專利名稱：利用vtk進(jìn)行腸道三維重建的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用VTK (Visualization Toolkit可視化工具包)進(jìn)行腸道三維重建的方法，尤其是涉及利用VTK對(duì)腸道的CT圖像進(jìn)行三維重建的方法。
背景技術(shù)：
三維腸道重建就是用一組腸道的CT斷層圖像，通過某種算法將其轉(zhuǎn)化為具有直觀立體效果的腸道圖像，更好的展現(xiàn)腸道的真實(shí)三維形態(tài)。三維腸道重建是科學(xué)診斷腸道疾病的基礎(chǔ)，也是腸道疾病診斷治療需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。大腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，患者平均5年生存率為20%_25%，我國腸癌發(fā)病率的增速是世界平均水平的兩倍，達(dá)到年均4%。發(fā)病率僅次于肺癌和肝癌，列第三位，已經(jīng)成為癌癥中的首要?dú)⑹种?。然而，在醫(yī)療診斷中，觀察病人的一組二維斷層圖像CT、MRI 是醫(yī)生診斷病情的常規(guī)方式。但是，要準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，醫(yī)生僅通過二維斷層圖像，在頭腦中想象真實(shí)的三維模型是十分困難的，從而影響了疾病診治的精確性。因此，迫切需要一種行之有效的工具來完成對(duì)人體器官、軟組織和病變的三維重建和顯示。醫(yī)學(xué)圖像三維重建就是輔助醫(yī)生對(duì)病變體的周圍組織進(jìn)行分析和顯示的有效工具，它極大地提高了醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，實(shí)現(xiàn)利用CT圖像進(jìn)行逼真的三維腸道重建，提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的構(gòu)思是首先對(duì)原始的腹部CT圖像進(jìn)行中值濾波，去除由于影像設(shè)備中各電子間的隨機(jī)擾動(dòng)和周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，再用Live-Wire和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割方法分割出腸道的CT圖像，接著對(duì)腸道圖像進(jìn)行基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值算法對(duì)腸道圖像進(jìn)行插值，在VTK平臺(tái)上構(gòu)建環(huán)境，以此重建三維腸道。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于具體操作步驟如下
(1)對(duì)含有噪聲的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)CT圖像進(jìn)行中值濾波，從而濾除由于影像設(shè)備中各電子間的隨機(jī)擾動(dòng)和周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲；
⑵對(duì)CT圖像采用邊界分割Live-Wire (火線)方法和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割方法分割出腸道部分的CT圖像；
(3)對(duì)分割得到的腸道CT圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值，提高CT圖像的層間分辨率；
⑷設(shè)置VTK平臺(tái)上的重建環(huán)境；
(5)執(zhí)行腸道面重建算法。所述步驟⑴中對(duì)CT圖像進(jìn)行中值濾波，其操作方法對(duì)于CT圖像上的每一個(gè)點(diǎn)，選取一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的窗口，對(duì)該窗口所覆蓋像素按大小排序，將處在灰度序列中間的那個(gè)灰度值作為中值，用它代替窗口中心對(duì)應(yīng)的像素的原灰度值。所述步驟⑵中對(duì)CT圖像采用邊界分割Live-Wire算法和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像，其具體步驟如下
①用Live-Wire算法在CT圖像上選取邊界點(diǎn)，作為腸道的邊界；
②在邊界線內(nèi)選取種子點(diǎn)；
③根據(jù)設(shè)定的條件進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，從而找到完整的腸道。所述步驟⑶中對(duì)分割得到的腸CT道圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率，其具體步驟如下
①利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，得到被插值圖像區(qū)域的輪廓；
②求出插值圖像Sk上所有點(diǎn)在前一層圖像Sk_i和后一層圖像Sk+1上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；
③求出插值圖像Sk中各點(diǎn)的灰度值。所述步驟⑷中設(shè)置VTK平臺(tái)上的重建環(huán)境，其具體步驟如下
設(shè)置腸道RGB顏色為1，0. 49，O. 25，反射系數(shù)O. 3，反射光強(qiáng)20，在VTK中的設(shè)置為 設(shè)置腸道顏色intestine->GetProperty O->SetDiffuseColor (1，O. 49，O. 25)； 設(shè)置反射系數(shù)intestine_>GetProperty O->SetSpecular (O. 3)；
設(shè)置反射光強(qiáng)intestine_>GetProperty O->SetSpecularPower (20)。所述步驟(5)中執(zhí)行腸道面重建算法，其具體步驟如下
