專利名稱：一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，通過該方法可以高效構(gòu) 造出表述實(shí)物內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)的實(shí)體幾何模型。涉及實(shí)體造型、以及這種幾何描述的劑量 吸收計(jì)算，在輻射防護(hù)、醫(yī)學(xué)放療計(jì)劃和影像科學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
三維模型廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真領(lǐng)域。比如在核輻射與防護(hù)領(lǐng) 域，為了模擬人體在一定輻射條件下的吸收劑量，常常需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)人體影像數(shù) 據(jù)進(jìn)行各種處理建立精確的人體幾何模型，并結(jié)合蒙特卡羅程序進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算機(jī)對(duì) 幾何模型的表示模式，按其復(fù)雜程度，一般分為線框模型、表面模型和實(shí)體模型三種，前兩 種描述方式分別是以物體的棱邊、物體的各表面為單位來表示形體特征的。實(shí)體模型采用 有向棱邊右手法則確定所在面外法線的方向，以描述表面的哪一側(cè)是存在的實(shí)體；這樣就 能分清體內(nèi)、體外，形成實(shí)體模型。
蒙特卡羅方法是目前唯一能夠?qū)椪漳繕?biāo)內(nèi)部三維空間核粒子碰撞軌跡和能量 分布進(jìn)行精確仿真的工具，蒙特卡羅方法與復(fù)雜的三維人體解剖模型相結(jié)合代表了虛擬仿 真在計(jì)算機(jī)技術(shù)中的躍進(jìn)。在診斷放射檢查中，精確的人體器官劑量評(píng)估對(duì)于放射治療是 非常有益的。目前，國(guó)際上已經(jīng)成功建立多種人體模型并結(jié)合蒙特卡羅模擬程序，對(duì)人體在 輻射環(huán)境下的吸收劑量進(jìn)行精確性的計(jì)算評(píng)估。人體三維解剖模型成功轉(zhuǎn)換為蒙特卡羅程 序所需要的幾何描述是進(jìn)行蒙特卡羅仿真計(jì)算的前提條件，也是目前國(guó)際上蒙特卡羅模擬 研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
高精度的人體彩色切片或現(xiàn)代計(jì)算機(jī)斷層攝影(俗稱CT)等能夠針對(duì)人體體內(nèi)特 征提供較為詳細(xì)的組織幾何結(jié)構(gòu)信息，為人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；?高精度的人體影像切片，常用的三維表面再現(xiàn)算法(如Marching Cubes)是靠提取實(shí)物的等 值面來得到面片模型結(jié)構(gòu)，一方面，由于這種面的提取方法非充分性，往往會(huì)導(dǎo)致模型表面 結(jié)構(gòu)的二義問題，出現(xiàn)內(nèi)外面交叉或法向量錯(cuò)誤而產(chǎn)生很多的空洞，使模型失真，不能真實(shí) 表述人體實(shí)體的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。另一方面，幾何重建過程中沒有充分考慮到器官外圍面解 析及其相關(guān)聯(lián)的蒙特卡羅幾何構(gòu)造，故而其解析程度存在誤差，執(zhí)行效率不高，不能被廣泛 應(yīng)用。現(xiàn)有的一些基于體元合并的幾何重建方法，雖然一定意義上對(duì)器官體元進(jìn)行了合并， 克服了上述缺陷，但是器官表面體元卻沒有被最大量的合并以致不能有效減少器官體元合 并后的長(zhǎng)方體數(shù)目，其合并速度較慢，無法生成器官表面點(diǎn)云信息，在巨量的人體影像數(shù)據(jù) 中應(yīng)用局限。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，目標(biāo)在于提供一種從 影像數(shù)據(jù)集中高效進(jìn)行體元合并、解析出指定器官的外圍面或其點(diǎn)云信息，以便得到高品 質(zhì)的三維器官實(shí)體模型，來真實(shí)描述人體器官內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；該解析結(jié)果可以有效的和器官的蒙特卡羅幾何表示關(guān)聯(lián)起來，解決高精度人體劑量吸收評(píng)估中遇到的人體蒙卡幾何無效轉(zhuǎn)換和計(jì)算效率較低的難題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，是基于器官分割后人體斷層系列切片數(shù)據(jù)集，按照體元運(yùn)算法則生成器官坐標(biāo)矩陣對(duì)人體器官進(jìn)行三維幾何重建的方法，其特征在于，該步驟包括
步驟(a)、獲取指定器官體元相對(duì)數(shù)據(jù)集的位置矩陣；
步驟(b)、按照精度要求對(duì)位置矩陣重采樣；
步驟(C)、體元加法運(yùn)算生成器官的長(zhǎng)方體集合；
步驟(d)、根據(jù)長(zhǎng)方體坐標(biāo)矩陣重建器官幾何；
其中，步驟(C)所述體元加法運(yùn)算條件是依照三維深度遍歷的原則依次執(zhí)行線性約束下的體元加法運(yùn)算，把器官體元位置矩陣轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)方體集的坐標(biāo)矩陣；
假設(shè)某器官第i個(gè)體元的位置為(Xi，y” Zi),定義單位體元為一長(zhǎng)方體，該長(zhǎng)方體起點(diǎn)和終點(diǎn)為其一條對(duì)角線上兩個(gè)點(diǎn)(XWil)和(xi2，，yi2，zi2),此單位體元可以記作V「V (Xjj J Yii) zil) xi2) y i2> Zi2)，其中 Xi2_Xil + l，5^2_5^1 + 丄，Zi2_Zil + l ,
