基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法
2023-05-26 17:35:26 1
專利名稱：基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種圖像處理技術領域的方法，具體涉及一種基於中心路徑 的管道狀物體外翻旋轉的方法。
背景技術：
目前利用CT、 MRI、 ICT等成像數據，對管道狀物體內壁進行三維可視化重 建主要採用的是虛擬內窺技術。這一技術模擬了傳統光學內窺鏡體在管道狀物體 內行進，以光學內窺鏡的視角從內部對管道狀物體內壁進行觀察。這個技術的優 勢在於克服了傳統光學內窺鏡需把內窺鏡體插入管道狀物體內部的缺點，是一種 完全無接觸式的檢測方法。現有的虛擬內窺技術的缺點是觀察角度仍然局限於內 窺，視角有限，無法對管道狀物體的整體形態進行觀察，對感興趣部位的定位不 夠直觀。
經對現有技術的文獻檢索發現，G. Wang等在1999年7月在"Academic Radiology"(第398-410頁)上發表的"Straightening the colon with curved cross sections: an approach to CT colonography，，文章中提出了——禾中基於中 心路徑的虛擬拉直的方法。這種方法可以將彎曲的管道狀物體拉直，便於觀察彎 曲部位的形態結構。趙俊等人在2008年6月在"International Journal of Biomedical Imaging" (Article ID 763028)上發表的"Digital Eversion of a Hollow Structure:An Application in Virtual Colonography，，文章中提出了 管道狀物體虛擬外翻的方法，即在計算機上將管道狀物體內壁由朝內翻成朝外， 使觀察者既可看到管道狀物體的整體形態，又可以對內壁細微的結構進行觀察。 拉直的方法雖然便於觀察彎曲部位的形態結構，但是該方法改變了管道狀物體的 空間結構。外翻的方法可以將對內壁的觀察方式由內視改為外觀，但是彎曲較大 部位會因為外翻而造成很大的失真。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出了一種基於中心路徑的管道狀物體虛擬外
5翻旋轉的方法，這種方法將外翻後的數據進行了旋轉，它結合了拉直和外翻處理 方法的優點，避免了彎曲較大部位的失真，從而可以從各個視角對管道狀物體的 內壁進行外視。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過對取得的管道狀物體的掃描 圖像進行分割獲得物體的內壁表面數據和基準面數據，然後對內壁表面數據進行 虛擬外翻，最後對外翻後的圖像進行虛擬旋轉。
本發明包括以下步驟
第一步，對已有的原始圖像進行預處理和分割。原始圖像可以是利用CT、 MRI、 ICT成像手段獲取的管道狀物體的原始數據。預處理如濾波、去噪，以增 強圖像分割的效果。分割可以採取各種合適的圖像分割的方法，對原始圖像中進 行分割處理得到管道狀物體的數據。對於比較容易分割的情況，可利用算法實現 自動分割。如果自動分割不能實現，則可以採取結合手動或完全手動的方法實現 對圖像的分割。
所述的圖像分割是指基於圖像亮度值的兩個基本特性不連續性和相似性， 從輸入圖像中提取特定的屬性的處理方法。
第二步，利用已分割後的圖像數據，繪製出一個基準面。這個基準面必須較 為平滑，且能代表管道狀物體的實際形態，因此應根據實際情況，採取不同的提 取方法。對於外壁較薄且容易分割的管道狀物體，可以提取出此外壁表面，作為 外翻基準面；對於外壁表面形狀不規則或難於分割的管道狀物體，可以利用尺度 較大的立方體進行表面繪製後得到的內壁表面數據，用來作為基準面；對於壁比 較厚的管道狀物體，也可以對外壁表面進行適當的形態學腐蝕得到基準面。
第三步，以步驟二中的基準面為基準提取管道狀物體的中心路徑，然後對中 心路徑作插值處理，並在中心路徑上構建點電荷模型。
