專利名稱:基于基準面全局電場的虛擬外翻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域：
的方法，具體涉及一種基于基準面全 局電場的空腔結(jié)構(gòu)虛擬外翻的方法。
技術(shù)背景
目前，利用CT、 MRI等醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)，對管道性臟器進行三維可視化重建及 觀察診斷主要有虛擬內(nèi)窺和虛擬展平。前者模擬了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡體在腔道內(nèi)行 進的過程，后者模擬了將管腔剪開展平的處理。這些技術(shù)的優(yōu)勢在于克服了傳統(tǒng) 光學(xué)內(nèi)窺鏡需把內(nèi)窺鏡體插入人體內(nèi)的缺點。其不足在于前者存在視角限制， 后者將將三維結(jié)構(gòu)映射到二維平面的過程，會對結(jié)腸內(nèi)壁上的解剖結(jié)構(gòu)帶來形 變，這些都會影響判斷。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，趙俊、曹立基于2006年5月18日申請的專 利"空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法"(申請?zhí)?00610026664.0， 公開號CN1850005)中介紹了一種空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法， 該方法通過將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準面外側(cè)的方法達到觀察 管道性臟器的整體解剖形態(tài)，增加視角的目的。其不足之處在于出于準確性對 效率的妥協(xié)，采用局部電場，即只采用位于當前待外翻空腔表面點附近的若干基 準面點來形成電場，對于采樣線相交導(dǎo)致的過采樣和欠采樣，只能減少，卻不能 完全消除。另外一個有待改進的地方是，即使采用局部電場，運算依然耗時，影 響了該方法的推廣和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于基準面全局電場的虛擬外翻方 法，建立基準面全局電場，對場中各點所受合力進行全局考量，從而保證了電場 線在全局范圍內(nèi)不會相交，提高了外翻的準確性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方法實現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟
第一步，進行數(shù)據(jù)分割，得到需要外翻的空腔二值圖像。第二步，生成空腔圖像的外翻基準面。
第三步，根據(jù)空腔圖像外翻基準面得到全局電場力分布，并采用快速傅立葉 變換整體求解空間各點所受電場合力。
第四步，根據(jù)已得到的各點電場力方向，從空腔表面出發(fā)，沿所在電場線順 電場力向基準面步進，記錄從空腔表面至基準面的步進數(shù)。
第五步，從基準面出發(fā)，至基準面后逆電場力步進相同步數(shù)，得到關(guān)于基準 面鏡像對稱的對應(yīng)外翻點。
第六步，令所有外翻后的點都沿電場線向內(nèi)進行收縮，所有經(jīng)調(diào)整后的外翻 點即組成外翻空腔表面。
所述的生成空腔圖像的外翻基準面，是指生成包裹于空腔外的光滑曲面，作 用可形象理解為鏡面，使內(nèi)表面依據(jù)基準面對稱得到外翻鏡像。
若空腔具有天然的光滑外壁，則該外壁可視作基準面，如工業(yè)管道的外壁。
若空腔不具有天然的理想外壁，如人體腸道，則需要為外翻生成一個基準面。 具體包括兩步首先，對空腔的二值化體數(shù)據(jù)進行三維形態(tài)學(xué)膨脹運算，消除表 面顯著的起伏變化；其次，對點與點之間的坐標進行微細調(diào)整，保持拓撲結(jié)構(gòu)不 變的同時，減小表面曲率，得到更光滑的基準面，所述調(diào)整是通過下式的不斷迭
代實現(xiàn)的。式中，^為待調(diào)整的點，；為與其相鄰的其他點，/l為用戶指定的參 數(shù)，為調(diào)整后的點。
= x +義 =x, +義Z (、 一 x乂) V/: 0 S < 所述的根據(jù)外翻基準面得到全局電場力分布，是指在基準面上每一點放置 點電荷2，建立全局電場模型，計算基準面上所有電荷對三維空間中任意位置點 P的電場力合力F(X，少，Z)，
全局電場的意義在于首先，如前所述，全局電場保證了電場線互不相交， 從根本上解決了局部電場未能解決的欠采樣和過采樣的問題。其次，全局電場線 的分布可以全面準確地保留和反映空腔的拓撲結(jié)構(gòu)，有關(guān)向量場的許多研究在二 維或三維圖像中模擬全局電場，利用向量場的諸多特性成功提取圖像的骨架。建 立全局電場，可以更好地反映空腔的整體拓撲結(jié)構(gòu)，從理論上保證外翻的準確性。所述的采用快速傅立葉變換整體求解空間各點所受電場合力，區(qū)別于現(xiàn)有方 法的逐點逐步求解當前電場力，具體為首先將電場合力表達式表示成分量形式， 并進而表達為巻積式，根據(jù)巻積定理，時域中的巻積運算可以轉(zhuǎn)換為頻域中的乘 積運算，并通過快速傅立葉變換進行時域與頻域的互相轉(zhuǎn)換，將運算復(fù)雜度由
