人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法及其應用的製作方法
2023-04-25 16:06:56 2
專利名稱：人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於計算機成像技術領域，特別是醫學影像及手術模擬技術領域。其中包括一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法和一種人體骨性三維交互模擬手術的實現方法。
背景技術：
在科學研究領域，研究的主要目的是理解自然的本質。要達到這個目的，需經過從觀察自然現象到模擬自然現象並分析模擬結果的過程，這依賴於科技進步發展。
具體到醫學方面，為了能夠準確認識疾病，為手術方案的制訂提供依據，計算機手術模擬應運而生，是現代外科的重要發展方向，該領域的研究是計算機科學、數學、機械學、外科及生物醫學工程學等多學科高技術的結晶，已成為各國科技界研究的一個熱點。
日本學者Fujino於1989年第一次提出模擬手術的概念，即在計算機產生的三維實體模型上立體展示病變情況及手術過程。Murphy研究中提出了由CT數據來計劃全髖關節置換手術的概念。1990年Delp等人建立了人體下肢的圖形交互模型，進行下肢手術模擬的研究。近年來，隨著計算機的飛速發展，這個領域的研究不斷深入。1996年Koch利用有限元模型系統通過改變骨骼和軟組織的位置來模擬面部整形手術。1999年Christopher利用有限元模型進行髖關節穩定性預測分析；Neumann，P.報導了利用三維切割交互模型進行頜面外科的手術設計的研究。國內已有一些開發計算機手術模擬系統的報導，如計算機輔助上頜面手術模擬，計算機輔助放射治療。上述模擬手術的人體模型及目前國際上美國、韓國及我國建立的虛擬人，均屬於正常人已知體(即直接從人體或屍體上獲得數據)的三維重建模型，與實際病人骨骼疾病本身具有著一定誤差。實際上，人體骨骼系統疾病的病理模型的具體數據並不能從人體或屍體上直接獲得，這些結構屬於未知體。以兒童先天性髖脫位為例，不能直接獲得數據，需通過螺旋CT(SVCT)掃描獲得數據。
現有螺旋CT設備雖然能進行三維模型重建，但卻不能對模型進行任意切割，只能用於觀察，目前尚無法實現手術模擬。
計算機模擬手術的關鍵在於人體(也包括動物體等，為敘述方便，以下統稱人體)三維交互模擬的建立。通常三維模型的重建是利用三維數據場等值面生成的經典算法Marching Cubes法，即移動立方體法。該算法由Lorensen等人於1987年提出，它對體數據中的體素(又稱體元)進行處理，生成三角面片集。體素是體數據的基本組成單位，每八個相鄰的採樣點所定義的立方體區域構成一個體素。一個體素中可能包含多個三角面片。現有手術模擬系統在進行三維重建時就是採用這種算法。為將重構的三維模型用於手術模擬，最好要求重構模型中的三角面片不但具有連接性，而且能夠快速定位，這樣才能滿足實時交互進行三維切割、移位、旋轉和拼合的需要。然而基於現有的這種Marching Cubes方法生成的三維重構模型都是散亂的三角面片集，所得到的三角面片並非都是相連的，這種模型結構在對模型進行切割、取捨等全局性模擬操作時帶來不便，使得現有此類系統特別複雜，通常需要在工作站上才能實現。
而且，現有的手術模擬系統一般是利用原始圖像數據直接進行三維重構，這樣得到的三角面片集數量巨大，相應增加了運算的複雜性，不但對設備要求更高，而且其反應速度很慢。
而且，現有手術模擬系統並不能實現三維交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉、拾取和拼合。
發明內容
基於現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是，提供一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，能使建立過程中生成的三角面片相連，並可以實現快速查找和定位。
本發明所要解決的另一技術問題是，提供一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，其還可以簡化模型數據，提高系統反應速度。
本發明所要解決的再一技術問題是，提供一種人體骨性三維交互模擬手術的實現方法，實現骨骼三維交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉、拾取和拼合。
為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案。
