專利名稱：三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法。
背景技術(shù)：
體繪制技術(shù)是醫(yī)學(xué)可視化研究的一個重要方面，特別是在醫(yī)療診斷和輔助外科等方面，已經(jīng)成為一種必不可少的工具。隨著醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的快速發(fā)展，由設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也在逐步增加，而臨床感興趣的組織或部位，相對于整個體數(shù)據(jù)來說是較小的，例如頭部的血管、腎臟或肝臟內(nèi)的病變、肺部的腫瘤等等。醫(yī)生通過對數(shù)據(jù)的觀察，進而得出結(jié)論，是一個非常復(fù)雜的任務(wù)，必須考慮到可疑病變組織的解剖結(jié)構(gòu)，包括病灶的大小、形狀，以及其空間位置和周邊組織結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。利用體繪制技術(shù)輔助，醫(yī)生可以對可疑病灶部位進三維的觀察，可以有效的觀察不同部位或組織的空間位置信息，但在很多情況下，直接體繪制的顯示效果并不理想，如頭部血管造影數(shù)據(jù)中，頭部的血管是醫(yī)生觀察的重要組織，但頭骨的密度值和造影的血管密度值非常接近，利用直接體繪制中一維傳遞函數(shù)的調(diào)節(jié)很難調(diào)節(jié)出好的顯示效果。采用剖切方法去除遮擋感興趣區(qū)域的組織是比較直觀的方法，但剖切方法很難保留感興趣組織的上下文信息。為了改進上面的不足，weiskopf等人提出構(gòu)建任意的剖切曲面，用戶通過對剖切曲面的選擇來實現(xiàn)感興趣區(qū)域上下文信息的保留，但在交互性上明顯不夠靈活，且對感興趣區(qū)域的選擇仍不夠理想；基于焦點和上下文的可視化方法，周等人提出采用距離來增強和減弱不同組織，其主要思想是引入焦點( 或感興趣點)，通過當(dāng)前采樣點到焦點的距離來作用于當(dāng)前采樣點的不透明度；焦點的引入可以確定用戶目標(biāo)區(qū)域，有利于快速鎖定三維空間中得焦點，周的方法解決了感興趣區(qū)域定位的問題，但對感興趣區(qū)域的顯示效果并不是但好；StefanBruckner等提出保留上下文環(huán)境體繪制方法，主要是運用梯度構(gòu)造出不透明度衰減函數(shù)，根據(jù)采樣點與視點的距離和光照強度來對不透明度衰減函數(shù)進行衰減，可以在保留組織結(jié)構(gòu)的同時達到透視組織內(nèi)部的效果。Stefan Bruckner的方法采用了全局處理，所以得到的透視效果也是全局透視，對非感興趣區(qū)域也產(chǎn)生了不必要的影響。在1( 恩格爾的“利用虛擬切割的背景中體積可視化的系統(tǒng)及方法”專利中，提出首先切割區(qū)域為內(nèi)外兩部分，再分別使用兩個不同的傳遞函數(shù)對內(nèi)外兩個區(qū)域進行調(diào)整，以實現(xiàn)顯示保留上下文的類似虛擬切割的效果(在專利原文中把保留上下文翻譯為背景)。其目的同本發(fā)明類似，都是為了能夠觀察到被遮擋住的感興趣區(qū)域信息。K 恩格爾的實現(xiàn)方法首先要對數(shù)據(jù)場進行切割，然而要完成精準(zhǔn)的切割，既能夠保證感興趣區(qū)域和周圍的組織信息被完整的保留下來，又要把遮擋區(qū)域劃分出來，這顯然是一個相當(dāng)費時與交互性較難的工作，大大的降低了臨床應(yīng)用性的可能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，在清晰顯示感興趣區(qū)域的同時，保留與該感興趣區(qū)域周圍相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息，以克服諸如剖切等方法帶來的交互復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)信息的丟失以及現(xiàn)有方法中目標(biāo)區(qū)域的模糊等不良現(xiàn)象。