0(W4)降低為O(W2 ，可得整個空間的整體電場分布。
所述的從空腔表面出發(fā)，沿所在電場線順電場力向基準面步進，是指根據(jù) 己經(jīng)得到的電場分布，假想對于空腔表面上每一點，在基準面形成的電場的吸引 下，向著基準面按設(shè)定的步長移動，每移動到新的位置，根據(jù)插值得到當前電場 方向，按當前方向繼續(xù)步進。如此逐步前進至基準面，記錄下步進總數(shù)。
所述的進行鏡像對稱得到對應(yīng)外翻點，具體是指從空腔表面出發(fā)的點到達 基準面后，繼續(xù)從基準面出發(fā)，逆電場線移動，步進同樣的距離，即令空腔邊緣 點到基準面的距離等于基準面到外翻點的距離，得到外翻點。
所述的將外翻后的點都沿電場線向內(nèi)進行適量收縮是為了抵消形態(tài)學(xué)膨脹 運算帶來的管壁厚度變化，對各外翻點作調(diào)整后，連接即為外翻表面。
本發(fā)明應(yīng)用以上方法，實現(xiàn)了對空腔結(jié)構(gòu)進行快速虛擬外翻，使得在更為全 局的考量所有電荷以精準計算電場力的同時，提高了運算效率，快速有效的實現(xiàn) 虛擬外翻。虛擬外翻方法可應(yīng)用在工業(yè)探傷，可作為獨立的輔助手段，應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域，也可與其它可視化方法結(jié)合使用，改進可視化效果。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢在于(1)在基準面的求取過程中，通過對點 坐標的細微調(diào)整，得到更為光滑的表面(2)外翻過程使用的電場綜合考量了基 準面上的所有點，而非僅有局部的若干點參與計算，得到的電場方向更為準確(3) 對空間各點電場分布進行整體處理，通過將時域的巻積運算轉(zhuǎn)換為頻域的乘積運 算，復(fù)雜度大大降低，從而使虛擬外翻方法更為快速有效。


圖1為本發(fā)明實施例虛擬外翻示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例采用螺旋CT數(shù)據(jù)作為樣本，整個實現(xiàn)過程如下
1. 對體數(shù)據(jù)進行分割，采用區(qū)域生長的算法，得到整個結(jié)腸的三維二值化 體數(shù)據(jù)。挑出感興趣部分來進一步實行虛擬外翻實驗，這部分包含了橫結(jié)腸、降 結(jié)腸及移行區(qū)域。
2. 結(jié)腸外表面無理想的天然外壁，需要為外翻生成基準面。首先，通過形 態(tài)學(xué)方法得到外翻基準面，膨脹的結(jié)構(gòu)元素取為半徑為2ram的球體。其次，進行 細微坐標調(diào)整，令/1 = 0.1，迭代次數(shù)為120，得到二值的基準面圖像，表面點被 置為255，其余點置為O。
3. 計算電場分布。首先需要對三維基準面圖像進行預(yù)處理，按照快速傅立 葉運算的要求，處理的圖像大小應(yīng)為2的次方數(shù)，將基準面補齊到所需大小。
首先將圖像空間各點所受合力情況表述為如下的分量形式，根據(jù)庫倫定理， 進一步表達為求和式，再整理為巻積形式，如下所示，由基準面的點電荷分布與 各分量的巻積模板進行巻積。對基準面進行FFT變換，對各分量的巻積模板&， ~，、也進行FFT變換。將基準面的頻域變換結(jié)果分別與&， ，h,的頻域變 換結(jié)果進行復(fù)數(shù)域上的點積運算。將三個分量上的乘積結(jié)果分別反變換回時域， 得到基準面所形成的電場分布，以分量的形式表達。
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其中，&， ~，、為各分量方向的巻積模板，
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4. 至此，外翻的準備工作完成，開始外翻?？紤]到基準面和空腔表面大小存在些許差異，從一個較小的面對應(yīng)至一個較大的面，外翻后點與點之間可能會 不連續(xù)。對空腔表面，在三個分量上，都設(shè)定每隔0.5確定一個起始點，査找對 應(yīng)于該點的電場力，將其單位化后，順電場力以步長0.5移至新的一點。新的位 置若不處于網(wǎng)格，需要插值，將鄰近的八個象素點通過三線性插值得到該處的電 場力，單位化后，繼續(xù)步進。
如此持續(xù)進行至到達基準面，記錄從空腔表面至基準面的歩進數(shù)。
5. 從基準面出發(fā)，逆著電場力繼續(xù)移動，移動步數(shù)為已記錄的空腔至基準 面的距離，即令圖1中曲線段點1到點2的長度等于曲線段點2到點3的長度。
這樣便找到了對應(yīng)于點1的外翻點，置為255，找到所有的空腔表面點的對 應(yīng)外翻位置后，便得到了二值化的外翻結(jié)果。
6. 收縮。根據(jù)基準面生成時所采用的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素，令收縮長度取為2mm， 令所有外翻后的點都沿電場線向內(nèi)進行收縮。
這樣的實施方式，避免了原有方法中邊外翻邊根據(jù)局部鄰近點計算電場方向 的繁瑣過程，更為清晰方便的給出了全局電場分布計算方法，并且提供了與之配 套的快速解決方案。使得了解結(jié)腸內(nèi)壁的組織結(jié)構(gòu)變得有效快捷，在方法的實用 性上作了有益的嘗試。
