CN101110124A - 利用虚拟切割的背景中体积可视化的系统及方法 - Google Patents

Abstract

用于体绘制数字化医学图像的方法包括：提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格上的多个强度；提供包括点的2维格子的投影平面，其中把绘制光线从观察点穿过所述图像体积投射在该投影平面上；沿穿过所述图像体积的光线推进(67)采样点；在所述图像体积内产生(62)切割区域；判定(63)所述采样点是否在所述切割区域内，其中如果所述采样点在切割区域内，则把第一传递函数应用于(64)从第一体积内插的采样值，和如果所述采样点在切割区域外，则把第二传递函数应用于(65)从第二体积内插的采样值，和累积(66)传递函数的输出。

Description

利用虚拟切割的背景中体积可视化的系统及方法

相关美国申请的交叉引用

本申请要求Engel等人于2006年2月21日提交的美国临时申请No.60/775,193“AN EFFICIENT DISPLAY TECHNIQUE FOR VIRTUALINCISION USING PROCEDURAL OPENING AND DEFORMATION FOR IN-CONTEXT VOLUME VISUALIZATION”的优先权，其内容在此引用作为参考。

技术领域

本公开涉及体绘制，尤其涉及体积图像内部的背景中体积可视化。

背景技术

直接体绘制(direct volume rendering)的基础原理是在任意方向上沿着光线采样体积数据集并将这些采样一起混合在帧缓冲器内。在被混合之前，利用传递函数将在体积内读取的密度转换为色彩(RGBA)，该传递函数通常被编码为查找表。为此，混合通常是指alpha(阿尔法)混合。当包括足够数量的采样时，结果是无缝图像。

存在几种显露体积内部的技术。一种选择是采用传递函数(transferfunction)，其将体积的密度值映射为色彩和不透明度。通过使用遮挡(occluding)结构的密度值的非常低的或零不透明度，可以使这些遮挡结构透明或在产生的图像中完全被移除。但是，通过利用传递函数移除遮挡特征，围绕重要特征的背景就丢失了。而且，具有与遮挡结构相似的密度值的其它重要特征也将被移除。

移除遮挡物质的另一常用方法是将重要特征分割并移除不在体积的被分割部分之内的片段。与传递函数相似，采用这种技术也丢失围绕被分割的特征的背景。在重要性驱动可视化(importance-driven visualization)中，在绘制期间，遮挡已被分割的重要特征的物质被切除。但是，通常需要浏览体积以便查找还没有被分割的重要特征。因此，在这种情况下不能应用重要性驱动可视化。

剪切平面是显露嵌在体积数据集内部的特征的另一种常用方法。在由剪切平面所限定的两个半空间之一内的全部片段被移除。剪切几何形状允许给定的任意几何形状的内部或外部的移除。

发明内容

在此描述的本发明的典型实施例通常包括虚拟切割(virtual incision)绘制的方法和系统，允许在其它信息的背景中可视化数据集中的某些解剖特征。例如，在周围组织出血的情况下可以示出破裂的骨，但是在传统的体绘制中，由于采用仅仅示出骨的传递函数而将丢失出血的周围组织。根据本发明的实施例，利用虚拟切割平面和到空间观察点的距离限定切割区。使用不同的传递函数对靠近切割平面和观察点的片段移除或绘制。由于在绘制过程中容易估计片段到该区的距离，可以交互地改变控制该区的参数。而且，可以实时地(on-the-fly)使围绕该区的体积变形。由于能够使用程序性方法显露体积的内部，有可能在绘制过程中估计片段是在切割区内还是在外部以及片段离切割区多近。因此，可以交互地改变形状、位置、方向、尺许和描述切割区的所有其它参数。可以利用不同的传递函数绘制切割区的边界。另外，弯曲的多平面重建(multi-planar reconstruction，MPR)可以在切割区的边界表面上示出。根据本发明实施例的方法可用于在周围结构的背景中可视化包含在数据集内的细节，所述周围结构通常或者遮挡重要特征或者在绘制过程中采用传递函数、分割掩模、剪切平面或剪切几何形状完全地被移除。

