用於對3D對象進行可視化的設備的製作方法

2023-06-19 04:02:11 2

本發明涉及一種用於對3D對象進行可視化的設備、用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統、用於對3D對象進行可視化的方法、以及用於控制這種設備的電腦程式元件和已經存儲了這種電腦程式元件的計算機可讀介質。

背景技術：

WO 2005/078666(A1)公開了一種與可變形表面模型的實時用戶交互和用於使用可變形表面來分割三維圖像中的感興趣對象的圖像處理系統。

EP1 566 772 A2公開了一種X射線計算機斷層攝影裝置，包括：通過X射線在主體的三維區域中進行掃描的掃描器、存儲通過掃描採集的投影數據的存儲單元、基於所存儲的投影數據生成與三維區域相對應的體積數據的重建處理單元、根據體積數據生成與三個方向的切片平面相關的切片圖像數據的MPR處理單元、顯示切片圖像數據連同表示重建範圍的圖形元素的顯示單元、操作圖形元素的操作單元，以及基於所存儲的投影數據重建與由圖形元素表示的重建範圍相對應的斷層攝影圖像數據的重建處理單元。

在介入程序中，X射線用於幫助醫生看到在人類身體內部發生的事情。X射線圖像上的對象使用反向透視來投影。這意味著更遠離X射線探測器的對象看起來比更靠近X射線探測器的對象更大。諸如切割或剪切平面的用戶能夠操縱的3D對象也可以使用反向透視來繪製，從而它們對應於X射線圖像上的解剖結構。然而，操縱這些反向透視3D對象對於用戶可能感覺到是違反直覺的。例如，在反向透視繪製場景中的剪切平面對於人類查看者來說感覺是畸形的。剪切平面看起來好像未與解剖結構上的實際切割平面對準。當用戶嘗試向後移動剪切平面時，感覺好像其向前移動，反之亦然。

技術實現要素：

因此，存在一種用於對3D對象進行可視化的改進的設備的需要，其允許更容易地操縱3D對象。

本發明的問題通過獨立權利要求的主題來解決，其中，其他實施例併入從屬權利要求中。應當注意，下文中所描述的本發明的方面也適用於用於對3D對象進行可視化的設備、用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統、用於對3D對象進行可視化的方法、電腦程式元件和計算機可讀介質。

根據本發明，提出一種用於對3D對象進行可視化的設備。用於對3D對象進行可視化的設備包括處理單元。處理單元被配置為提供在2D投影平面中的圖像。圖像可以是例如示出使用反向透視投影的解剖結構的X射線圖像。反向投影是一種在其中更遠離探測器的對象看起來比更靠近探測器的對象更大的投影。這與正常的人類視覺相反，在正常的人類視覺中，更遠的對象看起來比更靠近的對象更小。

根據本發明的處理單元被配置為利用反向投影變換將來自初始平面的初始3D對象投影到圖像的2D投影平面中，以實現反向2D對象。如上所述，反向投影變換是一種在其中更遠離探測器的對象看起來比更靠近探測器的對象更大的投影變換。換言之，反向投影變換是這樣的投影變換：其中消失點位於2D投影平面的另一側，而不是初始對象一側。

根據本發明的處理單元還被配置為對反向2D對象進行點鏡像，以實現鏡像的非反向2D對象。處理單元被配置為將鏡像的非反向2D對象投影回初始平面，以提供經校正的3D對象。處理單元被配置為將經校正的3D對象再次投影到圖像的2D投影平面，以提供看起來未被反向投影的最終3D對象。

因此，在反向透視投影場景中實現經透視投影的3D對象。換言之，描述了將要操縱的3D對象(例如，剪切平面)的反向投影反轉到正常的非反向的透視投影，同時例如圖像中的解剖結構維持反向投影。

通過將3D對象的反向投影反轉到正常的非反向的透視投影，同時圖像中的解剖結構保持反向透視，用戶能夠容易地操縱3D對象。用戶能夠自然地和直觀地使用並操縱3D對象，就好像用人眼看到的那樣。