同時(shí)定義長(zhǎng)方體Vi和Vj之間的加法運(yùn)算規(guī)則
V^Vj=V (xn, yn, zn, xJ2, yJ2, zJ2)
經(jīng)過三維深度搜索遍歷加法法則運(yùn)算，進(jìn)行有效選擇的體元運(yùn)算，則生成長(zhǎng)方體集合為
權(quán)利要求
1.一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，是基于器官分割后人體斷層系列切片數(shù)據(jù)集，按照體元運(yùn)算法則生成器官坐標(biāo)矩陣對(duì)人體器官進(jìn)行三維幾何重建的方法，其特征在于，該步驟包括步驟(a)、獲取指定器官體元相對(duì)數(shù)據(jù)集的位置矩陣；步驟(b)、按照精度要求對(duì)位置矩陣重采樣；步驟(C)、體元加法運(yùn)算生成器官的長(zhǎng)方體集合；步驟(d)、根據(jù)長(zhǎng)方體坐標(biāo)矩陣重建器官幾何；其中，步驟(C)所述體元加法運(yùn)算條件是依照三維深度遍歷的原則依次執(zhí)行線性約束下的體元加法運(yùn)算，把器官體元位置矩陣轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)方體集的坐標(biāo)矩陣；假設(shè)某器官第i個(gè)體元的位置為(Xi，Yi, Zi)，定義單位體元為一長(zhǎng)方體，該長(zhǎng)方體起點(diǎn)和終點(diǎn)為其一條對(duì)角線上兩個(gè)點(diǎn)(xn, yn, ζη)和(xi2, yi2, zi2),此單位體元可以記作 V「V (Xii, Yii) zil> xi2> yi2> Zi2)，其中 Xi2_Xil + l，5^2_5^1 + 丄，Zi2_Zil + l ,同時(shí)定義長(zhǎng)方體Vi和 ' 之間的加法運(yùn)算規(guī)則Vi+Vj-V (xn, yn, ζη, Xj2, Yj2) zj2)經(jīng)過三維深度搜索遍歷加法法則運(yùn)算，進(jìn)行有效選擇的體元運(yùn)算，則生成長(zhǎng)方體集合為
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，其特征在于，所述加法的三維深度搜索遍歷原則如下首先按照坐標(biāo)優(yōu)先級(jí)權(quán)重x>y>z對(duì)X軸方向相鄰的所有體元進(jìn)行體元加法運(yùn)算；其次進(jìn)行優(yōu)先級(jí)權(quán)重y>x>z排序，進(jìn)行y軸方向相鄰的體元集合加法運(yùn)算；再次進(jìn)行以優(yōu)先級(jí)權(quán)重z>x>y排序，針對(duì)z軸方向相鄰的體元集合加法合并；構(gòu)建索引映射向量按照不同優(yōu)先級(jí)權(quán)重排序生成對(duì)應(yīng)方向的體元序列矩陣為β滿足 β =α · τ，其中
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，其特征在于，所述線性約束條件為長(zhǎng)方體起終點(diǎn)坐標(biāo)值約束；設(shè)長(zhǎng)方體加法運(yùn)算Vi+Vj-V (xn, yn, ζη, Xj2, Yj2) zj2)則Vi和Vj起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)值均同時(shí)滿足如下條件若 X 坐標(biāo)方向約束，Xi+l=Xj, Yi=Yj, Zi=Zj;若y坐標(biāo)方向約束，Xi=Xj, Y^l=Yj, Zi=Zj;若Z坐標(biāo)方向約束，Xi=Xj, Yi=Yj, Z^l=Zj。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，其特征在于，步驟(d)所述的方法中，長(zhǎng)方體坐標(biāo)矩陣重建器官幾何是指由長(zhǎng)方體頂點(diǎn)作為器官的外圍頂點(diǎn)點(diǎn)云，長(zhǎng)方體起始端點(diǎn)垂直面作為器官的外圍面；根據(jù)坐標(biāo)表示構(gòu)造長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體執(zhí)行布爾運(yùn)算構(gòu)造包含器官詳細(xì)信息的器官模型， 或者根據(jù)長(zhǎng)方體的起始端點(diǎn)坐標(biāo)所在的垂直面包絡(luò)整個(gè)器官重建器官的三維實(shí)體模型和其相關(guān)聯(lián)的蒙特卡羅幾何。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于影像體元運(yùn)算的器官幾何重建方法，該方法按以下步驟實(shí)施獲取指定器官體元相對(duì)數(shù)據(jù)集的位置矩陣；按照精度要求對(duì)位置矩陣重采樣；體元加法運(yùn)算生成長(zhǎng)方體坐標(biāo)矩陣；根據(jù)長(zhǎng)方體坐標(biāo)矩陣重建器官幾何。本發(fā)明提供的人體器官幾何重建方法基于一種體元加法運(yùn)算法則最大層次的對(duì)體元進(jìn)行快速合并，能夠保持器官的原始形狀并完整描述器官的內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)；靈活高效的結(jié)合采樣、體元運(yùn)算，保留并可控制器官外圍面的點(diǎn)云，易于關(guān)聯(lián)器官的蒙特卡羅幾何描述；本發(fā)明研究結(jié)果可應(yīng)用于不同的蒙特卡羅程序高效計(jì)算和評(píng)估人體輻射吸收劑量，在輻射安全或醫(yī)學(xué)物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用意義。
文檔編號(hào)G06T17/00GK103065358SQ20131001356
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者趙凱, 吳宜燦, 黃群英, 龍鵬程, 程夢(mèng)云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院