根据本发明的实施例，提供一种用于体绘制数字化医学图像的方法，包括提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格上的多个强度；提供包括点的2维格子的投影平面，其中把绘制光线从观察点穿过所述图像体积投射在该投影平面上；沿穿过所述图像体积的光线推进(advancing)采样点；在所述图像体积内产生切割区域；判定所述采样点是否在所述切割区域内，其中如果所述采样点在切割区域内，则把第一传递函数应用于从第一体积内插的采样值，和如果所述采样点在切割区域外，则把第二传递函数应用于从第二体积内插(interpolated)的采样值；和累积传递函数的输出。

根据本发明的再一个方面，切割区域是平行于光线方向的有限厚度的平面，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点位置与表示切割平面的方程式的积。

根据本发明的再一个方面，切割区域是在所述图像体积内的有限半径的球体，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点的位置到球体中心点的距离。

根据本发明的再一个方面，第一体积和所述第二体积是相同的。

根据本发明的再一个方面，该方法包括判定所述采样点是否在所述切割区域的边界上。

根据本发明的再一个方面，该方法包括如果所述采样点足够靠近所述边界，则将第三传递函数应用于从围绕所述采样点的体积内插的采样值。

根据本发明的再一个方面，该方法包括从所述第一传递函数的输出和第二传递函数的输出在所述切割区域边界上内插输出。

根据本发明的再一个方面，第一传递函数的输出或者抛弃或者使第一体积的强度相对第二体积的强度透明。

根据本发明的再一个方面，第一传递函数根据变换

${\widetilde{\mathrm{\Φ}}}^{-1}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\stackrel{\→}{x}+\underset{i,j,k\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ijk}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\·(-{\stackrel{\→}{t}}_{\mathrm{ijk}}),$

使围绕采样点的体积变形，该变换由在围绕所述采样点的网格子体积的顶点处给定的平移矢量(translation vector)

的三线插值以及从未变形的图像体积网格所获得的插值加权a_ijk确定。

根据本发明的再一个方面，该方法包括在所述切割边界实施弯曲的MPR可视化。

根据本发明的再一个方面，该方法包括在绘制的帧之间改变观察距离用于所述弯曲的MPR可视化。

根据本发明的再一个方面，该方法包括在绘制过程中改变表征所述切割区域的参数，其中所述参数包括所述切割区域相对观察点的位置和方向、以及所述切割区域的形状和尺寸。

根据本发明的另一个方面，提供一种用以体绘制数字化医学图像的方法，包括提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格上的多个强度；将光线从观察点穿过所述图像体积投射到2维投影平面上，其中沿所述光线推进采样点；通过提供表征所述切割区域的参数在所述图像体积内产生切割区域，其中所述参数包括所述切割区域相对观察点的位置和方向、以及所述切割区域的形状和尺寸；和计算从所述采样点到所述切割区域边界的距离。

根据本发明的再一个方面，该方法包括利用所述距离来判定多个子体积中的哪个包含所述采样点，其中所述多个子体积的每个都与传递函数有关，和把与包含所述采样点的子体积有关的传递函数应用于从所述子体积内插的采样值；和沿所述光线累积传递函数的输出。

根据本发明的再一个方面，该方法包括在所述子体积之间内插多个传递函数的输出。

根据本发明的另一个方面，提供一种计算机可读程序存储装置，有形地实施计算机可执行指令的程序以执行用于体绘制数字化医学图像的方法步骤。

附图说明

图1(a)-(b)示出根据本发明实施例的虚拟切割方法的比喻。

图2描述了根据本发明实施例的在CT图像内虚拟切开的头部。

图3(a)-(d)示出根据本发明实施例在利用虚拟切割平面程序性打开数据集的情况下对腹部CT数据集的直接体绘制。

图4(a)-(d)进一步示出根据本发明实施例在利用虚拟切割平面程序性打开数据集的情况下对腹部CT数据集的直接体绘制。

图5(a)-(b)示出根据本发明实施例在虚拟切割边界上的弯曲多平面重建(MPR)的绘制。

图6是根据本发明实施例用于背景中体积可视化的虚拟切割方法流程图。

图7是根据本发明实施例实施背景中体积可视化的虚拟切割方法的典型计算机系统方块图。

具体实施方式

在此描述的本发明的典型实施例通常包括用于背景中体积可视化(in-context volume visualization)的系统和方法。因此，虽然本发明容许各种修改及可替代的形式，但在图中以示例的方式示出其特定的实施例并且在此将进行详细描述。但是，应当理解的是，这并不意味着将本发明局限于所公开的具体形式，相反，本发明意图覆盖落入本发明的精神及范围内的全部修改、等效、和替代方案。