人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括一圖像數據獲取步驟、一模型數據提取步驟及一模型數據重建步驟，所述模型數據重建步驟包括一體素處理步驟，是利用移動立方體法(Marching Cubes法)對體數據的體素進行處理，生成三角面片集；一模型記錄步驟，是利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，通過B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；以及一模型重建步驟，是利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建。
其中，所述圖像數據獲取步驟是採用螺旋CT對包含未知體的實體進行掃描，獲得原始圖像數據。
其中，所述模型數據提取步驟是根據灰度等級對原始圖像數據進行選擇，對數據開窗進行處理，提取出其中的模型圖像數據，並去除圖像中的幹擾數據。
其中，在所述模型數據提取步驟後，還包括一模型數據壓縮步驟，是根據原始圖像數據的密度，對模型圖像數據進行兩級重採樣，以簡化數據，實現數據壓縮。
其中，進行兩級重採樣所用的是領域平均濾波器。
所說的人體骨性三維交互模擬手術的實現方法包括如下步驟骨胳模型建立步驟，利用以上任一權利要求所述的未知體三維交互模型的建立方法，建立骨骼三維交互模型，其模型圖像數據以B+樹數據結構形式組織記錄；骨刀模型建立步驟，根據骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需物體空間大小，並進行體素處理步驟，是利用移動立方體法對體數據的體素進行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，是利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，通過B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，是利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建，其中，該骨刀模型的網格劃分方式及大小與所述未知體三維模型相同；以及手術模擬步驟，包含骨刀模型的平移和/或旋轉步驟、骨骼模型的切割步驟以及骨骼模型的拼合步驟或其組合。
其中，所述手術模擬步驟中的骨刀的平移和/或旋轉步驟，是根據平移和/或旋轉變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實現骨刀的平移或旋轉。
其中，所述手術模擬步驟中的未知體模型切割步驟，是利用骨刀模型的B+樹數據結構中各層索引節點內包含的層次包圍盒信息，通過對骨骼模型的B+樹數據結構的不完全遍歷和回溯，定位骨骼模型與骨刀模型表面間的節點並分割骨骼模型。
其中的手術模擬步驟中的骨骼模型的拼合步驟，是根據變換矩陣變換未知體模型移動部分的所有面片的頂點的坐標和法向，再由新面片集生成新的B+樹，通過骨骼模型移動部分的平移和/或旋轉，實現骨骼模型的拼合。
所述骨刀模型可以包括平面骨刀模型和/或球面骨刀模型，其中，平面骨刀模型由以下參數確定局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、刀平面方程和刀邊界形狀方程；球面骨刀模型由以下參數確定局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、球面半徑和刀邊界形狀方程。
本發明具有如下有益效果本發明的人體骨骼未知體三維模型的建立方法由於採用了改進的移動立方體法，用B+樹數據結構方式重新組織記錄三維模型，保證了三角面片的連接，可以實現快速查找和定位，建模效率高。並且，由於採用了螺旋CT獲取原始圖像掃描數據，有利於模型的真實再現，並且由於簡化了模型數據，可以進一步提高系統反應速度。
本發明的人體骨性三維交互模擬手術的實現方法的骨骼和骨刀三維模型具有相同的網格劃分方式和大小，以及相同的B+樹結構，實現了未知體交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉、拾取和拼合。
通過該骨科三維交互模型，醫生可在虛擬環境中容易進行手術規劃和手術過程模擬，比較不同的手術方案和結果，以幫助制定最佳手術方案。
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式
作詳細說明。
圖1為本發明所述人體骨骼未知體三維交互模型的重建方法的一種實施例的流程示意圖；圖2為先天性髖脫位患兒SVCT掃描數據經二級重採樣再進行三維重構的三角面片集簡化結果列表；圖3為本發明所述人體骨性三維交互模擬手術實現方法的一種實施例的流程示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，所示為本發明所提出的人體骨骼未知體三維模型建立方法的一種實施方式的流程示意圖。該方法包括一圖像數據獲取步驟、一模型數據提取步驟、一模型數據壓縮步驟以及一模型數據重建步驟。