本發(fā)明的目的可通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，該方法包括如下步驟(a)將三維圖像序列存儲為三維紋理數(shù)據(jù)，用于后面的三維圖像序列的密度值索弓丨，并繪制三維圖像序列的包圍盒；(b)計算視點位置調(diào)用開放式圖形庫中的glGetFloatv函數(shù)，獲得一個4X4的模型視圖矩陣，再計算出該矩陣的逆矩陣，把該逆矩陣最后一行的四個量作為視點位置；由視點到三維圖像序列包圍盒最外層的每一個像素都引一條射線穿過三維圖像體數(shù)據(jù)，沿每條射線等間隔采樣圖像序列，得到采樣點處的密度值；(C)使用傳遞函數(shù)將采樣點的密度值映射為顏色和不透明度；(d)任選三維紋理 數(shù)據(jù)中的一點標(biāo)定為焦點，根據(jù)當(dāng)前采樣點與焦點的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對當(dāng)前采樣點處的不透明度進行修正；(e)沿射線方向?qū)λ胁蓸狱c重復(fù)步驟(c)、(d)的處理，得到所有采樣點的顏色和修正后的不透明度，并且將所有采樣點的顏色和修正后的不透明度進行累加，并把累加顏色值作為當(dāng)前射線對應(yīng)的屏幕像素點的顏色值；(f)對所有的射線做同樣的處理，最終得到投射到屏幕上的所有像素點的顏色值。本發(fā)明中，所述步驟(a)中，將三維圖像序列存儲為三維紋理數(shù)據(jù)時首先對三維圖像序列數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并且最大紋理坐標(biāo)被確定為滿足條件Τε=2η，c e {x，y，z}，其中X表示冠狀面的垂線，y表示矢狀面的垂線，z表示橫斷面的垂線，T。是在c方向的紋理坐標(biāo)，η是滿足2n ^ S。的最小整數(shù)，S。是在c方向的圖像序列的維度；所述步驟(a)中，繪制三維圖像序列的包圍盒是以所述T。，c e {x, y, z}分別為長、寬、高繪制的立方體。本發(fā)明中，所述步驟(b)中對每條射線上進行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時采用不同的值，所述交互指用戶對圖像進行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進行的靜止操作。本發(fā)明中，所述步驟(b)中對每條射線上進行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時采用不同的值，即當(dāng)用戶進行圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪等交互操作時采用的采樣間隔是l/128mm，在靜態(tài)時采用的采樣間隔是l/1024mm，所述交互指用戶對圖像進行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進行的靜止操作。采樣間距在交互與靜態(tài)時采用不同的值。在交互時使用較大的采樣間距，而在靜態(tài)時使用更精確的采樣間距。本文在交互與靜態(tài)時分別采用的采樣間隔是l/1024mm和l/128mm，這樣既保證了渲染質(zhì)量，又有很好的交互效果。本發(fā)明中，所述步驟(C)使用傳遞函數(shù)將采樣點的密度值映射為顏色和不透明度后，把不透明度乘以采樣點的歸一化的梯度值作為新的不透明度，然后再進行步驟(d)的處理。本發(fā)明中，所述步驟(d)中構(gòu)建動態(tài)高斯函數(shù)的過程是所述焦點與當(dāng)前采樣點連線構(gòu)成的基準(zhǔn)線和視線的夾角為I,.，以及焦點與當(dāng)前采樣點的距離為參數(shù)‘，即基準(zhǔn)線的長度，同時引入?yún)?shù)k，來構(gòu)建動態(tài)高斯模型，把為高斯函數(shù)的輸入，高斯函數(shù)的均值為0，高斯函數(shù)方差為k_(l-cos6^)，輸出作為采樣點處的新的不透明度的衰減系數(shù)，可得到如下高斯函數(shù)方程
權(quán)利要求
1.三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，該方法包括如下步驟(a)將三維圖像序列存儲為三維紋理數(shù)據(jù)，用于后面的三維圖像序列的密度值索引，并繪制三維圖像序列的包圍盒；(b)計算視點位置調(diào)用開放式圖形庫中的glGetFloatv函數(shù)，獲得一個4X4的模型視圖矩陣，再計算出該矩陣的逆矩陣，把該逆矩陣最后一行的四個量作為視點位置；由視點到三維圖像序列包圍盒最外層的每一個像素都引一條射線穿過三維圖像體數(shù)據(jù)，沿每條射線等間隔采樣圖像序列，得到采樣點處的密度值；(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點的密度值映射為顏色和不透明度；(d)任選三維紋理數(shù)據(jù)中的一點標(biāo)定為焦點，根據(jù)當(dāng)前采樣點與焦點的