如这里所使用的，术语“图像”指由离散图像元素(即对于2-D图像是像素和对于3-D图像是体素)组成的多维数据。图像可以是例如通过计算机断层摄影、磁共振成像、超声、或本领域技术人员知道的任意其它医学成像系统所收集的主体的医学图像。图像也可以从例如遥感系统、电子显微镜检查等非医疗背景被提供。虽然图像可被认为是从R³到R的函数，但本发明的方法并不局限于这些图像，并且能够应用到任意维的图像，例如2D图片或3D体积。对于2或3维图像，图像域典型地为2或3维矩形阵列，其中每个像素或体素能够参照一组2或3个相互正交的轴被编址。这里所使用的术语“数字的”和“数字化”适当地指以通过数字采集系统或通过从模拟图像的转换所获得的数字或数字化格式的图像或体积。

根据本发明的实施例，提供用于背景中可视化的方法用以通过程序性切开所述体积来显露体积内部。在这个背景中所使用的第一比喻是与真实外科手术过程中的切割类似地切割体积以便显露内部。这通过在绘制过程中应用程序性打开和/或变形实现。实时地计算虚拟切割区。通过使用与体积的剩余部分所用的传递函数不同的传递函数，该区的内部或者被抛弃或者被绘制。切割区的内部可以被移动到外部，与实际外科手术中组织变形相似地导致变形。在这个背景中使用的第二比喻是阐述像能被虚拟地打开和浏览的书一样的体积数据集。

这些比喻由图1(a)-(b)示出。图1(a)通过打开与书类似的体积示出了虚拟切割。图1(b)示出了体积切片如何变成能被浏览及翻阅的书页。

从体积数据产生两维图像的方法一般说来被分类为间接和直接体绘制技术。而间接方法产生并绘制体积数据的中间表示(representation)，直接方法通过估计光学模型来显示体素数据，该光学模型描述体积如何发射、反射、散射、吸收和遮挡光。体素值被映射成物理量，所述物理量描述在3D空间内在相应的点处的光相互作用。在图像合成过程中，通过基于光学模型沿观察光线对光相互作用效应积分来计算光传播。相应的积分被公知为体绘制积分。使用纹理映射硬件的硬件加速方法提供高帧速率和从而相互作用。

内插的体积数据值通常不被直接绘制。替代地，传递函数通常把数据值映射为色彩和不透明度。在基于纹理的体积可视化的情况下，在体绘制过程中所产生的中间色彩和不透明度值被称为“片段”。通过混合沿穿过体积的直光线的许多片段，计算出在屏幕上像素的最后输出色彩。根据在用户设定的传递函数内的不透明度值，部分体积变得可视、透明或不可视。通常在绘制过程中通过使用传递函数来显露体积的内部，该传递函数把遮挡体积内的重要特征的物质映射为零不透明度。然而这使得不能看到在周围物质的背景中的重要特征。但是，周围物质可能提供关于特征如何被嵌在体积内的重要线索。

移除遮挡特征的选择包括剪切平面、任意剪切几何形状和分割掩模。剪切平面移除由平面所限定的两个半空间之一中的全部体素。剪切几何形状允许切除几何形状内或外部的体素，因此提供比剪切平面较高的灵活性。分割掩模提供每体素标记(per voxel tag)，其允许利用不同的传递函数绘制具有特定标记值的体素或者完全抛弃这样的体素。

