CN100464705C - 空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法 - Google Patents

Abstract

一种空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，属于图像处理技术领域。本发明首先获取医学原始图像，将图像进行预处理并分割后，再分别提取出所需空腔性脏器的内壁表面和供外翻处理的基准面，然后将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧，最后将外翻处理后的脏器内壁表面以交互式的方式三维显示出来，供用户从外部的视角进行观察。本发明优势在于：视角更为开扩和灵活，诊断时既可以把握该脏器的整体解剖形态，又能观察到内壁细微的结构特征；对病灶处的定位更为直观和准确；诊断时可以直观地将空腔性脏器的内部结构同外部的组织和器官相联系；不会对内壁的形态结构带来较大形变，保证诊断上的准确。

Description

空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理技术领域的方法，具体涉及一种空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法。

技术背景

目前，利用CT、MRI等医学成像数据，对空腔管道性脏器内壁进行三维可视化重建主要采用的是虚拟内窥镜技术。这一技术模拟了传统光学内窥镜体在腔道内行进，以光学内窥镜的视角从内部对脏器内壁进行观察。这个技术的优势在于克服了传统光学内窥镜需把内窥镜体插入人体内的缺点，是一种完全无接触式的检查方法。现有的虚拟内窥镜技术的缺点是观察角度仍然局限于内窥，视角有限，无法对脏器的解剖形态进行整体地观察，对病灶的定位不够直观，对病灶处脏器外部的情况亦无法了解。

经对现有技术的文献检索发现，Vilanova Bartroli，A.V等在Visualization，2001.VIS’01.Proceedings(2001年可视化会议)(2001年10月21-26日，第411-579页)上发表的“Nonlinear virtual colon unfolding”(非线性虚拟结肠展开)和G.Wang等在In Proceedings SPIE(国际光学工程学会国际会议)(1999年5月第3660卷第125—132页)上发表的“Colonunraveling based on electrical field：Recent progress and further work”(基于电场的结肠拆开：最新进展和今后的工作)，两篇文章分别提出了将空腔性脏器进行虚拟展平后再进行观察的方案。这两种方案的方法都是将空腔性脏器虚拟拆开并展平至一个平面上，这样可以实现对脏器的内壁从外部视角进行观察。其不足在于：利用他们的方法在对脏器内壁进行展平重建的过程中，脏器的内壁会产生形变，特别是在一些脏器几何形状不规则或弯曲的区域，形变更为严重，从而影响诊断的可靠性，并且展平重建结果破坏了脏器原本的几何结构，使得诊断不够直观。

发明内容

本发明针对现有的虚拟内窥镜技术和Vilanova Bartroli，A.V等、G.Wang等所设计的方案的不足，提出了一种空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，使其既可观察到结肠的整体解剖形态，又可以对内壁细微的病变进行诊断和观察，并对病灶进行精确地定位。

本发明是通过以下技术方法实现的，本发明首先获取医学原始图像，将图像进行预处理并分割后，再分别提取出所需空腔性脏器的内壁表面和供外翻处理的基准面，然后将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧，最后将外翻处理后的脏器内壁表面以交互式的方式三维显示出来，供用户从外部的视角进行观察。

所述的获取医学原始图像，是指：利用CT、MRI等医学成像手段，来获得包含待可视化重建脏器的医学图像。图像可以是断层图像，也可以直接为三维体数据。

所述的将图像进行预处理并分割，是指：对原始图像进行必要的滤波及插值，去除图像的噪声。并采取各种适合的图像分割的方法，将空腔性脏器从原始图像中进行分割处理。对于比较容易分割的情况，分割可以利用相应的算法实现自动分割。如果自动分割不能实现，则可以采取结合手动或完全手动的方法实现对图像的分割。

所述的提取出所需空腔性脏器的内壁表面，是指：利用已分割后的图像数据，采取移动立方体算法或其它表面绘制的方法，得到脏器内壁表面的详细数据。

所述的提取出所需空腔性脏器的供外翻处理的基准面，是指：同样利用已分割后的图像数据，通过再一次提取，绘制出一个用于外翻的基准面。这个基准面必须较为平滑，且能代表待重建脏器的实际解剖形态，因此应根据实际情况，采取不同的提取方法。对于外壁较薄且容易分割的脏器，可以提取出此外壁表面，作为外翻基准面；对于外壁表面形状不规则或难于分割的脏器，可以采取平滑处理后的内壁表面或利用尺度较大的立方体进行表面绘制后得到的内壁表面数据，用来作为外翻基准面；对于壁比较厚的脏器，也可以将内壁表面和外壁表面的中心点作为外翻基准面。

所述的将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧，是指：将所提取得到的脏器内壁表面数据，沿着外翻基准面法线方向，镜面映射到基准面的另一侧，并重新绘制出外翻后的表面数据。

所述的将外翻处理后的脏器内壁表面以交互式的方式三维显示出来，是指：将外翻后的表面，进行三维可视化显示。观察视角位于外部，并可由用户任意选取。

本发明相对于一般的虚拟内窥镜技术以及虚拟展开可视化技术的优势在于：1、视角更为开扩和灵活，诊断时既可以把握该脏器的整体解剖形态，又能观察到内壁细微的结构特征。2、对病灶处的定位更为直观和准确。3、诊断时可以直观地将空腔性脏器的内部结构同外部的组织和器官相联系。4、不会对内壁的形态结构带来较大形变，保证诊断上的准确。

具体实施方式

本发明方法具体步骤如下：(1)获取医学原始图像。(2)将图像进行预处理并分割。(3)提取脏器内壁表面。(4)提取外翻基准面。(5)对脏器内壁表面数据进行外翻处理。(6)交互式显示。以下结合一个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

该实施例采用人体结肠作为可视化重建的样本。整个发明的实现过程如下：

1.对人体的下腹部进行CT成像，获得CT断层图像数据。

2.对断层图像进行必要的滤波处理，包括高斯滤波和中值滤波，除去噪声。利用区域生长算法，从断层图像中分割出结肠内部的空腔部分，这部分数据用来绘制内壁表面。然后，再利用局部阈值的方法，并可结合手工选取，分割出结肠壁的数据，用来绘制外壁表面。

3.对分割出的结肠空腔图像，采用移动立方体算法，绘制出精细的结肠内壁的表面。这一表面可供用户以传统内窥镜的角度从内部进行观察，需进一步处理，才可达到外视的效果。

4.对分割出的结肠壁的图像，同样采用移动立方体算法，并精简所得到的三角面片，绘制出比较平滑的结肠外壁的表面。此结肠外壁表面的图像，即可作为外翻的基准面。

5.将所获得的结肠内壁表面的每一点沿着基准面法线方向，以结肠外壁表面上的点为基准，镜面映射到结肠外壁表面的另一侧。这样，内壁的表面就完全虚拟外翻到了外壁的外侧，即可用外部视角对这一表面进行观察。

6.将映射后已处在外侧的内表面重新绘制，加入光照渲染，并以交互的方式显示出来。用户可以任意改换视角，对这一表面从外部进行观察。

这样的实施方式，可以重建出虚拟外翻后的结肠可视化效果。这样如同将口袋的内面向外翻出，结肠的内壁即可在外表面虚拟显示出来。用户能够灵活地改变不同的视角，既可观察到结肠的整体解剖形态，又可以对内壁细微的病变进行诊断和观察，并对病灶进行精确地定位。

Claims (5)

1、一种空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，其特征在于：首先获取医学原始图像，将图像进行预处理并分割后，再分别提取出所需空腔性脏器的内壁表面和供外翻处理的基准面，然后将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧，最后将外翻处理后的脏器内壁表面以交互式的方式三维显示出来，供用户从外部的视角进行观察。

2、根据权利要求1所述的空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，其特征是，所述的将图像进行预处理并分割，是指：对原始图像进行滤波及插值，去除图像的噪声，并将空腔性脏器从原始图像中进行分割处理，分割利用相应的算法进行自动分割，或者采取结合手动或完全手动的方法实现对图像的分割。

3、根据权利要求1所述的空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，其特征是，所述的提取出所需空腔性脏器的内壁表面，是指：利用已分割后的图像数据，采取移动立方体算法，得到脏器内壁表面的详细数据。

4、根据权利要求1所述的空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，其特征是，所述的将内壁表面的数据以镜像的方式外翻至基准面外侧，是指：将所提取得到的脏器内壁表面数据，沿着外翻基准面法线方向，镜面映射到基准面的另一侧，并重新绘制出外翻后的表面数据。

5、根据权利要求1所述的空腔性脏器内壁虚拟外翻式三维外视化方法，其特征是，所述的将外翻处理后的脏器内壁表面以交互式的方式三维显示出来，是指：将外翻后的表面，进行三维可视化显示，观察视角位于外部，由用户任意选取。