專利名稱：利用ct值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字人體建模方法，尤其是涉及數(shù)字人體建模的流程以及密 度、組成成分K武予的方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字人體模型簡(jiǎn)稱數(shù)字人，是利用醫(yī)學(xué)影像CT/MRI/彩色照片數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī) 技術(shù)構(gòu)建的體現(xiàn)三維解剖結(jié)構(gòu)的人體模型，主要用于核醫(yī)學(xué)及輻射防護(hù)等領(lǐng)域。人 體輻射劑量的評(píng)估是核醫(yī)學(xué)及輻射防護(hù)的重要任務(wù)之一。在實(shí)際工作中，由于時(shí)間、 場(chǎng)地、探測(cè)器等客觀條件的限制，經(jīng)常無(wú)法或者不方便進(jìn)行直接測(cè)量。數(shù)字人體模 型的開(kāi)發(fā)給輻射防護(hù)和核醫(yī)學(xué)的研究提供了一個(gè)嶄新的手段，另夕卜，數(shù)字人體模型 還將廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事國(guó)防及汽車(chē)、建筑、服裝、家具等相關(guān)的領(lǐng)域。 近些年來(lái)，表示人體全身或局部的模型在輻射防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
在建立數(shù)字人體模型的過(guò)程中，密度和組成成分等物理屬性的賦予是建立模型 非常關(guān)鍵的一步。然而現(xiàn)有的數(shù)字人體模型都是根據(jù)ICRP/ICRU報(bào)告給出的平均密 度及組成成分來(lái)賦予同一個(gè)器官或組織中的每一個(gè)體元，由于每個(gè)器官或組織都包 含大量的體元，這樣使得在一個(gè)器官或組織中，各個(gè)位置的密度、組成成分都相同， 這與人體的實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)顯然不符。另外，由于人體器官和組織數(shù)多于ICRP報(bào)告的 建議值，有些器官或組織不可避免的利用類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似。而且即使不進(jìn)行近似， ICRP報(bào)告建議值也是通過(guò)有限人數(shù)獲得的平均值，存在一定的誤差。
構(gòu)建數(shù)字人體模型時(shí)， 一般同時(shí)采集了人體的CT片和彩色照片兩種格式的圖 像數(shù)據(jù)。其中，彩色照片分辨率高，易于分割器官或組織，但沒(méi)有提供密度信息， 僅僅只有顏色信息；CT片提供了器官或組織的密度和組成成分信息，但其分辨率要 比彩色照片數(shù)據(jù)低的多，不易于分割器官或組織。如果能同時(shí)使用彩色照片和CT 片來(lái)建立數(shù)字人體模型，即利用彩色照片來(lái)分割器官或組織，利用CT片來(lái)獲得體元 的密度和組成成分，那將能充分利用兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，這樣建立的模型將能更為真 實(shí)的體現(xiàn)人體的解剖結(jié)構(gòu)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字人體建模方法，不能真實(shí)的反應(yīng)人體的實(shí)際解 剖結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，而提出的一種利用CT值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法， 本發(fā)明在獲得同 一個(gè)人體的CT片/彩色照片后，對(duì)彩色照片進(jìn)行分割，標(biāo)識(shí)出人體 的各個(gè)器官或組織；器官或組織的密度和組成成分由與彩色照片配準(zhǔn)后的CT片中的 CT值經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到。本發(fā)明方法建立的數(shù)字人體模型不僅可真實(shí)的再現(xiàn) 人體的三維幾何信息，還可真實(shí)的表示人體內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)。
一種利用CT值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法，其特征在于包括以 下步驟
(1 )在獲取人體斷層圖像數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)采集CT片和彩色照片兩種格式的數(shù)據(jù)；
(2) 分割、標(biāo)識(shí)出人體的各個(gè)器官和組織
在彩色照片上手工勾畫(huà)出人體的各個(gè)器官和組織外輪廓，用不同的顏色來(lái)填 充，獲得了各個(gè)器官和組織的形狀、大小、在人體內(nèi)的位置等幾何信息；
(3) CT片和彩色照片的配準(zhǔn)
對(duì)CT片和彩色照片進(jìn)行配準(zhǔn)，使二者的像素相對(duì)應(yīng)，配準(zhǔn)后，根據(jù)在彩色照 片上分割出的器官和組織的外輪廓信息，獲得CT片上器官和組織的外輪廓信息；
(4) 獲取器官或組織的密度信息
由于CT片中的CT值與被測(cè)材料的密度和組成成分相關(guān)，從人體各器官或組織 的CT值求取各器官或組織對(duì)應(yīng)的密度；
(5) 獲取器官或組織的組成成分信息
假設(shè)人體某器官或組織由已知CT值、密度和組成成分的兩種物質(zhì)組成，分別 為(H1， pi, col )和(H2， p2， 2)，其中 1和co2分別表示某種元素在兩個(gè)組成 物質(zhì)中的質(zhì)量百分比，Hl、 H2為CT值，pl、 p2為密度，令H15H^H2，則可以得到 該器官或組織內(nèi)某種元素質(zhì)量百分比to的表達(dá)式<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)以上方法，從CT值中獲得的組成成分被用來(lái)賦予每個(gè)體元，這樣在同一 個(gè)器官或組織中不同的體元都具有相對(duì)應(yīng)的組成成分；
(6)建立數(shù)字人體模型
根據(jù)上述得到的器官或組織的密度和組成成分信息，按照劑量計(jì)算方法要求的 格式生成相應(yīng)的輸入文件，進(jìn)行人體輻射劑量的各種模擬計(jì)算。
所述的數(shù)字人體建模方法，其特征在于獲取器官或組織的密度的方法是將人 體器官或組織根據(jù)CT值分成若干個(gè)區(qū)間，相應(yīng)地人體的密度也分成若干區(qū)間，已 知各區(qū)間CT值范圍所對(duì)應(yīng)的密度范圍后，利用CT值與密度的線性關(guān)系，就可以利 用線性插值的方法求得已知CT值的各體元對(duì)應(yīng)的密度值。
設(shè)CTi, j， k為(i， j, k)處體元的CT值，density—lower、 density—叩per、 CT-lower、 CT-upper分別代表一個(gè)線性變化范圍內(nèi)的密度下限、密度上限、CT值下 限、CT值上限；設(shè)M i, j, k為該體元的密度，則M i, j， k可以用下式求出
m, A = d畫(huà)(v一/o暫十^~ ~~吋,-* (cr—卿^- ct; a)
根據(jù)上述方法，從CT值中獲得的密度用來(lái)賦予每個(gè)體元，得到同一個(gè)器官或 組織中不同的體元相對(duì)應(yīng)的密度值。
本發(fā)明的有益效果為采用本發(fā)明方法建立的數(shù)字人體模型充分利用了彩色照 片和CT片兩者的優(yōu)勢(shì)，不僅可真實(shí)的再現(xiàn)人體的三維幾何信息，還可真實(shí)的表示人 體內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)。


圖1是建立數(shù)字人體模型的過(guò)程示意圖。 圖2是CT值與密度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1、圖2。
利用CT值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法包括以下步驟 (l)分割、標(biāo)識(shí)出人體的各個(gè)器官和組織
獲取人體斷層圖像數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)采集CT片和彩色照片兩種格式的數(shù)據(jù)；由于彩色照片的分辨率很高，可以實(shí)現(xiàn)比較精確的器官和組織的分割。人體各個(gè)重要的 器官和組織，在彩色照片上被手工勾畫(huà)出外輪廓，并用不同的顏色來(lái)填充。這樣就 獲得了各個(gè)器官和組織的形狀、大小，在人體內(nèi)的位置等幾何信息。 (2) CT片和彩色照片的配準(zhǔn)
由于CT片和彩色照片的分辨率不一樣，其象素不——對(duì)應(yīng)，同時(shí)使用兩種數(shù) 據(jù)建立數(shù)字人體模型時(shí)，必須對(duì)兩者進(jìn)行配準(zhǔn)，使兩者的象素相對(duì)應(yīng)。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后， 根據(jù)分割后的彩色照片上分割出的器官或組織的輪廓信息，就可獲得CT片上器官或 組織的輪廓信息，相當(dāng)于在CT片上進(jìn)行了分割。
(3 )獲取器官或組織的密度信息
由于CT片中的CT值與被測(cè)材料的密度和組成成分相關(guān)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)變換 就可以得到一個(gè)微小體積元內(nèi)(體元)組織的各種屬性參數(shù)。本發(fā)明的求密度的方 法是采用區(qū)間法，即將人體CT值范圍分成若干個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)地也將人體的密度分成 若干區(qū)間。在同一區(qū)間內(nèi)，介質(zhì)的密度與CT值保持線性關(guān)系。因此，在知道某些 CT值范圍所對(duì)應(yīng)的密度范圍后，就可以利用線性插值的方法求得所需CT值對(duì)應(yīng)的 密度。附圖2是以把CT值范圍分成6個(gè)區(qū)間為例，CT值與密度之間的關(guān)系圖。
設(shè)CTi, j， k為(i, j, k)處體元的CT值，density—lower、 density—upper、 CT_lower、 CT_upper分別代表一個(gè)線性變化范圍內(nèi)的密度下限、密度上限、CT值下 限、CT值上限。設(shè)M i, j, k為該體元的密度，則M i, j， k可以用下式求出
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根據(jù)上述方法，從CT值中獲得的密度被用來(lái)賦予每個(gè)體元，這樣在同一個(gè)器 官或組織中不同的體元都具有相對(duì)應(yīng)的密度值。 (4)獲取器官或組織的組成成分信息
