一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法及其系統的製作方法
2023-05-18 19:32:06 1
專利名稱：一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法及其系統。
背景技術：
經過十幾年的發展，醫學可視化已經從輔助診斷髮展成為輔助治療的重要手 段，並將深入到各個醫學領域。70年代以後，通過計算機X射線斷層投影(CT)、 核磁共振(MRI)以及超聲波等醫學成像技術得到的二維數字斷層圖像序列中，己 包含了人體內各種器官的三維信息，但是僅僅依靠這種二維數字斷層圖像卻很難 直觀地體現或確定物體的三維結構以及它們相互之間的關係。而醫學體數據可視 化就是運用計算機圖形學和圖像處理技術，在三維空間中將醫學體數據生成為人 體器官或組織的三維圖像，從而在屏幕上形象逼真地顯示人體組織內部的複雜結 構。這樣，醫生可以通過人機互動對該三維圖像進行縮放、旋轉、位移、切片處 理、多層顯示、分割、提取組織器官等一系列操作，幫助醫生做出準確的診斷和 制定正確的手術方案。由於人體的三維信息在醫學診斷治療等許多臨床領域所具 有的特殊應用價值，近年來三維醫學圖像的可視化技術受到人們越來越多的關注。 三維醫學圖像可視化技術中的一種重要方法是直接體繪製技術，較傳統的 面繪製而言，體繪製表達了人體內部的組織信息，因此具有高度的保真性，己經 成為當今醫學可視化領域的一個研究熱點。然而在通常的醫學體數據繪製過程中， 由於計算量很大，因此存在圖像生成速度慢、實時性難以保證等缺點。近年來， 隨著計算機運算能力的增強和硬體技術的發展，研究者提出了利用可編程管線的 圖形處理器(GPU)的並行計算能力來提高體繪製的速度，從而使繪製速度接近實 時。
另一方面，在醫學數據體繪製的研究領域中，由於許多醫學數據集將不同的人體組織用相同的標量值來表示，使得我們關心的組織被一些不重要的組織所 遮擋，例如，在核磁共振成像數據集中，腦組織被具有相同標量值範圍的皮膚和 脂肪組織所包圍，如果利用傳遞函數將代表腦組織的標量值設為不透明，那麼周 圍的軟組織也將被設不透明，以至於在可視化之後大腦仍然會被周圍的軟組織遮 擋。而這種遮擋很難通過設計傳遞函數的方法來解決。再者設計傳輸函數是一件 非常繁瑣耗時的工作，通常並不能滿足臨床應用的需要。因此，如何將醫學數據 中我們感興趣的組織區域快速剝離出來並進行實時繪製已經成為一個亟待解決的 重要問題。
發明內容
為了克服現有的醫學數據不同組織間的遮擋問題，計算複雜、準確性低、不 能滿足臨床應用的要求的不足，本發明提供一種有效解決不同組織間的遮擋問題、 計算簡單、準確性高、能滿足臨床應用的要求的面向醫學數據的分層剝離體繪製
方法及其系統。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法，所述的分層剝離方法包括以下步
驟
1) 、導入醫學體數據；
2) 、利用光線投射算法，沿光線方向對體數據採樣，通過計算相鄰的不透明度極 小值和極大值之間的斜率，並根據用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定 分層點，包括
(2.1) 、沿光線尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位
置Pa以及不透明度值Aa;
(2.2) 、沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並
記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab;(2.3) 、根據公式仏=(Ab - Aa) / (Pb - Pa)計算採樣點A、 B之間的斜
率Z朋；
(2.4) 、由用戶指定一個斜率閾值L;
(2.5) 、比較^與L:僅當^^L時，將採樣點A點作為一個分層點；
(2.6) 、否則，轉(2.1)，繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點；
3)、從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪製，
包括
(3.1) 、在分層點處將累計不透明度4'重置為零；
(3.2) 、根據公式^ =4-14 ，對該分層點之後的每個採樣點 進行不透明度累加；
(3.3) 、指定累積不透明度閾值」_acc，當4'>」—"cc時，當前分層結束繪製。 一種面向醫學數據的分層剝離體繪製系統，所述體繪製系統包括數據導入
模塊，用於導入醫學體數據；分層點確定模塊，用於利用光線投射算法，沿光線 尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位置Pa以及不透明度 值Aa;沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並記錄B 點的位置Pb以及不透明度值Ab;根據公式~= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算採
樣點A、 B之間的斜率^s;由用戶指定一個斜率閾值L;比較^與L:僅當^〉L 時，將採樣點A點作為一個分層點，否則繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點； 體繪製模塊，用於從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進 行直接體繪製，在分層點處將累計不透明度4'重置為零，根據公式