空腔結(jié)構(gòu)在工業(yè)中廣泛存在，且多具有光滑的外表面，是理想的基于基準面 外翻方法的處理對象，本發(fā)明可以運用到現(xiàn)有的工業(yè)探傷技術(shù)中，通過對工業(yè)設(shè) 備的快速面外翻處理，快捷且無損地了解其內(nèi)部的構(gòu)造，對可能的隱患作檢測。 和現(xiàn)有的工業(yè)CT配合使用，是對現(xiàn)有技術(shù)的補充和增強。
權(quán)利要求
1、一種基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征在于包括如下步驟第一步，進行數(shù)據(jù)分割，得到需要外翻的空腔二值圖像；第二步，生成空腔圖像的外翻基準面；第三步，根據(jù)空腔圖像外翻基準面得到全局電場力分布，并采用快速傅立葉變換整體求解空間各點所受電場合力；第四步，根據(jù)已得到的各點電場力方向，從空腔表面出發(fā)，沿所在電場線順電場力向基準面步進，記錄從空腔表面至基準面的步進數(shù)；第五步，從基準面出發(fā)，至基準面后逆電場力步進相同步數(shù)，得到關(guān)于基準面鏡像對稱的對應(yīng)外翻點；第六步，令所有外翻后的點都沿電場線向內(nèi)進行收縮，所有經(jīng)調(diào)整后的外翻點即組成外翻空腔表面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是， 所述的生成空腔圖像的外翻基準面，是指生成包裹于空腔外的光滑曲面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是， 所述的生成空腔圖像的外翻基準面，具體包括兩步首先，對空腔的二值化體數(shù)據(jù)進行三維形態(tài)學(xué)膨脹運算，消除表面的起伏變化；其次，對點與點之間的坐標進行微細調(diào)整，保持拓撲結(jié)構(gòu)不變的同時，減小 表面曲率，得到更光滑的基準面，所述微細調(diào)整是通過下式的不斷迭代實現(xiàn)的 = jc, +義& = x, +義Z (x, — ~) V/ : 0 S y < w式中，5為待調(diào)整的點，5為與其相鄰的其他點，/i為用戶指定的參數(shù)，乙 為調(diào)整后的點。
4、 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是， 所述的根據(jù)外翻基準面得到全局電場力分布，是指在基準面上每一點放置點電 荷G，建立全局電場模型，計算基準面上所有電荷對三維空間中任意位置點^的電場力合力F(x,y,z)，
5、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是， 所述的采用快速傅立葉變換整體求解空間各點所受電場合力，具體為首先將合 力表達式表示成分量形式，各分量形式表達為如下的求和式，并進而表達為巻積 式，根據(jù)巻積定理，時域中的巻積運算可以轉(zhuǎn)換為頻域中的乘積運算，并通過快 速傅立葉變換進行時域與頻域的互相轉(zhuǎn)換，將運算復(fù)雜度由o(w、降低為G(W.丄。g(W))，得整個空間的整體電場分布。
6、 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是，所述的從空腔表面出發(fā)，沿所在電場線順電場力向基準面步進，是指根據(jù)已經(jīng) 得到的電場分布，假想對于空腔表面上每一點，在基準面形成的電場的吸引下， 向著基準面按設(shè)定的步長移動，每移動到新的位置，根據(jù)插值得到當前電場方向， 按當前方向繼續(xù)步進，如此逐步前進至基準面，記錄下步進總數(shù)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的基于基準面全局電場的虛擬外翻方法，其特征是， 所述的進行鏡像對稱得到對應(yīng)外翻點，具體是指從空腔表面出發(fā)的點到達基準 面后，繼續(xù)從基準面出發(fā)，逆電場線移動，步進同樣的距離，即令空腔邊緣點到 基準面的距離等于基準面到外翻點的距離，得到外翻點，對空腔表面每一點，都 求得其外翻點。
專利摘要
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域：
的基于基準面全局電場的空腔結(jié)構(gòu)虛擬外翻的方法。具體為進行數(shù)據(jù)分割，得到需要外翻的空腔二值圖像；生成空腔圖像的外翻基準面；根據(jù)空腔圖像外翻基準面得到全局電場力分布，并采用快速傅立葉變換整體求解空間各點所受電場合力；根據(jù)已得到的各點電場力方向，從空腔表面出發(fā)，沿所在電場線順電場力向基準面步進，記錄從空腔表面至基準面的步進數(shù)；從基準面出發(fā)，至基準面后逆電場力步進相同步數(shù)，得到關(guān)于基準面鏡像對稱的對應(yīng)外翻點；所有空腔的對應(yīng)外翻點即組成外翻空腔表面。本發(fā)明提高了外翻的準確性，通過快速傅立葉變換整體求解電場合力，大大降低了運算復(fù)雜度，提高了效率。
文檔編號G06T11/00GKCN101447086SQ200810204390
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月11日
發(fā)明者俊 趙, 黃翊玲 申請人:上海交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan