專利名稱：一種基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種基于等值面的保留上下文環(huán)境
體繪制方法。
背景技術(shù)：
醫(yī)療影像設(shè)備每天都會(huì)產(chǎn)生大量的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)都是二維圖像，醫(yī)師由多幅二維圖像，憑借自己的經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建病灶和周圍組織的三維空間關(guān)系是很困難的。體繪制(Volume Rendering)可視化方法直接將二維序列圖像重構(gòu)為三維形體，醫(yī)生可以直接從真實(shí)的三維空間對(duì)病灶進(jìn)行觀察和分析，因此體繪制技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 體繪制方法往往需要處理大量的數(shù)據(jù)，個(gè)人計(jì)算機(jī)采用CPU計(jì)算，無法達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，所以之后的很多研究均著重于如何提高體繪制方法的速度。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，特別是顯卡的發(fā)展，使得在個(gè)人計(jì)算機(jī)上滿足實(shí)時(shí)性的要求成為可能。J.克呂格和R.韋斯特曼于2003年在西雅圖IEEE可視化會(huì)議上發(fā)表的文章"基于GPU的體繪制加速技術(shù)(Acceleration Technique For GPU—based Volume Rendering)"，首次提出了禾U用GPU來實(shí)現(xiàn)光線投射算法，提高計(jì)算的速度。之后的研究表明在個(gè)人計(jì)算機(jī)上采用圖形處理器GPU實(shí)現(xiàn)光線投射算法完全可以達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。 光線投射算法高質(zhì)量的成像結(jié)果和GPU上計(jì)算的實(shí)時(shí)性使得該算法在臨床中有了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)也對(duì)該算法提出了新的要求，特別是在計(jì)算機(jī)輔助外科方面，如何能夠在保留周圍組織結(jié)構(gòu)的前提下，顯示感興趣區(qū)域成為研究的難題。剖切技術(shù)可以將非感興趣區(qū)域的組織完全去除，直接顯示感興趣組織，但由于剖切技術(shù)是無選擇的去除遮擋組織，會(huì)造成組織上下文環(huán)境的缺失，同時(shí)一部分感興趣組織也可能被去除掉。斯特凡*布魯克納(Stefan Bruckner)等人于2005年在歐洲圖形學(xué)會(huì)議上發(fā)表的文章"保留上下文環(huán)境體繪制(Illustrative Context-Preserving VolumeRendering)，，，可在不對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行剖切的前提下，采用對(duì)不透明度函數(shù)的修正達(dá)到虛擬剖切的效果，但該模型中，非感興趣區(qū)域被透視的同時(shí)，感興趣區(qū)域也被衰減了，特別是被骨骼包圍的組織，如頭部數(shù)據(jù)，頭骨被虛擬剖切是為了觀察顱骨內(nèi)的血管組織，但當(dāng)增大顯示透視區(qū)域時(shí)頭骨內(nèi)部的血管會(huì)變得模糊不清，而較小透視區(qū)域又不便于對(duì)病灶的觀察。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種醫(yī)學(xué)圖像中基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，在感興趣區(qū)域清晰顯示的同時(shí)，保留與該感興趣區(qū)域相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，以克服剖切帶來的復(fù)雜交互和結(jié)構(gòu)信息的丟失以及現(xiàn)有方法中目標(biāo)區(qū)域的模糊現(xiàn)象。 本發(fā)明的目的可通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)一種基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于包括以下步驟 (a)、將三維體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)用于三維體數(shù)據(jù)的灰度值索引；
3
(b)、對(duì)進(jìn)入三維體數(shù)據(jù)的每條光線上的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣點(diǎn)的灰度值提取等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并提取所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)； (c)、如果等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取成功，則沿所述光線方向繼續(xù)對(duì)后續(xù)的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并利用所述等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，否則回到步驟(b)繼續(xù)進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的采樣。 所述步驟(a)中將三維體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)時(shí)首先對(duì)三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理。 所述對(duì)三維體數(shù)據(jù)的去噪預(yù)處理的過程為三維各向異性擴(kuò)散濾波處理。臨床得到的體數(shù)據(jù)，具有一定的噪音，對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維各向異性擴(kuò)散濾波處理可以在保留組織邊界信息的同時(shí)濾除隨機(jī)噪音，提高后面的等值面和梯度計(jì)算的精度。圖像合成的核心算法是在顯卡上進(jìn)行的，以紋理的形式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到顯存中符合GPU的特性，從而可以加快計(jì)算過程中對(duì)數(shù)據(jù)的訪問。
