專利名稱：利用vtk進行腸道三維重建的方法
技術領域：
本發明涉及利用VTK (Visualization Toolkit可視化工具包)進行腸道三維重建的方法，尤其是涉及利用VTK對腸道的CT圖像進行三維重建的方法。
背景技術：
三維腸道重建就是用一組腸道的CT斷層圖像，通過某種算法將其轉化為具有直觀立體效果的腸道圖像，更好的展現腸道的真實三維形態。三維腸道重建是科學診斷腸道疾病的基礎，也是腸道疾病診斷治療需要解決的關鍵技術之一。大腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，患者平均5年生存率為20%_25%，我國腸癌發病率的增速是世界平均水平的兩倍，達到年均4%。發病率僅次于肺癌和肝癌，列第三位，已經成為癌癥中的首要殺手之一。然而，在醫療診斷中，觀察病人的一組二維斷層圖像CT、MRI 是醫生診斷病情的常規方式。但是，要準確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關系，醫生僅通過二維斷層圖像，在頭腦中想象真實的三維模型是十分困難的，從而影響了疾病診治的精確性。因此，迫切需要一種行之有效的工具來完成對人體器官、軟組織和病變的三維重建和顯示。醫學圖像三維重建就是輔助醫生對病變體的周圍組織進行分析和顯示的有效工具，它極大地提高了醫療診斷的準確性和科學性。

發明內容
本發明的目的在于提供一種利用VTK進行腸道三維重建的方法，實現利用CT圖像進行逼真的三維腸道重建，提高醫療診斷的準確性和科學性。為達到上述發明目的，本發明的構思是首先對原始的腹部CT圖像進行中值濾波，去除由于影像設備中各電子間的隨機擾動和周圍環境產生的噪聲，再用Live-Wire和區域生長相結合的分割方法分割出腸道的CT圖像，接著對腸道圖像進行基于數學形態學的改進的最近鄰域插值算法對腸道圖像進行插值，在VTK平臺上構建環境，以此重建三維腸道。根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案
一種利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于具體操作步驟如下
(1)對含有噪聲的CT數據進行預處理，對CT圖像進行中值濾波，從而濾除由于影像設備中各電子間的隨機擾動和周圍環境產生的噪聲；
⑵對CT圖像采用邊界分割Live-Wire (火線)方法和區域生長相結合的分割方法分割出腸道部分的CT圖像；
(3)對分割得到的腸道CT圖像進行數學形態學的改進的最近鄰域插值，提高CT圖像的層間分辨率；
⑷設置VTK平臺上的重建環境；
(5)執行腸道面重建算法。所述步驟⑴中對CT圖像進行中值濾波，其操作方法對于CT圖像上的每一個點，選取一個含有奇數個像素的窗口，對該窗口所覆蓋像素按大小排序，將處在灰度序列中間的那個灰度值作為中值，用它代替窗口中心對應的像素的原灰度值。所述步驟⑵中對CT圖像采用邊界分割Live-Wire算法和區域生長相結合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像，其具體步驟如下
①用Live-Wire算法在CT圖像上選取邊界點，作為腸道的邊界；
②在邊界線內選取種子點；
③根據設定的條件進行區域生長，從而找到完整的腸道。所述步驟⑶中對分割得到的腸CT道圖像進行數學形態學的改進的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率，其具體步驟如下
①利用數學形態學的方法，得到被插值圖像區域的輪廓；
②求出插值圖像Sk上所有點在前一層圖像Sk_i和后一層圖像Sk+1上的對應點；
③求出插值圖像Sk中各點的灰度值。所述步驟⑷中設置VTK平臺上的重建環境，其具體步驟如下
設置腸道RGB顏色為1，0. 49，O. 25，反射系數O. 3，反射光強20，在VTK中的設置為 設置腸道顏色intestine->GetProperty O->SetDiffuseColor (1，O. 49，O. 25)； 設置反射系數intestine_>GetProperty O->SetSpecular (O. 3)；