所有这些技术都移除遮挡特征，或至少使遮挡更加透明。因此被遮挡的重要特征所嵌入的背景丢失或至少未很好地被限定。

重要性驱动可视化方法通过提供每体素重要性标记防止重要特征被不太重要的特征遮挡。只要具有低重要性的体素遮挡具有更高重要性的体素，则在绘制过程中实时地移除所述具有低重要性的体素。根据观察方向动态地移除物质，允许在周围物质的背景中可视化重要特征。尤其对于相互作用的体绘制，这改进了对特征如何被嵌在体积数据内的理解。

重要性驱动可视化需要利用分割算法来分类重要特征，也即特征的重要性通常必须通过“昂贵的”分割算法被预先计算。与常用的重要性驱动背景中可视化算法相反，根据本发明实施例的方法不需要任何分割信息。

在根据本发明实施例的背景中可视化采用虚拟切割。术语“虚拟切割”指通过虚拟地切开所述体积通过或者抛弃切割区内的片段(切除物质)、将切割区内的片段移到外部(使物质变形)、或者在切割区内使用不同的传递函数(使物质透明)来显露体积内部。程序性限定体积内的虚拟切割区，即在存储器内不存在切割区的形状的显性表示。代替地，在利用几何方法“实时地”绘制过程中确定切割区。可以用例如球体、立方体、圆柱体等任意几何形状限定切割区。为了清楚说明的目的，将描述使用虚拟切割平面的本发明实施例。但是，应当理解的是，虚拟切割平面实施例是示范性的且非限制性的，且本领域的技术人员将知道如何将这里所描述的教导在下面应用于其它虚拟切割几何形状。

当利用虚拟切割平面时，到这个平面的距离和观察点(或空间中任意其它点)决定片段是在切割区的内还是在外部。切割程序计算到切割区的距离，并且如果采样位置在切割区内部，则获得负距离值，和如果采用位置在外部，则获得正距离。该平面限定虚拟切割的切开方向，而观察位置或空间内其它点限定原点，从该原点实施虚拟切割。由于切割区被程序性地限定，在绘制过程中判定体积内的任意3D点是在切割区内还是在外部是简单的。

切割区内的片段可以或者被抛弃或者利用第二传递函数被绘制。图2描绘了在CT图像中虚拟打开的头部的示例，其中利用示出骨的传递函数绘制切割区内的片段，而利用示出皮肤的传递函数绘制切割区外的片段。

图3(a)-(d)描绘了根据本发明的实施例利用虚拟切割平面在程序性打开数据集的情况下对腹部CT数据集的直接体绘制的示例，其中切割区内的片段被抛弃。在图3(a)中，变形没有被应用于体积，也即切割区内的体积数据被剪切。在图3(b)中，变形已被应用于体积，也即切割区内的体积数据被移动到切割区的外部。除了两者都利用具有有限切割长度的虚拟切割平面外，图3(c)和(d)分别与图3(a)和(b)对应。

图4(a)-(d)示出利用虚拟切割平面在程序性打开数据集的情况下对腹部CT数据集的直接体绘制的其它变型，其中在切割区内可视化动脉瘤。在图4(a)中，变形未被应用于体积，也即利用第二传递函数绘制切割区内的体积数据。图4(b)使用具有有限切割长度的虚拟切割平面。此外，变形未被应用于该体积，也即利用第二传递函数绘制切割区内的体积数据。在图4(c)中，变形已被应用于体积，也即切割区内的体积数据被移动到切割区外部。利用第二传递函数绘制切口内的体积数据。图4(d)也使用具有有限切割长度的虚拟切割平面。此外，变形已经被应用于体积，使得切割区内的体积数据被移动到切割区外，和在切口内，利用第二传递函数绘制同样的体积数据。

可替代地，可以利用程序性变形将源自于切割区内的片段移动到切割区外。这与真实的外科手术中的情形相似，例如在胸骨被切开以便显露胸腔的心脏搭桥手术(cardio bypass operation)过程中。源自于切割区的组织从切开区域被移除。这种变形也被实时地计算，即在存储器内没有变形的显性表示。取代将片段从切割区移除，以以下方式改变切割区外部的片段的纹理坐标，即利用变形映射的逆存取切割区内的数据值。

在一个典型的变形模型中，体积对象首先被细分为一组子立方体。通过平移该模型的每个顶点的坐标来说明该变形。通过在顶点给定的平移矢量

的三线插值来确定子立方体内部的点

的结果平移。结果是三线映射

$\mathrm{\Φ}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\stackrel{\→}{x}+\underset{i,j,k\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ijk}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\·{\stackrel{\→}{t}}_{\mathrm{ijk}},$

其中插值加权a_ijk从原始未变形的网格获得。此外，为了允许用户能够拾取顶点并将其拖拽到任意位置，需要逆变换Φ^-1。因为三线映射的逆通常不再是三线映射，而是更高复杂性的函数，所以可以通过简单地对原始平移矢量求反来获得对逆映射的良好近似

${\widetilde{\mathrm{\Φ}}}^{-1}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\stackrel{\→}{x}+\underset{i,j,k\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ijk}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\·(-{\stackrel{\→}{t}}_{\mathrm{ijk}}),$

具有O(γ²)阶的最大变形量γ的近似误差。根据本发明的实施例，可以程序性执行该逆映射，且不需要预先定义的变形体积。

图3(b)示出了利用改变的纹理坐标的体积变形，所述纹理坐标通过计算与切割平面正交的位移矢量获得。为了甚至更接近于在外科手术过程中切割结果的结果而可以选择性地限制切割长度，如在图3(c)、3(d)、4(b)和4(d)中所示。

由于切割平面的程序性限定(procedural definition)，而能够动态地更新切割区，即对于每个帧都可以交互式地改变切割区的位置和方向，其中帧是一个绘制输出图像，其中已经计算了所有像素的光线。一种选择是将切割平面定位成总与观察者视线平行。因此，切割平面相对于观察位置和方向将具有固定的位置和方向。通过旋转体积，用户能够浏览体积的内部。

另一种选择是允许用户自由地定位和旋转切割平面。另外，通过改变限定切割区的其它参数(例如顶点、曲率、长度、张角等)改变切割区。

切割区的程序性限定的有用性在于，对于体积内的每个点而言，能够容易地计算至切割区的距离。这允许附加效果，例如用不同的传递函数绘制切割区的边界，将传递函数从切割区内部和外部平滑地内插到切割区边界上，和使在切割区边界上实现弯曲的MPR可视化。如前所述，负距离值意味着采样位置处于切割区内并且正距离值意味着采样位置在外部。零值意味着采样位置在切割区的边界上，因而，如果将MPR状的传递函数应用于足够靠近边界的点，例如如果abs(d-D)＜epsilon，其中epsilon是弯曲的MPR区的厚度的一半，d是当前采样位置至切割区的距离以及D是弯曲的MPR应被绘制的至切割区的距离，则可以容易地得到弯曲的MPR。能够在离切割区(例如切割平面)任意距离D处绘制弯曲的MPR。通过改变帧之间的这个距离D能够获得象书页一样翻阅MPR的效果。

根据本发明实施例，为体积内的每个点计算至切割平面的距离的容易性允许使用多个传递函数。可以利用不同的传递函数基于至切割区的距离的特定范围绘制不同的体积，例如：

0＜距离＜＝0.1：绘制体积1/传递函数1；

0.1＜距离＜＝0.2：绘制体积2/传递函数2；

0.2＜距离＜＝0.5：绘制体积3/传递函数3；

0.5＜距离＜＝0.7：绘制体积4/传递函数4。

也可在范围之间内插传递函数。

在图6中示出了本发明实施例的虚拟切割体绘制的典型的非限制性实施方式的流程图。在这个非限制性范例中，切割区域可以或者是与当前观察方向平行的平面或者是围绕采样点的球体。现在参照该图，给定用以绘制的三维图像体积，提供了二维图像投影平面，其中光线将从观察点被投射到所述二维图像投影平面上。经由图像平面中的每个像素循环，在步骤61，为被投射到像素的光线定义开始位置和方向。采样位置被初始化为开始位置，并且光线输出色彩被初始化。

在步骤62，提供切割区域。可以在绘制过程中动态地确定切割区域的特征，使得对采样点是否在切割区域内的判定是程序性的。然后在步骤63，判定当前采样位置是否在切割区域内。根据本发明的这个实施例，这种判定是以返回TRUE或FALSE的Boolean函数执行的，并且把当前采样位置、切割类型、和与切割类型相关的参数作为自变量用于进行判定。这种Boolean函数的典型伪代码如下。