所述的中心路徑是指在管道狀物體內部的一根中軸軌跡，軌跡上各點都滿 足最優中心點準則。一般的中心路徑生成方法有如拓撲學細化法、距離變換法等。 對於難以自動生成中心路徑的情況，也可使用手工標定的方法得到中心路徑。中 心路徑必須要具有良好的中心程度，又要足夠平滑，避免急彎及稜角。
所述的點電荷模型，是指為了計算電場線軌跡，在中心路徑上仿真分布點 電荷，而管道狀物體中其他數據區域沒有電荷量。 一般需要在中心路徑上均勻而緻密地分布點電荷，以確保生成電場線後，管道狀物體內壁上每一個數據點都有 電場線穿過。
第四步，計算從各點電荷出發並垂直於中心路徑的電場線。從一點出發的電 場線形成一個曲面，曲面被內壁所截，得到一個剖曲面，並獲得剖曲面的初始向 量。
所述的電場線是指在基本電磁場理論下，多個點電荷相互作用產生的電場 中的電場線。實際應用中整個中心路徑點電荷數量眾多，可從中心路徑上每一個 點電荷出發，結合其附近局部區域數個點電荷的相互作用，計算出各個方向的電 場線。
所述的橫截曲面的初始向量，是指根據中心路徑上每一點的切線方向，通 過三個條件a.與切線方向垂直；b.跟上一個中心路徑點的初始向量的夾角盡可 能少；C.向量長度為l。從而求解出該點的剖曲面初始向量。第一個橫截面的初 始向量選取過中心路徑點垂直切線方向的一條射線。
第五步，拉直處理，即從中心路徑起始點開始將得到的各個剖曲面展平， 依次排列。排列時保證中心路徑點形成一條直線；各個剖曲面的初始向量方向一 致。
所述的將各個剖曲面展平，是指以剖曲面初始向量為基準，記錄剖曲面上 電場線與初始向量的夾角(逆時針方向為正方向)和電場線的長度。並將各條電 場線映射到拉直圖像中該中心路徑點對應的直截面上將初始向量所對應的電場 線映射到以中心路徑點為原點的直截面上的Y軸上，長度保持不變；剖曲面上與 初始向量夾一個角度的電場線映射到直截面上與Y軸夾相應角度(逆時針方向為 正方向)的過原點的射線上，長度保持不變。這樣就可以將曲線映射到直線，將 剖曲面映射到平面。
第六步，採用第三步中的方法繪製出拉直後圖像的基準面作為外翻基準面。 第七步，對原始圖像進行外翻和旋轉。外翻和旋轉圖像是同時進行的，可以 最大限度地減少失真。
a. 根據拉直後的圖像計算每一個中心路徑點對應的直截面(經過中心路徑點
垂直於中心路徑的截面)。
b. 在每個直截面上，以中心路徑點為起點向各個方向發出射線，射線與內壁和基準面各有一個交點，記錄這兩個交點之間的距離。以射線與基準面交點為起 始點沿射線方向前進所記錄的距離，並收縮得到的點即為內壁點外翻後所得到的 點。
c. 將外翻後的直截面繞拉直的中心路徑逆時針旋轉一角度，記錄Y軸旋轉後 的方向向量，記為基準向量。
d. 將旋轉後的每個直截面映射到原始中心路徑相應點所在的剖曲面上以基 準向量為基準，記錄直截面上射線與基準向量的夾角(逆時針方向為正方向)和 射線的長度(直截面中中心路徑點與外翻點的距離)。並將各條射線映射到原始 圖像中該中心路徑點對應的剖曲面上將剖曲面上與初始向量夾旋轉角度的向量 定義為初始向量。將基準向量所對應的射線映射到剖曲面上初始向量所對應的電 場線上，長度保持不變；直截面上與基準向量夾一角度的射線映射到剖曲面上與 初始向量夾相應角度(逆時針方向為正方向)的電場線上，長度保持不變。這樣 就可以將直線映射到曲線，將平面映射到曲面。
第八步，將外翻處理後的數據以交互式的方式三維顯示出來。 本發明優勢在於1、與虛擬拉直相比，虛擬旋轉沒有改變空間形態，更利 於確定位置。2、與虛擬外翻相比，虛擬旋轉可以增加觀察者的視角，並且更利 於對彎曲較大處甚至緊貼在一起處的內壁的觀察；虛擬旋轉中拉直後再計算外翻 基準面可以防止在計算基準面時由於曲率過大而造成基準面交匯的情況。本發明 可以應用於利用CT、 MRI、 ICT等成像數據的領域。
圖l:由電場線剖曲面映射到直截面示意圖 圖2:直截面中內壁點外翻示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 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，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。
本實施例採用U型管道數據作為虛擬外翻旋轉的樣本，並按照以下步驟實
