基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的方法及系统

本发明涉及三维重构和外耳道的三维结构重构领域，特别涉及一种基于计算机断层扫描重构重构外耳道三维模型的方法及系统，可用于助听器适配、入耳式耳机个性化外形结构设计和声学仿真。

背景技术：

1、入耳式耳机作为常见一类通讯设备，越来越得到消费者的喜爱。然而，由于耳机的标准化生产流程，不同人佩戴入耳式耳机的感受不尽相同，尤其是长时间佩戴会给使用者带来不适感，这主要是由于耳机外形与真人耳道之间的差异导致的不匹配导致的。在助听器适配过程中，也需要将助听器外形与外耳道三维结构进行匹配，减少佩戴过程中的不适感。

2、外耳道结构复杂，具有向颅内生长结构特性，难以通过各种激光扫描设备直接测量；同时外耳道通过鼓膜与内耳进行连接，具有高度生物敏感性，使得获取真人耳道三维模型困难重重。如何安全、准确、高效的获取真人外耳道三维结构模型面临多重技术挑战。

3、加拿大国立医疗中心的stinson以及英国南安普顿大学的lawton等人最早于1989年对真人耳道三维模型进行了测量与分析(m.r.stinson,b.w.lawton.,specification ofthe geometry of the human ear canal for the prediction of sound-pressurelevel distribution[j].journal of the acoustical society of america,1989,85(6):2492-2503.)。他们采用向耳道注入硅橡胶，待橡胶成型之后测量表面1000个采样点的三维坐标建立耳道模型。这种方法耗时较长，同时对受试者可能产生一定副作用，难以批量化的推广应用，因此在他们研究过程中，仅收集了15位受试者的耳道模型数据。哥本哈根大学stefan研究组于2018年提出了用核磁共振医学成像(magnetic resonance imaging,mri)获取真人耳道的三维模型(s.darkner,s.sommer,a.schuhmacher,et al.,an averageof the human ear canal:recovering acoustical properties via shapeanalysis.https://arxiv.org/abs/1811.03848v1,2018.)。由于mri工作原理，mri扫描需要向真人耳道填充造影剂，stefan研究组选择利用菜籽油作为mri扫描对比剂灌入受试者外耳道，实施难度较大。同时mri扫描空间分辨率较低，需要后期强大的图像处理算法支撑；扫描时间也较长，容易出现伪影，并且价格高昂，这些都不利于mri的大规模推广应用。

4、因此，现有耳道模型的重构方法，均需要向受试者耳道内灌入造影剂或硅橡胶，实施难度大，且极易使受试者感受不适，严重情况下还会出现副作用，如过敏；而且后续需要强大的图像算法支撑，计算工作量大；同时现有耳道模型的重构方法还具有扫描时间长、扫描空间分辨率较低、价格昂贵的缺点，不利于大规模推广应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，克服现有耳道模型重构方法容易造成受试者不适、计算工作量大、扫描时间长，扫描空间分辨率较低和价格昂贵的缺点，从而提供一种基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的一种基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的方法，包括以下步骤：

3、步骤1)对受试者头部进行计算机断层扫描，获取若干计算机断层扫描图像；

4、步骤2)确定所述若干计算机断层扫描图像中的外耳道显示区域；

5、步骤3)对每一个外耳道显示区域进行边沿提取，获得外耳道轮廓的链式编码；

6、步骤4)利用椭圆傅里叶变换对提取的所述链式编码进行二维曲线拟合，获得外耳道在每一层计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型；

7、步骤5)将所有所述计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型进行拼接得到外耳道的三维模型。

8、作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：沿z轴方向对受试者头部进行计算机断层扫描，每间隔距离δz，扫描一层计算机断层扫描图像，以获取若干层计算机断层扫描图像。获取的层数和我们扫描的头部z轴方向长度有关系，比如说我们头部z轴方向长20cm，扫描的间隔取0.1cm,那么层数就是200张，如果扫描的间隔是0.05cm,那么层数就是400张。

9、作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：将所述若干计算机断层扫描图像转换为灰度图像，利用canny边沿提取法对每一个外耳道显示区域进行边沿提取，从外耳道轮廓边沿任一像素点出发，建立相邻像素点的矢量线段映射，以获得外耳道轮廓的链式编码v:

