一种脏器三维模型构建方法及装置与流程

本发明涉及医学图像处理技术领域，尤其涉及一种脏器三维模型构建方法及装置。

背景技术：

虚拟脏器计算机辅助分析(Virtual Organ Computer Aided Analysis,Vocal)技术给超声诊断提供了有效手段，该技术主要原理为基于超声图像的脏器轮廓勾画，以网格曲面重构脏器的立体模型，为脏器容积测量、可视化提供更多的临床诊断信息。应用范围包括：孕囊测量、肿瘤评估、胆囊功能评估，前列腺容积测量、胎儿发育检测等。该技术的可重复性、一致性优于二维超声，得到广泛应用。其中基于轮廓勾勒的三维脏器重构模型精度，完全依赖主观的勾勒轮廓线外形及轮廓线数量，轮廓线数量越多，重构模型精度越高，但相应的轮廓线勾勒次数增多，工作量成倍增大。且无法对生成后的模型和脏器的三维超声图像进行比对，不支持三维模型的实时编辑，无有效的方法提高虚拟脏器的重建精度，准确的提供诊断信息。

CN 105761304A公开了一种三维脏器模型构造方法和装置，其提出的脏器模型构建方法，有效解决了在不提高勾勒次数的前提下提高重构精度的方法，但该方法还存在以下缺点：1需要额外的计算轮廓线点法矢，引入了精度误差。2.网格重构算法计算量大.3基于三角网格的编辑交互不够灵活。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种脏器三维模型构建方法及装置，以解决现有技术中存在的精度偏低和运算量大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种脏器三维模型构建方法，包括：

获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像；

根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合；

统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面模型；

计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

进一步的，在所述对所述轮廓线进行样条曲线拟合之后，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量之前，包括：

调整所述样条曲线的首尾端点的曲率,以使得所述样条曲线曲率连续。

进一步的，所述统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，包括：

获取样条曲线的控制点；

对所述控制点进行多次单节点插入，计算得到曲线的统一节点矢量。

进一步的，所述构造曲面模型，包括：

采用平均法计算样条曲线v方向特征节点矢量；

根据所述样条曲线u方向特征节点矢量和v方向特征节点矢量构造样条曲面模型。

进一步的,在构造样条曲面后，计算得到所述曲面模型的三角网格顶点之前还包括：

还包括：

接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点；

相应的，所述计算三角网格顶点，生成三角网格曲面，包括：

根据调整后的控制点计算三角网格顶点

更进一步的，所述方法还包括：

根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积，

对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。

第二方面，本发明实施例还提供了一种脏器三维模型构建装置，包括：切片图像获取模块，用于获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像；

拟合模块，用于根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合；

构造模块，用于统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面；

生成模块，用于计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

进一步的，所述装置还包括：

调整模块，用于调整所述样条曲线的首尾端点的曲率,以使得所述样条曲线曲率连续。

进一步的，所述构造模块包括：

控制点获取单元，用于获取样条曲线的控制点；

计算单元，用于对所述控制点进行多次单节点插入，计算得到曲线的统一节点矢量。

进一步的，所述构造模块用于：

采用平均法计算样条曲线v方向特征节点矢量；

根据所述样条曲线u方向特征节点矢量和v方向特征节点矢量构造样条曲面。

进一步的，所述装置还包括：

调整模块，用于接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点；

相应的，所述计算模块用于：

根据调整后的控制点计算三角网格顶点。

更进一步的，所述装置还包括：

面积计算模块，用于根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积，

容积计算模块，用于对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。

本发明实施例提供的脏器三维模型构建方法及装置，根据三维图像的切片拟合的样条曲线构造样条曲面，在减少运算量的同时，减少了误差；并可根据样条曲面的控制点生成三角网格曲面，有效减少了脏器模型重构的运算量。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图；

图3是本发明实施例三提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图；

图4是本发明实施例四提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图；

图5是本发明实施例五提供的脏器三维模型构建装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图，本实施例可适用于利用超声波扫查结果构建脏器三维模型的情况，该方法可以由脏器三维模型构建装置来执行，该装置可由软件/硬件方式实现，并可集成于超声成像设备中。