施
1.對已獲得的管道數據進行濾波處理，包括高斯濾波和中值濾波，除去噪
8聲。利用區域生長算法，從圖像中分割出管道空腔部分的數據，這部分數據用來 繪製內壁表面。
2. 對分割出的管道內壁的數據，同樣採用形態學膨脹腐蝕的方法(膨脹元 素半徑為10，腐蝕元素半徑為8)，得到比較平滑的管道外壁的表面作為基準面。
3. 以基準面為基準對管道數據進行三維距離變換，得到管道內每一點到基 準面的最短距離。採用Dijkstra最短路徑法生成中心路徑即在空腔內選取中 心路徑的起點和終點，然後以空腔內每一點的距離值的倒數作為權值，來進行最 短路徑搜索。在中心路徑上每一點虛擬分布一個單位的正點電荷。
4. 計算過每個中心路徑點的剖曲面，並獲得剖曲面的初始向量。 剖曲面即為從中心路徑點電荷發出的垂直於中心路徑的各個方向的電場線
所形成的曲面切管道內壁所得到的曲面。實例中，每個剖曲面是有400條初始方 向均勻分布的電場線形成的。
a.由電場線的初始點並計算剖曲面的初始向量計算過中心路徑點並垂直 於中心路徑的平面，在該平面上以中心路徑點為中心等角發出400條射線(每相 鄰兩條射線夾角為0. 9度)，取射線上距離中心點距離為0. 5的點作為初始點； 計算其剖曲面初始向量。
假設中心路徑當前點為P。點，垂直平面可由點法式來表示。點即為P。點，
法向量N可以由P,P^並經過歸一化獲得。可令^的坐標為(n"ri2，n;)， P。的 坐標為(PpP2,P3)。於是，該平面可以表示為n!(x-p!)+n2(y-p2)+n3(z-p3)二0。
所求的剖曲面初始向量即為垂直平面的正方向(Y軸方向)。第一個剖曲面 的初始向量任取垂直於法向量^的單位向量。令所要求的當前中心路徑點的剖曲 面初始向量為？(yph,y》，指向下一個中心路徑點的單位切向量(即近似中心路
徑切線向量)為^Ovr^n;)，上一個中心路徑點的剖曲面初始向量為f'(y:,y;，y;)。 剖曲面初始向量？滿足以下三個約束條件
條件l:與單位切向量垂直，g卩
條件2:跟上一條剖曲面初始向量的夾角儘可能少(可等價為與切向量和上-條剖曲面初始向量共面)。艮P: aj a2 a3
k y2 y3 =o y; y( y'3
條件3:剖曲面初始向量的長度為1。艮P:
=>/yi +y2 + y3 =1
此時，必有^*亍=0，也即？與&垂直。於是，取p。為坐標原點，平面內
的正方向？為Y軸方向，法向量&為z軸方向，fx&為x軸方向，可定義新 的坐標系。在新的坐標系內，各坐標軸方向的單位向量在原坐標系中的坐標如下
在新坐標系中，電場線的初始位置的定位比較簡單，全部位於X-Y平面內， 可由平面內的極坐標(p,e,)來表示。其中，p即為步長參數，^可由參數n (每
個剖曲面所取的電場線條數)經過下式求得 2兀xi
formula see original document page 10
於是，在新坐標系中的電場線初始位置的坐標如下:
formula see original document page 10
將在新坐標系中電場線的初始位置，轉換至原始坐標系中，可採用下式實
現
formula see original document page 10
實例中p， n分別為0.5和400，第i條電場線即為從初始向量開始逆時針 轉過(i-l)氣n/360)角度的電場線。
b.計算電場線的方向並獲得電場線中的下一點假設當前中心路徑當前點為P。，電場線上當前點為Q，則計算P。點k鄰域內點電荷(共考慮2k+l個點電 荷P^P+Dr-PfP&.^Pk)在Q點處產生的場強方向。電場線由Q點沿該方向 前進一個步長(步長值取得越小越精確，但計算耗時也會隨之增加，實例中取
0.1)得到電場線的下個一點。
對於當前位置為Q(qi,q2,q》，需計算所有點P.k,Pp)，…P。,…P(k^Pk假設都
帶有單位正電荷時，對於Q點的電場強度方向。利用電場力的疊加原理，可以計 算每一個P,到Q點的電場強度方向，再進行累加。
每一個點電荷在空間中的一點所產生的電場強度公式如下-
其中，r為點電荷至該點的向量，即i^g-Q。
由於各個點電荷至該點的電場強度中，1值相同，故可以略去。於是電 場強度方向可採用下式來獲得
