技术领域
[0001] 本
发明涉及三维重建和
可视化技术领域，特别是一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法。
背景技术
[0002] 在医学
图像处理领域中，有诸多断层扫描图像的提取方法，尤其在
冠状动脉中运用的
血管造影术，心血管阻塞搭桥时，运用的核
磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)以及检测时运用的
电子计算机断层扫描(CT,Computed Tomography)方法得到了广泛的运用。
[0003] 断层数据的三维重建就是由一系列二维断层图像还原出被检测物的三维结构。对医学断层图像进行三维重建和可视化，可为医生的诊断提供更为客观、逼真的组织器官形态，从而克服传统诊断中依赖于医生的主观想象、判断而可能导致的不确定性以及误差较大特性。因此，三维断层图像重建技术具有广泛的临床实用性。
[0005] 1.由非平行断层
图像序列重建三维目标对象表面的方法(CN101533518B)，公开了一种由非平行断层图像序列重建三维目标对象表面的方法，通过对断层
图像分割提取目标对象轮廓，并对其进行距离变换、提取圆盘集并去除冗余找出目标对象轮廓内的极大圆盘集，在相邻断层图像中选择用来插值的圆盘集，计算断层图像中每一点指向图像中目标对象的矢量值，确定插值断层图像之间空间点的距离，并进行基于轮廓的面绘制显示，该方法的
缺陷在于对圆盘集的插方式，并不是依据具体的断层图像中目标对象的平面
位置信息，而是通过计算断层图像中每一点指向图像中目标对象的矢量值，重建的三维轮廓信息，无法确保目标对象的真实性。
[0006] 2.用于对对象进行扫描重建的锥形束的断层方向可调整的三维重建方法及系统(CN104599316A)，公开了一种锥形束的断层方向可调整的三维重建方法及系统，该方法能够重建被测物体的任意方向断层的图像，另外该方法可仅针对感兴趣区域进行重建，避免了感兴趣区域之外区域的重建，从而减少了计算量，提高了重建速度。其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)通过CT系统对被检测物体进行扫描；(2)通过预重建模
块对CT系统扫描数据进行重建；(3)通过参数调整获得对应于视图断层图像的图像
坐标系参数；(4)通过重建模块获得被测物体的三维图像，该方法的缺陷在于只对感兴趣的区域进行重建，虽然减少了程序计算量，单在重建区域的
精度上，无法保证目标对象还原的真实形状，有可能导致目标对象部分位置缺失。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是克服
现有技术的不足，而提供一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法，该方法简单，多
角度展示，更好的图像还原，以更为直观的方式描述重建图像的对应平面位置信息和步进位置信息，获得重建后的三维图像的空间
分辨率得到了极大提高，能够全方位展示被测物体的管内壁复杂形状，以及分层展示管内异常物质的组织材质特性的管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009] 根据本发明提出的一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤S1、读取n幅断层扫描图像，每一幅断层扫描图像有N条不同位置的单向光束信息，对该断层扫描图像进行极坐标变换，并使用插值法，增加断层扫描图像的
像素密度，得到n幅按照极坐标变换公式变换后的像素的平面位置信息；
[0011] 按照极坐标变换公式变换后的每个像素的平面位置信息(X,Y)是按照如下过程得到的：将每一幅断层扫描图像的每条单向光束信息按照从1到N进行摆放，每条光束上有M个像素点的灰度值，确定插入像素的密度ρ，将读取到的第ni幅断层扫描图像中的一个像素的平面位置信息(x,y)按照极坐标变换公式变换得到在2N*2N背景下的每个像素的平面位置信息(X,Y)；其中，1≤ni≤n；
[0012] 步骤S2、增加经过步骤S1变换后的每一幅断层扫描图像的
对比度，得到可用于显示的视觉图；
[0013] 步骤S3、对步骤S2得到的视觉图采用
边缘检测算法，提取目标对象的轮廓，并确定轮廓圆心；
[0014] 步骤S4、依据断层扫描
图像采集设备的步进时间与步进长度，求得经过步骤S1变换后的每一幅断层扫描图像排列到三维空间中、垂直于每一幅断层扫描图像平面的步进位置信息Z；
[0015] 步骤S5、根据步骤S1变换后的每一幅断层扫描图像的每个像素的平面位置信息(X,Y)、步骤S2中的对比度、步骤S3中得到的轮廓圆心、步骤S4求得的步进位置信息Z和断层扫描图像存储格式构建出三维实体的数据结构，由图像处理
