一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法與流程

2023-05-23 01:02:26

本發明涉及三維重建和可視化技術領域，特別是一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法。

背景技術：

在醫學圖像處理領域中，有諸多斷層掃描圖像的提取方法，尤其在冠狀動脈中運用的血管造影術，心血管阻塞搭橋時，運用的核磁共振成像(mri,magneticresonanceimaging)以及檢測時運用的電子計算機斷層掃描(ct,computedtomography)方法得到了廣泛的運用。

斷層數據的三維重建就是由一系列二維斷層圖像還原出被檢測物的三維結構。對醫學斷層圖像進行三維重建和可視化，可為醫生的診斷提供更為客觀、逼真的組織器官形態，從而克服傳統診斷中依賴於醫生的主觀想像、判斷而可能導致的不確定性以及誤差較大特性。因此，三維斷層圖像重建技術具有廣泛的臨床實用性。

檢索到現有的公開專利申請如下：

1.由非平行斷層圖像序列重建三維目標對象表面的方法(cn101533518b)，公開了一種由非平行斷層圖像序列重建三維目標對象表面的方法，通過對斷層圖像分割提取目標對象輪廓，並對其進行距離變換、提取圓盤集並去除冗餘找出目標對象輪廓內的極大圓盤集，在相鄰斷層圖像中選擇用來插值的圓盤集，計算斷層圖像中每一點指向圖像中目標對象的矢量值，確定插值斷層圖像之間空間點的距離，並進行基於輪廓的面繪製顯示，該方法的缺陷在於對圓盤集的插方式，並不是依據具體的斷層圖像中目標對象的平面位置信息，而是通過計算斷層圖像中每一點指向圖像中目標對象的矢量值，重建的三維輪廓信息，無法確保目標對象的真實性。

2.用於對對象進行掃描重建的錐形束的斷層方向可調整的三維重建方法及系統(cn104599316a)，公開了一種錐形束的斷層方向可調整的三維重建方法及系統，該方法能夠重建被測物體的任意方向斷層的圖像，另外該方法可僅針對感興趣區域進行重建，避免了感興趣區域之外區域的重建，從而減少了計算量，提高了重建速度。其特徵在於所述方法包括以下步驟：(1)通過ct系統對被檢測物體進行掃描；(2)通過預重建模塊對ct系統掃描數據進行重建；(3)通過參數調整獲得對應於視圖斷層圖像的圖像坐標系參數；(4)通過重建模塊獲得被測物體的三維圖像，該方法的缺陷在於只對感興趣的區域進行重建，雖然減少了程序計算量，單在重建區域的精度上，無法保證目標對象還原的真實形狀，有可能導致目標對象部分位置缺失。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，而提供一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法，該方法簡單，多角度展示，更好的圖像還原，以更為直觀的方式描述重建圖像的對應平面位置信息和步進位置信息，獲得重建後的三維圖像的空間解析度得到了極大提高，能夠全方位展示被測物體的管內壁複雜形狀，以及分層展示管內異常物質的組織材質特性的管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法。

本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：

根據本發明提出的一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法，包括以下步驟：

步驟s1、讀取n幅斷層掃描圖像，每一幅斷層掃描圖像有n條不同位置的單向光束信息，對該斷層掃描圖像進行極坐標變換，並使用插值法，增加斷層掃描圖像的像素密度，得到n幅按照極坐標變換公式變換後的像素的平面位置信息；

按照極坐標變換公式變換後的每個像素的平面位置信息(x,y)是按照如下過程得到的：將每一幅斷層掃描圖像的每條單向光束信息按照從1到n進行擺放，每條光束上有m個像素點的灰度值，確定插入像素的密度ρ，將讀取到的第ni幅斷層掃描圖像中的一個像素的平面位置信息(x,y)按照極坐標變換公式變換得到在2n*2n背景下的每個像素的平面位置信息(x,y)；其中，1≤ni≤n；

步驟s2、增加經過步驟s1變換後的每一幅斷層掃描圖像的對比度，得到可用於顯示的視覺圖；

步驟s3、對步驟s2得到的視覺圖採用邊緣檢測算法，提取目標對象的輪廓，並確定輪廓圓心；

步驟s4、依據斷層掃描圖像採集設備的步進時間與步進長度，求得經過步驟s1變換後的每一幅斷層掃描圖像排列到三維空間中、垂直於每一幅斷層掃描圖像平面的步進位置信息z；

步驟s5、根據步驟s1變換後的每一幅斷層掃描圖像的每個像素的平面位置信息(x,y)、步驟s2中的對比度、步驟s3中得到的輪廓圓心、步驟s4求得的步進位置信息z和斷層掃描圖像存儲格式構建出三維實體的數據結構，由圖像處理軟體顯示三維實體。

作為本發明所述的一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法進一步優化方案，步驟s1中，採用以下公式求得每個像素的平面位置信息(x,y)；