然後，再對i進行歸一化處理後，即可得到電場線的方向，也即有
VS3 j
根據當前位置Q和當前歸一化電場方向豆，可求得在電場線方向上前進P
距離後的點坐標Q'。也即
formula see original document page 11
採用上述方法可以得出由中心路徑上每個點電荷發出的400條電場線形成 的剖曲面。5. 拉直處理。記錄第k個剖曲面第i條電場線(從初始向量開始逆時針轉過(i-l)，n/360)角度的電場線)以及該電場線從中心路徑點到管道內壁的距離h
(k,i,l);將第k個剖曲面的第i條電場線映射到Z二k的截平面內繞原點由Y軸逆時
針旋轉(i-lf(n/360)度的射線上，射線長度為l;將各個平面進行坐標變換使得到
的圖象處於第一象限。這樣可以保證剖曲面的初始向量與截平面的Y軸方向一致(如圖1)。將這些截平面依次排列可以得到拉直後的管道內壁數據。
6. 對拉直的管道數據進行形態學膨脹腐蝕(膨脹元素半徑為10，腐蝕元素半徑為8)得到拉直後管道數據的基準面。
7. 將原始圖像進行外翻旋轉。
首先對拉直的圖像進行處理
a. 以第k個截平面第i條射線為對象，以該射線與基準面的交點為中心，將該射線與內壁交點沿著該射線對稱到基準面之外，並收縮一長度(如圖2)。記錄第k個截平面第i條射線中心路徑點到外翻後點的距離1^ (k,i，l,)。這樣每條射
線都有一個標量來描述。
b. 對拉直的管道數據逆時針旋轉e角度將第k個截平面第i條射線旋轉到
第i+0/(2兀/n) (n為每個截面的射線條數)條射線的位置，此時該射線的描述標量為(k,i+e/(2兀/n),1,)。
然後將處理後的數據信息映射到原始圖像中
a. 將圖像數據置O，計算原始圖像中心路徑第k個點的電場線曲面。
b. 將第i+e/(2兀/n)條電場線上距離中心路徑點1,的點置255作為電場線的邊界點。
c. 將上述步驟遍歷每個中心路徑點就可以得到原始圖像外翻旋轉e角度後
的二值化圖像。
d. 對圖像進行插值處理將電場線上中心路徑點到邊界點之間的點置255。
8. 使用VTK三維可視化工具包將映射到基準面之外並旋轉的的管道內壁表面數據重新繪製，以用戶可控的方式顯示出來。用戶可以任意改換視角，對內壁表面從外部進行觀察。
12這樣的實施方式，不僅保留了原有虛擬外翻技術的各項優點，如管道的內壁可在外表面虛擬顯示出來，用戶能夠靈活地改變不同的視角，而且這種方法克服了曲率過大處觀察視角局限的缺點，可以將欲觀察的部位進行旋轉從而使觀察更靈活方便，對於彎曲部位的觀察更為細緻，同時避免了外翻方法中帶來的一些失真問題，為觀察管道內壁提供了更可靠的數據。
權利要求
1、一種基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法，其特徵在於包括以下步驟第一步，對已有的原始圖像進行預處理和分割；第二步，利用已分割後的圖像數據，繪製出一個基準面，該基準面平滑，且能代表物體的實際形態；第三步，以步驟二中的基準面為基準提取管道狀物體的中心路徑，然後對中心路徑作插值處理，並在中心路徑上構建點電荷模型；第四步，計算從各點電荷出發並垂直於中心路徑的電場線，從一點出發的電場線形成一個曲面，曲面被內壁所截，得到一個剖曲面，並獲得剖曲面的初始向量；第五步，拉直處理，即從中心路徑起始點開始將得到的各個剖曲面展平，依次排列，排列時保證中心路徑點形成一條直線，各個剖曲面的初始向量方向一致；第六步，採用第三步中的方法繪製出拉直後圖像的基準面作為外翻基準面；第七步，對原始圖像進行外翻和旋轉，外翻和旋轉圖像同時進行；第八步，將外翻處理後的數據以交互式的方式三維顯示出來。
2、 根據權利要求1所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述原始圖像是利用CT、 MRI、 ICT成像手段獲取的管道狀物體的原 始數據。
3、 根據權利要求1所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述預處理，是指圖像的濾波、去噪處理。
4、 根據權利要求1所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述分割，是指採用自動分割算法，或者結合手動或完全手動分割 從輸入圖像數據中提取管道狀物體數據的處理方法。
