管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法及装置

摘要

本发明提供了一种管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法及装置，其中的方法包括：采用坐标转换方法获取管状腔体组织的成像面，然后根据感兴趣区域的构造特点，在该成像面上确定感兴趣区域的成像角度，根据所确定的成像角度的向量方向的管状腔体组织信息以及管状腔体组织中心线上各采样点之间的位置关系，重建管状腔体组织成像并显示。通过本发明能够使临床工作者利用曲面重建的图像灵活方便、快速有效地检测到管状腔体组织中的细小病变。

说明书

技术领域

本发明涉及医学影像处理技术领域，更为具体地，涉及一种管状腔体组 织的旋转多角度曲面重建方法及装置。

背景技术

曲面重建技术（Curved Planar Reformation，CPR）在医学临床诊断的应 用，尤其在对管状腔体组织的临床诊断与治疗中，具有不可替代的辅助诊断 价值和意义。曲面重建技术是依据面神经管、颅面部的骨性管道、牙齿等管 状腔体组织的中心线，将大量的不在同一层面的断层数据在一幅图像上完整 且细腻地显示出来。

从临床实际应用的角度来看，曲面重建技术可以让临床工作者从海量的 断层数据中解脱出来，使临床工作者在一幅图像上就可以完整且清晰地观察 到整个组织不同层面血管的内部和外部组织情况，从而快速地、准确地给出 诊断报告。

由于临床工作者对组织感兴趣区域的不同，因此观察角度也就不同。针 对观察角度的不同，曲面重建技术的重建方式也有多种，例如投影曲面重建、 延展曲面重建、拉直曲面重建、旋转曲面重建、多路径曲面重建和厚度曲面 重建等。无论哪种方式的曲面重建，其成像方式都有一定的缺点，尤其对于 管状组织中的细小病变检测来说，临床工作者更关心的是如何利用曲面重建 的图像快速且准确地观察和测量到病变组织的信息，而利用现有的曲面重建 方式在重建组织图像的成像方面都不够灵活和实用，无法观察到细小的感兴 趣的区域，从而无法及时检测到组织中的细小病变。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种管状腔体组织的旋转多角度曲 面重建方法及装置，以使临床工作者利用曲面重建的图像灵活方便、快速有 效地检测到管状腔体组织的病变信息。

根据本发明的一个方面，提供一种管状腔体组织的旋转多角度曲面重建 方法，包括：

通过提取管状腔体组织的中心线，获取中心线上的采样点；

获取中心线上每个采样点的切向量；

根据中心线的采样点和每个采样点的切向量，采用坐标转换方法获得管 状腔体组织的成像面；

根据感兴趣区域的构造特点，在所获得的成像面上确定感兴趣区域的成 像角度；

根据成像角度确定该成像角度的向量方向；

根据成像角度的向量方向的管状腔体组织信息以及中心线上各采样点之 间的位置关系，重建管状腔体组织的成像并显示。

其中，在获得管状腔体组织的成像面的过程中，任意确定中心线上第一 个采样点的法平面上的正交向量；根据中心线上已经确定了正交向量的采样 点的法平面上的正交向量和与已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点的 切向量，采用坐标转换方法，确定与已经确定了正交向量的采样点相邻的采 样点的法平面上的正交向量。

其中，在根据所获得的成像面确定感兴趣区域的成像角度过程中，在中 心线上的采样点的法平面上确定观察角度，在采样点的法平面中将与正交向 量中的一个向量构成观察角度的向量作为感兴趣向量，其中，感兴趣向量与 正交向量中的一个向量的夹角即为感兴趣区域的成像角度。