参见图1，所述脏器三维模型构建方法，包括：

S110，获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像。

超声成像是使用超声波的声成像。目前，所有三维成像都是以平面显示的方式显现成具有立体感的显示方式。通常采用多个不同位置的扫查二维图像来重构成一个立体图像。例如：采用坐标位移法探测出图像的边界，然后将这些图像进行叠加，生成扫查三维图像。在本实施例中，可先将二维图像质量调整到最佳，进入三维超声模式，选择径向切片模式和/或旋转切片模式，并设置切片参数。所述径向切片模式可以是按照三维图像的径向对三维图像进行切片；所述旋转切片模式可以是选择任意一个方向作为切片的轴向对三维图像进行切片。所述切片参数包括切片的厚度。切片的角度越多，据此构造的脏器模型精确度越高，但计算量也越大。因此，需要根据实际需求选取模式。相应的，切片的厚度也与构造的脏器模型精度相关。即切片的厚度越小，据此构造的脏器模型精确度越高，但计算量也越大。也需要根据精度要求设定合适的切片参数。根据设定的切片模式和切片参数对所述三维图像进行切片，并获取切片图像。

S120，根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合。

由于三维图像是灰度图像，示例性的，可以采用canny算子方法进行边缘检测，根据边缘检测的结果勾勒出切片的轮廓线。样条曲线是经过一系列给定点的光滑曲线，具有连续的、曲率变化均匀的特点。能够用于描述自由曲线和曲面，而且还提供了包括能精确表达圆锥曲线曲面在内各种几何体的统一表达式。示例性的，可以根据构建精度选取合适的控制点个数，从轮廓线中选取符合控制点标准的数量的点作为控制点，根据选取出的多个控制点拟合样条曲线。示例性的，可采用最小二乘法来拟合样条曲线。最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。可用于曲线拟合。例如：可采用如下方式进行拟合：其中，C(u)为样条曲线方程，节点矢量U＝{u₀,u₁,u₂,..u_n+p+1}，u'_k为控制点对应的矢量，P_i是待求的样条曲线控制点，Q_k为轮廓线点，最小二乘法目标是求P_i，使f最小。

S130，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面。

在本实施例中，采用蒙皮算法构造样条曲面模型。由于样条曲面可视作多条样条曲线的组合。这些样条曲线需要曲线一致。在本实施例中，通过节点插入的方式，使样条曲线节点矢量统一。获取样条曲线的控制点；具体的，可以对所述控制点进行多次单节点插入，计算得到曲线的统一节点矢量。示例性的，可以采用如下方式进行节点插入：

其中，节点矢量U＝{u₀,u₁,u₂,..u_n+p+1}，u_i<u≤u_i+1,i∈(k-p+1,k)，k为插入的节点u所在样条曲线节点矢量位置，P_i为插入节点前控制点，Q_i为插入节点后控制点。在完成样条曲线的u方向特征节点矢量统一后，需要选取v方向参数。可选取为相应截面曲线所拟合的等值线的函数值。示例性的，可采用平均法计算得到：其中，d_i表示样条曲线中P_i,k P_i,k-1的总距离，根据特征节点矢量计算出v方向节点矢量。根据u方向特征节点矢量和v方向特征节点矢量可构造样条曲面。

S140，计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

示例性的，可根据上述样条曲面的u方向特征节点矢量和v方向特征节点矢量进行参数建模，计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，并拼接成三角网格。具体的，可采用如下方式拼接：

本实施例通过根据三维图像的切片拟合的样条曲线构造样条曲面，在减少运算量的同时，减少了误差；并可根据样条曲面的控制点生成三角网格曲面，有效减少了脏器模型重构的运算量。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，在本实施例中，在所述对所述轮廓线进行样条曲线拟合之后，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量之前增加如下步骤：根据所述样条曲线的控制点采用最小二乘法调整端点的曲率。

参见图2，所述脏器三维模型构建方法，包括：

S210，获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像。

S220，根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合。

S230，调整所述样条曲线的首尾端点的曲率,以使得所述样条曲线曲率连续。

示例性的，可以根据上述拟合曲线，确定拟合曲线的起始端点的曲率，并将拟合曲线的结束端点的曲率调整至与所述起始端点的曲率一致。通过上述方式，可调整端点处曲线导矢，使得曲线在拟合曲线闭合处曲率连续。