對於其中的圖像獲取步驟，由於未知體的三維重建不能通過在實體上直接測量得到體數據，所以原始圖像中體數據一般是利用CT掃描設備對包含未知體的實體進行掃描而獲得。
但是，傳統的CT由於接口問題，阻礙直接獲取原始掃描數據，需要依靠斷層膠片重建模型，其結果是數據丟失多，誤差大，失真明顯。因此，最好是利用螺旋CT。螺旋CT是連續不間斷地收集數據，克服了傳統CT的缺點，可直接提供高精度原始整體掃描數據，從而能更好地保證重建模型的精確性和真實性。
對於其中的模型數據提取步驟，是從通過圖像數據獲取步驟得到的原始圖像數據中選取適當灰度等級的數據開窗進行處理，提取出其中的模型圖像數據，並去除圖像中的幹擾數據。
如果直接利用上述螺旋CT掃描數據進行三維重構，那麼得到的三角面片的量將非常大。例如，對於先天性髖脫位患兒的螺旋CT掃描數據直接進行重構，得到的三角面片集大約含有290000個三角面片。如此龐大數量的三角面片將使三維重構和響應實時交互操作變得極為困難，對計算機的要求將非常高。為解決此問題，可對上述螺旋CT掃描數據進行簡化壓縮。
對高精度的螺旋CT掃描數據進行簡化可以採用三種方法。第一種方法是先求得精細模型，再對精細模型進行優化和簡化，其計算量大。第二種方法是對重構算法進行優化，結果是重構計算本身變得複雜，重構時間長。第三種方法是先簡化原始數據，再生成簡化模型。其優點是可以在不產生精細模型的情況下由簡化數據直接生成簡化模型，計算效率較高。在本發明的實施例中具體採用該第三種方法。
發明人在對上述先天性髖脫位患兒的螺旋CT掃描數據的研究中，分別採用三種濾波器進行數據重採樣實驗，以研究數據簡化效果。螺旋CT原始數據是規整網格數據，可直接選取重採樣點原始數據值作為簡化數據中該點的數據值。參見圖2，所示為簡化結果列表。從中可以看出，對掃描數據經重採樣簡化再進行三維重構可分別使產生的三角面片數據集壓縮到精細模型的20％(經一級重採樣)和4％(經二級重採樣)。研究結果表明，採用最簡便的領域平均濾波器進行兩級重採樣簡化數據生成的模型保留了原始數據中的信息，降低了計算量，取得了滿意的效果，可以滿足實時交互的需要。
因此，在本實施例中，所述模型數據壓縮步驟是根據原始圖像數據的密度，對模型圖像數據進行兩級重採樣，以簡化數據，實現數據壓縮，進行兩級重採樣所用的是領域平均濾波器。
對於其中的模型數據重建步驟，其具體包括一體素處理步驟、一模型記錄步驟及一模型重建步驟，其中體素處理步驟是利用移動立方體法對體數據的體素進行離散處理，生成三角面片集；模型記錄步驟是利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，採用B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟是利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建。
可以看出，本發明對傳統移動立方體法作了改進，表現在，使用B+樹數據結構分組存儲三角面片集。這樣，得到的整個髖關節三維模型為一個B+樹組成的森林樣數據結構，B+樹是B樹的一種變形，其中所有的葉節點都相互連接，這樣就保證了三角面片之間的連接。B+樹提供了兩條搜索路徑，一條是由根至葉的查找，另一條是沿葉節點的查找，從而在模型重建時，明顯提高三角面片的定位速度，使三維重構和分組可在對三維網格數據的一次掃描中完成。
參見圖3，所示為本發明骨科三維交互模擬手術的實現方法的流程示意圖。下面結合模擬小兒先天性髖脫位骨科手術過程的實例，對本方法進行詳細說明。
該方法包括骨骼模型建立步驟、骨刀模型建立步驟和手術模擬實施步驟。
其中，骨骼模型建立步驟是利用前述的未知體三維模型的建立方法，建立未知體三維模型，其模型圖像數據以B+樹數據結構形式組織記錄。
選擇左側先天性髖脫位患兒1名，女，6歲，作為建模素材。採用PhilipTomoscan SR 7000型螺旋CT從髂骨翼至股骨近端連續掃描36層，螺旋層厚5mm，床進速度3mm/s，螺旋CT原始整體圖像數據通過HUB存儲於Dicom伺服器。使用SGI圖形工作站，通過NFS共享方式，從Dicom伺服器獲取螺旋CT原始圖像數據。
從上述原始圖像數據中選取適當灰度等級的數據開窗進行處理，提取出其中的模型圖像數據，並去除圖像中的幹擾數據。
採用領域平均濾波器經兩級重採樣，有效壓縮原始圖像數據。