設置反射光強intestine_>GetProperty O->SetSpecularPower (20)。所述步驟(5)中執行腸道面重建算法，其具體步驟如下
①逐點判斷各個體素的面是否為二義性面，在計算得到腸道CT體數據與等值面的交點位置的基礎上，判斷是否為二義性面，包括體素與等值面交點坐標的計算和體素各個頂點的狀態判斷；
②消除二義性面用對邊交點的連線代替漸進線，計算連線交點O處的坐標，并判斷交點處的狀態值，從而判斷連接方式，消除二義性；
③拼接三角形面片，得到重建的三維模型，并進行平滑濾波從而得到表面光滑的三維腸道；
④利用VTK的渲染機制，渲染三維腸道面重建結果。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特征和顯著優點先對CT圖像進行分割，大大減小了冗余數據量；面重建階段的二義性處理方法計算簡單，極大地減小了計算量，提高了計算速度；對重建環境的設置使重建結果更接近真實腸道；在可視化工具VTK平臺上實現三維重建，可充分發揮VTK的強大功能，而且有助于后續三維腸道內漫游和腸道疾病的檢測。


圖I是本發明利用VTK進行腸道三維重建的方法的流程圖。圖2是最近鄰域插值示意圖。圖3是重建出的逼真三維腸道效果圖。
具體實施例方式本發明的一個優選實例結合附圖詳細說明如下參見圖1，本發明利用VTK進行腸道三維重建的方法的一個優選實例結合

如下本發明的實施利用解放軍海軍總醫院32排CT機中的一套889張人體胸腔CT掃描數據，分割出包含腸道部分的356張腸道CT 數據，圖像大小512X512像素，層間距0.62mm。利用VTK進行腸道三維重建方法共分為五步，其具體操作步驟如下
(I)對含有噪聲的CT數據進行預處理，對CT圖像進行中值濾波，從而濾除由于影像設備中各電子間的隨機擾動和周圍環境產生的噪聲；
其實施方法如下
在圖像上選取一個含有奇數個像素的窗口，對該窗口所覆蓋像素按大小排序，處在灰度序列中間的那個灰度值為中值，用它代替窗口中心對應像素的原灰度值。(2)對CT圖像采用邊界分割Live-Wire方法和區域生長相結合的分割方法分割出腸道部分的CT圖像，其具體如下
人體腹部的CT掃描數據是由幾百張CT圖像組成的，要得到腸道的完整數據就要對這幾百張圖片整體分割，由于基于邊界的分割不能用于體數據，而基于區域的分割雖然能用于體數據，但是它會造成過度分割，即將圖像分割成過多的區域。本方法采用邊界分割與區域分割相結合的分割方法，充分利用兩種分割的優點更好地分割出腸道，具體方法如下 ①用Live-Wire算法在圖像上選取邊界點，作為腸道的邊界。②在邊界線內選取種子點，
③根據設定的條件進行區域生長，從而找到完整的腸道。(3)對分割得到的腸道圖像進行數學形態學的改進的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率；其具體如下
給定兩幅斷層圖像Slri和Sk+1，為了通過插值求出它們之間的圖像Sk，用集合S= (V，F) 來表示已知的所有斷層圖像，V為所有點的集合,其元素v=(x, y, Z)表示點在空間的坐標, 函數f :V — Y定義了任一點的灰度值。第一步，利用數學形態學的方法，得到被插值圖像每個區域的輪廓。由步驟⑵得到2幅斷層圖像，接著要確定已知兩幅斷層圖像上腸道的輪廓，分別用Clri和ck+1表示分割得到的腸道區域的邊界。對任意位于圖像Slri某個輪廓上的點6 = ( ,//, .-!)，即(b&u) € Cm來說，對應
于圖像Sk+1上的點5 = (Hd1)只可能有下面3種情況
①點、= (WZjw)在輪廓Ck+1內，但不在Ck+1上，此時執行4^)05，其中壬力膨脹，B為結構算子。②點巧既不在輪廓(；+1上，也不在輪廓內，即該點和點不屬于同一密度物質，此時，執行，其中表示腐蝕。③點Vi =在輪廓Ck+1上，即lU/Jfc+i) e Cm ,此時無需任何操作。綜合上述3種情況，可以表示為根據式(I)、式(2)對任意的兩幅斷層圖像進行操作，最終均能得到兩幅完全一樣的插值圖像。此時，在斷層圖像Slri和Sk+1之間已經產生了一系列新的圖像，找到與Sk位置對應的新圖像，提取出它的每個密度物質輪廓Ck，這樣就構成了插值圖像Sk的輪廓。
權利要求