所述步驟(b)的提取所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過程為將所述采樣點(diǎn)的灰
度值與閾值參數(shù)進(jìn)行比較，如果采樣點(diǎn)處的灰度值大于該閾值，則認(rèn)為該采樣點(diǎn)為等值面
采樣點(diǎn)，并記錄下該采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維體數(shù)據(jù)的空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為所述光線上的等值
面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，否則沿光線方向增加一個(gè)采樣點(diǎn)繼續(xù)判斷。
所述閾值參數(shù)由用戶根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為0 1。
所述步驟(C)的圖像合成的過程為構(gòu)造不透明度衰減函數(shù)，使用不透明度衰減
函數(shù)計(jì)算當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的不透明度衰減值，并使用傳遞函數(shù)得到當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度
值，將所述當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度衰減值與不透明度值相乘，形成該采樣點(diǎn)的新的不透明
度值，沿光線方向采用離散近似積分由等值面采樣點(diǎn)開始向后對(duì)采樣點(diǎn)的光學(xué)特性進(jìn)行合
成，形成所述光線在成像平面上成像點(diǎn)的不透明度值。 所述不透明度衰減函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)來構(gòu)造。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明方法克服了剖切帶來的復(fù)雜交互和結(jié)構(gòu)信息的丟失以及保留上下文環(huán)境體繪制方法中目標(biāo)區(qū)域的模糊現(xiàn)象，從獲得的數(shù)據(jù)本身出發(fā)，提取與數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，如梯度和數(shù)據(jù)最外層的等值面，利用這些信息構(gòu)造不透明度衰減函數(shù)，進(jìn)而影響圖像的合成公式，達(dá)到清晰顯示特定感興趣區(qū)域并同時(shí)保留其周圍組織結(jié)構(gòu)信息； (2)本發(fā)明簡(jiǎn)化了交互方式，用戶可以在對(duì)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不了解的情況下，通過簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)節(jié)，達(dá)到清晰顯示觀察目標(biāo)內(nèi)部信息，同時(shí)最大可能的保留其周圍組織結(jié)構(gòu)信息的目的，使用戶能夠快速獲得觀察目標(biāo)結(jié)構(gòu)的整體和局部結(jié)構(gòu)信息，減少用戶在調(diào)節(jié)上需要的時(shí)間，提高了效率。


圖1為本發(fā)明基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法的成像示意 圖2為本發(fā)明方法運(yùn)用到頭部CT數(shù)據(jù)后的成像圖。
具體實(shí)施例方式
以下是采用本發(fā)明基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法對(duì)一套頭部的CT數(shù)
4據(jù)進(jìn)行成像的具體過程 實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)來源為0siriX網(wǎng)站；GPU為Quadro FX 1700顯卡。
步驟l，讀入CT圖像，圖像的大小為512X512X330，采用三維各向異性濾波對(duì)輸 入的體數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理在GPU上進(jìn)行，以降低噪聲對(duì)等值面提取和梯度計(jì)算的影 響，之后將體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理以用于三維體數(shù)據(jù)的灰度值索引。 步驟2，如圖1所示，由顏色立方體的前表面和后表面得到光線進(jìn)入三維體數(shù)據(jù)1 和穿出三維體數(shù)據(jù)時(shí)的空間位置，后表面的空間位置減去前表面的空間位置得到光線3在 三維體數(shù)據(jù)1中前進(jìn)的方向，從前表面的起始點(diǎn)沿光線的方向進(jìn)行采樣，并將采樣點(diǎn)1處 對(duì)應(yīng)紋理數(shù)據(jù)中的灰度值與預(yù)設(shè)的皮膚組織的灰度值閾值進(jìn)行比較，由于將體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 紋理后，其灰度值被映射到0到1的范圍內(nèi)，所以這里預(yù)設(shè)的皮膚組織2的灰度值閾值為 0.01 ;如果采樣點(diǎn)處的灰度值小于0.01，不進(jìn)行圖像的合成，步長(zhǎng)加l，繼續(xù)沿光線前進(jìn)方 向進(jìn)行采樣；如果采樣點(diǎn)處的灰度值大于0. 01，則認(rèn)為該采樣點(diǎn)6的位置就是該光線與皮 膚組織所在的等值面相交的位置，則記錄下該采樣點(diǎn)的空間位置作為等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng) 然，灰度值閾值也可以取其他等值面的灰度值，從而最終形成其他成像效果。