//  程序性检查的函数

//  如果采样在切割区域内

Float planeIncisionThickness ＝ 0.2

Boolean insideIncision ( samplingPosition，//矢量

                         type，    //枚举(Enum)

                         planeEquation，  //  矢量

                         spherePosition，//  矢量

                         sphereRadius)  //标量

{

    if (type＝＝PLANE){

          //硬编码平面(可以是参数)

          if(dot(samplingPosition，planeEquation)

                                 ＜planeIncisionThickness)

              return TRUE；

    else

              return FALSE；

}

else if(type＝＝SPHERE){

      d＝samplingPosition-spherePosition；

      if  (sqrt(dot(d，d))＜sphereRadius)

              return TRUE；

    else

              return FALSE；

)

    else//其它切割类型

}

该函数阐明两种类型的切割区域的典型检验：平面和球体。通常，这些检验包括计算从采样点到边界表面上的点的距离。典型地，负距离值意味着采样位置在切割区域内，正距离意味着采样位置在该区域外，接近零的值意味着采样位置处于或接近切割区域的边界。本领域技术人员能够容易地实施其它类型切割区域的检验。应当注意的是，在可选择的实施方式中，在Boolean条件下检验的函数，即对于球体的sqrt(dot(samplingPosition-spherePosition，samplingPosition-spherePosition))、和对于平面的dot(samplingPosition，planeEquation)，可以作为参数代替planeEquation，spherePosition和sphereRadius变量被传递。

如果当前采样位置在切割区域内，则在步骤64对切口内的第一体积采样以在当前光线采样位置获得三线内插的值，并且将这个内插的值传送给第一传递函数以获得采样色彩。否则，在步骤65，对第二体积采样并且将获得的值传送给第二传递函数以获得采样色彩。在本发明的可替代实施例中，在进行切割区域判定之前对体积采样，在这种情况下对同样的采样使用不同传递函数用以获得采样色彩。适当的传递函数能够实施任意的上述虚拟切割(例如抛弃片段、使物质变形、使物质透明)以及附加效果(例如在切割区域边界上的MPR可视化)。可选择地应用第三传递函数是采样点处于或足够靠近切割区域边界。

在步骤66，把采样色彩混合到光线输出色彩内，和在步骤67，沿光线方向更新采样位置。

在步骤68，判定是否已到达光线末端。如果没有，则绘制返回到步骤63以检验被更新的采样位置，否则，在步骤69判定是否已经完全绘制了帧。如果没有，则绘制返回到步骤61以对另一像素的光线开始位置和方向重新初始化，否则，绘制终止。

应当注意的是，检查切割区域内/外的代码是程序性的(例如，函数“insideIncision”)，也即不存在描述切割区域的数据结构。代替地，存在在“insideIncision”内求值的数学公式。可以有许多切割类型，在上述伪代码中包括简单平面和简单球体的切割。

根据本发明实施例的切割区域的程序性限定允许用户自由地定位和旋转切割区域，和通过改变那些限定切割区域的参数(诸如顶点、曲率、长度、张角等)来改变切割区域。这可以由用户或者在绘制帧时或者在帧之间交互地完成。另外，根据本发明实施例的虚拟切割的程序限定不需要分割信息。

根据本发明另一个实施例，作为切割的程序性限定的可替代方案，通过计算表示切割区边界的多边形模型可能产生切割区边界的几何表示。对于具有凸起剪切几何形状的模型，通常使用双深度缓冲器方法。第一深度缓冲器为每个像素存储光线从投影平面穿过模型内像素的第一交叉点的深度，也即当光线进入模型几何形状时。第二深度缓冲器存储光线穿过模型内像素的第二交叉点的深度，也即当光线离开模型时。为了抛弃(剪切)凸起剪切几何形状的内部，可以抛弃那些其深度大于在第一深度缓冲器内所存储的值并小于在第二深度缓冲器内所存储的值的采样点。对于封闭的非凸起剪切几何形状，存在判定当前采样位置是否在剪切几何形状内(或外)的技术。这可通过计数从当前采样位置发射的任意光线与几何形状的交叉点的数量得到。如果交叉点的数量是偶数，那么当前采样位置在(非凸起)剪切几何形状内，否则在外面。可以利用图形硬件通过使用模板缓冲器(stencil buffer)沿当前观察方向计数光线的交叉点数量实施这种检验。然而，如果切割区参数(例如曲率和开口等)改变，则这些方法需要重新计算切割区边界几何形状。

利用变形体积也可获得切割区外的物质的变形。取代实时地使体积程序性变形，在存储偏移纹理坐标用于查找未变形体积纹理的预处理步骤内创建变形体积。此外，然而一旦切割区参数(例如曲率、开口等)变化，这种方法需要重新计算变形体积。

应当理解的是，可以用各种形式的硬件、软件、固件、专用处理、或其组合实施本发明的实施例。在一个实施例中，可以用作为有形地被实施在计算机可读程序存储装置上的应用程序的软件实施本发明。可以把应用程序上载到包括任意适当的架构的机器并由其执行。

可以用任意适当的计算机语言写实施本发明实施例的应用程序。然而，至少一个实施例适合于被实施用以在图形处理单元(GPU)上利用OpenGL绘制语言(GLSL)(OpenGL Shading Language)作为源语言执行。

图7是根据本发明实施例用于实施背景中体积可视化的虚拟切割方法的典型计算机系统的方框图。现在参考图7，用于实施本发明的计算机系统71尤其包括中央处理单元(CPU)72、存储器73和输入/输出(I/O)接口74。计算机系统71通常通过I/O接口74连接到显示器75和诸如鼠标和键盘之类的各种输入装置76。支持电路可以包括诸如高速缓冲存储器、电源、时钟电路、和通信总线之类的电路。存储器73可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘驱动器、磁带驱动器等或其组合。本发明可以作为被存储在存储器73内的例程77实施并由CPU 72执行用以处理来自信号源78的信号。同样地，计算机系统71是通用计算机系统，而当执行本发明的例程77时变成专用计算机系统。

计算机系统71还包括操作系统和微指令代码。在此描述的各种过程和功能可以或者是微指令代码的一部分或者是应用程序的一部分(或其组合)，其通过操作系统执行。另外，诸如附加数据存储装置和打印装置之类的各种其它外围设备可连接到计算机平台。

进一步应当理解的是，由于附图中描绘的一些组成系统部件和方法步骤可以用软件实施，系统部件(或处理步骤)之间的实际连接可以根据本发明的编程方式而不同。给定这里所提供的本发明教导，相关领域普通技术人员将能够预测本发明的这些及类似实施方式或构造。

虽然已经参照优选的实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员应理解的是在不脱离在所附的权利要求书中阐明的本发明的精神和范围的情况下可对其进行各种修改和替换。

Claims (27)

1.体绘制数字化医学图像的方法，包括步骤：

提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格上的多个强度；

提供包括点的2维格子的投影平面，其中把绘制光线从观察点穿过所述图像体积投射在所述投影平面上；

沿穿过所述图像体积的光线推进采样点；

在所述图像体积内产生切割区域；

判定所述采样点是否在所述切割区域内，其中如果所述采样点在切割区域内，则把第一传递函数应用于从第一体积内插的采样值，和如果所述采样点在切割区域外，则把第二传递函数应用于从第二体积内插的采样值；和

累积传递函数的输出。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述切割区域是平行于光线方向的有限厚度的平面，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点位置与表示切割平面的方程式的积。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述切割区域是在所述图像体积内的有限半径的球体，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点的位置到球体中心点的距离。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一体积和所述第二体积是相同的。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括判定所述采样点是否在所述切割区域的边界上。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括如果所述采样点足够靠近所述边界，则将第三传递函数应用于从围绕所述采样点的体积内插的采样值。

7.如权利要求5所述的方法，进一步包括从所述第一传递函数的输出和第二传递函数的输出在所述切割区域的边界上内插输出。

8.如权利要求1所述的方法，其中第一传递函数的输出或者抛弃或者使第一体积的强度相对第二体积的强度透明。

9.如权利要求1所述的方法，其中第一传递函数根据变换

${\widetilde{\mathrm{\Φ}}}^{-1}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\stackrel{\→}{x}+\underset{i,j,k\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ijk}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\·(-{\stackrel{\→}{t}}_{\mathrm{ijk}})$

使围绕采样点的体积变形，该变换由在围绕所述采样点的网格子体积顶点处给定的平移矢量

的三线插值以及从未变形的图像体积网格所获得的插值加权a_ijk确定。

10.如权利要求5所述的方法，进一步包括在所述切割边界实施弯曲的MPR可视化。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括在绘制帧之间改变观察距离用于所述弯曲的MPR可视化。

12.如权利要求1所述的方法，进一步包括在绘制过程中改变表征所述切割区域的参数，其中所述参数包括所述切割区域相对观察点的位置和方向、以及所述切割区域的形状和尺寸。

13.体绘制数字化医学图像的方法，包括步骤：

提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格点上的多个强度；

将光线从观察点穿过所述图像体积投射到2维投影平面上，其中沿所述光线推进采样点；

通过提供表征所述切割区域的参数在所述图像体积内产生切割区域，其中所述参数包括所述切割区域相对观察点的位置和方向、以及所述切割区域的形状和尺寸；和

计算从所述采样点到所述切割区域边界的距离。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括利用所述距离来判定多个子体积中的哪个包含所述采样点，其中所述多个子体积中的每个都与传递函数有关，和把与包含所述采样点的子体积有关的传递函数应用于从所述子体积内插的采样值；和

沿所述光线累积传递函数的输出。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述子体积之间内插多个传递函数的输出。

16.计算机可读程序存储装置，有形地实施计算机可执行指令的程序以执行用于体绘制数字化医学图像的方法步骤，该方法包括步骤：

提供数字化医学图像体积，所述图像包括在点的3维网格上的多个强度；

提供包括点的2维格子的投影平面，其中把绘制光线从观察点穿过所述图像体积投射在所述投影平面上；

沿穿过所述图像体积的光线推进采样点；

在所述图像体积内产生切割区域；

判定所述采样点是否在所述切割区域内，其中如果所述采样点在切割区域内，则把第一传递函数应用于从第一体积内插的采样值，和如果所述采样点在切割区域外，则把第二传递函数应用于从第二体积内插的采样值；和

累积传递函数的输出。

17.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，其中所述切割区域是平行于光线方向的有限厚度的平面，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点的位置与表示切割平面的方程式的积。

18.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，其中所述切割区域是在所述图像体积内的有限半径的球体，以及判定所述采样点是否在切割区域内包括估计采样点的位置到球体中心点的距离。

19.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，其中所述第一体积和所述第二体积是相同的。

20.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括判定所述采样点是否在所述切割区域的边界上。

21.如权利要求20所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括如果所述采样点足够靠近所述边界，则将第三传递函数应用于从围绕所述采样点的体积内插的采样值。

22.如权利要求20所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括从所述第一传递函数的输出和第二传递函数的输出在所述切割区域边界上内插输出。

23.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，其中第一传递函数的输出或者抛弃或者使第一体积的强度相对第二体积的强度透明。

24.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，其中第一传递函数根据变换

${\widetilde{\mathrm{\Φ}}}^{-1}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\stackrel{\→}{x}+\underset{i,j,k\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ijk}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\·(-{\stackrel{\→}{t}}_{\mathrm{ijk}})$

使围绕采样点

的体积变形，该变换由在围绕所述采样点的网格子体积的顶点处给定的平移矢量

的三线插值以及从未变形的图像体积网格所获得的插值加权a_ijk确定。

25.如权利要求20所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括在所述切割边界实施弯曲的MPR可视化。

26.如权利要求25所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括在绘制帧之间改变观察距离用于所述弯曲的MPR可视化。

27.如权利要求16所述的计算机可读程序存储装置，该方法进一步包括在绘制过程中改变表征所述切割区域的参数，其中所述参数包括所述切割区域相对观察点的位置和方向、以及所述切割区域的形状和尺寸。

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