Γ (t) = {χ, y, ζ | Φ (χ, y, ζ, t) = 0}步骤B、依据可形变曲面的能量特性和标测数据的拓扑表面形态，将可形变曲面逼 近目标模型，即，使曲面能量最小Ε(Γ) = f rd(x，y，ζ) dC求可形变曲面Γ关于能量的一阶偏导
「C -= \d{x,y,z)dC [dVdgn + dk]
5Γ L JrJ d (χ, γ, ζ) [Vd (χ, γ, z)gn + d (χ, γ, z)k] = 0其中，η是单位法向量，k是可形变曲面Γ的平均曲率，c是离散顶点集合， ▽辦炉为可形变曲面的内部能量特性，d(x, y，ζ) k为可形变曲面的外部能量特性，求 可形变曲面的内外能量的最小化。步骤C、通过水平集方法，根据能量最小化特性来改变曲面中网格点位置，实现曲面模型逐步逼近<formula>formula see original document page 6</formula>第四步，将每个医学三维标测数据附近的可形变曲面进行局部调整，使局部可形 变曲面与每个三维标测数据重合，从而构建准确接近的医学三维标测数据拓扑表面形态的 封闭光滑曲面模型构建准确接近的医学三维标测数据拓扑表面形态的封闭光滑曲面模型，使得每个 三维标测数据点均在表面模型上；在表面封闭模型中查找每个三维标测数据点最近的网格 的点，将网格点固定到三维标测点上，并进行平滑处理。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
一种三维建模方法，其特征在于包括如下步骤第一步，根据离散化医学三维标测数据，通过凸壳运算，生成医学三维标测数据的拓扑表面形态；第二步，根据离散化医学三维标测数据，生成三维空间的可形变封闭曲面，该可形变曲面包围所有采集的三维标测数据点；第三步，根据可形变封闭曲面的能量特性和医学三维标测数据的拓扑表面形态，在最小能量约束条件下，采用水平集重构方法，将可形变封闭曲面迭代逼近拓扑表面形态；第四步，将每个医学三维标测数据附近的可形变曲面进行局部调整，使局部可形变曲面与每个三维标测数据重合，构建准确接近的医学三维标测数据拓扑表面形态的封闭光滑曲面模型。
全文摘要
本发明公开了一种三维建模方法，通过凸壳运算，生成医学三维标测数据的拓扑表面形态；初始生成三维空间的可形变封闭曲面，该可形变曲面包围所有采集的三维标测数据点；采用水平集重构方法，将可形变封闭曲面迭代逼近拓扑表面形态；将每个医学三维标测数据附近的可形变曲面进行局部调整，使局部可形变曲面与每个三维标测数据重合，构建准确接近的医学三维标测数据拓扑表面形态的封闭光滑曲面模型。本发明的积极效果是应用医学导管在心腔内采集医学三维标测数据，将医学三维标测数据进行三维表面重构，可生成准确接近于心腔内膜表面形态的三维表面模型，用以指导和辅助医生进行心电生理或心律失常的医学研究。
文档编号G06T17/00GK101814195SQ20101014958
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者史天才, 李楚文, 杨勇 申请人:李楚雅