其中，ρ為插入像素的密度，ρ為已知，(x,y)為每一幅斷層圖像的每個像素點的平面位置信息，round(*)為四捨五入取整函數，m為步驟s1中每一條光束上像素點的個數，n為每一幅斷層掃描圖像上光束的條數。

作為本發明所述的一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法進一步優化方案，步驟s3中，通過設定像素點灰度閾值，實現邊緣輪廓平面位置信息的提取。

作為本發明所述的一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法進一步優化方案，步驟s4中第ni幅圖像在時刻在三維空間的步進位置信息z為：

其中，l為採集被測物體總長度，t為採集的總時間，則步進的速度n為採集到的斷層掃描圖像數。

作為本發明所述的一種管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法進一步優化方案，步驟s5中，利用每一幅斷層掃描圖像在三維空間中目標對象的等值面梯度，做灰度差分計算，從而顯示目標對象在三維空間中更加真實的形狀。

本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明提供一種方法簡單，多角度展示，更好的圖像還原，以更為直觀的方式描述重建圖像的對應平面位置信息和步進位置信息，獲得重建後的三維圖像的空間解析度得到了極大提高，能夠全方位展示被測物體的管內壁複雜形狀，以及分層展示管內異常物質的組織材質特性的管內步進單向光束掃描斷層圖像的三維重建方法。

附圖說明

圖1是基於單向光束軌跡矯正掃描圖像的三維實體建模流程圖。

圖2是極坐標變換前後圖像對比；其中，(a)為步驟s1中未經過極坐標變換的斷層掃描圖像，(b)為步驟s1中經過極坐標變換後的斷層掃描圖像。

圖3是極坐標變換前後圖像頻數分布直方圖對比；其中，(a)為圖1中(a)圖的圖像頻數分布直方圖，(b)為圖1中(b)圖的圖像頻數分布直方圖。

圖4是四種圖像對比度的灰度區間變化對圖像的影響效果；其中，(a)為fa＝2fb＝-55增加對比度顯示效果圖，(b)為fa＝0.5fb＝-55減小對比度顯示效果圖，(c)為fa＝1fb＝55線性平移增加亮度顯示效果圖，(d)為fa＝-1fb＝255反相顯示效果圖。

圖5是四種圖像對比度的變化對圖像直方圖的影響；其中，(a)為fa＝2fb＝-55增加對比度直方圖，(b)為fa＝0.5fb＝-55減小對比度顯示直方圖，(c)為fa＝1fb＝55線性平移增加亮度顯示直方圖，(d)為fa＝-1fb＝255反相顯示直方圖。

圖6是原始圖像在三維數據場中的顯示效果；其中，(a)為未經過處理的原始三維正面圖像，(b)為未經過處理後的側面三維圖像。

圖7是採用單向光束軌跡矯正後圖像的三維展示效果；其中，(a)為經過處理的原始三維正面圖像，(b)為經過處理的原始三維側面圖像。

具體實施方式

依據上述的發明內容，結合附圖來詳細說明根據本發明的基於單向光束軌跡矯正掃描圖像的三維實體建模方法。

參照圖1，根據本發明的基於單向光束軌跡矯正掃描圖像的三維實體建模方法包括以下步驟：步驟s1，讀取n幅斷層掃描圖像，每一幅斷層掃描圖像有n條不同位置的單向光束信息，對該斷層掃描圖像進行極坐標變換，並使用插值法，增加斷層掃描圖像的像素密度，得到n幅按照極坐標變換公式變換過的像素點平面位置信息，如圖2所示經過極坐標變換後的效果，圖2中的(a)為步驟s1中未經過極坐標變換的斷層掃描圖像，圖2中的(b)為步驟s1中經過極坐標變換後的斷層掃描圖像，以及如圖3所示的極坐標變換前後圖像直方圖的對比；圖3中的(a)為圖1中(a)圖的圖像頻數分布直方圖，圖3中的(b)為圖1中(b)圖的圖像頻數分布直方圖；步驟s2，增加每幅斷層掃描圖像對比度，如圖4所示對比度變化前後的效果，以及變化前後如圖5所示的直方圖變化特徵；圖4中的(a)為fa＝2fb＝-55增加對比度顯示效果圖，圖4中的(b)為fa＝0.5fb＝-55減小對比度顯示效果圖，圖4中的(c)為fa＝1fb＝55線性平移增加亮度顯示效果圖，圖5中的(d)為fa＝-1fb＝255反相顯示效果圖。圖5中的(a)為fa＝2fb＝-55增加對比度直方圖，圖5中的(b)為fa＝0.5fb＝-55減小對比度顯示直方圖，圖5中的(c)為fa＝1fb＝55線性平移增加亮度顯示直方圖，圖5中的(d)為fa＝-1fb＝255反相顯示直方圖；步驟s3，使用邊緣檢測，提取血管內壁的輪廓，並確定輪廓圓心，設定像素點灰度閾值，實現邊緣輪廓平面位置信息的提取；步驟s4，依據斷層掃描圖像採集設備的步進時間與步進長度，求得經過步驟s1變換後的每一幅斷層掃描圖像排列到三維空間中、垂直於每一幅斷層掃描圖像平面的步進位置信息z；步驟s5，對經過步驟s1變換後的每一幅斷層掃描圖像的每個像素的平面位置信息(x,y)、步驟s2中的對比度、步驟s3中輪廓圓心、步驟s4求得的步進位置信息z和圖像存儲格式構建出三維實體的數據結構，由圖像處理軟體顯示三維實體，如圖6和圖7所示。圖6是原始圖像在三維數據場中的顯示效果；其中，圖6中的(a)為未經過處理的原始三維正面圖像，圖6中的(b)為未經過處理後的側面三維圖像。圖7是採用單向光束軌跡矯正後圖像的三維展示效果；其中，圖7中的(a)為經過處理的原始三維正面圖像，圖7中的(b)為經過處理的原始三維側面圖像。

本發明基於圖像的像素特徵，將單向光束掃描到的斷層掃描圖像分塊存儲到內存空間，並在三維場景中展示，無論是斷層掃描圖像的展示效果，還是斷層掃描圖像的加載速度，都收到了良好的效果，主要應用在管內斷層掃描的圖像，是一種實用的醫療診斷輔助方法。

所述重建步驟s2在擁有原始斷層掃描圖像的基礎上，對原始斷層掃描圖像做預處理，目的在於為步驟s4提供良好的描述。得到一幅m*n像素的斷層掃描圖像後，將該斷層掃描圖像的灰度值，載入二維坐標系中，將每一幅斷層掃描圖像的每條單向光束信息按照從1到n進行擺放，每條光束上假設有m個像素點的灰度值，假設插入像素的密度用ρ來表示，該參數已知，假設待求的經過極坐標變換後的斷層圖像的每個像素點坐標用(x,y)來表示，對每一幅斷層掃描圖像的每個像素點(x,y)做如下變換：

得到在2n*2n背景下的每個像素點的位置信息(x,y)，由此，斷層掃描圖像的像素密度僅與插入像素的密度ρ有關，適當的增大ρ的值，可以得到比原始斷層掃描圖像更加清晰的斷層掃描圖像，而且並未導致斷層掃描圖像失真。

為了開發出角速度以及步進速度可控的驅動設備，坐標z用來表示步驟s4中三維空間中的步進位置信息，假定對應採集被測物體總長度為l，採集的總時間為t，則步進的速度由於採集到的斷層圖像數為n，則第ni幅圖像在時刻所對應的軸向坐標為：

函數f(x,y,z)表示等值面的梯度，垂直於等值面，因此每一個像素點的梯度方向就是等值面在該點的法向。立方體頂點的坐標值、灰度值和梯度值，通過插值可以得到三角片頂點坐標及其法向量。常用的插值方法有線性插值和中點選擇法。設p1和p2是立方體任意一條邊的兩頂點的坐標值，其灰度值分別為i1和i2，法向量分別為n1和n2，等值面閾值為t，則用線性插值法計算交點p及其法向量n的公式為：

若採用中點選擇法，則將交點p取為該邊的中點，即：

使用中點選擇法計算較簡單，且引起的誤差小於立方體邊長的1/2。目前醫學圖像解析度越來越高，使用中點選擇法和使用線性插值重建出來的三維圖像並沒有明顯視覺上的差異。

立方體頂點(i,j,k)處的單位法向量可由該點梯度g＝(gi,gj,gk)計算得到，其值為而頂點(i,j,k)處的梯度可通過灰度差分計算，即：

由立方體頂點的法向量通過上述插值方法就可獲得三角片頂點的法向量，用於後續中計算三維模型，以得到逼真的表面顯示。

在根據本發明的基於單向光束軌跡矯正掃描圖像的三維實體構建方法中，步驟s5中，當二維斷層圖像被順序的讀入內存構成數據場後，抽取等值面的的基本步驟如下：第一步，依次掃描相鄰兩層數據，逐個構造立方體；第二步，將立方體每個頂點灰度值和給定等值面閾值進行比較，計算索引值；第三步，對於含有等值面的立方體，通過灰度差分計算立方體各頂點的梯度；第四步，根據索引值查找邊索引表，獲得和等值面有交點的當前立方體的相交邊；第五步，根據相交的邊的兩頂點及其法向量，通過插值計算等值點(相交的邊和等值面的交點)坐標和法向量；第六步，根據索引查找三角片索引表，確定當前立方體內構成三角片的等值點的組合方式；第七步，由立方體內的三角片構成等值面。

本發明基於斷層掃描圖像的像素特徵，將單向光束掃描到的圖像分塊存儲到內存空間，並在三維場景中展示，無論是斷層掃描圖像的展示效果，還是斷層掃描圖像的加載速度，都收到了良好的效果，主要應用在管內斷層掃描的圖像，是一種實用的醫療診斷輔助方法。