基于先验知识的医学断层图像闭合骨骼轮廓重建方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机图形技术领域，特别是涉及医学断层图像骨骼三维重建过程中需要提取的骨骼轮廓线。
【背景技术】
[0002]在断层图像的骨骼三维重建过程中，骨骼轮廓识别尤为重要，它直接关系到最后重建结果的精确程度，但由于设备老化、图像噪声、骨骼表面的细小裂纹等因素影响，得到的骨骼轮廓线并不能真实还原其本来面貌。国内外有很多文献致力于寻找更好的方法识别图像轮廓线，如在边缘检测阶段利用自适应方式自动获得高低阈值，以及多种检测技术相融合得到效果最好的边缘轮廓线；在边界提取阶段利用边缘点两侧部分灰度均值作为边缘对比特征识别边缘线走向，或者借助边缘点8领域的平均向量约束自身大小和方向。这些方法都是基于单幅图像边缘线的识别，而由于医学断层图像具有序列性、邻近相似性，同类型骨骼间具有全局相似性，提取的骨骼轮廓具有闭合性等特征，针对医学断层图像的骨骼轮廓识别可以利用相邻层或者已有同类型骨骼共同作为先验知识辅助补全不闭合断边，或者辅助识别闭合有误的轮廓。
[0003]利用相邻层或者已有同类型骨骼共同作为先验知识，需要根据特征描述函数找到与当前层最为匹配的同类型骨骼轮廓线。轮廓起始点配准是一种十分有效的方法，通过循环移位即能得到不同轮廓起始点匹配中最相似的一个。仿射变换可以实现特征点图像空间坐标变换，建立当前层与同类型骨骼轮廓线间的对应关系。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一种基于先验知识的骨骼医学断层图像闭合轮廓重建方法，依据医学断层图像具有序列性、邻近相似性，同类型骨骼间具有全局相似性，提取的骨骼轮廓具有连续性、闭合性等特征；提出了以已有同类型骨骼轮廓、效果较好的单回路轮廓为先验知识辅助，解决其他轮廓线中出现的相交、相邻、断边冋题，大大提尚了提取的精度和效率。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
[0006]基于先验知识的医学断层图像闭合骨骼轮廓重建方法，包括以下步骤:
[0007]首先，将从医学断层图像中提取出的骨骼轮廓做预处理并分类成参考模板和非参考模板，具体过程如下:
[0008]步骤S01，读入医学断层图像后，利用Canny方法从读入的医学断层图像中获得骨骼轮廓地图，并结合边界跟踪算法得到每张医学断层图像若干条连续或不连续的骨骼轮廓；
[0009]步骤S02，将得到的骨骼轮廓作为目标轮廓，若从目标轮廓中搜索出闭合或闭合性较好的骨骼轮廓，则利用三次样条插值法连接断点得到闭合骨骼轮廓作为预参考模板，否则标记为非参考模板；
[0010]步骤S03，去除预参考模板中由于插值产生的多余支线，将单回路预参考模板标记为参考模板，否则标记为非参考模板；
[0011]其次，建立非参考模板与同类型骨骼模板的对应关系，具体过程如下:
[0012]步骤S04，设定同类型骨骼模板等高线间距，重采样得到闭合骨骼轮廓；
[0013]步骤S05，利用特征值法在参考模板和同类型骨骼模板间作相似性判断，从而找到与非参考模板相匹配的同类型骨骼模板；
[0014]最后，以参考模板、同类型骨骼模板为先验知识，补全断边并除去非参考模板中不相关的轮廓线，具体过程如下:
[0015]步骤S06，对不相关轮廓线进行分类；
[0016]步骤S07，利用公共夹角计算出同类型骨骼模板、参考模板中的参考向量以及非参考模板断点的平均向量，并以参考向量和平均向量作为共同约束计算出断点后续点的插值坐标以补全断边；
[0017]步骤S08，利用同类型骨骼模板、参考模板中的参考向量作为先验知识去除不相关的骨骼轮廓线；
[0018]步骤S09，重复步骤S07到步骤S08直致非参考模板成为单回路闭合骨骼轮廓并将其标记为参考模板。