5、 根據權利要求l所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述的中心路徑，是指在管道狀物體內部的一根中軸軌跡，軌跡上 各點都滿足最優中心點準則，中心路徑生成方法有拓撲學細化法、距離變換法，或者使用手工標定的方法得到中心路徑。
6、 根據權利要求l所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述的點電荷模型，是指在中心路徑上均勻而緻密地分布點電荷， 以確保生成電場線後，管道狀物體內壁上每一個數據點都有電場線穿過。
7、 根據權利要求l所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述的橫截曲面的初始向量，是指根據中心路徑上每一點的切線方 向，通過三個條件獲得a. 與切線方向垂直；b. 跟上一個中心路徑點的初始向量的夾角儘可能少； C.向量長度為l;從而求解出該點的剖曲面初始向量，第一個橫截面的初始向量選取過中心路 徑點垂直切線方向的一條射線。
8、 根據權利要求l所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述的將各個剖曲面展平，是指以剖曲面初始向量為基準，記錄剖 曲面上電場線與初始向量的夾角和電場線的長度，並將各條電場線映射到拉直圖 像中該中心路徑點對應的直截面上將初始向量所對應的電場線映射到以中心路 徑點為原點的直截面上的Y軸上，長度保持不變；剖曲面上與初始向量夾一角度 的電場線映射到直截面上與Y軸夾相應角度的過原點的射線上，長度保持不變， 這樣就將曲線映射到直線，將剖曲面映射到平面。
9、 根據權利要求l所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述對原始圖像進行外翻和旋轉，包括如下步驟-a. 根據拉直後的圖像計算每一個中心路徑點對應的直截面，即經過中心路徑 點垂直於中心路徑的截面；b. 在每個直截面上，以中心路徑點為起點向各個方向發出射線，射線與內 壁和基準面各有一個交點，記錄這兩個交點之間的距離，以射線與基準面交點為 起始點沿射線方向前進所記錄的距離，並收縮得到的點即為內壁點外翻後所得到 的點；C.將外翻後的直截面繞拉直的中心路徑逆時針旋轉，記錄Y軸旋轉後的方向 向量，記為基準向量；d.將旋轉後的每個直截面映射到原始中心路徑相應點所在的剖曲面上。
10、根據權利要求9所述的基於中心路徑的管道狀物體虛擬外翻旋轉的方法， 其特徵是，所述將旋轉後的每個直截面映射到原始中心路徑相應點所在的剖曲面 上，是以基準向量為基準，記錄直截面上射線與基準向量的夾角和射線的長度， 並將各條射線映射到原始圖像中該中心路徑點對應的剖曲面上，具體為將剖曲 面上與初始向量夾旋轉角度的向量定義為初始向量，將基準向量所對應的射線映 射到剖曲面上初始向量所對應的電場線上，長度保持不變；直截面上與基準向量 夾一角度的射線映射到剖曲面上與初始向量夾相應角度的電場線上，長度保持不 變，這樣就將直線映射到曲線，將平面映射到曲面。
全文摘要
本發明涉及的是一種圖像處理技術領域的基於中心路徑的管道狀物體外翻旋轉的方法，步驟為對已有的原始圖像數據進行預處理和分割；利用已分割後的圖像數據，繪製出一個基準面；以基準面數據為基準提取管道狀物體的中心路徑，構建點電荷模型；計算從各點電荷出發並垂直於中心路徑的電場線，從一點出發的電場線形成一個曲面，曲面被內壁所截，得到一個剖曲面，並獲得剖曲面的初始向量；拉直處理；繪製出拉直後圖像的基準面；對原始圖像同時進行外翻和旋轉；將外翻旋轉處理後的管道狀物體數據顯示出來。本發明將外翻後的數據進行了旋轉，它結合了拉直和外翻處理方法的優點，避免了彎曲較大部位的失真，從而可以從各個視角對管道狀物體的內壁進行外視。
文檔編號G06T3/00GK101477677SQ20081020777
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者洲 林, 俊 趙 申請人:上海交通大學