採用前述改進的移動立方體法進行體素處理，並用B+樹方式分組存儲經處理的體素及其所含三角面片信息。按照Marching Cubes方法可以發現其中隱含著三角面片的多層次包圍盒信息，由上向下依次為分組、層、行和體素，而用B+樹數據結構記錄存儲三角面片符合移動立方體法處理過程的特點，這樣記錄的三維模型為一個B+數組成的森林樣數據結構。
骨刀模型建立步驟，根據骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需的物體空間大小，並將骨刀模型的物體空間劃分為與髖關節模型相同的網格空間；然後按層、行和體素順序，開始對每一邏輯立方體進行處理。當一個立方體不處於曲面邊界時，不處理該立方體，對處於邊界上的立方體則生成該立方體內的局部數據場，並對該邏輯立方體內生成的所有面片進行檢測，以保證該立方體內屬於邊界外的面片不被包含入骨刀模型內。
將骨刀模型離散為三角面片，使骨刀和髖關節模型物體空間的坐標原點重合，網格劃分和大小相同，根據曲面方程生成正規網格數據。再採用改進的移動立方體法進行體素處理，產生重構骨刀模型的三角面片集，並將其組織到一棵B+樹中。
現分別以平面骨刀模型和球面骨刀模型為例，說明骨刀曲面方程的確定。平面骨刀模型，由局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、刀平面方程和刀邊界形狀方程(4個平面方程)確定；球面骨刀模型由局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、球面半徑和刀邊界形狀方程(2個平面方程)確定。
在手術模擬實施步驟中，包含骨刀模型的平移和/或旋轉步驟、未知體模型的切割步驟以及未知體模型的拼合步驟或其組合。實踐中的各種複雜術式都是通過這些基本操作或其組合實現的。
在手術模擬實施過程中，需要將骨刀模型移動到任意位置旋轉為任意角度後進行切割操作。平移和旋轉後骨刀模型的B+樹結構必然徹底改變，而B+樹結構又是實現前述快速切割算法的基礎。因此，如何處理作了平移和旋轉操作後的骨刀模型的B+樹是核心問題。一種思路是根據變換矩陣變換面片的所有頂點的坐標和法向，再由新面片集生成新的B+樹；另一種思路是根據變換矩陣生成整個骨刀模型的新描述信息，再由前述的骨刀模型生成方法生成新位置上的骨刀模型。按前一種算法，整個骨刀模型的每一個面片要被重新修改，而關鍵問題是變換過的面片很可能不再處於一個網格內，因此必須將這樣的面片重新剖分。而按後一種算法，只要重新確定新位置上的骨刀模型經過的網格，再處理這些網格就可以得到新模型。由於骨刀模型經過的網格數較少，按第二種思路重新生成的面片比按第一種思路修改每一個面片的幾何構造並進行剖分更為有效率。因此，本實施例中，採用了修改整個模型參數再重新生成骨刀模型的方式，先根據平移和/或旋轉變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實現骨刀的平移或旋轉。
骨刀模型移動到要求位置後，重新生成新的模型，以進行切割操作。此前我們已獲得了髖關節表面模型的B+樹表示，根據上面所述，骨刀模型是用與髖關節模型相同的B+樹結構組織記錄三角面片集，兩模型的網格劃分方式及大小均相同。在為骨刀和髖關節模型建立了各自的B+樹表示後將兩模型放入同一物體空間，進行求交切割運算。
按照傳統的離散為三角面片的三維表面模型間的切割算法，需要對兩個表面模型逐個面片進行測試，以求得兩個模型的所有交點，再由交點開始利用面片的相鄰信息在被切割體的模型中跟蹤所有面片，確定每個面片應屬於被分割後的哪一部分。為得到分割結果需要遍歷被切割模型的所有面片，對於複雜模型效率極低。
本發明實現切割的方法是在將骨刀和髖關節的三維表面模型放入同一物體空間，分別為兩個模型建立各自的B+樹表示後，利用B+樹中各層索引節點內包含的層次包圍盒信息，通過對B+樹的不完全遍歷和回溯，只選擇子孫節點中包含交點的非葉節點進行擴展，達到快速定位表面模型間的交點並分割髖關節模型的目的。有效地提高了實際系統操作效率。
在其後的骨骼模型的拼合步驟中，是通過未知體模型移動部分的平移和/或旋轉，實現未知體模型的拼合。具體方式是根據變換矩陣變換未知體模型移動部分的所有面片的頂點的坐標和法向，再由得到新面片集生成新的B+樹，從而可以得到拼合後的骨骼模型。
本發明可具體應用於微機環境，便於推廣使用，對提高整體醫療水平有重要意義，具有廣闊的應用前景。
權利要求
1.人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括一圖像數據獲取步驟、一模型數據提取步驟及一模型數據重建步驟，其特徵在於所述模型數據重建步驟包括一體素處理步驟，是利用移動立方體法對體數據的體素進行處理，生成三角面片集；一模型記錄步驟，是利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，通過B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；一模型重建步驟，是利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建。