由於X射線的反向透視投影，本發明能夠應用於X射線成像模態。如上所述，圖像能夠因此是X射線圖像。然而，本發明還能夠應用於產生反向透視投影圖像的任何其它成像模態。

如上所述，圖像還可以包括至少一個反向投影的解剖3D結構，其保持反向投影，同時提供看起來未被反向投影的最終對象。

圖像還包括上述初始3D對象。初始3D對象能夠被理解為可反向的對象。在範例中，初始3D對象位於初始平面中並且具有關於初始3D對象的幾何圖心對稱的形狀。

在範例中，初始3D對象是切割平面、剪切平面等。該平面可以是從3D解剖表示的另一部分「切割」3D解剖表示的一部分的平面。因此，初始3D對象所在的初始平面也能夠被理解為切割平面。剪切平面能夠例如在3D CT/MR/旋轉X射線解剖結構被疊加在實時X射線圖像頂部上的實況屏幕中使用。

在範例中，用於對3D對象進行可視化的設備包括被配置用於初始3D對象的顯示和操縱的接口單元。接口單元可以是具有操縱控制項和測量工具的顯示器。切割平面能夠在接口單元中被可視化為例如矩形3D形狀。矩形可以指示用戶能夠如何以及在何處操縱切割平面。用戶能夠通過用滑鼠拖動平面來例如旋轉或移動平面。

在範例中，矩形被繪製為如同其是被透視投影的，同時圖像中的解剖結構維持反向透視。然而，當用戶將矩形遠離相機移動時，矩形將看上去更大而不是更小。這能夠隨後通過縮放矩形來解決，從而當朝向相機移動時矩形變大。在範例中，處理單元因此被配置為縮放最終的3D對象，使得其在接近相機時放大。隨後能夠使用反向透視投影，結果連同圖像的其餘部分一起被繪製。

根據本發明，還提出一種用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統。X射線成像系統包括圖像採集單元、顯示單元和如上所述的用於對3D對象進行可視化的設備。圖像採集單元被配置用於採集將由用於對3D對象進行可視化的設備的上述處理單元提供的圖像。顯示單元被配置為顯示由用於對3D對象進行可視化的設備的上述處理單元提供的最終3D對象。

根據本發明，還提出一種用於對3D對象進行可視化的方法。所述方法包括以下步驟，但不一定按照此順序：

-提供在2D投影平面中的圖像。圖像可以是示出例如使用反向透視投影的解剖結構的X射線圖像；

-利用反向投影變換將來自初始平面的初始3D對象投影到圖像的2D投影平面，以實現反向2D對象。初始3D對象可以是剪切平面。反向投影變換是這樣的投影：其中，消失點位於2D投影平面的另一側，而不是初始對象的一側。換言之，透視線被反轉；

-對反向2D對象進行點鏡像，以實現鏡像的非反向2D對象；

-將鏡像的非反向2D對象投影回初始平面，以提供經校正的3D對象；

-將經校正的3D對象投影到圖像的2D投影平面，以提供看起來未被反向投影的最終3D對象；

因此，在反向透視投影場景中實現透視投影的3D對象。換言之，描述了將要被操縱的3D對象的反向投影反轉到正常的非反向的透視投影，同時，例如圖像中的解剖結構維持反向投影。

根據本發明，還提出一種電腦程式元件，其中，電腦程式元件包括程序代碼單元，所述程序代碼單元用於當電腦程式在控制在如獨立設備權利要求中所定義的用於對3D對象進行可視化的計算機上運行時使得用於對3D對象進行可視化的設備執行用於對3D對象進行可視化的方法的步驟。