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對當(dāng)前采樣點處的不透明度進行修正；(e)沿射線方向?qū)λ胁蓸狱c重復(fù)步驟(c)、(d)的處理，得到所有采樣點的顏色和修正后的不透明度，并且將所有采樣點的顏色和修正后的不透明度進行累加，并把累加顏色值作為當(dāng)前射線對應(yīng)的屏幕像素點的顏色值；(f)對所有的射線做同樣的處理，最終得到投射到屏幕上的所有像素點的顏色值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(a)中，將三維圖像序列存儲為三維紋理數(shù)據(jù)時首先對三維圖像序列數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并且最大紋理坐標(biāo)被確定為滿足條件Τε=2η，c e {χ, y, z}，其中X表示冠狀面的垂線，y表不矢狀面的垂線，z表不橫斷面的垂線，Tc是在c方向的紋理坐標(biāo)，η是滿足2n ^ Sc的最小整數(shù)，S。是在c方向的圖像序列的維度；所述步驟(a)中，繪制三維圖像序列的包圍盒是以所述TyC e {x，y，z}分別為長、寬、高繪制的立方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(b)中對每條射線上進行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時采用不同的值，所述交互指用戶對圖像進行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進行的靜止操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點的密度值映射為顏色和不透明度后，把不透明度乘以采樣點的歸一化的梯度值作為新的不透明度，然后再進行步驟(d)的處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(d)中構(gòu)建動態(tài)高斯函數(shù)的過程是所述焦點與當(dāng)前采樣點連線構(gòu)成的基準(zhǔn)線和視線的夾角為I，以及焦點與當(dāng)前采樣點的距離為參數(shù)，即基準(zhǔn)線的長度，同時引入?yún)?shù)k，來構(gòu)建動態(tài)高斯模型，把為高斯函數(shù)的輸入，高斯函數(shù)的均值為0，高斯函數(shù)方差為k-(l-C0S&}，輸出作為采樣點處的新的不透明度的衰減系數(shù)，可得到如下高斯函數(shù)方程
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(e)中在著色器程序中對顏色和不透明度進行累加計算，使用兩層while嵌套循環(huán)進行迭代計算。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(f)在計算最終屏幕顯示的顏色時，只是位于圖像序列的包圍盒內(nèi)的像素點才會進行投射光線，并計算最終像素點顏色，位于包圍盒之外的像素點顏色直接設(shè)置為背景色。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維醫(yī)學(xué)圖像動態(tài)高斯體模型繪制方法，包括以下步驟(a)把圖像序列保存為三維紋理以用于后面的紋理檢索采樣；(b)由視點到圖像序列的最表面外層像素引射線穿過體數(shù)據(jù)，對每條射線上進行等間隔采樣，得到采樣點處的密度值；(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點的密度值映射為顏色和不透明度；(d)根據(jù)當(dāng)前采樣點與焦點的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對采樣點的不透明度進行修正；(e)沿光線方向?qū)λ胁蓸狱c的不透明度和顏色進行累加，最終得到投射到屏幕一點的顏色值。該方法可以清晰顯示焦點區(qū)域處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時保留了焦點周圍的組織結(jié)構(gòu)，而不像傳統(tǒng)的統(tǒng)一剖切，達到了焦點加上下文的效果。
文檔編號G06T15/08GK103049930SQ20121052537
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者馮前進, 陳武凡, 王文化, 贠照強 申請人:南方醫(yī)科大學(xué)