软件显示三维实体。
[0016] 作为本发明所述的一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法进一步优化方案，步骤S1中，采用以下公式求得每个像素的平面位置信息(X,Y)；
[0017]
[0018] 其中，ρ为插入像素的密度，ρ为已知，(x,y)为每一幅断层图像的每个像素点的平面位置信息，round(*)为四舍五入取整函数，M为步骤S1中每一条光束上像素点的个数，N为每一幅断层扫描图像上光束的条数。
[0019] 作为本发明所述的一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法进一步优化方案，步骤S3中，通过设定像素点灰度
阈值，实现边缘轮廓平面位置信息的提取。
[0020] 作为本发明所述的一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法进一步优化方案，步骤S4中第ni幅图像在 时刻在三维空间的步进位置信息Z为：
[0021]
[0022] 其中，L为采集被测物体总长度，T为采集的总时间，则步进的速度 n为采集到的断层扫描图像数。
[0023] 作为本发明所述的一种管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法进一步优化方案，步骤S5中，利用每一幅断层扫描图像在三维空间中目标对象的等值面梯度，做灰度差分计算，从而显示目标对象在三维空间中更加真实的形状。
[0024] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提供一种方法简单，多角度展示，更好的图像还原，以更为直观的方式描述重建图像的对应平面位置信息和步进位置信息，获得重建后的三维图像的空间分辨率得到了极大提高，能够全方位展示被测物体的管内壁复杂形状，以及分层展示管内异常物质的组织材质特性的管内步进单向光束扫描断层图像的三维重建方法。
附图说明
[0025] 图1是基于单向光束轨迹矫正扫描图像的三维实体建模
流程图。
[0026] 图2是极坐标变换前后图像对比；其中，(a)为步骤S1中未经过极坐标变换的断层扫描图像，(b)为步骤S1中经过极坐标变换后的断层扫描图像。
[0027] 图3是极坐标变换前后图像频数分布直方图对比；其中，(a)为图1中(a)图的图像频数分布直方图，(b)为图1中(b)图的图像频数分布直方图。
[0028] 图4是四种
图像对比度的灰度区间变化对图像的影响效果；其中，(a)为Fa＝2Fb＝-55增加对比度显示效果图，(b)为Fa＝0.5Fb＝-55减小对比度显示效果图，(c)为Fa＝1Fb＝55线性平移增加
亮度显示效果图，(d)为Fa＝-1Fb＝255反相显示效果图。
[0029] 图5是四种图像对比度的变化对图像直方图的影响；其中，(a)为Fa＝2Fb＝-55增加对比度直方图，(b)为Fa＝0.5Fb＝-55减小对比度显示直方图，(c)为Fa＝1Fb＝55线性平移增加亮度显示直方图，(d)为Fa＝-1Fb＝255反相显示直方图。
[0030] 图6是原始图像在三维数据场中的显示效果；其中，(a)为未经过处理的原始三维
正面图像，(b)为未经过处理后的侧面三维图像。
[0031] 图7是采用单向光束轨迹矫正后图像的三维展示效果；其中，(a)为经过处理的原始三维正面图像，(b)为经过处理的原始三维侧面图像。
具体实施方式
[0032] 依据上述的发明内容，结合附图来详细说明根据本发明的基于单向光束轨迹矫正扫描图像的三维实体建模方法。
[0033] 参照图1，根据本发明的基于单向光束轨迹矫正扫描图像的三维实体建模方法包括以下步骤：步骤S1，读取n幅断层扫描图像，每一幅断层扫描图像有N条不同位置的单向光束信息，对该断层扫描图像进行极坐标变换，并使用插值法，增加断层扫描图像的像素密度，得到n幅按照极坐标变换公式变换过的像素点平面位置信息，如图2所示经过极坐标变换后的效果，图2中的(a)为步骤S1中未经过极坐标变换的断层扫描图像，图2中的(b)为步骤S1中经过极坐标变换后的断层扫描图像，以及如图3所示的极坐标变换前后图像直方图的对比；图3中的(a)为图1中(a)图的图像频数分布直方图，图3中的(b)为图1中(b)图的图像频数分布直方图；步骤S2，增加每幅断层扫描图像对比度，如图4所示对比度变化前后的效果，以及变化前后如图5所示的直方图变化特征；图4中的(a)为Fa＝2Fb＝-55增加对比度显示效果图，图4中的(b)为Fa＝0.5Fb＝-55减小对比度显示效果图，图4中的(c)为Fa＝1Fb＝55线性平移增加亮度显示效果图，图5中的(d)为Fa＝-1Fb＝255反相显示效果图。图5中的(a)为Fa＝2Fb＝-55增加对比度直方图，图5中的(b)为Fa＝0.5Fb＝-55减小对比度显示直方图，图5中的(c)为Fa＝1Fb＝55线性平移增加亮度显示直方图，图5中的(d)为Fa＝-1Fb＝255反相显示直方图；步骤S3，使用边缘检测，提取血管内壁的轮廓，并确定轮廓圆心，设定像素点灰度阈值，实现边缘轮廓平面位置信息的提取；步骤S4，依据断层扫描图像采集设备的步进时间与步进长度，求得经过步骤S1变换后的每一幅断层扫描图像排列到三维空间中、垂直于每一幅断层扫描图像平面的步进位置信息Z；步骤S5，对经过步骤S1变换后的每一幅断层扫描图像的每个像素的平面位置信息(X,Y)、步骤S2中的对比度、步骤S3中轮廓圆心、步骤S4求得的步进位置信息Z和图像存储格式构建出三维实体的数据结构，由图像处理软件显示三维实体，如图6和图7所示。图6是原始图像在三维数据场中的显示效果；其中，图6中的(a)为未经过处理的原始三维正面图像，图6中的(b)为未经过处理后的侧面三维图像。图7是采用单向光束轨迹矫正后图像的三维展示效果；其中，图7中的(a)为经过处理的原始三维正面图像，图7中的(b)为经过处理的原始三维侧面图像。
[0034] 本发明基于图像的像素特征，将单向光束扫描到的断层扫描图像分块存储到内存空间，并在三维场景中展示，无论是断层扫描图像的展示效果，还是断层扫描图像的加载速度，都收到了良好的效果，主要应用在管内断层扫描的图像，是一种实用的医疗诊断辅助方法。
[0035] 所述重建步骤S2在拥有原始断层扫描图像的
基础上，对原始断层扫描图像做预处理，目的在于为步骤S4提供良好的描述。得到一幅M*N像素的断层扫描图像后，将该断层扫描图像的灰度值，载入二维坐标系中，将每一幅断层扫描图像的每条单向光束信息按照从1到N进行摆放，每条光束上假设有M个像素点的灰度值，假设插入像素的密度用ρ来表示，该参数已知，假设待求的经过极坐标变换后的断层图像的每个像素点坐标用(X,Y)来表示，对每一幅断层扫描图像的每个像素点(x,y)做如下变换：
[0036]
[0037] 得到在2N*2N背景下的每个像素点的位置信息(X,Y)，由此，断层扫描图像的像素密度仅与插入像素的密度ρ有关，适当的增大ρ的值，可以得到比原始断层扫描图像更加清晰的断层扫描图像，而且并未导致断层扫描图像失真。
[0038] 为了开发出
角速度以及步进速度可控的驱动设备，坐标Z用来表示步骤S4中三维空间中的步进位置信息，假定对应采集被测物体总长度为L，采集的总时间为T，则步进的速度 由于采集到的断层图像数为n，则第ni幅图像在 时刻所对应的轴向坐标为：
[0039]
[0040] 函数f(x,y,z)表示等值面的梯度，垂直于等值面，因此每一个像素点的梯度方向就是等值面在该点的法向。立方体
顶点的坐标值、灰度值和梯度值，通过插值可以得到三角片顶点坐标及其法向量。常用的插值方法有线性插值和中点选择法。设p1和p2是立方体任意一条边的两顶点的坐标值，其灰度值分别为I1和I2，法向量分别为n1和n2，等值面阈值为T，则用线性插值法计算交点p及其法向量n的公式为：
[0041]
[0042]
[0043] 若采用中点选择法，则将交点p取为该边的中点，即：
[0044]
[0045]
[0046] 使用中点选择法计算较简单，且引起的误差小于立方体边长的1/2。目前医学图像分辨率越来越高，使用中点选择法和使用线性插值重建出来的三维图像并没有明显视觉上的差异。
[0047] 立方体顶点(i,j,k)处的单位法向量可由该点梯度g＝(gi,gj,gk)计算得到，其值为 而顶点(i,j,k)处的梯度可通过灰度差分计算，即：
[0048]
[0049] 由立方体顶点的法向量通过上述插值方法就可获得三角片顶点的法向量，用于后续中计算三维模型，以得到逼真的表面显示。
[0050] 在根据本发明的基于单向光束轨迹矫正扫描图像的三维实体构建方法中，步骤S5中，当二维断层图像被顺序的读入内存构成数据场后，
抽取等值面的的基本步骤如下：第一步，依次扫描相邻两层数据，逐个构造立方体；第二步，将立方体每个顶点灰度值和给定等值面阈值进行比较，计算索引值；第三步，对于含有等值面的立方体，通过灰度差分计算立方体各顶点的梯度；第四步，根据索引值查找边索引表，获得和等值面有交点的当前立方体的相交边；第五步，根据相交的边的两顶点及其法向量，通过插值计算等值点(相交的边和等值面的交点)坐标和法向量；第六步，根据索引查找三角片索引表，确定当前立方体内构成三角片的等值点的组合方式；第七步，由立方体内的三角片构成等值面。
[0051] 本发明基于断层扫描图像的像素特征，将单向光束扫描到的图像分块存储到内存空间，并在三维场景中展示，无论是断层扫描图像的展示效果，还是断层扫描图像的加载速度，都收到了良好的效果，主要应用在管内断层扫描的图像，是一种实用的医疗诊断辅助方法。