2.如權利要求1所述的建立方法，其特徵在於，所述圖像數據獲取步驟是採用螺旋CT對包含未知體的實體進行掃描，獲得原始圖像數據。
3.如權利要求2所述的建立方法，其特徵在於，所述模型數據提取步驟是根據灰度等級對原始圖像數據進行選擇，對數據開窗進行處理，提取出其中的模型圖像數據，並去除圖像中的幹擾數據。
4.如權利要求1所述的建立方法，其特徵在於，在所述模型數據提取步驟後，還包括一模型數據壓縮步驟，是根據原始圖像數據的密度，對模型圖像數據進行兩級重採樣，以簡化數據，實現數據壓縮。
5.如權利要求5所述的建立方法，其特徵在於，進行兩級重採樣所用的是領域平均濾波器。
6.人體骨性三維交互模擬手術的實現方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟骨胳模型建立步驟，利用以上任一權利要求所述的未知體三維交互模型的建立方法，建立骨骼三維交互模型，其模型圖像數據以B+樹數據結構形式組織記錄；骨刀模型建立步驟，根據骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需物體空間大小，並進行體素處理步驟，是利用移動立方體法對體數據的體素進行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，是利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，通過B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，是利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建，其中，該骨刀模型的網格劃分方式及大小與所述未知體三維模型相同；手術模擬步驟，包含骨刀模型的平移和/或旋轉步驟、骨骼模型的切割步驟以及骨骼模型的拼合步驟或其組合。
7.如權利要求6所述的實現方法，其特徵在於，其中的手術模擬步驟中的骨刀的平移和/或旋轉步驟，是根據平移和/或旋轉變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實現骨刀的平移或旋轉。
8.如權利要求6所述的實現方法，其特徵在於，其中的手術模擬步驟中的未知體模型切割步驟，是利用骨刀模型的B+樹數據結構中各層索引節點內包含的層次包圍盒信息，通過對骨骼模型的B+樹數據結構的不完全遍歷和回溯，定位骨骼模型與骨刀模型表面間的節點並分割骨骼模型。
9.如權利要求6所述的實現方法，其特徵在於，其中的手術模擬步驟中的骨骼模型的拼合步驟，是根據變換矩陣變換未知體模型移動部分的所有面片的頂點的坐標和法向，再由新面片集生成新的B+樹，通過骨骼模型移動部分的平移和/或旋轉，實現骨骼模型的拼合。
10.如權利要求6所述的實現方法，其特徵在於，所述骨刀模型包括平面骨刀模型和/或球面骨刀模型，其中，平面骨刀模型由以下參數確定局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、刀平面方程和刀邊界形狀方程；球面骨刀模型由以下參數確定局部坐標系點在全局坐標系中的坐標、球面半徑和刀邊界形狀方程。
全文摘要
本發明公開了一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括圖像數據獲取步驟、模型數據提取步驟及模型數據重建步驟，模型數據重建步驟包括體素處理步驟，利用移動立方體法對體數據的體素進行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，利用體數據的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹結構的對應關係，通過B+樹數據結構方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，利用B+樹結構的數據搜索方式，根據B+樹結構下記錄的三維模型的體素的連接關係，對體素及其中的三角面片定位，實現三維模型的重建。本發明還公開了一種應用上述方法實現人體骨性三維交互模擬手術的方法，能實現實時交互的手術模擬，從而為制定最佳手術方案提供依據。
文檔編號G06T17/50GK1555030SQ20031012115
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月22日 優先權日2003年12月22日
發明者李浩宇, 許忠信 申請人:李浩宇