专利名称:基于基准面全局电场的虚拟外翻方法
技术领域：
本发明涉及的是一种图像处理技术领域：
的方法，具体涉及一种基于基准面全 局电场的空腔结构虚拟外翻的方法。
技术背景
目前，利用CT、 MRI等医学成像数据，对管道性脏器进行三维可视化重建及 观察诊断主要有虚拟内窥和虚拟展平。前者模拟了传统光学内窥镜体在腔道内行 进的过程，后者模拟了将管腔剪开展平的处理。这些技术的优势在于克服了传统 光学内窥镜需把内窥镜体插入人体内的缺点。其不足在于前者存在视角限制， 后者将将三维结构映射到二维平面的过程，会对结肠内壁上的解剖结构带来形 变，这些都会影响判断。
经对现有技术的文献检索发现，赵俊、曹立基于2006年5月18日申请的专 利"空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法"(申请号200610026664.0， 公开号CN1850005)中介绍了一种空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法， 该方法通过将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧的方法达到观察 管道性脏器的整体解剖形态，增加视角的目的。其不足之处在于出于准确性对 效率的妥协，采用局部电场，即只采用位于当前待外翻空腔表面点附近的若干基 准面点来形成电场，对于采样线相交导致的过采样和欠采样，只能减少，却不能 完全消除。另外一个有待改进的地方是，即使采用局部电场，运算依然耗时，影 响了该方法的推广和发展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于基准面全局电场的虚拟外翻方 法，建立基准面全局电场，对场中各点所受合力进行全局考量，从而保证了电场 线在全局范围内不会相交，提高了外翻的准确性。
本发明是通过以下技术方法实现的，本发明包括如下步骤
第一步，进行数据分割，得到需要外翻的空腔二值图像。第二步，生成空腔图像的外翻基准面。
第三步，根据空腔图像外翻基准面得到全局电场力分布，并采用快速傅立叶 变换整体求解空间各点所受电场合力。
第四步，根据已得到的各点电场力方向，从空腔表面出发，沿所在电场线顺 电场力向基准面步进，记录从空腔表面至基准面的步进数。
第五步，从基准面出发，至基准面后逆电场力步进相同步数，得到关于基准 面镜像对称的对应外翻点。
第六步，令所有外翻后的点都沿电场线向内进行收縮，所有经调整后的外翻 点即组成外翻空腔表面。
所述的生成空腔图像的外翻基准面，是指生成包裹于空腔外的光滑曲面，作 用可形象理解为镜面，使内表面依据基准面对称得到外翻镜像。
若空腔具有天然的光滑外壁，则该外壁可视作基准面，如工业管道的外壁。
若空腔不具有天然的理想外壁，如人体肠道，则需要为外翻生成一个基准面。 具体包括两步首先，对空腔的二值化体数据进行三维形态学膨胀运算，消除表 面显著的起伏变化；其次，对点与点之间的坐标进行微细调整，保持拓扑结构不 变的同时，减小表面曲率，得到更光滑的基准面，所述调整是通过下式的不断迭
代实现的。式中，^为待调整的点，；为与其相邻的其他点，/l为用户指定的参 数，为调整后的点。
= x +义 =x, +义Z (、 一 x乂) V/: 0 S < 所述的根据外翻基准面得到全局电场力分布，是指在基准面上每一点放置 点电荷2，建立全局电场模型，计算基准面上所有电荷对三维空间中任意位置点 P的电场力合力F(X，少，Z)，
全局电场的意义在于首先，如前所述，全局电场保证了电场线互不相交， 从根本上解决了局部电场未能解决的欠采样和过采样的问题。其次，全局电场线 的分布可以全面准确地保留和反映空腔的拓扑结构，有关向量场的许多研究在二 维或三维图像中模拟全局电场，利用向量场的诸多特性成功提取图像的骨架。建 立全局电场，可以更好地反映空腔的整体拓扑结构，从理论上保证外翻的准确性。所述的采用快速傅立叶变换整体求解空间各点所受电场合力，区别于现有方 法的逐点逐步求解当前电场力，具体为首先将电场合力表达式表示成分量形式， 并进而表达为巻积式，根据巻积定理，时域中的巻积运算可以转换为频域中的乘 积运算，并通过快速傅立叶变换进行时域与频域的互相转换，将运算复杂度由
0(W4)降低为O(W2 ，可得整个空间的整体电场分布。
所述的从空腔表面出发，沿所在电场线顺电场力向基准面步进，是指根据 己经得到的电场分布，假想对于空腔表面上每一点，在基准面形成的电场的吸引 下，向着基准面按设定的步长移动，每移动到新的位置，根据插值得到当前电场 方向，按当前方向继续步进。如此逐步前进至基准面，记录下步进总数。
