面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法及系统

本发明涉及医学图像处理、数字人体建模、非刚性运动迁移和计算机辅助仿真，特别是一种面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法及系统。

背景技术：

1、肺部呼吸运动轨迹是胸腹运动仿真、医学影像配准验证、数字人体驱动、非接触生命体征建模以及与呼吸相关的传感器仿真的基础数据。实际工程中，源个体可能具有多相计算机断层影像、肺部分割结果、解剖标志点以及参考相位到其他相位的稠密位移场，而目标个体或通用解剖模型往往只有一个静态肺部表面网格。由于动态医学影像获取成本高、辐射剂量和数据合规要求严格，无法为每个目标模型重新采集完整多相数据，因此需要将已有源个体的呼吸运动迁移到静态目标模型。

2、现有处理方式之一是先将源个体和目标模型做一次全局刚性或仿射对齐，再把源空间中的位移向量旋转或缩放后直接加到目标网格顶点。该方式仅在映射为纯仿射且位移变换严格一致时才可能与点映射结果等价；当静态配准包含局部非线性修正时，直接叠加源位移向量会忽略映射在不同空间位置处的变化，容易造成运动方向、幅值和解剖位置不一致。

3、现有处理方式之二是对每一个呼吸相位重新执行最近邻配准、迭代最近点配准或自由形变配准。逐相位独立配准会改变对应关系，使同一目标顶点在不同相位可能匹配到不同源表面位置，进而产生顶点身份漂移、相邻相位跳变和局部网格翻转；同时，逐相位调整还可能把源数据中的真实运动与配准误差混合，难以追溯运动究竟来自原始位移场还是后处理修正。

4、此外，源医学影像、分割数组、位移场网格和目标三角网格通常具有不同的轴顺序、方向矩阵、原点、体素间距和长度单位。若仅按数组索引采样位移场，或者将越界查询静默裁剪到位移场边界，虽然能够产生数值结果，却可能把边界常值误当作真实呼吸运动。对非线性静态映射进行逆求时，如不输出收敛状态和残差，也无法判断生成轨迹是否真实满足正向映射关系。

5、因此，需要一种只在参考相位建立一次固定、可逆、受约束的跨个体静态映射，并通过正向映射、源空间位移叠加和固定逆映射完成各相位运动迁移的方法；同时需要对位移场方向、网格查询有效性、逆求残差、轨迹有限性、拓扑质量、相位连续性和解剖边界关系进行显式门控，以形成可复现、可审计的目标肺部轨迹。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法及系统，该方法通过建立跨个体的固定空间映射，将源呼吸运动迁移至目标模型，并在迁移过程中执行位移场有效域判断、数值逆变换可信度验证及多维度质量门控，解决了因坐标形状差异、非线性映射、逐相位配准及数据越界导致的迁移精度与可靠性不足的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供的面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法，包括：

4、获取源个体的多相运动数据和目标静态模型，所述多相运动数据至少包括参考相位到目标相位的位移场，所述目标静态模型至少包括双侧结构顶点坐标和拓扑连接关系；

5、建立源空间与目标空间之间的空间对应关系；

6、在源空间中查询目标对应位置的位移场数值；

7、将位移叠加到对应位置后返回目标空间，形成各相位顶点位置；

8、全部相位沿用目标静态模型的同一组顶点身份和拓扑连接关系，输出各相位顶点位置和位移；

9、所述建立源空间与目标空间之间的空间对应关系包括：执行源空间与目标空间之间基于全局尺度属性的初级空间匹配，所述初级空间匹配保持双侧结构的整体空间约束关系；在所述初级空间匹配基础上，对特定侧别叠加空间平滑且幅值受限的局部位置修正量，以补偿所述初级空间匹配未能消除的局部空间差异；所述初级空间匹配与所述局部位置修正量共同构成从目标空间到源空间的固定空间关联，且所述固定空间关联不随呼吸相位变化；

10、在执行位移场查询操作时，对查询位置是否位于所述位移场的有效覆盖范围内进行判断，对于位于有效覆盖范围外的查询位置，不赋予任何替代位移数值并返回无效标记；

11、所述将位移叠加到对应位置后返回目标空间，包括通过所述固定空间关联的数值逆变换返回目标空间，且所述数值逆变换输出逐点的可信度证据，所述逐点的可信度证据至少包括逐点的逆映射残差和收敛状态；