[0019]其中，步骤S02中，闭合的骨骼轮廓是指一条或一组骨骼轮廓均为闭合状态；闭合性较好的骨骼轮廓是指轮廓线存在断点且相邻断点间欧式距离均小于距离阈值T，通过插值得到不失真的闭合骨骼轮廓；预参考模板是指经三次样条插值后形成带有多余支线和多回路的闭合骨骼轮廓；所述非参考模板满足以下两点:①骨骼轮廓不闭合，②骨骼轮廓满足闭合或闭合性较好但经过三次样条插值去除多余支线后，回路数大于1，其中，所述骨骼轮廓不闭合是指骨骼轮廓线存在断点且相邻断点间欧式距离均大于距离阈值T，无法通过插值得到不失真的闭合骨骼轮廓。
[0020]步骤S02中，利用三次样条插值法连接断点得到闭合骨骼轮廓的具体过程如下:
[0021]步骤S02.1，搜索骨骼轮廓的断点数并记录坐标位置，若无断点则认为是闭合的骨骼轮廓；
[0022]步骤S02.2，逐一搜索骨骼轮廓上每个断点的邻域，并判断是否存在其他骨骼轮廓断点，若存在则计算两断点间欧氏距离；
[0023]步骤S02.3，给定距离阈值T，若每个相邻断点间欧氏距离均小于距离阈值T，则认为是闭合性较好的骨骼轮廓，利用三次样条插值连接断点；
[0024]步骤S02.4，重复步骤S02.1到步骤S02.3直致找到所有能闭合的骨骼轮廓，并将其标记为预参考模板，记录预参考模板编号。
[0025]步骤S03中，所述支线分为断边、相交两类，断边是指支线为通路且某一端点为断点，相交是指支线为回路；多余支线是指闭合骨骼轮廓中存在交点，从某一交点出发的分支为断边。
[0026]步骤S03中，去除预参考模板中由于插值产生的多余支线，将单回路预参考模板标记为参考模板的具体过程如下:
[0027]步骤S03.1，搜索定位预参考模板中存在支线的交点并记录交点的坐标，若定位失败则认为该预参考模板无多余支线，继续步骤S03.3，否则继续步骤S03.2 ；
[0028]步骤S03.2，根据定位方向，跟踪每个交点的每条分支并记录后续顶点，若后续顶点为断点则认为该支线属于断边类，直接将该支线所有顶点值设为O即可去除该断边类多余支线；若后续顶点为另一个交点则认为该支线属于相交类并记录后续顶点坐标；
[0029]步骤S03.3，计算预参考模板的回路数并更新交点记录表，将预参考模板中交点数为O且回路数为I的预参考模板标记为参考模板，否则标记为非参考模板；
[0030]步骤S03.4，重复步骤S03.1到步骤S03.3，直致从预参考模板中筛选出所有满足条件的参考模板。
[0031]步骤S04中，同类型骨骼模板是指与医学断层图像部位相同且经过关节分离后得到已知骨骼数据，并通过等高线重采样得到与医学断层图像等层间距的单回路轮廓线集。
[0032]步骤S05的具体过程如下:
[0033]步骤S05.1，将参考模板和同类型骨骼模板上的轮廓点利用平均误差最小的方法聚合成非显著特征点，利用阈值T在两模板上保留相同数量的特征点；
[0034]步骤S05.2，利用特征值法得到参考模板和同类型骨骼模板匹配的起始点；
[0035]步骤S05.3，若获得最佳匹配，则在参考模板的同方向找到与非参考模板的轮廓相匹配的同类型骨骼模板轮廓；否则调整同类型骨骼模板等高线采样起始点，继续步骤S04 ;
[0036]步骤S05.4，以重心为参照，计算参考模板和同类型骨骼模板仿射变换方程，与该同类型骨骼模板相邻的模板，即为与参考模板相邻的非参考模板相匹配的模板；
[0037]步骤S05.6，重复步骤S05.1到步骤S05.5，找到所有非参考模板相匹配的同类型骨骼模板。
[0038]步骤S06中，不相关轮廓线由以下2类情况组成:①等同于步骤S03提到的相交类，由于机器设备老化、图像噪声、骨骼表面的细小缝隙的因素造成骨骼轮廓出现相交情况；②由于医学断层图像扫描的骨骼数量大于I根，而出现骨骼轮廓相邻情况。
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