S240，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面。

S250，计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

本实施例通过增加如下步骤：调整所述样条曲线的首尾端点的曲率,以使得所述样条曲线曲率连续。，以使得首尾端点处曲率连续。可以使处理后的样条曲线满足闭合的条件，避免出现拟合的样条曲线无法闭合，影响构建三维模型的情况。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，在本实施例中，所述方法还包括如下步骤：接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点；相应的，将所述计算三角网格顶点，生成三角网格曲面，具体优化为：根据调整后的控制点计算三角网格顶点。

参见图3，所述脏器三维模型构建方法，包括：

S310，获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像。

S320，根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合。

S330，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面。

S340，接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点。

在进行样条拟合的过程中，由于图像噪声、切片厚度等原因，可能会产生拟合误差。通常，可以采用将所述目标切片图片和所述三维脏器模型截面进行配准，由用户通过手动操作调整控制点，以使得三维脏器模型截面更加贴近于目标切片图片。接收用户手动调整控制点的操作，根据用户的操作确定新的控制点的具体位置，并根据拓扑关系调整与新的控制点相关控制点。所述拓扑关系可以是指拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。以使得调整后的控制点和与之存在拓扑关系的控制点构成的图形更贴近于实际切片的图形。

S350，根据调整后的控制点计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

根据调整后的控制点计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，以使生成的网格曲面更贴近于脏器实际外形。

本实施例通过增加如下步骤：接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点；相应的，将所述计算三角网格顶点，具体优化为：根据调整后的控制点计算三角网格顶点。提供交互方式供用户对控制点进行调整，修改样条曲面形状，能够有效提高重建模型精度。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的脏器三维模型构建方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，在本实施例中，所述方法还包括如下步骤：根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积，对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。

参见图4，所述脏器三维模型构建方法，包括：

S410，获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像。

S420，根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合。

S430，统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面。

S440，计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

S450，根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积。

示例性的，可以根据三角网格的控制点和拓扑关系，将切片分为多个小的线段，并根据小的线段计算切片面积。

S460，对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。

虚拟脏器及构建的脏器三维模型，脏器三维模型可视作多个切片的叠加，因此可以将计算的多个切片面积进行的叠加计算虚拟脏器容积。示例性的，可以采用如下方式计算虚拟脏器容积：

本实施例通过增加如下步骤：根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积，对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。可以根据构建的三维模型对脏器容积进行计算，可有效提高计算精确度，为后期诊断提供准确的数据。

实施例五

图5是本发明实施例五提供的脏器三维模型构建装置的结构示意图。如图5所示，所述脏器三维模型构建装置包括：

切片图像获取模块510，用于获取扫查得到的三维图像，对所述三维图像进行切片,获取切片图像；

拟合模块520，用于根据所述切片图像勾勒所述切片的轮廓线，并对所述轮廓线进行样条曲线拟合；

构造模块530，用于统一所述样条曲线的u方向特征节点矢量，并构造样条曲面；

生成模块540，用于计算得到所述曲面模型的三角网格顶点，生成三角网格曲面。

本实施例提供的脏器三维模型构建装置，根据三维图像的切片拟合的样条曲线构造样条曲面，在减少运算量的同时，减少了误差；并可根据样条曲面的控制点生成三角网格曲面，有效减少了脏器模型重构的运算量。

在上述各实施例的基础上，所述装置还包括：

调整模块，用于调整所述样条曲线的首尾端点的曲率,以使得所述样条曲线曲率连续。。

在上述各实施例的基础上，所述构造模块包括：

控制点获取单元，用于获取样条曲线的控制点；

计算单元，用于对所述控制点进行多次单节点插入，计算得到曲线的统一节点矢量。

在上述各实施例的基础上，所述构造模块用于：

采用平均法计算样条曲线v方向特征节点矢量；

根据所述样条曲线u方向特征节点矢量和v方向特征节点矢量构造样条曲面。

在上述各实施例的基础上，所述装置还包括：

调整模块，用于接收调整控制点的操作，并根据所述操作和控制点拓扑关系调整控制点；

在上述各实施例的基础上，所述计算模块用于：

根据调整后的控制点计算三角网格顶点。

在上述各实施例的基础上，所述装置还包括：

面积计算模块，用于根据所述三角网格及拓扑关系，计算切片面积，

容积计算模块，用于对所述切片进行叠加计算虚拟脏器容积。

上述脏器三维模型构建装置可执行本发明任意实施例所提供的脏器三维模型构建方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各操作可以通过如上所述的终端设备实施。可选地，本发明实施例可以用计算机装置可执行的程序来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由处理器来执行，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等；或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或操作制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。