12、在最终输出迁移结果前，对迁移结果执行基于预设的多个不同维度量化指标的质量验证，仅在所述迁移结果满足全部所述量化指标时输出最终迁移结果。

13、进一步，所述初级空间匹配包括：将源双侧结构和目标双侧结构分别合并为整体点集，基于所述整体点集的包围盒尺寸比和中心位置确定三轴尺度和平移量，所述三轴尺度限制在预设的上界和下界范围内。

14、进一步，所述局部位置修正量通过以下方式构建：从目标侧别选取控制点，计算所述控制点相对于源侧别对应位置的偏移量，对所述偏移量执行空间平滑后，以归一化的目标坐标作为输入、以所述偏移量作为输出，拟合连续向量场函数，所述向量场函数的输出幅值被限制在预设上限内。

15、进一步，所述连续向量场函数以二次多项式基函数表示，所述二次多项式基函数包括常数项、各坐标轴的一次项、各坐标轴的平方项和各坐标轴之间的交叉项；拟合时采用带正则项的岭回归求解各空间分量的系数。

16、进一步，所述数值逆变换采用迭代法求解，以所述固定空间关联的全局部分作为初值估计，在每次迭代中计算当前估计位置的局部位置修正量，更新目标位置估计，直至正向重映射残差小于预设容差或达到预设迭代上限。

17、进一步，所述位移场查询操作基于物理坐标执行三线性插值：利用所述位移场的原点、方向矩阵和体素间距将查询位置转换为连续网格索引，对包围所述连续网格索引的八个网格节点进行加权插值；所述连续网格索引超出所述位移场的有效索引范围时，判定所述查询位置位于有效覆盖范围外。

18、进一步，所述多个不同维度量化指标包括以下至少一种：位移场查询越界比例、逆映射未收敛比例、最大逆映射残差、三角形翻转比例、三角形法向反转比例、最大顶点位移、相邻相位最大顶点跳变距离、左右双侧结构最小分离距离。

19、进一步，所述最终迁移结果至少包括：参考相位标识、各相位标识、各顶点在各相位的空间位置、各顶点在各相位相对于参考相位的位移、各顶点在各相位的位移场查询有效标记、各顶点在各相位的逆映射收敛标记和各顶点在各相位的逆映射残差。

20、本发明提供的面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移系统，包括：

21、输入模块，被配置为获取源个体的多相运动数据和目标静态模型，所述多相运动数据至少包括参考相位到目标相位的位移场，所述目标静态模型至少包括双侧结构顶点坐标和拓扑连接关系；

22、映射构建模块，被配置为建立源空间与目标空间之间的空间对应关系，所述建立包括：执行源空间与目标空间之间基于全局尺度属性的初级空间匹配，所述初级空间匹配保持双侧结构的整体空间约束关系；在所述初级空间匹配基础上，对特定侧别叠加空间平滑且幅值受限的局部位置修正量，以补偿所述初级空间匹配未能消除的局部空间差异；所述初级空间匹配与所述局部位置修正量共同构成从目标空间到源空间的固定空间关联；

23、位移查询模块，被配置为在执行位移场查询操作时，对查询位置是否位于所述位移场的有效覆盖范围内进行判断，对于位于有效覆盖范围外的查询位置，不赋予任何替代位移数值并返回无效标记；

24、运动迁移模块，被配置为将位移叠加到对应位置后，通过所述固定空间关联的数值逆变换返回目标空间，且所述数值逆变换输出逐点的可信度证据；

25、质量门控模块，被配置为在最终输出迁移结果前，对迁移结果执行基于预设的多个不同维度量化指标的质量验证，仅在所述迁移结果满足全部所述量化指标时输出最终迁移结果；

26、轨迹发布模块，被配置为全部相位沿用目标静态模型的同一组顶点身份和拓扑连接关系，输出各相位顶点位置和位移。

27、进一步，所述映射构建模块包括：

28、全局匹配子模块，被配置为将源双侧结构和目标双侧结构分别合并为整体点集，基于所述整体点集的包围盒尺寸比和中心位置确定三轴尺度和平移量，所述三轴尺度限制在预设的上界和下界范围内；

29、局部修正子模块，被配置为从目标侧别选取控制点，计算所述控制点相对于源侧别对应位置的偏移量，对所述偏移量执行空间平滑后，以归一化的目标坐标作为输入、以所述偏移量作为输出，拟合连续向量场函数，所述向量场函数的输出幅值被限制在预设上限内；

30、系数求解子模块，被配置为以二次多项式基函数表示所述连续向量场函数，所述二次多项式基函数包括常数项、各坐标轴的一次项、各坐标轴的平方项和各坐标轴之间的交叉项，并采用带正则项的岭回归求解各空间分量的系数；