假設(shè)某器官或組織由已知CT值、密度和組成成分的兩種物質(zhì)組成，分別為(Hl， pl, col)和(H2， p2， w2),其中col和co2分別表示某種元素在兩個(gè)組成物質(zhì)中的 質(zhì)量百分比。令HKH^H2，則可以得到該組織某元素組成情況co的表達(dá)式
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=-"1、 2-^-O, — w,) + 7根據(jù)以上方法，從CT值中獲得的組成成分被用來(lái)賦予每個(gè)體元，這樣在同一 個(gè)器官或組織中不同的體元都具有相對(duì)應(yīng)的組成成分。 (5 )建立數(shù)字人體模型
根據(jù)上述得到的器官或組織的密度和組成成分，按照劑量計(jì)算方法要求的格式 生成相應(yīng)的輸入文件，就可以進(jìn)行人體輻射劑量的各種模擬計(jì)算。
權(quán)利要求
1. 一種利用CT值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法，其特征在于包括以下步驟(1)在獲取人體斷層圖像數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)采集CT片和彩色照片兩種格式的數(shù)據(jù)；(2)分割、標(biāo)識(shí)出人體的各個(gè)器官和組織在彩色照片上手工勾畫(huà)出人體的各個(gè)器官和組織外輪廓，用不同的顏色來(lái)填充，獲得了各個(gè)器官和組織的形狀、大小、在人體內(nèi)的位置等幾何信息；(3)CT片和彩色照片的配準(zhǔn)對(duì)CT片和彩色照片進(jìn)行配準(zhǔn)，使二者的像素相對(duì)應(yīng)，配準(zhǔn)后，根據(jù)在彩色照片上分割出的器官和組織的外輪廓信息，獲得CT片上器官和組織的外輪廓信息；(4)獲取器官或組織的密度信息由于CT片中的CT值與被測(cè)材料的密度和組成成分相關(guān)，從人體各器官或組織的CT值求取各器官或組織對(duì)應(yīng)的密度；(5)獲取器官或組織的組成成分信息假設(shè)人體某器官或組織由已知CT值、密度和組成成分的兩種物質(zhì)組成，分別為(H1，ρ1，ω1)和(H2，ρ2，ω2)，其中ω1和ω2分別表示某種元素在兩個(gè)組成物質(zhì)中的質(zhì)量百分比，H1、H2為CT值，ρ1、ρ2為密度，令H1≤H≤H2，則可以得到該器官或組織內(nèi)某種元素質(zhì)量百分比ω的表達(dá)式根據(jù)以上方法，從CT值中獲得的組成成分被用來(lái)賦予每個(gè)體元，這樣在同一個(gè)器官或組織中不同的體元都具有相對(duì)應(yīng)的組成成分；(6)建立數(shù)字人體模型根據(jù)上述得到的器官或組織的密度和組成成分信息，按照劑量計(jì)算方法要求的格式生成相應(yīng)的輸入文件，進(jìn)行人體輻射劑量的各種模擬計(jì)算。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字人體建模方法，其特征在于獲取器官或組織的密 度的方法是將人體器官或組織根據(jù)CT值分成若干個(gè)區(qū)間，相應(yīng)地人體的密度也 分成若干區(qū)間，已知各區(qū)間CT值范圍所對(duì)應(yīng)的密度范圍后，利用CT值與密度的線 性關(guān)系，就可以利用線性插值的方法求得已知CT值的各體元對(duì)應(yīng)的密度值。設(shè)CTi, j， k為(i， j, k)處體元的CT值，density-lower、 density—叩per、 CT-lower、 CT-叩per分別代表一個(gè)線性變化范圍內(nèi)的密度下限、密度上限、CT值下 限、CT值上限；設(shè)M i， j， k為該體元的密度，則M i， j, k可以用下式求出<formula>formula see original document page 3</formula>根據(jù)上述方法，從CT值中獲得的密度用來(lái)賦予每個(gè)體元，得到同一個(gè)器官或 組織中不同的體元相對(duì)應(yīng)的密度值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用CT值賦予密度、組成成分的數(shù)字人體建模方法。在獲得人體的彩色照片和CT片后，對(duì)彩色照片進(jìn)行配準(zhǔn)、分割，標(biāo)識(shí)出人體的重要器官或組織；器官或組織的密度和組成成分由與彩色照片配準(zhǔn)后的CT片中的CT值經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到。本發(fā)明方法建立的數(shù)字人體模型不僅可真實(shí)的再現(xiàn)人體的三維幾何信息，還可真實(shí)的表示人體內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，可以用在核醫(yī)學(xué)及輻射防護(hù)上對(duì)人體輻射劑量的評(píng)估中。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101458826SQ20081024374
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者吳宜燦, 鋼 宋, 曹瑞芬, 程夢(mèng)云, 陳朝斌, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所