专利名称：一种基于RayCasting改进算法的仿真投影DRR生成方法
技术领域：
本发明涉及医学图像配准领域，尤其涉及二维三维医学图像配准中的投影模型以 及仿真投影(DRR)的生成方法。
背景技术：
计算机辅助的医学手术导航系统是一个集医学和计算机技术等诸多学科为一体 的新型交叉研究领域。其目的是借助计算机以及跟踪设备模拟手术中涉及的各个过程，包 括手术规划，手术导航等来指导医生实现高精度的外科手术。随着手术导航系统在临床中 的广泛应用，二维三维图像配准已经成为系统开发中的一个关键技术。在二维三维医学图 像配准过程中，DRR作为一种常用的中间模型，其生成速度和质量往往对配准的效率和精确 度有至关重要的影响(DRR :digitally reconstructed radiography数字重建图像)。Raycasting算法作为一种典型的像序算法，凭借其较高的图像质量在生成DRR的 实际应用中被广泛采用。然而Raycasting算法在DRR计算过程中对像素的遍历以及对光路 上像素的积分需要消耗大量的时间，这会大大地降低术中二维三维图像配准的实时性。因 此增加算法效率，成为Raycasting算法改进的一个焦点。本发明提出一种基于图像内容均 匀性的Raycasting改进算法，在对数据进行预处理时生成用来保存三维数据内容均匀性 程度的数据结构，在实际计算光路的过程中根据图像内容的均匀性实现采样点的跳跃，大 大改善了 DRR生成的速度。
发明内容
本发明提出了一种基于RayCasting改进算法的DRR生成方法。方法包括以下步 骤A将三维图像V由DIC0M服务器调入工作PC，三维图像V的大小是 WidthXHeightXDepth,其中Width是三维图像的长，Height是三维图像的高，Depth是三 维图像的宽，B建立投影模型，包括如下步骤B01 :以三维图像的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系即三维图像坐标系XYZ，使 得X，Y，Z轴分别与三维图像中对应的外平面正交，记坐标原点为0 ;三维图像V中像素的坐 标由(x, y, z)表不；B02 :以三维图像坐标系XYZ的原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系即投影模型坐 标系UVW，使得坐标轴U，V，W与坐标轴X，Y，Z的方向分别保持一致，记坐标原点为ISO ；B03 :为投影模型建立一个X光源，X光源位于W轴正半轴上，距投影模型坐标系 UVW坐标原点ISO距离为D1 ；B04 :为投影模型建立一个投影面；投影面与接收器共面、大小相等且方向相同； 投影面正交于W轴；W轴与投影面的交点位于投影面几何中心，且位于W轴负半轴；交点与 投影模型坐标系UVW的原点ISO距离为D2 ;投影模型坐标系UVW的U轴和V轴分别与投影面的对应边平行。B05 :为投影模型建立一个虚拟投影面；虚拟投影面平行于投影面且中心通过投 影模型坐标系UVW的坐标原点ISO ；B06 :将投影模型相对三维图像的运动描述为投影模型坐标系UVW在三维图像坐 标系XYZ内的旋转和平移，包括平面外绕U，V轴的旋转Ru、Rv,平面内绕W轴的旋转参数 Rw,平面内平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐标系内沿UV平面的平移；这个运动记为XYZTUVW ；
权利要求
1.一种基于RayCasting改进算法的仿真投影DRR生成方法,其特征在于,该方法包括如下步骤 A将三维图像V由DICOM服务器调入工作PC，三维图像V的大小是WidthXHeight XDepth,其中Width是三维图像的长，Height是三维图像的高，Depth是三维图像的宽； B建立投影模型，包括如下步骤 BOl :以三维图像的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系即三维图像坐标系XYZ，使得X，Y，Z轴分别与三维图像中对应的外平面正交，记坐标原点为O ;三维图像V中像素的坐标由(X，1，z)表示，X为像素在X轴上的投影，y为像素在Y轴上的投影，z为像素在Z轴上的投影; B02 :以三维图像坐标系XYZ的原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系即投影模型坐标系UVff,使得坐标轴U，V，W与坐标轴X，Y，Z的方向分别保持一致，记坐标原点为ISO ； B03 :为投影模型建立ー个X光源，X光源位于W轴正半轴上，距投影模型坐标系UVW坐标原点ISO距离为Dl ； B04 :为投影模型建立ー个投影面；投影面与接收器共面、大小相等且方向相同；投影面正交于W轴；胃轴与投影面的交点位于投影面几何中心，且位于W轴负半轴；交点与投影模型坐标系UVW的原点ISO距离为D2 ;投影模型坐标系UVW的U轴和V轴分别与投影面的对应边平行； B05 :为投影模型建立一个虚拟投影面；虚拟投影面平行于投影面且中心通过投影模型坐标系UVW的坐标原点ISO ； B06 :将投影模型相对三维图像的运动描述为投影模型坐标系UVW在三维图像坐标系XYZ内的旋转和平移，包括平面外绕U, V轴的旋转參数Ru、Rv,平面内绕W轴的旋转參数Rw,平面内平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐标系在UV平面内沿U轴和V轴的平移；这个运动记为xyzTuvw ;其公式表示如下 cosβ O sin/ 0 1 O O O cos# -sin# 0 0 1 0 0 Tu xrz0 1 0 0 0 cosa -sina 0 sin# cos# 0 0 0 I 0 JV 、JJVW -sin/ 0 cos/ 0 0 sina cosa 0 0 0 100010 为 ル 。 。。1_[。 。 。 。 。 。1」|_。。。 I模型坐标系UVW围绕U轴旋转角度Ru的度数，β为投影模型坐标系UVW围绕V轴旋转角度Rv的度数，Φ为投影模型坐标系UVW围绕W轴旋转角度Rw的度数； Β07 :投影模型自身的变化由X光源到三维图像距离Dl和三维图像到接收器距离D2描述，记为 I(D1，D2)； C DRR的生成方法包含如下步骤 COl :计算三维图像V的缩小图像V1. . . Vn. . . Vn，其中Vn代表第η级的缩小三维图像，其大小为X~~, I ^ η ^ Ν，η是当前缩小级数，N是缩小级数的最大值，第η级缩小三维图像Vn中像素的坐标由(xn，yn，zn)表示，第η级的缩小三维图像Vn中像素和三维图像V中的像素存在对应关系Vn (xn，yn，zn) = V(2n · xn, 2n · yn，2n · zn)； C02 :生成每ー个缩小三维图像Vn的均匀性矩阵VH_ n，其大小
全文摘要
一种基于RayCasting改进算法的仿真投影DRR生成方法，属医学图像处理领域。该方法是利用三维图像中局部区域的均匀性来判别积分的步长。并通过多尺度图像处理对RayCasting算法实现进一步的加速。本发明在对数据进行预处理时生成用来保存三维数据内容均匀性程度的数据结构，在实际计算光路的过程中根据图像内容的均匀性实现采样点的跳跃，大大提高了DRR生成的速度。
文档编号G06T15/60GK102663803SQ20121010947
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者贾克斌, 贾晓未, 魏嵬 申请人:北京工业大学