31、所述全局匹配子模块和所述局部修正子模块共同构成从目标空间到源空间的固定空间关联。

32、本发明的有益效果在于：

33、本发明提供的面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法及系统，旨在解决源个体动态肺部数据与目标静态解剖模型之间坐标和形状差异显著、直接位移叠加不适用于局部非线性映射、逐相位独立配准导致顶点对应漂移、越界裁剪掩盖无效数据以及逆映射缺少收敛证据的问题，提出一种面向静态目标解剖模型的跨个体肺部呼吸运动轨迹迁移方法及系统。

34、本发明的基本思想是：将跨个体形状差异与呼吸运动分离处理，在源参考相位与目标静态模型之间建立一次固定映射。该映射采用分层构造--由双肺共享的受解剖约束全局仿射与左右肺各自的有界连续局部修正组成，将映射问题分解为全局尺度适配与局部形状补偿两个子问题，从而在保持肺间相对解剖位置的同时，有效补偿局部非线性形状差异。

35、基于该固定映射，对于任一目标顶点和非参考相位，本发明执行共轭式运动迁移：先将目标顶点映射到源参考空间，在源物理空间中采样并叠加该相位的位移场，再通过同一固定映射的数值逆变换返回目标空间。由于映射中引入了局部非线性项，其逆变换无法解析求解，本发明采用迭代法进行数值逆求并逐点输出残差与收敛状态作为可信度证据，确保非线性映射的可逆性可量化验证。

36、整个迁移过程复用目标静态模型的同一组顶点身份与拓扑连接关系，避免逐相位独立配准带来的身份漂移与拓扑不一致。同时，对位移场查询执行有效域判断--对有效域外的查询返回无效标记而非裁剪或插值，防止无效数据污染结果。最终通过多维度量化指标门控，仅在全部指标满足预设门槛时发布轨迹，并完整保存输入身份、映射参数、有效掩码及质量指标，确保轨迹可复现、可审计。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、一、映射构建层面的有益效果

38、本发明将跨个体静态形状差异与源个体呼吸运动分离处理，只在参考相位建立一次固定映射，避免逐相位独立配准改变顶点对应关系。该固定映射采用分层构造：先执行双肺共享的受解剖约束全局仿射，能够保持左右肺整体相对位置和共同尺度关系；再对左右肺分别建立有界连续局部场，能够在不引入自由高维形变的情况下补偿侧别形状差异，从而实现全局解剖约束与局部形状适配的统一。

39、二、运动迁移层面的有益效果

40、本发明通过目标到源正向映射、源空间位移叠加和同一固定映射逆求形成共轭式迁移，适用于包含局部非线性修正的静态映射，避免把未经空间映射的源位移向量直接叠加到目标顶点而产生方向、幅值和解剖位置不一致的问题。全部相位复用目标静态模型的同一组顶点编号和三角面连接关系，便于进行相邻相位比较、网格质量统计、低维时间插值和下游仿真，不会因逐相位重新配准产生顶点身份漂移和拓扑不一致。

41、三、数据采样层面的有益效果

42、本发明在物理坐标中使用原点、方向矩阵和体素间距采样位移场，可兼容影像网格与位移场网格尺寸和分辨率不同的情况，避免仅按数组索引采样导致的坐标错位。对位移场越界查询返回显式无效标记，不以边界裁剪、最近有效值或零位移掩盖数据覆盖不足，便于发现源数据和静态映射范围不匹配的问题。

43、四、质量控制与可追溯层面的有益效果

44、本发明对固定空间关联的逆映射采用数值迭代求解，并逐点输出收敛掩码和残差，将其纳入发布门控，使非线性映射的可逆性具有可量化证据。最终通过多维度量化指标门控验证，仅在全部指标满足预设门槛时发布轨迹。输入身份、固定映射参数、有效掩码、质量指标和失败原因共同保存，能够实现可复现重建、回归测试和异常定位，并明确区分工程运动迁移结果与医学级个体解剖对应，使任一目标顶点的任一相位位置均可追溯到固定映射和源位移场。

45、本发明的上述和其他目的、优点及特征，将通过下文结合附图的具体实施方式的详细描述而得到更充分的阐述和证明。本领域技术人员在参阅了下文的详细描述和附图后，将能够更好地理解并实现本发明的上述优点。本发明的其他目标、特征和优点，在具体实施方式部分并结合附图进行详细描述后，将变得更加清楚。