①逐點(diǎn)判斷各個(gè)體素的面是否為二義性面，在計(jì)算得到腸道CT體數(shù)據(jù)與等值面的交點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，判斷是否為二義性面，包括體素與等值面交點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算和體素各個(gè)頂點(diǎn)的狀態(tài)判斷；
②消除二義性面用對(duì)邊交點(diǎn)的連線代替漸進(jìn)線，計(jì)算連線交點(diǎn)O處的坐標(biāo)，并判斷交點(diǎn)處的狀態(tài)值，從而判斷連接方式，消除二義性；
③拼接三角形面片，得到重建的三維模型，并進(jìn)行平滑濾波從而得到表面光滑的三維腸道；
④利用VTK的渲染機(jī)制，渲染三維腸道面重建結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特征和顯著優(yōu)點(diǎn)先對(duì)CT圖像進(jìn)行分割，大大減小了冗余數(shù)據(jù)量；面重建階段的二義性處理方法計(jì)算簡(jiǎn)單，極大地減小了計(jì)算量，提高了計(jì)算速度；對(duì)重建環(huán)境的設(shè)置使重建結(jié)果更接近真實(shí)腸道；在可視化工具VTK平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)三維重建，可充分發(fā)揮VTK的強(qiáng)大功能，而且有助于后續(xù)三維腸道內(nèi)漫游和腸道疾病的檢測(cè)。


圖I是本發(fā)明利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法的流程圖。圖2是最近鄰域插值示意圖。圖3是重建出的逼真三維腸道效果圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下參見圖1，本發(fā)明利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例結(jié)合

如下本發(fā)明的實(shí)施利用解放軍海軍總醫(yī)院32排CT機(jī)中的一套889張人體胸腔CT掃描數(shù)據(jù)，分割出包含腸道部分的356張腸道CT 數(shù)據(jù)，圖像大小512X512像素，層間距0.62mm。利用VTK進(jìn)行腸道三維重建方法共分為五步，其具體操作步驟如下
(I)對(duì)含有噪聲的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)CT圖像進(jìn)行中值濾波，從而濾除由于影像設(shè)備中各電子間的隨機(jī)擾動(dòng)和周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲；
其實(shí)施方法如下
在圖像上選取一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的窗口，對(duì)該窗口所覆蓋像素按大小排序，處在灰度序列中間的那個(gè)灰度值為中值，用它代替窗口中心對(duì)應(yīng)像素的原灰度值。(2)對(duì)CT圖像采用邊界分割Live-Wire方法和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割方法分割出腸道部分的CT圖像，其具體如下
人體腹部的CT掃描數(shù)據(jù)是由幾百張CT圖像組成的，要得到腸道的完整數(shù)據(jù)就要對(duì)這幾百張圖片整體分割，由于基于邊界的分割不能用于體數(shù)據(jù)，而基于區(qū)域的分割雖然能用于體數(shù)據(jù)，但是它會(huì)造成過度分割，即將圖像分割成過多的區(qū)域。本方法采用邊界分割與區(qū)域分割相結(jié)合的分割方法，充分利用兩種分割的優(yōu)點(diǎn)更好地分割出腸道，具體方法如下 ①用Live-Wire算法在圖像上選取邊界點(diǎn)，作為腸道的邊界。②在邊界線內(nèi)選取種子點(diǎn)，
③根據(jù)設(shè)定的條件進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，從而找到完整的腸道。(3)對(duì)分割得到的腸道圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率；其具體如下
給定兩幅斷層圖像Slri和Sk+1，為了通過插值求出它們之間的圖像Sk，用集合S= (V，F(xiàn)) 來表示已知的所有斷層圖像，V為所有點(diǎn)的集合,其元素v=(x, y, Z)表示點(diǎn)在空間的坐標(biāo), 函數(shù)f :V — Y定義了任一點(diǎn)的灰度值。第一步，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，得到被插值圖像每個(gè)區(qū)域的輪廓。由步驟⑵得到2幅斷層圖像，接著要確定已知兩幅斷層圖像上腸道的輪廓，分別用Clri和ck+1表示分割得到的腸道區(qū)域的邊界。對(duì)任意位于圖像Slri某個(gè)輪廓上的點(diǎn)6 = ( ,//, .-!)，即(b&u) € Cm來說，對(duì)應(yīng)
于圖像Sk+1上的點(diǎn)5 = (Hd1)只可能有下面3種情況
①點(diǎn)、= (WZjw)在輪廓Ck+1內(nèi)，但不在Ck+1上，此時(shí)執(zhí)行4^)05，其中壬力膨脹，B為結(jié)構(gòu)算子。②點(diǎn)巧既不在輪廓(；+1上，也不在輪廓內(nèi)，即該點(diǎn)和點(diǎn)不屬于同一密度物質(zhì)，此時(shí)，執(zhí)行，其中表示腐蝕。③點(diǎn)Vi =在輪廓Ck+1上，即lU/Jfc+i) e Cm ,此時(shí)無需任何操作。綜合上述3種情況，可以表示為根據(jù)式(I)、式(2)對(duì)任意的兩幅斷層圖像進(jìn)行操作，最終均能得到兩幅完全一樣的插值圖像。此時(shí)，在斷層圖像Slri和Sk+1之間已經(jīng)產(chǎn)生了一系列新的圖像，找到與Sk位置對(duì)應(yīng)的新圖像，提取出它的每個(gè)密度物質(zhì)輪廓Ck，這樣就構(gòu)成了插值圖像Sk的輪廓。
權(quán)利要求