1.一種利用VTK (Visualization Toolkit可視化工具包)進行腸道三維重建的方法, 其特征在于具體操作步驟如下(1)對含有噪聲的CT數據進行預處理，對CT圖像進行中值濾波，從而濾除由于影像設備中各電子間的隨機擾動和周圍環境產生的噪聲；⑵對CT圖像采用邊界分割Live-Wire (火線)算法和區域生長相結合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像；(3)對分割得到的腸道CT圖像進行數學形態學的改進的最近鄰域插值，提高CT圖像的層間分辨率；⑷設置VTK平臺上的重建環境；(5)執行腸道面重建算法。
2.根據權利要求I所述的利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑴中對CT圖像進行中值濾波，其操作方法對于CT圖像上的每一個點，選取一個含有奇數個像素的窗口，對該窗口所覆蓋像素按大小排序，將處在灰度序列中間的那個灰度值作為中值，用它代替窗口中心對應的像素的原灰度值。
3.根據權利要求I所述的利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑵中對CT圖像采用邊界分割Live-Wire算法和區域生長相結合的分割算法分割出腸道部分的CT圖像，其具體步驟如下①用Live-Wire算法在CT圖像上選取邊界點，作為腸道的邊界；②在邊界線內選取種子點；③根據設定的條件進行區域生長，從而找到完整的腸道。
4.根據權利要求I所述的利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑶中對分割得到的腸CT道圖像進行數學形態學的改進的最近鄰域插值，提高圖像的層間分辨率，其具體步驟如下①利用數學形態學的方法，得到被插值圖像區域的輪廓；②求出插值圖像Sk上所有點在前一層圖像Sh和后一層圖像Sk+1上的對應點；③求出插值圖像Sk中各點的灰度值。
5.根據權利要求I所述的利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟 ⑷中設置VTK平臺上的重建環境，其具體步驟如下設置腸道RGB顏色為1，O. 49，O. 25，反射系數O. 3，反射光強20，在VTK中的設置為 設置腸道顏色intestine->GetProperty O->SetDiffuseColor (1，O. 49，O. 25)； 設置反射系數intestine_>GetProperty O->SetSpecular (O. 3)；設置反射光強intestine_>GetProperty O->SetSpecularPower (20)。
6.根據權利要求I所述的利用VTK進行腸道三維重建的方法，其特征在于所述步驟(5)中執行腸道面重建算法，其具體步驟如下①逐點判斷各個體素的面是否為二義性面，在計算得到腸道CT體數據與等值面的交點位置的基礎上，判斷是否為二義性面，包括體素與等值面交點坐標的計算和體素各個頂點的狀態判斷；②消除二義性面用對邊交點的連線代替漸進線，計算連線交點O處的坐標，并判斷交點處的狀態值，從而判斷連接方式，消除二義性；③拼接三角形面片，得到重建的三維模型，并進行平滑濾波從而得到表面光滑的三維腸道；④利用VTK的渲染機制，渲染三維腸道面重建結果。
全文摘要
本發明涉及一種利用VTK(VisualizationToolkit可視化工具包)進行腸道三維重建的方法。本方法直接基于VTK進行三維重建。首先，對含有噪聲的原始人體CT掃描數據進行濾波和體數據的分割，得到腸道組織的CT數據；為了得到更好的重建效果，對數據進行插值，采用形態學的方法對體數據進行插值；然后根據MarchingCubes面重建理論，設計出高效解決面重建二義性的算法。在面重建時，根據腸道的特性，設置好顏色、散射光及散射光強度。實驗結果表明，采用本發明的三維腸道重建算法能逼真的重建出三維腸道，且具有較快的重建速度。
文檔編號G06T17/00GK102592311SQ20121000809
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優先權日2011年3月10日
發明者萬旺根, 余小清, 王亞男, 王蕊, 馬艷茹 申請人:上海大學