一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法

1.本发明涉及医学影像学检测技术技术领域，具体为一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法。


背景技术：

2.ct与mri是目前常用的医学影像学检测手段，所形成的体数据三维可视化逐渐成为研究的热点。体数据三维可视化方法主要有等值面渲染，体素渲染两大类。后者又分为光线投影，最大密度投影(maximum intensity projection,mip)两种。特殊解剖结构如血管，肌肉，神经，病灶等在强化处理后产生与背景不同的灰度特征，结合这些特征可单独对这些特殊结构进行提取并三维可视化。而对目标结构可视化后，如何在整体中进行定位显示是目前三维可视化与重建面临的主要问题。目前的解决方案主要有阈值化显示结合等值面重建模型定位，而重建模型与阈值化渲染景深则是较难处理的显示问题。针对以上问题，本发明利用不同阈值及整体体素渲染法对体数据中不同目标结构进行渲染，二值掩模对不同目标结构进行切割，以探讨同一体数据中不同目标结构的结合显示与定位方法。


技术实现要素：

3.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法，以解决背景技术中提出的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.本发明提供一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法，包括以下步骤：
6.s1：体数据形成
7.利用matlab的dicom阅读模块将dicom数据导入工作区，将其转化为cell格式数据库，形成体数据；
8.s2：获取目标局部阈值
9.截取目标区断层图像，通过鼠标点击获得目标区灰度值，并通过设置取值半径与容差比，获得所需阈值的上下限，获得的阈值上下限分别作为目标结构分割标准对体数据进行分割，阈值获取算法为：
10.f＝f(x0±
r,y0±
r)
[0011][0012]
其中，f(x0,y0)为目标结构所在断层的取值点灰度值，r为取值半径，f为目标结构局部灰度矩阵，为目标结构局部灰度均值，r为容差比，默认值为2，σ为目标结构局部灰度值标准差，th表示目标结构阈值的上下限；
[0013]
s3：二值掩模
[0014]
利用局部阈值上下限，建立起体数据三维掩模，即采用逻辑运算得到目标结构体数据二值掩模。该掩模作为切割与还原的原始掩模；
[0015]
s4：三轴切割与掩模更新
[0016]
三维二值掩模的三轴切割主要利用单向正轴零化法进行，即对去除区进行零化处理，零化算法为；
[0017]
mask(1:x1,1:y1,1:z1)＝0
[0018]
其中x1,y1,z1分别表示掩模在x,y,z轴的切割点。切割点的实现由交互式滑杆进行控制，滑杆值实现程序回调，这里将mask作为原始二值掩模的更新变量，并不覆盖原始掩模，调节不同切割位点实现任意三轴位点切割，也可用反向掩模进行任意切割；
[0019]
s5：目标结构渲染
[0020]
基体数据与掩模点积后的非零数据进行渲染，实现目标结构可视化效果，通过交互式颜色选取，将非零体素的灰度值与选取颜色各rgb分量进行点积，对不同结构进行颜色区分，渲染数据与切割后的掩模进行同步更新，体素渲染算法为：
[0021]v(i)
＝re(x(i),y(i),z(i))i＝1,2,
…
,n
[0022]
其中，v(i)表示第i个断层的体素渲染结果，x(i),y(i),z(i)表示第i个断层中非零像素点坐标，n为总断层数，re为体素渲染。
[0023]
本发明的有益效果在于：
[0024]
本发明一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法，体素重建结合三轴切割法可对ct及mri体数据进行三轴任意切割，实现体数据不同断层结合。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法流程图；
[0027]
图2为鼠标点击选点视图；
[0028]
图3为r＝1，r＝1的局部二值掩模效果图；
[0029]
图4为r＝2，r＝2的局部二值掩模效果图；
[0030]
图5为高阈值分割效果图；
[0031]
图6为中阈值分割效果图；
[0032]
图7为低阈值分割效果图；
[0033]
图8为双阈值分割效果图；
[0034]
图9为高阈值分割效果零化法切割效果图；
[0035]
图10为三阈值分割效果图；
[0036]
图11为三阈值分割效果零化法切割效果图；
[0037]
图12为低阈值分割切割前效果图；
[0038]
图13为低阈值分割切割后效果图；
[0039]
图14为头部ct切割后右侧面观、前面观与后面观的切割后光线投影渲染效果图；
[0040]
图15为腹部ct切割后右侧面观、前面观与后面观的切割后光线投影渲染效果图；
[0041]
图16为头部mri切割后前面观、顶面观与底面观的切割后光线投影渲染效果图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044]
实施例：
[0045]
如图1所示，本发明提供了一种基于三维二值掩模零化的体数据切割方法，包括以下步骤：
[0046]
s1：体数据形成
[0047]
利用matlab的dicom阅读模块将dicom数据导入工作区，将其转化为cell格式数据库，形成体数据；
[0048]
s2：获取目标局部阈值
[0049]
截取目标区断层图像，通过鼠标点击获得目标区灰度值，并通过设置取值半径与容差比，获得所需阈值的上下限，获得的阈值上下限分别作为目标结构分割标准对体数据进行分割，阈值获取算法为：
[0050]
f＝f(x0±
r,y0±
r)
[0051][0052]
其中，f(x0,y0)为目标结构所在断层的取值点灰度值，r为取值半径，f为目标结构局部灰度矩阵，为目标结构局部灰度均值，r为容差比，默认值为2，σ为目标结构局部灰度值标准差，th表示目标结构阈值的上下限；
[0053]
s3：二值掩模
[0054]
利用局部阈值上下限，建立起体数据三维掩模，即采用逻辑运算得到目标结构体数据二值掩模。该掩模作为切割与还原的原始掩模；
[0055]
s4：三轴切割与掩模更新
[0056]
三维二值掩模的三轴切割主要利用单向正轴零化法进行，即对去除区进行零化处理，零化算法为；
[0057]
mask(1:x1,1:y1,1:z1)＝0
[0058]
其中x1,y1,z1分别表示掩模在x,y,z轴的切割点。切割点的实现由交互式滑杆进行控制，滑杆值实现程序回调，这里将mask作为原始二值掩模的更新变量，并不覆盖原始掩模，调节不同切割位点实现任意三轴位点切割，也可用反向掩模进行任意切割；
[0059]
s5：目标结构渲染
[0060]
基体数据与掩模点积后的非零数据进行渲染，实现目标结构可视化效果，通过交互式颜色选取，将非零体素的灰度值与选取颜色各rgb分量进行点积，对不同结构进行颜色区分，渲染数据与切割后的掩模进行同步更新，体素渲染算法为：
[0061]v(i)
＝re(x(i),y(i),z(i))i＝1,2,
…
,n
[0062]
其中，v(i)表示第i个断层的体素渲染结果，x(i),y(i),z(i)表示第i个断层中非零像素点坐标，n为总断层数，re为体素渲染。
[0063]
基于三维二值掩模零化的体数据切割方法实现颅骨及下肢的ct与mri体数据切割：
[0064]
准备ct数据2套，1套颅骨1套下肢。扫描范围分别为颞骨中部至第3胸椎，第11胸椎至骨盆界线。mri数据1套，为头部序列。以上数据由南通大学附属医院影像科提供。
[0065]
参考图2-4，通过输入取值半径与容差比，点击取值按钮后自动生成目标结构的局部二值图像。
[0066]
不同取值半径与容差下局部二值掩模效果，图2箭头处为鼠标点击选点，图3为r＝1，r＝1的局部二值掩模效果；图4为r＝2，r＝2的局部二值掩模效果。
[0067]
由图2-4可知，取值半径与容差为2时，对断层内上矢状窦-窦汇区的显示较为充分。
[0068]
根据公式f＝f(x0±
r,y0±
r)和图4计算所得的阈值上下限分别为0.54，0.601，将其应用于目标结构的原始掩模计算中。
[0069]
基于原始掩模的目标结构体素渲染，利用上述计算所得的上下限阈值0.54和0.601对体数据进行逻辑运算，对非零像素进行渲染，图5-7显示了基于局部二值掩模的目标结构可视化效果，其中图5为高阈值分割效果图，图6为中阈值分割效果图，图7为低阈值分割效果图。
[0070]
由图5-7可见，不同取值部位对目标结构能较好显示，其整体性显示差别较大。
[0071]
本发明采用ct与mri两类数据，主要针对灰度值跨度较大数据与较小数据的切割效果进行分析，设计了交互式滑杆对切割范围进行规定，图8-13显示了ct与mri数据切割后效果。
[0072]
图8-9为头部ct切割效果，其中图8为双阈值分割效果图，图9为高阈值分割效果零化法切割效果图；
[0073]
图10-11为腹部ct切割效果，其中图10为三阈值分割效果图，图11为三阈值分割效果零化法切割效果图；
[0074]
图12-13为头部mri切割效果，其中图12为低阈值分割切割前效果图，图13为低阈值分割切割后效果图；
[0075]
由图8-9可见，切割后可在排除部分颅骨遮挡的条件下对颅内结构进行观察，并可保持颈胸部骨骼结构，观察胸锁乳突肌与颈椎以及颅骨关系；由图10-11可见，最低灰度区的脂肪，皮肤与肠腔呈黑色，肌肉，内脏呈棕色，切割后可观察肌肉与骨骼之间的解剖学关系；由图12-13可见，切割后体现颅内血管与脑组织，头皮之间的位置关系。
[0076]
本发明通过零化算法实现体数据的光线投射渲染效果，体数据切割后，光线投射渲染效果见图14-16；
[0077]
其中图14为头部ct切割后右侧面观、前面观与后面观的切割后光线投影渲染效果图；图15为腹部ct切割后右侧面观、前面观与后面观的切割后光线投影渲染效果图；图16为头部mri切割后前面观、顶面观与底面观的切割后光线投影渲染效果图。
[0078]
由图14-16可见，光线投影法对切割后体数据有较好的显示效果，对体数据的显示可精确控制。
[0079]
本发明基于体数据体积渲染后，利用原始二值三维掩模区域零化进行更新，更新后掩模与体数据点积来实现体数据三轴切割效果，与目前主流的光线投影算法，最大密度投影算法不同的是，本发明所采用的主流渲染为体素渲染，即对体数据中经掩模点积后的非零体素进行着色与显示，光线投影算法需要对虚拟光线发射点与摄像机进行更新处理以获得三维旋转效果，其优点是渲染速度快，细节处理清晰。在本发明中，图14-16也采用光线投射法对切割后体数据进行更新。本发明采用一种新的体素描绘法对掩模后体数据进行渲染，并利用互动式颜色选择器对渲染的体素进行颜色管理，以区分不同的目标结构。
[0080]
本发明利用掩模零化法实现了三轴不等比例自由切割显示体数据法，并将参数结合到滑动条上进行调整。从图8-13的结果可见，利用不同掩模可实现对不同目标结构的三轴不等比自由切割。
[0081]
在细节显示上，基于体素的渲染方法与原始数据成1:1显示目标结构。尽可能还原体数据中目标结构的解剖学特点。对于细节的显示，除了渲染方法外，原始数据的分辨率与噪声，场强偏向，掩膜阈值等对其均有较大的影响，在本发明中，结合最大连通性的简单区域生长(simple regional growth)算法，并结合操作者选取的取值半径与容差比，来尽可能满足不同结构所需的阈值范围。
[0082]
本发明体素重建结合三轴切割法可对ct及mri体数据进行三轴任意切割，实现体数据不同断层结合。
[0083]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。