1.一種利用VTK (Visualization Toolkit可視化工具包)進(jìn)行腸道三維重建的方法, 其特征在于具體操作步驟如下(1)對(duì)含有噪聲的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)CT圖像進(jìn)行中值濾波，從而濾除由于影像設(shè)備中各電子間的隨機(jī)擾動(dòng)和周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲；⑵對(duì)CT圖像采用邊界分割Live-Wire (火線)算法和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像；(3)對(duì)分割得到的腸道CT圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值，提高CT圖像的層間分辨率；⑷設(shè)置VTK平臺(tái)上的重建環(huán)境；(5)執(zhí)行腸道面重建算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑴中對(duì)CT圖像進(jìn)行中值濾波，其操作方法對(duì)于CT圖像上的每一個(gè)點(diǎn)，選取一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的窗口，對(duì)該窗口所覆蓋像素按大小排序，將處在灰度序列中間的那個(gè)灰度值作為中值，用它代替窗口中心對(duì)應(yīng)的像素的原灰度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑵中對(duì)CT圖像采用邊界分割Live-Wire算法和區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像，其具體步驟如下①用Live-Wire算法在CT圖像上選取邊界點(diǎn)，作為腸道的邊界；②在邊界線內(nèi)選取種子點(diǎn)；③根據(jù)設(shè)定的條件進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，從而找到完整的腸道。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑶中對(duì)分割得到的腸CT道圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的改進(jìn)的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率，其具體步驟如下①利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，得到被插值圖像區(qū)域的輪廓；②求出插值圖像Sk上所有點(diǎn)在前一層圖像Sh和后一層圖像Sk+1上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；③求出插值圖像Sk中各點(diǎn)的灰度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑷中設(shè)置VTK平臺(tái)上的重建環(huán)境，其具體步驟如下設(shè)置腸道RGB顏色為1，O. 49，O. 25，反射系數(shù)O. 3，反射光強(qiáng)20，在VTK中的設(shè)置為 設(shè)置腸道顏色intestine->GetProperty O->SetDiffuseColor (1，O. 49，O. 25)； 設(shè)置反射系數(shù)intestine_>GetProperty O->SetSpecular (O. 3)；設(shè)置反射光強(qiáng)intestine_>GetProperty O->SetSpecularPower (20)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用VTK進(jìn)行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟(5)中執(zhí)行腸道面重建算法，其具體步驟如下①逐點(diǎn)判斷各個(gè)體素的面是否為二義性面，在計(jì)算得到腸道CT體數(shù)據(jù)與等值面的交點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，判斷是否為二義性面，包括體素與等值面交點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算和體素各個(gè)頂點(diǎn)的狀態(tài)判斷；②消除二義性面用對(duì)邊交點(diǎn)的連線代替漸進(jìn)線，計(jì)算連線交點(diǎn)O處的坐標(biāo)，并判斷交點(diǎn)處的狀態(tài)值，從而判斷連接方式，消除二義性；③拼接三角形面片，得到重建的三維模型，并進(jìn)行平滑濾波從而得到表面光滑的三維腸道；④利用VTK的渲染機(jī)制，渲染三維腸道面重建結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用VTK(VisualizationToolkit可視化工具包)進(jìn)行腸道三維重建的方法。本方法直接基于VTK進(jìn)行三維重建。首先，對(duì)含有噪聲的原始人體CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和體數(shù)據(jù)的分割，得到腸道組織的CT數(shù)據(jù)；為了得到更好的重建效果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，采用形態(tài)學(xué)的方法對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行插值；然后根據(jù)MarchingCubes面重建理論，設(shè)計(jì)出高效解決面重建二義性的算法。在面重建時(shí)，根據(jù)腸道的特性，設(shè)置好顏色、散射光及散射光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本發(fā)明的三維腸道重建算法能逼真的重建出三維腸道，且具有較快的重建速度。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102592311SQ20121000809
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者萬旺根, 余小清, 王亞男, 王蕊, 馬艷茹 申請(qǐng)人:上海大學(xué)