步驟3，如果等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取成功，則沿所述光線方向繼續(xù)對(duì)后續(xù)的三維體數(shù) 據(jù)進(jìn)行采樣，并利用所述等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，否則回到步驟 (b)繼續(xù)進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的采樣。具體合成過程為構(gòu)造不透明度衰減函數(shù)，使用不透明度 衰減函數(shù)計(jì)算當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的不透明度衰減值，并使用傳遞函數(shù)得到當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透 明度值，將所述當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度衰減值與不透明度值相乘，形成該采樣點(diǎn)的新的不 透明度值，沿光線方向采用離散近似積分由等值面采樣點(diǎn)開始向后對(duì)采樣點(diǎn)的光學(xué)特性進(jìn) 行合成，形成所述光線在成像平面4上成像點(diǎn)5的不透明度值。 其中的不透明度衰減函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)來構(gòu)造，具體地可以采用以下構(gòu)造的過 程從等值面采樣點(diǎn)的下一個(gè)采樣點(diǎn)開始，得到當(dāng)前采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)Pi，求該點(diǎn) 到等值面點(diǎn)的空間距離P「YT并歸一化為ll & 11[。..d 。最后以l1 & 11[?！筣為底，構(gòu)造不透明度衰 減函數(shù)。
作為一最佳的實(shí)施例，本發(fā)明采用如下的不透明度衰減函數(shù)的具體形式柳(《)二|| & 11^「H"Mi-'))3'° ，其中Pi表示當(dāng)前采樣點(diǎn)的空間
位置，ge是采樣點(diǎn)Pi處的梯度，ll&, lku為歸一化后梯度的模，YT表示等值面坐標(biāo)數(shù) 據(jù)，II Pi_YT II 表示采樣點(diǎn)與等值面的歸一化距離，k為調(diào)節(jié)參數(shù)，用戶可以調(diào)節(jié)它來取 得不同的效果，k的初始值為0. 025， a卜工為視線進(jìn)入當(dāng)前采樣點(diǎn)之前累積的不透明度值， 如果是離開等值面后的第一個(gè)采樣點(diǎn)，那么當(dāng)前累加的不透明度值a。 = O，對(duì)于第一個(gè)采 樣點(diǎn)，求(0. 025/II Pi-YT II n」 1)w的值，設(shè)為Tem。 3. 0是由統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)，該參 數(shù)著重于調(diào)節(jié)等值面對(duì)最終圖像的影響，使用于任何部位的數(shù)據(jù)，不需要修改或調(diào)節(jié)。使用 以上的原則，同樣可以構(gòu)造其他具體形式的不透明度衰減函數(shù)。 其中的梯度信息代表了體數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，梯度大的地方往往是組織邊界所 在的位置。計(jì)算當(dāng)前采樣點(diǎn)的梯度，并以該值作為底，構(gòu)造不透明度衰減函數(shù)，在冪相同的 情況下，如果當(dāng)前采樣點(diǎn)為組織的邊界，得到的梯度就比較大，故而會(huì)得到較大的m(Pi);反 之得到的m(Pi)較小。k/(Pi-YT) '(l-cii—》為不透明度衰減函數(shù)的冪，當(dāng)梯度為一定值時(shí)，離等值面越近，則k/(Pi-YT)的值越大，得到的m(Pi)就越小。(1-cii—》是當(dāng)前累積不透明度 剩余的部分，開始構(gòu)造不透明衰減函數(shù)與圖像合成時(shí)，該值為1， m(Pi)很小，可以防止前面 不透明度過大，造成對(duì)后面組織的遮擋，隨著圖像合成的進(jìn)行，該值逐漸變小，得到的m(Pi) 變大，可以很好的保留后面的背景信息。k值作用與當(dāng)前采樣點(diǎn)到等值面的距離，可以調(diào)節(jié) 等值面對(duì)m(Pi)值的影響力度。 用當(dāng)前采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)三維紋理數(shù)據(jù)中的灰度值分別去索引顏色和計(jì)算不透明度傳
遞函數(shù)值，得到該采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色和不透明度值，將當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度值與步驟3
中不透明度衰減函數(shù)得到的值相乘，得到該采樣點(diǎn)新的不透明度值，進(jìn)而采用光線投射離
散算法進(jìn)行圖像的合成。沿光線方向繼續(xù)采樣，直到光線穿出體數(shù)據(jù)結(jié)束。最終得到該光
線在成像平面上一點(diǎn)的顏色值和不透明度值，采用離散近似積分對(duì)采樣點(diǎn)的光學(xué)特性進(jìn)行
合成的離散化后的合成公式如下 a i = a卜一 a (P》 (1-、—》 Ci = Ci—一c(Pi) a (P卩 (1-^) (《)『(/》《) 其中Pi表示三維體數(shù)據(jù)場(chǎng)中采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，力;是采樣點(diǎn)Pi處的灰度值。a (Pi)
和C(P》為當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度和顏色值，ClH、CH為視線進(jìn)入當(dāng)前采樣點(diǎn)之前累積
的不透明度和顏色值，ai、Ci為視線穿過當(dāng)前采樣點(diǎn)后的累積不透明度和顏色值，atf() 為不透明度傳遞函數(shù)，ctf()為顏色傳遞函數(shù)；L(Pi)為當(dāng)前采樣點(diǎn)的光照亮度，一般采用 Phong-Blinn模型，m(Pi)為不透明度衰減函數(shù)。 由于體數(shù)據(jù)中每個(gè)采樣點(diǎn)都是灰度信息，需要將該灰度信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)特性中的 顏色和不透明度，來增強(qiáng)對(duì)成像結(jié)果中不同組織的區(qū)分。傳遞函數(shù)為兩個(gè)一維的紋理，存儲(chǔ) 了顏色和不透明度信息，可以根據(jù)采樣點(diǎn)的灰度值來分別索引顏色和不透明度紋理，進(jìn)而 得到與該采樣點(diǎn)相應(yīng)的顏色和不透明度值。 圖2所示的即為使用本發(fā)明方法當(dāng)k的取值為0. 03時(shí)得到的頭部成像圖。頭部 中間頭骨被透視，直接顯示顱骨內(nèi)的血管組織，調(diào)節(jié)參數(shù)k可以改變中間頭骨透視區(qū)域的 大小，方便醫(yī)生對(duì)頭部?jī)?nèi)血管等的觀察和診斷。 本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知 識(shí)和慣用手段，本發(fā)明中不透明度衰減函數(shù)也可以用其它類似指數(shù)函數(shù)的形式來構(gòu)造，其 中的參數(shù)取值也可以選擇像素灰度、局部熵、光照信息等。因此在不脫離本發(fā)明上述基本技 術(shù)思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明權(quán)利保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于包括以下步驟(a)、將三維體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)用于三維體數(shù)據(jù)的灰度值索引；(b)、對(duì)進(jìn)入三維體數(shù)據(jù)的每條光線上的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣點(diǎn)的灰度值提取等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并提取所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)；(c)、如果等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取成功，則沿所述光線方向繼續(xù)對(duì)后續(xù)的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并利用所述等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，否則回到步驟(b)繼續(xù)進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的采樣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述步驟(a)中將三維體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)時(shí)首先對(duì)三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述對(duì)三維體數(shù)據(jù)去噪預(yù)處理采用三維各向異性擴(kuò)散濾波處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述步驟(b)的提取所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過程為將所述采樣點(diǎn)的灰度值與閾值參數(shù)進(jìn)行比較，如果采樣點(diǎn)處的灰度值大于該閾值，則認(rèn)為該采樣點(diǎn)為等值面采樣點(diǎn)，并記錄下該采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維體數(shù)據(jù)的空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，否則沿光線方向增加一個(gè)采樣點(diǎn)繼續(xù)判斷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述閾值參數(shù)由用戶根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為0 1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述步驟(C)的圖像合成的過程為構(gòu)造不透明度衰減函數(shù)，使用不透明度衰減函數(shù)計(jì)算當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的不透明度衰減值，并使用傳遞函數(shù)得到當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度值，將所述當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度衰減值與不透明度值相乘，形成該采樣點(diǎn)的新的不透明度值，沿光線方向采用離散近似積分由等值面采樣點(diǎn)開始向后對(duì)采樣點(diǎn)的光學(xué)特性進(jìn)行合成，形成所述光線在成像平面上成像點(diǎn)的不透明度值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，其特征在于所述不透明度衰減函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)來構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于等值面的保留上下文環(huán)境體繪制方法，包括以下步驟(a)將三維體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)用于三維體數(shù)據(jù)的灰度值索引；(b)對(duì)進(jìn)入三維體數(shù)據(jù)的每條光線上的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣點(diǎn)的灰度值提取等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并提取所述光線上的等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)；(c)如果等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取成功，則沿所述光線方向繼續(xù)對(duì)后續(xù)的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并利用所述等值面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，否則回到步驟(b)繼續(xù)進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的采樣。該方法可實(shí)現(xiàn)清晰顯示特定感興趣區(qū)域并同時(shí)保留周圍組織結(jié)構(gòu)信息的目的，達(dá)到類似剖切的效果。
文檔編號(hào)G06T15/00GK101783025SQ20101010651
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者馮前進(jìn), 贠照強(qiáng), 陳武凡 申請(qǐng)人:馮前進(jìn)