所述的进行镜像对称得到对应外翻点，具体是指从空腔表面出发的点到达 基准面后，继续从基准面出发，逆电场线移动，步进同样的距离，即令空腔边缘 点到基准面的距离等于基准面到外翻点的距离，得到外翻点。
所述的将外翻后的点都沿电场线向内进行适量收縮是为了抵消形态学膨胀 运算带来的管壁厚度变化，对各外翻点作调整后，连接即为外翻表面。
本发明应用以上方法，实现了对空腔结构进行快速虚拟外翻，使得在更为全 局的考量所有电荷以精准计算电场力的同时，提高了运算效率，快速有效的实现 虚拟外翻。虚拟外翻方法可应用在工业探伤，可作为独立的辅助手段，应用于医 学领域，也可与其它可视化方法结合使用，改进可视化效果。
本发明相对于现有技术的优势在于(1)在基准面的求取过程中，通过对点 坐标的细微调整，得到更为光滑的表面(2)外翻过程使用的电场综合考量了基 准面上的所有点，而非仅有局部的若干点参与计算，得到的电场方向更为准确(3) 对空间各点电场分布进行整体处理，通过将时域的巻积运算转换为频域的乘积运 算，复杂度大大降低，从而使虚拟外翻方法更为快速有效。
图1为本发明实施例虚拟外翻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具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例采用螺旋CT数据作为样本，整个实现过程如下
1. 对体数据进行分割，采用区域生长的算法，得到整个结肠的三维二值化 体数据。挑出感兴趣部分来进一步实行虚拟外翻实验，这部分包含了横结肠、降 结肠及移行区域。
2. 结肠外表面无理想的天然外壁，需要为外翻生成基准面。首先，通过形 态学方法得到外翻基准面，膨胀的结构元素取为半径为2ram的球体。其次，进行 细微坐标调整，令/1 = 0.1，迭代次数为120，得到二值的基准面图像，表面点被 置为255，其余点置为O。
3. 计算电场分布。首先需要对三维基准面图像进行预处理，按照快速傅立 叶运算的要求，处理的图像大小应为2的次方数，将基准面补齐到所需大小。
首先将图像空间各点所受合力情况表述为如下的分量形式，根据库伦定理， 进一步表达为求和式，再整理为巻积形式，如下所示，由基准面的点电荷分布与 各分量的巻积模板进行巻积。对基准面进行FFT变换，对各分量的巻积模板&， ~，、也进行FFT变换。将基准面的频域变换结果分别与&， ，h,的频域变 换结果进行复数域上的点积运算。将三个分量上的乘积结果分别反变换回时域， 得到基准面所形成的电场分布，以分量的形式表达。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，&， ~，、为各分量方向的巻积模板，
<formula>formula see original document page 7</formula>
4. 至此，外翻的准备工作完成，开始外翻。考虑到基准面和空腔表面大小存在些许差异，从一个较小的面对应至一个较大的面，外翻后点与点之间可能会 不连续。对空腔表面，在三个分量上，都设定每隔0.5确定一个起始点，査找对 应于该点的电场力，将其单位化后，顺电场力以步长0.5移至新的一点。新的位 置若不处于网格，需要插值，将邻近的八个象素点通过三线性插值得到该处的电 场力，单位化后，继续步进。
如此持续进行至到达基准面，记录从空腔表面至基准面的歩进数。
5. 从基准面出发，逆着电场力继续移动，移动步数为已记录的空腔至基准 面的距离，即令图1中曲线段点1到点2的长度等于曲线段点2到点3的长度。
这样便找到了对应于点1的外翻点，置为255，找到所有的空腔表面点的对 应外翻位置后，便得到了二值化的外翻结果。
6. 收縮。根据基准面生成时所采用的形态学结构元素，令收縮长度取为2mm， 令所有外翻后的点都沿电场线向内进行收縮。
这样的实施方式，避免了原有方法中边外翻边根据局部邻近点计算电场方向 的繁琐过程，更为清晰方便的给出了全局电场分布计算方法，并且提供了与之配 套的快速解决方案。使得了解结肠内壁的组织结构变得有效快捷，在方法的实用 性上作了有益的尝试。
空腔结构在工业中广泛存在，且多具有光滑的外表面，是理想的基于基准面 外翻方法的处理对象，本发明可以运用到现有的工业探伤技术中，通过对工业设 备的快速面外翻处理，快捷且无损地了解其内部的构造，对可能的隐患作检测。 和现有的工业CT配合使用，是对现有技术的补充和增强。
权利要求
1、一种基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征在于包括如下步骤第一步，进行数据分割，得到需要外翻的空腔二值图像；第二步，生成空腔图像的外翻基准面；第三步，根据空腔图像外翻基准面得到全局电场力分布，并采用快速傅立叶变换整体求解空间各点所受电场合力；第四步，根据已得到的各点电场力方向，从空腔表面出发，沿所在电场线顺电场力向基准面步进，记录从空腔表面至基准面的步进数；第五步，从基准面出发，至基准面后逆电场力步进相同步数，得到关于基准面镜像对称的对应外翻点；第六步，令所有外翻后的点都沿电场线向内进行收缩，所有经调整后的外翻点即组成外翻空腔表面。
2、 根据权利要求
l所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是， 所述的生成空腔图像的外翻基准面，是指生成包裹于空腔外的光滑曲面。
3、 根据权利要求
1所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是， 所述的生成空腔图像的外翻基准面，具体包括两步首先，对空腔的二值化体数据进行三维形态学膨胀运算，消除表面的起伏变化；其次，对点与点之间的坐标进行微细调整，保持拓扑结构不变的同时，减小 表面曲率，得到更光滑的基准面，所述微细调整是通过下式的不断迭代实现的 = jc, +义& = x, +义Z (x, — ~) V/ : 0 S y < w式中，5为待调整的点，5为与其相邻的其他点，/i为用户指定的参数，乙 为调整后的点。
4、 根据权利要求
l所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是， 所述的根据外翻基准面得到全局电场力分布，是指在基准面上每一点放置点电 荷G，建立全局电场模型，计算基准面上所有电荷对三维空间中任意位置点^的电场力合力F(x,y,z)，
5、 根据权利要求
1所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是， 所述的采用快速傅立叶变换整体求解空间各点所受电场合力，具体为首先将合 力表达式表示成分量形式，各分量形式表达为如下的求和式，并进而表达为巻积 式，根据巻积定理，时域中的巻积运算可以转换为频域中的乘积运算，并通过快 速傅立叶变换进行时域与频域的互相转换，将运算复杂度由o(w、降低为G(W.丄。g(W))，得整个空间的整体电场分布。
6、 根据权利要求
l所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是，所述的从空腔表面出发，沿所在电场线顺电场力向基准面步进，是指根据已经 得到的电场分布，假想对于空腔表面上每一点，在基准面形成的电场的吸引下， 向着基准面按设定的步长移动，每移动到新的位置，根据插值得到当前电场方向， 按当前方向继续步进，如此逐步前进至基准面，记录下步进总数。
7、 根据权利要求
1所述的基于基准面全局电场的虚拟外翻方法，其特征是， 所述的进行镜像对称得到对应外翻点，具体是指从空腔表面出发的点到达基准 面后，继续从基准面出发，逆电场线移动，步进同样的距离，即令空腔边缘点到 基准面的距离等于基准面到外翻点的距离，得到外翻点，对空腔表面每一点，都 求得其外翻点。
专利摘要
本发明涉及的是一种图像处理技术领域：
的基于基准面全局电场的空腔结构虚拟外翻的方法。具体为进行数据分割，得到需要外翻的空腔二值图像；生成空腔图像的外翻基准面；根据空腔图像外翻基准面得到全局电场力分布，并采用快速傅立叶变换整体求解空间各点所受电场合力；根据已得到的各点电场力方向，从空腔表面出发，沿所在电场线顺电场力向基准面步进，记录从空腔表面至基准面的步进数；从基准面出发，至基准面后逆电场力步进相同步数，得到关于基准面镜像对称的对应外翻点；所有空腔的对应外翻点即组成外翻空腔表面。本发明提高了外翻的准确性，通过快速傅立叶变换整体求解电场合力，大大降低了运算复杂度，提高了效率。
文档编号G06T11/00GKCN101447086SQ200810204390
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月11日
发明者俊 赵, 黄翊玲 申请人:上海交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan