一種臟器三維模型構建方法及裝置與流程
2023-04-26 23:16:16
本發明涉及醫學圖像處理技術領域，尤其涉及一種臟器三維模型構建方法及裝置。
背景技術：
虛擬臟器計算機輔助分析(Virtual Organ Computer Aided Analysis,Vocal)技術給超聲診斷提供了有效手段，該技術主要原理為基於超聲圖像的臟器輪廓勾畫，以網格曲面重構臟器的立體模型，為臟器容積測量、可視化提供更多的臨床診斷信息。應用範圍包括：孕囊測量、腫瘤評估、膽囊功能評估，前列腺容積測量、胎兒發育檢測等。該技術的可重複性、一致性優於二維超聲，得到廣泛應用。其中基於輪廓勾勒的三維臟器重構模型精度，完全依賴主觀的勾勒輪廓線外形及輪廓線數量，輪廓線數量越多，重構模型精度越高，但相應的輪廓線勾勒次數增多，工作量成倍增大。且無法對生成後的模型和臟器的三維超聲圖像進行比對，不支持三維模型的實時編輯，無有效的方法提高虛擬臟器的重建精度，準確的提供診斷信息。
CN 105761304A公開了一種三維臟器模型構造方法和裝置，其提出的臟器模型構建方法，有效解決了在不提高勾勒次數的前提下提高重構精度的方法，但該方法還存在以下缺點：1需要額外的計算輪廓線點法矢，引入了精度誤差。2.網格重構算法計算量大.3基於三角網格的編輯交互不夠靈活。
技術實現要素：
本發明實施例提供了一種臟器三維模型構建方法及裝置，以解決現有技術中存在的精度偏低和運算量大的問題。
第一方面，本發明實施例提供了一種臟器三維模型構建方法，包括：
獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像；
根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合；
統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面模型；
計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
進一步的，在所述對所述輪廓線進行樣條曲線擬合之後，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量之前，包括：
調整所述樣條曲線的首尾端點的曲率,以使得所述樣條曲線曲率連續。
進一步的，所述統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，包括：
獲取樣條曲線的控制點；
對所述控制點進行多次單節點插入，計算得到曲線的統一節點矢量。
進一步的，所述構造曲面模型，包括：
採用平均法計算樣條曲線v方向特徵節點矢量；
根據所述樣條曲線u方向特徵節點矢量和v方向特徵節點矢量構造樣條曲面模型。
進一步的,在構造樣條曲面後，計算得到所述曲面模型的三角網格頂點之前還包括：
還包括：
接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點；
相應的，所述計算三角網格頂點，生成三角網格曲面，包括：
根據調整後的控制點計算三角網格頂點
更進一步的，所述方法還包括：
根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積，
對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。
第二方面，本發明實施例還提供了一種臟器三維模型構建裝置，包括：切片圖像獲取模塊，用於獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像；
擬合模塊，用於根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合；
構造模塊，用於統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面；
生成模塊，用於計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
進一步的，所述裝置還包括：
調整模塊，用於調整所述樣條曲線的首尾端點的曲率,以使得所述樣條曲線曲率連續。
進一步的，所述構造模塊包括：
控制點獲取單元，用於獲取樣條曲線的控制點；
計算單元，用於對所述控制點進行多次單節點插入，計算得到曲線的統一節點矢量。
進一步的，所述構造模塊用於：
採用平均法計算樣條曲線v方向特徵節點矢量；
根據所述樣條曲線u方向特徵節點矢量和v方向特徵節點矢量構造樣條曲面。
進一步的，所述裝置還包括：
調整模塊，用於接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點；
相應的，所述計算模塊用於：
根據調整後的控制點計算三角網格頂點。
更進一步的，所述裝置還包括：
面積計算模塊，用於根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積，
容積計算模塊，用於對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。
本發明實施例提供的臟器三維模型構建方法及裝置，根據三維圖像的切片擬合的樣條曲線構造樣條曲面，在減少運算量的同時，減少了誤差；並可根據樣條曲面的控制點生成三角網格曲面，有效減少了臟器模型重構的運算量。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1是本發明實施例一提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖；
圖2是本發明實施例二提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖；
圖3是本發明實施例三提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖；
圖4是本發明實施例四提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖；
圖5是本發明實施例五提供的臟器三維模型構建裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。
實施例一
圖1為本發明實施例一提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖，本實施例可適用於利用超聲波掃查結果構建臟器三維模型的情況，該方法可以由臟器三維模型構建裝置來執行，該裝置可由軟體/硬體方式實現，並可集成於超聲成像設備中。
參見圖1，所述臟器三維模型構建方法，包括：
S110，獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像。
超聲成像是使用超聲波的聲成像。目前，所有三維成像都是以平面顯示的方式顯現成具有立體感的顯示方式。通常採用多個不同位置的掃查二維圖像來重構成一個立體圖像。例如：採用坐標位移法探測出圖像的邊界，然後將這些圖像進行疊加，生成掃查三維圖像。在本實施例中，可先將二維圖像質量調整到最佳，進入三維超聲模式，選擇徑向切片模式和/或旋轉切片模式，並設置切片參數。所述徑向切片模式可以是按照三維圖像的徑向對三維圖像進行切片；所述旋轉切片模式可以是選擇任意一個方向作為切片的軸向對三維圖像進行切片。所述切片參數包括切片的厚度。切片的角度越多，據此構造的臟器模型精確度越高，但計算量也越大。因此，需要根據實際需求選取模式。相應的，切片的厚度也與構造的臟器模型精度相關。即切片的厚度越小，據此構造的臟器模型精確度越高，但計算量也越大。也需要根據精度要求設定合適的切片參數。根據設定的切片模式和切片參數對所述三維圖像進行切片，並獲取切片圖像。
S120，根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合。
由於三維圖像是灰度圖像，示例性的，可以採用canny算子方法進行邊緣檢測，根據邊緣檢測的結果勾勒出切片的輪廓線。樣條曲線是經過一系列給定點的光滑曲線，具有連續的、曲率變化均勻的特點。能夠用於描述自由曲線和曲面，而且還提供了包括能精確表達圓錐曲線曲面在內各種幾何體的統一表達式。示例性的，可以根據構建精度選取合適的控制點個數，從輪廓線中選取符合控制點標準的數量的點作為控制點，根據選取出的多個控制點擬合樣條曲線。示例性的，可採用最小二乘法來擬合樣條曲線。最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數學優化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數據，並使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。可用於曲線擬合。例如：可採用如下方式進行擬合：其中，C(u)為樣條曲線方程，節點矢量U＝{u0,u1,u2,..un+p+1}，u'k為控制點對應的矢量，Pi是待求的樣條曲線控制點，Qk為輪廓線點，最小二乘法目標是求Pi，使f最小。
S130，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面。
在本實施例中，採用蒙皮算法構造樣條曲面模型。由於樣條曲面可視作多條樣條曲線的組合。這些樣條曲線需要曲線一致。在本實施例中，通過節點插入的方式，使樣條曲線節點矢量統一。獲取樣條曲線的控制點；具體的，可以對所述控制點進行多次單節點插入，計算得到曲線的統一節點矢量。示例性的，可以採用如下方式進行節點插入：
其中，節點矢量U＝{u0,u1,u2,..un+p+1}，ui<u≤ui+1,i∈(k-p+1,k)，k為插入的節點u所在樣條曲線節點矢量位置，Pi為插入節點前控制點，Qi為插入節點後控制點。在完成樣條曲線的u方向特徵節點矢量統一後，需要選取v方向參數。可選取為相應截面曲線所擬合的等值線的函數值。示例性的，可採用平均法計算得到：其中，di表示樣條曲線中Pi,k Pi,k-1的總距離，根據特徵節點矢量計算出v方向節點矢量。根據u方向特徵節點矢量和v方向特徵節點矢量可構造樣條曲面。
S140，計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
示例性的，可根據上述樣條曲面的u方向特徵節點矢量和v方向特徵節點矢量進行參數建模，計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，並拼接成三角網格。具體的，可採用如下方式拼接：
本實施例通過根據三維圖像的切片擬合的樣條曲線構造樣條曲面，在減少運算量的同時，減少了誤差；並可根據樣條曲面的控制點生成三角網格曲面，有效減少了臟器模型重構的運算量。
實施例二
圖2為本發明實施例二提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖。本實施例以上述實施例為基礎進行優化，在本實施例中，在所述對所述輪廓線進行樣條曲線擬合之後，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量之前增加如下步驟：根據所述樣條曲線的控制點採用最小二乘法調整端點的曲率。
參見圖2，所述臟器三維模型構建方法，包括：
S210，獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像。
S220，根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合。
S230，調整所述樣條曲線的首尾端點的曲率,以使得所述樣條曲線曲率連續。
示例性的，可以根據上述擬合曲線，確定擬合曲線的起始端點的曲率，並將擬合曲線的結束端點的曲率調整至與所述起始端點的曲率一致。通過上述方式，可調整端點處曲線導矢，使得曲線在擬合曲線閉合處曲率連續。
S240，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面。
S250，計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
本實施例通過增加如下步驟：調整所述樣條曲線的首尾端點的曲率,以使得所述樣條曲線曲率連續。，以使得首尾端點處曲率連續。可以使處理後的樣條曲線滿足閉合的條件，避免出現擬合的樣條曲線無法閉合，影響構建三維模型的情況。
實施例三
圖3為本發明實施例三提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖。本實施例以上述實施例為基礎進行優化，在本實施例中，所述方法還包括如下步驟：接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點；相應的，將所述計算三角網格頂點，生成三角網格曲面，具體優化為：根據調整後的控制點計算三角網格頂點。
參見圖3，所述臟器三維模型構建方法，包括：
S310，獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像。
S320，根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合。
S330，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面。
S340，接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點。
在進行樣條擬合的過程中，由於圖像噪聲、切片厚度等原因，可能會產生擬合誤差。通常，可以採用將所述目標切片圖片和所述三維臟器模型截面進行配準，由用戶通過手動操作調整控制點，以使得三維臟器模型截面更加貼近於目標切片圖片。接收用戶手動調整控制點的操作，根據用戶的操作確定新的控制點的具體位置，並根據拓撲關係調整與新的控制點相關控制點。所述拓撲關係可以是指拓撲幾何學原理的各空間數據間的相互關係。以使得調整後的控制點和與之存在拓撲關係的控制點構成的圖形更貼近於實際切片的圖形。
S350，根據調整後的控制點計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
根據調整後的控制點計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，以使生成的網格曲面更貼近於臟器實際外形。
本實施例通過增加如下步驟：接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點；相應的，將所述計算三角網格頂點，具體優化為：根據調整後的控制點計算三角網格頂點。提供交互方式供用戶對控制點進行調整，修改樣條曲面形狀，能夠有效提高重建模型精度。
實施例四
圖4為本發明實施例四提供的臟器三維模型構建方法的流程示意圖。本實施例以上述實施例為基礎進行優化，在本實施例中，所述方法還包括如下步驟：根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積，對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。
參見圖4，所述臟器三維模型構建方法，包括：
S410，獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像。
S420，根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合。
S430，統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面。
S440，計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
S450，根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積。
示例性的，可以根據三角網格的控制點和拓撲關係，將切片分為多個小的線段，並根據小的線段計算切片面積。
S460，對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。
虛擬臟器及構建的臟器三維模型，臟器三維模型可視作多個切片的疊加，因此可以將計算的多個切片面積進行的疊加計算虛擬臟器容積。示例性的，可以採用如下方式計算虛擬臟器容積：
本實施例通過增加如下步驟：根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積，對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。可以根據構建的三維模型對臟器容積進行計算，可有效提高計算精確度，為後期診斷提供準確的數據。
實施例五
圖5是本發明實施例五提供的臟器三維模型構建裝置的結構示意圖。如圖5所示，所述臟器三維模型構建裝置包括：
切片圖像獲取模塊510，用於獲取掃查得到的三維圖像，對所述三維圖像進行切片,獲取切片圖像；
擬合模塊520，用於根據所述切片圖像勾勒所述切片的輪廓線，並對所述輪廓線進行樣條曲線擬合；
構造模塊530，用於統一所述樣條曲線的u方向特徵節點矢量，並構造樣條曲面；
生成模塊540，用於計算得到所述曲面模型的三角網格頂點，生成三角網格曲面。
本實施例提供的臟器三維模型構建裝置，根據三維圖像的切片擬合的樣條曲線構造樣條曲面，在減少運算量的同時，減少了誤差；並可根據樣條曲面的控制點生成三角網格曲面，有效減少了臟器模型重構的運算量。
在上述各實施例的基礎上，所述裝置還包括：
調整模塊，用於調整所述樣條曲線的首尾端點的曲率,以使得所述樣條曲線曲率連續。。
在上述各實施例的基礎上，所述構造模塊包括：
控制點獲取單元，用於獲取樣條曲線的控制點；
計算單元，用於對所述控制點進行多次單節點插入，計算得到曲線的統一節點矢量。
在上述各實施例的基礎上，所述構造模塊用於：
採用平均法計算樣條曲線v方向特徵節點矢量；
根據所述樣條曲線u方向特徵節點矢量和v方向特徵節點矢量構造樣條曲面。
在上述各實施例的基礎上，所述裝置還包括：
調整模塊，用於接收調整控制點的操作，並根據所述操作和控制點拓撲關係調整控制點；
在上述各實施例的基礎上，所述計算模塊用於：
根據調整後的控制點計算三角網格頂點。
在上述各實施例的基礎上，所述裝置還包括：
面積計算模塊，用於根據所述三角網格及拓撲關係，計算切片面積，
容積計算模塊，用於對所述切片進行疊加計算虛擬臟器容積。
上述臟器三維模型構建裝置可執行本發明任意實施例所提供的臟器三維模型構建方法，具備執行方法相應的功能模塊和有益效果。
顯然，本領域技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊或各操作可以通過如上所述的終端設備實施。可選地，本發明實施例可以用計算機裝置可執行的程序來實現，從而可以將它們存儲在存儲裝置中由處理器來執行，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等；或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或操作製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制於任何特定的硬體和軟體的結合。
注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發明不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的權利要求範圍決定。