應當理解，根據獨立權利要求的用於對3D對象進行可視化的設備、用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統、用於對3D對象進行可視化的方法、電腦程式元件和計算機可讀介質具有類似的和/或相同的優選實施例，特別是如在從屬權利要求中所定義的。參考下文描述的實施例，本發明的這些和其它方面將變得顯而易見並得到闡明。

附圖說明

在下文中將參考附圖描述本發明的範例性實施例：

圖1示出了根據本發明的用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統1的實施例的範例的示意圖。

圖2a至2d示意性並且範例性地示出了根據本發明的3D對象的可視化的實施例。

圖3a至3e示意性並且範例性地示出了根據本發明的3D對象的可視化的實施例。

圖4示出了用於對3D對象進行可視化的方法的範例的基本步驟。

具體實施方式

圖1示意性並且範例性地示出了根據本發明的用於對3D對象進行可視化的X射線成像系統1的實施例。X射線成像系統1包括用於對3D對象進行可視化的設備10、圖像採集單元2和顯示單元3。

用於對3D對象進行可視化的設備10包括處理單元11。圖像採集單元2採集將由用於對3D對象進行可視化的設備10的處理單元11提供的圖像。顯示單元3顯示由處理單元11提供的最終3D對象28(圖2中所示)。

用於對3D對象進行可視化的設備10還包括用於初始3D對象22(圖2中所示)的顯示和操縱的接口單元12。接口單元12可以是上述顯示單元3或獨立的設備。

用於對3D對象進行可視化的設備10的處理單元11提供在2D投影平面23(圖2中所示)中的圖像。這裡，圖像是示出反向投影的解剖3D結構的X射線圖像。反向投影是一種在其中更遠離探測器的對象看起來比更靠近探測器的對象更大的投影。這與正常的人類生活相反，在正常的人類生活中，更遠離的對象看起來比更靠近的對象更小。

如圖2a中所示，處理單元11利用反向投影變換(由箭頭示出)將初始平面27中的初始3D對象22(這裡示出為2D)投影到圖像的2D投影平面23中，以實現反向2D對象24。初始3D對象22(在圖2a中示為2D)是可以將3D解剖結構切割成兩個部分的矩形3D形狀。矩形可以指示用戶能夠如何操縱切割平面。初始3D對象22位於初始平面27內，並且具有關於初始3D對象的幾何圖心對稱的形狀。如上所述，反向投影變換是一種在其中更遠離探測器的對象看起來比更靠近探測器的對象更大的投影變換。換言之，反向投影變換是這樣的投影變換：其中，消失點是在2D投影平面23的另一側，而不是在初始對象22一側。

如圖2b中所示，處理單元11對反向2D對象24的所有點進行點鏡像(由箭頭示出)，以實現看起來被反轉的鏡像的非反向2D對象25。如圖2c中所示，處理單元11隨後將鏡像的非反向2D對象25投影回初始平面27，以提供經校正的3D對象26。隨後，經校正的3D對象26仍然與初始平面27對準，但現在已經變形，從而使得使用反向透視投影將其投影回圖像的2D投影平面23產生看起來未被反向投影的透視投影的最終3D對象28。

因此，在反向透視投影場景中實現透視投影的最終3D對象28。通過將3D對象的反向投影反轉到正常的非反向的透視投影，同時圖像中的解剖結構保持反向透視，用戶能夠容易地操縱3D對象，就好像用人眼看到的那樣。

在圖2c中，最終3D對象或矩形28(這裡以2D示出)被繪製為如同被透視投影，同時圖像中的解剖結構維持反向透視。然而，當用戶將矩形28遠離相機移動時，矩形28將顯得更大而不是更小。如圖2d中所示，這能夠隨後通過縮放矩形28來解決，使得當朝向用戶或相機移動時其變大。處理單元11因此縮放最終3D對象28，使得其在接近相機時放大。使用反向透視投影，結果隨後能夠連同圖像的其餘部分一起被繪製。

