一种医学三维影像任意切割的方法与装置与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种医学三维影像任意切割的方法与装置。


背景技术：

2.目前，随着医学影像技术的飞速发展，医学图像在临床诊断中发挥着越来越重要的作用，也在一定程度上加速了临床医学的发展进程。二维医学图像对医生的诊断固然起着积极的作用，但是由于人体组织器官形态多样、结构复杂，医学图像中所蕴涵的信息还没有得到充分利用。
3.通过对二维图像进行三维重建和可视化，将复杂的三维器官结构直观地显示出来，必然有助于医生进行全面而准确的分析，从而提高医疗诊断水平。因此，医学图像三维重建和可视化技术具有重要的实用价值。
4.三维重建根据绘制方法不同可分为体绘制（volume rendering）和面绘制（surface rendering）两大类。
5.面绘制是采用分割技术对一系列的二维图像进行轮廓识别、提取等操作，最终还原出被检测物体的三维模型，并以表面的方式显示出来,最常用的经典算法为 marching cube算法，从三维数据场中符合被设定阈值要求的点提取出来，然后将点依据法向量连接成三角面片集，以生成中间图元进行绘制，面绘制具有运行速度快，计算开销小的特点，被广泛运用与三维图像后处理领域。
6.体绘制的原理和面绘制完全不相同。面绘制需要生成中间图元,而体绘制则是直接在原图上进行绘制，内容需求较面绘制小，每切换一个视角需要重新对所有的像素点进行颜色和透明度计算,需要时间比面绘制长。较为常用的是光线投射（ray-casting）算法，该算法通过模拟光线传递的方式叠加光线传递路径上的体素点颜色及透明度进行每个像素点的渲染，渲染效果较好，渲染速度较慢。
7.但在医学影像三维绘制过程中，由于叠加了外围体素,往往无法清楚看到人体内部的三维渲染效果。
8.例如，中国专利cn202011199755.0公开了医学影像处理方法、装置、计算机设备和存储介质。通过获取与目标任务对应的至少两份原始三维医学影像，可以对至少两份原始三维医学影像进行交叠融合处理，得到融合三维医学影像；通过确定融合三维医学影像，可以基于融合三维医学影像中各体素的体素信息，对融合三维医学影像进行至少一次的插值处理，得到融合有各原始三维医学影像的影像信息的重构三维医学影像，以及基于各原始三维医学影像分别所属的类别标签，确定重构三维医学影像对应的目标类别标签，如此，便能基于重构三维医学影像和对应的目标类别标签对缺失的训练数据进行弥补，得到完整的训练数据；但是，该影像数据依然无法看到人体内部的三维渲染效果。


技术实现要素：

9.本发明主要解决现有的技术中在医学影像三维绘制过程中，由于叠加了外围体素，往往无法清楚看到人体内部的三维渲染效果的问题；提供一种医学三维影像任意切割的方法与装置，对三维体数据进行切割之后可以透过外部组织观察三维图像内部特征。
10.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种医学三维影像任意切割的方法，包括以下步骤：获取一组二维dicom影像数据，对图像数据进行三维重建，获取所要切割区域在渲染图形上的二维坐标点，根据二维坐标点计算用于切割原始三维体数据的切割模型，基于切割模型进行三维图像融合。通过对三维模型进行切割，使得完整的模型产生切割区域，通过切割区域可以清楚的透过外部组织观察三维图像内部特征，解决了目前的医学影像三维绘制过程中，由于叠加了外围体素无法清楚看到人体内部的三维渲染效果的问题。
11.作为优选，所述的二维dicom影像数据包括16位图像数据及参与三维计算的图像行列xy方向单位像素所代表的物理距离、图像层间距、图像xy方向所代表的三维方向向量以及每个图像(0，0)像素点所代表的三维坐标参数。二维扫描影像数据中封装格式遵循标准dicom3.0协议，数据获取更加快速方便。
12.作为优选，所述的三维重建方法为基于ray-casting的体绘制方法。采用基于ray-casting的体绘制方法进行三维模型重建，渲染效果好。
13.作为优选，所述的基于ray-casting的体绘制方法渲染图形时，包括视角位置设置及视平面参数设置。提高渲染效果。
14.作为优选，所述的二维坐标点通过视平面参数计算为三维坐标点，并根据光线投射原理计算出对应体数据中的光线射入点及光线射出点。实现对每个像素点进行渲染。
15.作为优选，光线射入点及光线射出点的集合可构建一三维多面体。
16.作为优选，所述的切割模型为大小与原始三维体数据相同的三维体数据模型。
17.作为优选，所述的三维图像融合的方法为：对切割模型和原始三维体数据矩阵进行掩膜计算，得到三维融合图像。
18.一种医学三维影像任意切割的装置，包括：图像采集模块，用于获取二维扫描影像数据，所述二维扫描影像数据中封装格式遵循标准dicom3.0协议，并包含图像行列xy方向单位像素所代表的物理距离、图像层间距、图像xy方向所代表的三维方向向量以及每个图像(0，0)像素点所代表的三维坐标参数；三维重建模块，用于对图像序列进行三维重建，三维重建方法为基于ray-casting的体绘制方法；切割模型计算模块，用于计算切割模型，切割模型的计算方法如下：通过记录渲染成像的二维点坐标，计算其在三维坐标系下的对应位置后，通过光线投射的原理计算上诉切割点在三维体数据上的投影位置并生成切割模型；三维融合模块，用于融合模型并生成切割后渲染图像，所述模型融合方法为使用两个体数据计算其三维掩膜。
19.本发明的有益效果是：通过基于ray-casting的体绘制方法对二维图像数据进行三维重建后获得渲染体素的三维模型，通过对三维模型进行切割后，使得完整的模型产生切割区域，通过切割区域可以清楚的透过外部组织观察三维图像内部特征，解决了目前的医学影像三维绘制过程中，由于叠加了外围体素无法清楚看到人体内部的三维渲染效果的问题。
附图说明
20.图1是本发明实施例的整体流程示意图。
21.图2是本发明实施例的三维重建的流程示意图。
22.图3是本发明实施例的ct扫描图。
23.图4是本发明实施例的三维渲染图。
24.图5是本发明实施例的切割位置的示意图。
25.图6是本发明实施例的切割位置的渲染示意图。
26.图7是本发明实施例的切割位置的侧面图。
27.图8是本发明实施例的装置的结构框图。
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
30.实施例：一种医学三维影像任意切割的方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：s1：对医学影像数据进行体渲染；具体包括：s1001：加载医学二维扫描影像数据：医学影像数据封装格式遵循标准dicom3.0协议，通过解析影像数据获取二维影像数据序列，其中n为影像数量，为单张二维影像16位矩阵，此外还需从dicom文件中获取图像行列，xy方向单位像素所代表物理距离图像层间距，图像xy方向所代表的三维方向向量以及每个图像像素点所代表的三维坐标，其中i为当前图像序号，本实施例中的二维影像数据包含323张ct扫描图像，其中一张如图3所示，其中=512，=512，=0.390625，=0.390625，=2，=（1,0,0），=（0,1,0），。
31.s1002：填充体素在三维坐标系中,按所读取的影像数据填充体素,具体坐标对应公式如下：其中为图像中像素的横纵坐标，为所求三维坐标位置。
32.为了增加数据的连续性，本发明使用三线性插值法填充中的间隔数据，具体如下：
当要对三维体数据进行插值时,在已有数据坐标中离最近的两层中各取离最近的4各数据点，从上到下，从左到右记做,,,,,,,，并取其坐标值,计算所对应体素值过程如下：记,,则有体数据模型记为。
33.s1003：渲染三维图形：计算原始体数据获取其三维中心坐标,距离直线距离设置虚拟相机，其位置记为，在和之间离直线距离处设置视平面,基于ray-casting算法,从模拟光线穿过体数据，根据预设的颜色传递函数和透明度传递函数在视平面合成渲染图形，图形渲染结果如图4所示。
34.s2：计算切割模型步骤如下：a、在所生成的渲染图形上选取切割位置点集合为在渲染图形上选择的绘制点。
35.b、遍历,记录当前点位。
36.c、计算各点三维坐标，其中为二维绘制点为渲染图形中心坐标为视平面对应渲染图形x,y方向向量，为视平面中心坐标，为所求三维点坐标，统计其点集合。
37.d、从出发连接与原始体数据长方体相交于两点和，其中为光线射入点，为光线射出点。
38.e、重复步骤b-d，获取和的集合和，连接和对应点构建闭合多面体。
39.f、按照数据大小初始化三维体数据，在中，当位置在多面体内时，其体数据值为0，否则其体数据值1，即为所求切割模型。
40.在本实施例中，上述相机位置为（99.8,927.06,161），距离三维中心坐标距离为827.25，视平面中心坐标为（99.8,306.68,161），为620.38，为(-1.11,0,0)，为(0,0,1.11)。
41.在所生成的渲染图形上选取切割位置点集合：={(98.01,31.13),(98.01,31.13),(98.68,30.46),(111.92,32.45),(121.19,34.44),(126.49,37.75),(130.46,41.72),(134.44,45.70),(136.42,49.67),(136.42,52.98),(136.42,54.97),(135.76,64.90),(135.10,71.52),(134.44,76.82),(133.77,79.47),(131.13,81.46),(123.84,84.77),(121.19,86.09),(111.92,88.08),(108.61,88.74),(103.97,88.74),(101.99,88.74),(98.68,88.74),(94.04,89.40),(88.74,90.07),(88.74,90.73),(88.74,90.07),(86.75,86.75)}，绘制结果如图5所示。
42.计算所得视平面点集：={(157.05,306.69,29.38),(157.05,306.69,29.38),(156.32,306.69,28.64),(141.59,306.69,30.85),(131.28,306.69,33.06),(125.39,306.69,36.74),(120.97,306.69,41.16),(116.55,306.69,45.58),(114.34,306.69,50.00),(114.34,306.69,53.68),(114.34,306.69,55.89),(115.08,306.69,66.93),(115.82,306.69,74.30),(116.55,306.69,80.19),(117.29,306.69,83.13),(120.23,306.69,85.34),(128.33,306.69,89.03),(131.28,306.69,90.50),(141.59,306.69,92.71),(145.27,306.69,93.44),(150.43,306.69,93.44),(152.63,306.69,93.44),(156.32,306.69,93.44),(161.47,306.69,94.18),(167.36,306.69,94.92),(167.36,306.69,95.65),(167.36,306.69,94.92),(169.57,306.69,91.23)}。
43.相交于体数据序列点集如下：={(156.89,308.40,29.74),(156.89,308.40,29.74),(156.16,308.38,29.00),(141.44,308.90,31.32),(131.15,309.24,33.59),(125.27,309.57,37.32),(120.86,309.91,41.78),(116.46,310.23,46.24),(114.25,310.51,50.68),(114.25,310.72,54.38),(114.25,310.85,56.59),(114.96,311.43,67.65),(115.69,311.78,75.01),(116.41,312.04,80.89),(117.14,312.16,83.82),(120.05,312.23,86.02),(128.08,312.27,89.67),(131.00,312.28,91.13),(141.22,312.15,93.31),(144.87,312.09,94.03),(150.00,311.96,94.02),(152.19,311.90,94.01),(155.85,311.79,94.00),(160.98,311.65,94.71),(166.84,311.47,95.43),(166.84,311.50,96.16),(166.84,311.47,95.43),(169.06,311.26,91.75)}。
44.={(195.39,-108.79,-58.77)，(195.39,-108.79,-58.77)，(194.16,-108.77,-59.99)，(169.61,-109.29,-56.41)(152.40,-109.63,-52.79),(142.57,-109.96,-46.71),(135.20,-110.30,-39.39),(127.82,-110.62,-32.06),(124.13,-110.90,-24.72),(124.14,-111.12,-18.60),(124.14,-111.24,-14.92),(125.39,-111.82,3.48),(126.63,-112.17,15.76),(127.87,-112.44,25.59),(129.11,-112.56,
30.51),(134.04,-112.62,34.21),(147.62,-112.66,40.37),(152.56,-112.67,42.84),(169.83,-112.54,46.56),(175.99,-112.48,47.80),(184.62,-112.35,47.81),(188.31,-112.29,47.82),(194.47,-112.18,47.83),(203.09,-112.04,49.08),(212.94,-111.86,50.33),(212.94,-111.89,51.56),(212.94,-111.86,50.33),(216.62,-111.65,44.19)}。
45.在渲染图上绘制切割模型效果如图6和图7所示。
46.s3：融合三维图像：以计算和掩膜的方式切割体数据，即在和每个对应三维矩阵点上的数值进行“与”计算，输出图像即为被切割过的体数据，记作。
47.本发明还提供一种医学三维影像任意切割的装置，如图8所示，包括：图像采集模块、三维重建模块、切割模型计算模块和三维融合模块。
48.其中，图像采集模块用于获取二维扫描影像数据，二维扫描影像数据中封装格式遵循标准dicom3.0协议，并包含图像行列xy方向单位像素所代表的物理距离、图像层间距、图像xy方向所代表的三维方向向量以及每个图像(0，0)像素点所代表的三维坐标参数。
49.三维重建模块用于对图像序列进行三维重建，三维重建方法为基于ray-casting的体绘制方法。
50.切割模型计算模块用于计算切割模型，切割模型的计算方法如下：通过记录渲染成像的二维点坐标，计算其在三维坐标系下的对应位置后，通过光线投射的原理计算上诉切割点在三维体数据上的投影位置并生成切割模型。
51.三维融合模块用于融合模型并生成切割后渲染图像，模型融合方法为使用两个体数据计算其三维掩膜。
52.本发明通过基于ray-casting的体绘制方法对二维图像数据进行三维重建后获得渲染体素的三维模型，通过对三维模型进行切割后，使得完整的模型产生切割区域，通过切割区域可以清楚的透过外部组织观察三维图像内部特征，解决了目前的医学影像三维绘制过程中，由于叠加了外围体素无法清楚看到人体内部的三维渲染效果的问题。
53.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。