4 二4.i+a-^.i) 4 ，對該分層點之後的每個採樣點進行不透明度累加，指
定累積不透明度閾值^4—acc，當4'>^—acc時，當前分層結束繪製。
本發明的技術構思為導入需要分層顯示的醫學體數據；利用光線投射算法沿光線方向對體數據進行採樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的
斜率，並根據用戶指定的斜率閾值確定分層點；從每條光線上不同組織的分層點
處開始，沿光線方向對採樣點進行融合，直到累積不透明度超過用戶指定閾值。 本發明的有益效果是實現對人體中的不同組織進行快速剝離並且分層繪製，
可以在臨床應用等對時間有嚴格要求的情況下來解決人體中不同組織之間的遮擋
問題，這樣能夠免去反覆修改傳遞函數的繁瑣，同時在這個過程中不需要或者盡
可能少的要求用戶幹預。
圖1是面向醫學數據的分層剝離體繪製系統總體結構圖。 圖2是分層剝離體繪製方法的程序簡要流程圖。
圖3是不透明度曲線。 圖4是判斷分層點的示意圖。 圖5是分層剝離算法的程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。 實施例1
參照圖1 圖7， 一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法，所述分層剝離方
法包括以下步驟
1) 、導入醫學體數據；
2) 、利用光線投射算法，沿光線方向對體數據採樣，通過計算相鄰的不透明度極 小值和極大值之間的斜率，並根據用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定 分層點，包括
(2.1)、沿光線尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位 置Pa以及不透明度值Aa;(2.2) 、沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並 記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab;
(2.3) 、根據公式~= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算採樣點A、 B之間的斜
率U ;
(2.4) 、由用戶指定一個斜率閾值L;
(2.5) 、比較^與L:僅當^》L時，將採樣點A點作為一個分層點；
(2.6) 、否則，轉(2.1)，繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點；
3)、從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪製，
包括
(3.1) 、在分層點處將累計不透明度4'重置為零；
(3.2) 、根據公式^ 二」m十(1-4.1) 4 ，對該分層點之後的每個採樣點 進行不透明度累加；
(3.3) 、指定累積不透明度閾值」_flcc，當4'〉^一acc時，當前分層結束繪製。 圖1中，分層剝離方法系統總體結構圖是本方法的總體方案，數據導入部分
使用。++語言實現，分層剝離算法部分利用Cg語言編寫，整個程序在VC平臺
上實現。
圖2中，面向醫學數據的分層剝離體繪製方法的步驟有首先導入醫學體數 據，然後沿光線方向確定不同組織的分層點，最後在每條光線的這些分層點處開 始利用光線投射算法進行直接體繪製。
在上述的分層剝離體繪製方法的步驟中，如何確定不同組織的分層點是該方 法的核心步驟。由於光線投射算法中每一條穿過體數據場的光線會對經過的所有 點進行採樣，這些採樣點的不透明度呈連續性變化，這種變化可以由圖3所示曲 線表示，處在同種組織中採樣點的不透明度變化不大，但在不同類型組織的分界 處不透明度會有較大的變化，因此不同組織的分界點必定會出現在不透明度變化
8較快的區域。處于波谷處的採樣點具有不透明度的極小值，稱這種採樣點為極小 採樣點，本文方法在一條光線上的極小採樣點中尋找不同組織的分層點。
圖4為判斷分層點的示意圖，通過指定閾值丄來判斷不透明度變化是否足夠 快。具體判定方法如下首先沿光線尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記 錄採樣點A的位置Pa以及不透明度值Aa;沿光線尋找A點之後的第一個具有不 透明度極大值的採樣點B，並記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab;根據公式 U= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算採樣點A、 B之間的斜率Ls ;比較^與Z:僅
當^〉丄時，將採樣點A點作為一個分層點；否則，繼續尋找能夠滿足分層要求
的釆樣點。
分層剝離算法算法的程序流程圖如圖5所示。程序主要由兩部分組成，頂點 程序和片段程序。其中頂點程序僅用於坐標的變換，並將紋理坐標、變換後的頂 點坐標以及頂點的顏色輸出給片段程序。分層剝離算法部分由片段程序來完成， 首先沿著光線進行採樣，尋找具有不透明度極小值的採樣點A以及其後第一個具
有不透明度極大值的採樣點B，然後根據公式^= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算斜 率；進行分層點的判定，並將^與指定的斜率閾值丄相比較，僅當/^"時，確 定採樣點A為分層點。否則繼續沿光線尋找極小採樣點並重新進行分層點的判定。 當確定分層點後，將累積不透明度4'置零，並從該分層點處利用光線投射算法進 行體繪製。當累積的不透明度值4'超過指定閾值^_acc時結束該層組織的繪製，
並在該層組織之後尋找新的分層點，進行新的一層的繪製，直至採樣結束。 實施例2
參照圖1 圖7， 一種面向醫學數據的分層剝離體繪製系統，包括數據導入 模塊，用於導入醫學體數據；分層點確定模塊，用於利用光線投射算法，沿光線 尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位置Pa以及不透明度 值Aa;沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab;根據公式^= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算採
樣點A、 B之間的斜率^s;由用戶指定一個斜率閾值L;比較；與L:僅當^〉L 時，將採樣點A點作為一個分層點，否則繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點；
體繪製模塊，用於從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進
行直接體繪製，在分層點處將累計不透明度4'重置為零，根據公式 j; 二 jM +(1-4:》鴻，對該分層點之後的每個採樣點進行不透明度累加，指
定累積不透明度閾值』—acc，當4'〉^—acc時，當前分層結束繪製。 本實施例的工作過程與實施例1相同。
權利要求
1、一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法，其特徵在於所述的分層剝離方法包括以下步驟(1)導入醫學體數據；(2)利用光線投射算法，沿光線方向對體數據採樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的斜率，並根據用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定分層點，包括(2. 1)、沿光線尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位置Pa以及不透明度值Aa；(2. 2)、沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab；(2. 3)、根據公式lAB＝(Ab-Aa)/(Pb-Pa)計算採樣點A、B之間的斜率lAB；(2. 4)、由用戶指定一個斜率閾值L；(2. 5)、比較lAB與L僅當lAB>L時，將採樣點A點作為一個分層點；(2. 6)、否則，轉(2.1)，繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點；(3)從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪製，包括(3. 1)、在分層點處將累計不透明度重置為零；(3. 2)、根據公式對該分層點之後的每個採樣點進行不透明度累加；(3. 3)、指定累積不透明度閾值A_acc，當時，當前分層結束繪製。
2、 一種用如權利要求1所述的面向醫學數據的分層剝離休繪製方法實現的體繪製系統，其特徵在於所述體繪製系統包括數據導入模塊，用於導入醫學體數據；分層點確定模塊，用於利用光線投射算法，沿光線尋找具有不透明度極小值的採樣點A，並記錄採樣點A的位置Pa以及不透明度值Aa;沿光線尋找A點之後的第一個具有不透明度極大值的採樣點B，並記錄B點的位置Pb以及不透明度值Ab;根據公式~= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算採樣點A、 B之間的斜率^ ;由用戶指定一個斜率閾值L;比較^與L:僅當仏〉L時，將採樣點A點作為一個分層點，否則繼續尋找能夠滿足分層要求的採樣點；體繪製模塊，用於從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪製，在分層點處將累計不透明度4:重置為零，根據公式4 =4.1 4 ，對該分層點之後的每個採樣點進行不透明度累加，指定累積不透明度閾值j_acc，當4:>^4—flcc時，當前分層結束繪製。
全文摘要
一種面向醫學數據的分層剝離體繪製方法，包括以下步驟1)導入醫學體數據；2)利用光線投射算法，沿光線方向對體數據採樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的斜率，並根據用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定分層點；3)從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪製。以及提供了一種面向醫學數據的分層剝離體繪製系統。本發明有效解決不同組織間的遮擋問題、計算簡單、準確性高、能滿足臨床應用的要求。
文檔編號G06T15/00GK101488233SQ20091009642
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月2日 優先權日2009年3月2日
發明者包佳蕊, 吳福理, 誠 李, 梁榮華, 毛劍飛, 莉 蔣, 譚國珍, 黃鮮萍 申請人:浙江工業大學