10、v＝α1α2α3…αk   (1)

11、其中，α1表示第1个矢量线段，α2表示第2个矢量线段，α3表示第3个矢量线段，αk表示第k个矢量线段，k表示此连续曲线的矢量线段总条数。

12、作为上述方法的一种改进，所述利用椭圆傅里叶变换对提取的所述链式编码进行二维曲线拟合，获得外耳道在一层计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型，具体包括：

13、步骤4-1)基于外耳道轮廓的链式编码v，沿矢量线段移动的速度为单位速度，计算经过第i个矢量线段αi所花费的时间δti：

14、

15、其中，αi表示第i个矢量线段，

16、步骤4-2)计算第i个矢量线段在x轴方向的位移δxi和在y轴方向的位移δyi；其中，

17、δxi＝sgn(6-αi)sgn(2-αi)   (3)

18、δyi＝sgn(4-αi)sgn(αi)   (4)

19、步骤4-3)获得经过前p个矢量线段所花费的时间tp和经过所有矢量线段花费的总时间t，其中，

20、

21、

22、其中，k表示所述二维连续曲线的矢量线段总条数；

23、步骤4-4)获得经过前p个矢量线段后，在x轴方向的坐标xp和在y轴方向的坐标yp；其中，

24、

25、

26、步骤4-5)计算在x轴方向坐标的直流分量a0和在y轴方向坐标的直流分量c0；其中，

27、

28、

29、其中，xp-1为经过前p-1个矢量线段后，在x轴方向的坐标；yp-1为经过前p-1个矢量线段后，在y轴方向的坐标；

30、步骤4-6)计算在x轴方向坐标的第n阶第一椭圆系数an和第二椭圆系数bn，以及在y轴方向坐标的第n阶第三椭圆系数cn和第三椭圆系数dn，其中，

31、

32、

33、

34、

35、其中，tp-1为经过前p-1个矢量线段所花费的时间；

36、步骤4-7)获取外耳道在当前层计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型的坐标{x(t),y(t)}，其中，

37、

38、

39、其中，n为二维曲线拟合总阶数。

40、作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：将所有计算机断层扫描图像的二维连续曲线模型沿断层方向进行拼接，以获得外耳道的三维模型，其中，断层方向为z轴方向，第j层计算机断层扫描图像在z轴方向的取值为zj。

41、为实现本发明的再一目的，本发明提供一种基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的系统，用于实现权利要求1-6任一所述的基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的方法，其特征在于，所述系统包括：计算机断层扫描仪、二维曲线拟合模块和三维模型重构模块，其中，

42、所述计算机断层扫描仪，用于对受试者头部进行计算机断层扫描，获取若干计算机断层扫描图像；

43、所述二维曲线拟合模块，用于确定所述若干计算机断层扫描图像中的外耳道显示区域；用于对每一个外耳道显示区域进行边沿提取，获得外耳道轮廓的链式编码；用于利用椭圆傅里叶变换对提取的所述链式编码进行二维曲线拟合，获得外耳道在每一层计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型；

44、所述三维模型重构模块，用于将所有所述计算机断层扫描图像中的二维连续曲线模型进行拼接得到外耳道的三维模型。

45、本发明的优点在于，本发明的本发明提供的基于计算机断层扫描重构外耳道三维模型的方法，首先基于计算机断层扫描(computer tomography,ct)利用x射线在穿过人体组织后，会受到组织吸收衰减的原理，通过计算计算机断层扫描仪获取若干机断层扫描图像，并对图像进行边沿提取，获得外耳道轮廓闭合曲线的链式编码(chain code)；其次利用椭圆傅里叶描述子拟合此闭合曲线得到当前断层外耳道投影的二维曲线数学表达式；最后将所有计算机断层扫描图像提取的外耳道投影二维曲线进行拼接获取外耳道的三维模型。本发明结合了计算机断层扫描仪扫描速度快，空间分辨率高的优点，不需要向真人耳道注入异物，对受试者不会产生不良反应，可以准确、高效、快速的获取外耳道三维模型。