圖3a示出了在平行2D投影中並被反向投影以實現在圖3b中示出的反向2D平面24的初始3D對象22。反向2D平面被點鏡像，以實現點鏡像的非反向2D平面25，其使得平面看起來如在圖3c中所示的被透視投影。看起來點鏡像的非反向的2D平面25隨後以平行投影被投影回原始3D平面，以提供圖3d中所示的經校正的3D對象26。如在圖3e中所示，經校正的對象隨後使用透視投影來繪製，產生具有針對立方體的反向透視投影和針對最終3D對象28的透視投影的圖像。

圖4示出了用於對3D對象進行可視化的方法的步驟的示意性概述。所述方法包括以下步驟，但不一定按照此順序：

-提供在2D投影平面23中的圖像；

-利用反向投影變換將來自初始平面27的初始3D對象22投影到圖像的2D投影平面23，以實現反向2D對象24。反向投影變換是這樣的投影：其中，消失點位於2D投影平面23的另一側，而不是初始對象的一側；

-對反向2D對象24進行點鏡像，以實現鏡像的非反向2D對象25；

-將鏡像的非反向2D對象25投影回初始平面27，以提供經校正的3D對象26；

-將經校正的3D對象26投影到圖像的2D投影平面23，以提供看起來未被反向投影的最終3D對象28。

因此，在反向透視投影場景中實現透視投影3D對象。換言之，描述了將要被操縱的3D對象(例如，剪切平面)的反向投影反轉到正常的非反向的透視投影，同時，例如圖像中的解剖結構維持反向投影。

在本發明的另一範例性實施例中，提供一種電腦程式或電腦程式元件，其特徵在於，適於在適當的系統上執行根據前述實施例之一的方法的方法步驟。

電腦程式元件可以因此被存儲在計算機單元上，所述計算機單元也可以是本發明的實施例的部分。該計算單元可以適於執行或誘導上述方法的步驟的執行。此外，其可以適於操作上述裝置的組件。計算單元能夠適於自動操作和/或執行用戶的命令。電腦程式可以被加載到數據處理器的工作存儲器中。數據處理器可以因此被配備為執行本發明的方法。

本發明的該範例性實施例覆蓋從一開始就使用本發明的電腦程式，以及通過將現有程序更新轉換為使用本發明的程序的電腦程式二者。

更進一步地，電腦程式元件可以能夠提供所有必要步驟以完成如上所述的方法的範例性實施例的過程。

根據本發明的其他範例性實施例，提出一種計算機可讀介質，諸如CD-ROM，其中，計算機可讀介質具有被存儲在其上的電腦程式元件，所述電腦程式元件由前面的章節描述。

電腦程式可以被存儲和/或分布在合適的介質上，諸如與其他硬體一起或作為其他硬體的部分供應的光學存儲介質或固態介質，但是也可以以其他形式被分布，諸如經由網際網路或其他有線或無線的通信系統。

然而，電腦程式也可以被呈現在網絡上，如全球資訊網，並且能夠從這樣的網絡下載到數據處理器的工作存儲器中。根據本發明的其他範例性實施例，提供用於使電腦程式可用於下載的介質，所述電腦程式元件被布置為執行根據本發明的先前描述的實施例中的一個的方法。

必須指出，已經參考不同的主題對本發明的實施例進行了描述。具體地，參考方法類型權利要求對一些實施例進行了描述，而參考設備類型權利要求對其他實施例進行了描述。然而，所有的特徵都能夠被組合來提供多於特徵的簡單加和的協同效果。

儘管在附圖和前面的描述中已經對本發明進行了詳細的圖示和描述，但是這種圖示和描述應當被認為是圖示性的或範例性的，而非限制性的。在權利要求中，「包括」一詞不排除其他元件或步驟，並且不定冠詞「一」或「一個」不排除多個。單個處理器或控制器或其他單元可以實現權利要求中記載的若干項的功能。在互不相同的從屬權利要求中記載特定措施並不指示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求書中的任何附圖標記不應被解讀為對範圍的限制。