人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于人體體素模型設(shè)計(jì)技術(shù)，具體為一種人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法，該方法針對(duì)體素模型基于不同結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行組合膨脹或腐蝕，利用體素的相鄰區(qū)域直接進(jìn)行計(jì)算，一次膨脹或腐蝕只改變外表的一層鄰域；對(duì)于二維圖像的調(diào)整，采用菱形結(jié)構(gòu)元素和方形結(jié)構(gòu)元素按的大小比例進(jìn)行組合；對(duì)于三維圖像的調(diào)整，采用6面鄰域、18面鄰域和26面鄰域的結(jié)構(gòu)元素按的大小比例進(jìn)行組合。本發(fā)明算法簡(jiǎn)單、方便快速，能有效解決人體體素模型調(diào)整過(guò)程中形態(tài)保持的難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人體體素模型設(shè)計(jì)技術(shù)，具體為人體體素模型形態(tài)保持條件下的器官體積調(diào)整方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人體體素模型是基于CT、MR1、彩色切層照片等醫(yī)學(xué)圖像而建立起來(lái)的數(shù)字化人體模型，由幾百萬(wàn)甚至上億個(gè)小體素組成，能反映人體復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)。
[0003]人體體素模型及其在輻射防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，已成為當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)通過(guò)建立CNMAN、CVP、VCH等幾個(gè)輻射防護(hù)用中國(guó)成年男性體素模型，在劑量測(cè)量和評(píng)價(jià)中發(fā)揮了重要作用，但上述體素模型都是基于個(gè)體標(biāo)本數(shù)據(jù)建立起來(lái)的。在實(shí)際研究和應(yīng)用中，有時(shí)需要建立更具個(gè)體代表性的人體體素模型，以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的劑量測(cè)量和評(píng)價(jià)。例如，對(duì)于肺部計(jì)數(shù)器內(nèi)照射監(jiān)測(cè)，人體胸壁厚度對(duì)低能光子的測(cè)量效率影響甚大，如何在已有人體體素模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)胸壁厚度的準(zhǔn)確調(diào)整，建立更具個(gè)體代表性的模型，具有實(shí)際應(yīng)用意義。
[0004]國(guó)外有人采用的是Photoshop圖像處理軟件中感興趣擴(kuò)展(outer grow)、收縮(inner grow)功能,來(lái)實(shí)現(xiàn)器官的二維膨脹和腐蝕,但這種方法依賴(lài)Photoshop軟件手工處理圖像，工作量過(guò)大，且僅適用于二維圖像調(diào)整。如何在保持人體體素模型三維形態(tài)基本不變的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定器官或組織大小(體積)的三維快速調(diào)整，以建立更具個(gè)體代表性的體素模型，是本發(fā)明需要解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠保持器官原有形態(tài)基本不變的快速調(diào)整人體體素模型中器官體積(質(zhì)量)的方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法，該方法針對(duì)體素模型基于不同結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行組合膨脹或腐蝕，利用體素的相鄰區(qū)域直接進(jìn)行計(jì)算，一次膨脹或腐蝕只改變外表的一層鄰域；
[0007]對(duì)于二維圖像的調(diào)整，采用菱形結(jié)構(gòu)元素和方形結(jié)構(gòu)元素按$ ; I的大小比例進(jìn)行組合；
[0008]對(duì)于三維圖像的調(diào)整，采用6面鄰域、18面鄰域和26面鄰域的結(jié)構(gòu)元素按^ 42: I的大小比例進(jìn)行組合；
[0009]分別利用Matlab程序中的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)體素模型的調(diào)整。
[0010]本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明所提供的人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法能夠在保持器官原有形態(tài)基本不變的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)器官體積的調(diào)整，具有算法簡(jiǎn)單、方便快速的特點(diǎn)，能有效解決人體體素模型調(diào)整過(guò)程中形態(tài)保持的難題；該方法可應(yīng)用于內(nèi)污染活體監(jiān)測(cè)虛擬校準(zhǔn)、人體劑量計(jì)算、物理模型3D制作等領(lǐng)域?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為圖像膨脹和腐蝕的示意圖；
[0012]圖2為圖像A被結(jié)構(gòu)元素b膨脹的示意圖；
[0013]圖3-1為二維圖像四鄰域示意圖；
[0014]圖3-2為二維圖像八鄰域示意圖；
[0015]圖4為三維體素及其6個(gè)面鄰接體素示意圖；
[0016]圖5-1為直線(xiàn)結(jié)構(gòu)元素示意圖；
[0017]圖5-2為菱形結(jié)構(gòu)元素示意圖；
[0018]圖5-3為方形結(jié)構(gòu)元素示意圖；
[0019]圖6-1為菱形結(jié)構(gòu)元素在不同方向上的增長(zhǎng)速度示意圖；
[0020]圖6-2為方形結(jié)構(gòu)元素在不同方向上的增長(zhǎng)速度示意圖；
[0021]圖7為三維圖像新增體素在不同方向的厚度示意圖；
[0022]圖8為采用菱形、方形以及混合鄰域膨脹法得到胸壁模型的示意圖；
[0023]圖9為不同膨脹方法生成的模型與目標(biāo)模型探測(cè)效率的差別示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0025]本發(fā)明使用了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的兩種基本運(yùn)算:膨脹(Dilation)和腐蝕(Erosion)。膨脹，形象地講，就是通過(guò)在圖像邊緣有規(guī)則地增加一些像素，從而使圖像變大；腐蝕則與此相反。圖1給出了圖像膨脹和腐蝕的示意圖。
[0026]以最簡(jiǎn)單的二值圖像為例，對(duì)于灰度值為O或I的二值圖像，設(shè)A是被研究的圖像，b是另一個(gè)“探針”圖像(稱(chēng)為結(jié)構(gòu)元素，Structure Element)。圖像A被結(jié)構(gòu)元素b膨脹的過(guò)程為:令結(jié)構(gòu)元素b的原點(diǎn)(0，O)與圖像A中的某點(diǎn)a重疊，然后檢驗(yàn)b中各點(diǎn)當(dāng)前所在的位置。若該位置A圖像的灰度為0，則將其改為1，否則不變。當(dāng)b的原點(diǎn)遍歷過(guò)A圖像中的所有點(diǎn)后，膨脹過(guò)程結(jié)束。圖2給出了上述膨脹過(guò)程的示意圖。收縮是膨脹的逆運(yùn)算。
[0027]二維數(shù)字圖像是由一系列具有特定屬性的像素(Pixel)組成。除圖像邊緣的像素夕卜，每個(gè)像素周?chē)嬖谥恍┫噜彽南袼?，稱(chēng)為鄰接像素或鄰域。對(duì)于二維圖像來(lái)講，水平和豎直方向的4個(gè)“邊”鄰接像素，稱(chēng)為“四鄰域”。若加上對(duì)角線(xiàn)方向的4個(gè)“點(diǎn)”鄰接像素，總計(jì)8個(gè)像素，稱(chēng)為“八鄰域”。圖3-1和圖3-2分別給出了二維圖像四鄰域和八鄰域的示意圖。
[0028]三維體素模型中的每個(gè)體素(voxel)周?chē)嬖?6個(gè)鄰接體素，這里分別稱(chēng)為6個(gè)“面”鄰接體素、12個(gè)“邊”鄰接體素和8個(gè)“點(diǎn)”鄰接體素，圖4給出了原點(diǎn)體素(0，O, O)及其6個(gè)面鄰接體素的示意圖。
[0029]形態(tài)學(xué)運(yùn)算本質(zhì)上表現(xiàn)為一種鄰域運(yùn)算形式。結(jié)構(gòu)元素本身也是一種特殊定義的鄰域，它可以采用不同的形狀和大小。形態(tài)學(xué)運(yùn)算的效果取決結(jié)構(gòu)元素的大小(R值)、形狀和運(yùn)算的類(lèi)型。
[0030]若要在調(diào)整過(guò)程中，保持人體胸壁或器官形態(tài)基本不變，其膨脹腐蝕過(guò)程應(yīng)近似是各項(xiàng)同性的。對(duì)于二維調(diào)整來(lái)講，理論上結(jié)構(gòu)元素選用“圓形”比較合適。但在數(shù)字圖像處理中，若要采用近似“圓形”的結(jié)構(gòu)元素，則結(jié)構(gòu)元素的大小必然會(huì)較大(Matlab軟件提供的圓形結(jié)構(gòu)元素最小單元數(shù)為4，且與圓形也還存在較大差別)。這將導(dǎo)致每次膨脹后的新增體素過(guò)多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)器官體積“一層一層”地微小調(diào)整目的。
[0031 ] 同理，對(duì)于三維體素模型調(diào)整，應(yīng)該選用“球體”結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行膨脹或腐蝕，但與二維調(diào)整類(lèi)似，實(shí)際操作中即使是“類(lèi)球體”結(jié)構(gòu)元素，也還是存在體素?cái)?shù)目過(guò)多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)器官體積“一層一層”的微小調(diào)整效果。一個(gè)可能的解決方法是采用基于不同結(jié)構(gòu)元素的組合膨脹方案——即混合鄰域調(diào)整方法。對(duì)于體素模型，最好能夠利用體素的相鄰區(qū)域直接進(jìn)行運(yùn)算，一次膨脹或腐蝕僅改變外表的一層鄰域。如何選取哪些基本“結(jié)構(gòu)元素”并進(jìn)行合理組合，是保持體素模型的原有形態(tài)的關(guān)鍵。
[0032]對(duì)于二維圖像調(diào)整而言，如圖5-1至5-3所示，常用的二維結(jié)構(gòu)元素包括直線(xiàn)(Line)、菱形(Diamond)、方形(Square)等。仔細(xì)分析菱形、方形結(jié)構(gòu)元素的膨脹方式,如圖6-1、6-2所示，可以看出，菱形結(jié)構(gòu)元素在水平方向的增長(zhǎng)速度是對(duì)角線(xiàn)方向的倍；而方形結(jié)構(gòu)元素在對(duì)角方向的增長(zhǎng)速度是水平方向的萬(wàn)倍。所以，若將兩者以I的比例進(jìn)行組合，則水平方向、對(duì)角線(xiàn)方向的增長(zhǎng)速度將會(huì)是相同的，從而達(dá)到胸壁厚度近似各項(xiàng)同性的膨脹效果，這里稱(chēng)為二維混合鄰域調(diào)整方法。
[0033]對(duì)于三維調(diào)整而言，仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，6面鄰域、18 (面邊)鄰域和26 (面邊點(diǎn))鄰域三者在X方向、X-Y對(duì)角線(xiàn)方向、體對(duì)角線(xiàn)方向增長(zhǎng)的速度是不同的，如圖7所示。為了使得不同方向的膨脹速度大致相同，可采用6 (面)鄰域、18 (面邊)鄰域和26 (面邊點(diǎn))鄰域的組合膨脹方式，三者按^: 42: I的比例進(jìn)行組合，這里稱(chēng)為三維混合鄰域調(diào)整方法。
[0034]實(shí)施例
[0035]這里以人體胸壁厚度變化對(duì)內(nèi)污染肺部計(jì)數(shù)器探測(cè)效率的影響為測(cè)試問(wèn)題，分別采用不同調(diào)整方法對(duì)胸壁厚度進(jìn)行增厚，并與原模型的探測(cè)效率進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試體素模型選用LLNL-P4模型，探測(cè)效率是采用體素模型虛擬刻度方法進(jìn)行計(jì)算的。
[0036]1、通過(guò)軟件編程方法，將LLNL-P4體素模型的P4遮蓋板替換為空氣，把無(wú)P4遮蓋板的體素模型作為起始模型(記為L(zhǎng)LNL-P00)。然后，以L(fǎng)LNL-P4為目標(biāo)模型，采用不同膨脹方法，對(duì)起始模型LLNL-POO的胸壁厚度進(jìn)行增厚。體素模型中每個(gè)體素的大小為2mmX2mmX2mm, P4遮蓋板的厚度為24mm,所以新增加的體素層數(shù)應(yīng)為24mm/2mm=12個(gè)，即進(jìn)行12次膨脹運(yùn)算。
[0037]2、菱形結(jié)構(gòu)元素(四鄰域)膨脹方法
[0038]采用菱形結(jié)構(gòu)元素對(duì)起始模型LLNL-POO的胸壁進(jìn)行膨脹。菱形結(jié)構(gòu)元素的大小取R=I。利用Matlab程序中的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹函數(shù)imdilate和菱形結(jié)構(gòu)元素，對(duì)LLNL-POO胸壁膨脹12次，得到新的體素模型記為L(zhǎng)LNL-d24mm。采用軟件測(cè)量LLNL_d24mm的胸壁厚度，在與切線(xiàn)垂直的方向上的厚度為24mm;這與人體胸壁厚度的實(shí)際情況類(lèi)似。但在“斜”方向的厚度明顯偏薄，僅約為17.0_，如圖8(a)所示；這會(huì)導(dǎo)致肺部計(jì)數(shù)器的探測(cè)效率偏聞。
[0039]3、方形結(jié)構(gòu)元素(八鄰域)膨脹方法
[0040]采用方形結(jié)構(gòu)元素對(duì)胸壁厚度進(jìn)行膨脹，即“八鄰域”體素增長(zhǎng)方式，膨脹后的新模型記為L(zhǎng)LNL-s24mm。測(cè)量LLNL_s24_的胸壁厚度，在“斜”方向的厚度明顯偏大，約為34_，如圖8(b)所示；這會(huì)導(dǎo)致肺部計(jì)數(shù)器的探測(cè)效率偏低。
[0041 ] 4、二維混合鄰域膨脹方法
[0042]如前文所述，利用二維混合鄰域膨脹法進(jìn)行胸壁厚度調(diào)整，生成模型記為L(zhǎng)LNL-dRs24mm，它在不同切線(xiàn)方向的胸壁厚度近似相等，均為24_ ;如圖8(c)所示。
[0043]分別采用上述模型，采用蒙特卡洛虛擬校準(zhǔn)技術(shù)，模擬計(jì)算了肺部計(jì)數(shù)器的探測(cè)效率；并與目標(biāo)模型LLNL-P4的效率計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比。如圖9所示，混合鄰域調(diào)整方法所得到的模型(LLNL-dRs24mm)，在17.5keV —185.7keV能量范圍內(nèi)，兩者的偏差在3%范圍內(nèi)。證實(shí)，混合鄰域調(diào)整方法能在調(diào)整過(guò)程中，較好地保持模型的原有形態(tài)。
[0044]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法，其特征在于:該方法針對(duì)體素模型基于不同結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行組合膨脹或腐蝕，利用體素的相鄰區(qū)域直接進(jìn)行計(jì)算，一次膨脹或腐蝕只改變外表的一層鄰域； 對(duì)于二維圖像的調(diào)整，采用菱形結(jié)構(gòu)元素和方形結(jié)構(gòu)元素按^: I的大小比例進(jìn)行組合； 對(duì)于三維圖像的調(diào)整，采用6面鄰域、18面鄰域和26面鄰域的結(jié)構(gòu)元素按萬(wàn):4? I的大小比例進(jìn)行組合。
2.如權(quán)利要求1所述的人體體素模型的混合鄰域調(diào)整方法，其特征在于:分別利用Matlab 程序中的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)體素模型的調(diào)整。
【文檔編號(hào)】G06T3/00GK103903220SQ201210585953
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】劉立業(yè), 肖運(yùn)實(shí), 趙原, 曹勤劍, 熊萬(wàn)春, 潘紅娟, 衛(wèi)曉峰, 李華, 汪嶼, 夏三強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)輻射防護(hù)研究院