另一方面，本发明提供一种管状腔体组织的旋转多角度曲面重建装置， 包括：

采样单元，用于通过提取管状腔体组织的中心线，获得中心线上的采样 点；

切向量计算单元，用于获得中心线上每个采样点的切向量；

成像面获取单元，用于根据切向量计算单元中中心线的采样点和每个采 样点的切向量，采用坐标转换方法获得管状腔体组织的成像面；

成像角度确定单元，用于根据感兴趣区域的构造特点，在成像面获取单 元所获得的成像面上确定感兴趣区域的成像角度；

成像角度向量方向确定单元，用于根据成像角度确定单元所确定的成像 角度进一步确定成像角度的向量方向；

成像单元，用于根据向量方向的管状腔体组织信息以及中心线上各采样 点之间的位置关系，重建管状腔体组织的成像并显示。

其中，优选的结构是，成像面获取单元进一步包括正交向量确定单元， 用于任意确定所述中心线上第一个采样点的法平面上的正交向量，然后根据 所述中心线上已经确定了正交向量的采样点的法平面上的正交向量和与所述 已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点的切向量，采用所述坐标转换方 法，确定与所述已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点的法平面上的正 交向量。

利用上述根据本发明的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法及装 置，能够使临床工作者利用曲面重建的图像灵活方便、快速有效地检测到管 状腔体组织中的细小病变。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细 说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发 明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的 各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等 同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明 的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法流 程示意图；

图2为根据本发明实施例的管状腔体组织的成像面示意图；

图3为根据本发明实施例的感兴趣区域的成像角度横截面示意图；

图4为根据本发明实施例的沿多角度感兴趣向量展开的管状腔体组织的 横截面示意图；

图5为根据本发明实施例的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建装置方 框示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

针对前述现有技术中的曲面重建方式在重建组织图像的成像方面不够灵 活和实用，无法及时检测到组织小的细小病变的问题，本发明在管状腔体组 织成像面的基础上，采用可调节、多角度的感兴趣向量，通过分析、处理实 现感兴趣向量在管状腔体组织的横截面上任意灵活地成像。

图1示出了根据本发明实施例的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方 法流程示意图。

如图1所示，本发明提供的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法包 括：

S110：通过提取管状腔体组织的中心线，获取该中心线上的采样点；

S120：获取该中心线上每个采样点的切向量；S130：根据管状腔体组织 中心线的采样点和每个采样点的切向量，采用坐标转换方法获取管状腔体组 织的成像面；

S140：根据感兴趣区域的构造特点，在所获得的成像面上确定感兴趣区 域的成像角度；

S150：根据所确定的成像角度确定该成像角度的向量方向；

S160：根据成像角度的向量方向的管状腔体组织信息以及中心线上各采 样点之间的位置关系，重建管状腔体组织的成像并显示。

需要说明的是，在步骤S120中，获取中心线上每个采样点的切向量的方 法有多种，例如有曲线拟合、中心差分法和前后差分法等，采用其中任何一 种方法都可以获取中心线上每个采样点的切向量。也就是说，通过曲线拟合 或者中心差分法或者前后差分法，获取中心线上每个采样点的切向量。在下 面的实施方式，以采用曲线拟合的方法获取中心线上每个采样点的切向量为 例进行说明。

在步骤S130中，坐标转换方法也有多种，例如有最小旋转标架法、活动 标架法和螺旋坐标正交化等坐标转换方法，其中，在采用的其中任意一种坐 标转换方法中，只要保证获得的两个向量与切向量分别两两正交，成正交坐 标系的关系就可以。也就是说，坐标转换方法为最小旋转标架法或者活动标 架法或者螺旋坐标正交化。在下面的具体实施例表述中，以最小旋转标架法 作为坐标转换方法来对获取管状腔体组织的成像面的过程做示例性说明。

其中，在获得管状腔体组织的成像面的过程中，任意确定管状腔体组织 中心线上第一个采样点的法平面上的正交向量；根据该中心线上已经确定了 正交向量的采样点的法平面上的正交向量和与已经确定了正交向量的采样点 相邻的采样点的切向量，采用坐标转换方法，确定与已经确定了正交向量的 采样点相邻的采样点的法平面上的正交向量。

其中，根据管状腔体组织中心线的上端部或者下端部确定第一个采样点， 在本发明中，采用管状腔体组织中心线的上端部作为第一个采样点，那么与 已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点的位置处于已经确定了正交向量 的采样点的下方。如果采用管状腔体组织中心线的下端部作为第一个采样点， 那么与已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点的位置处于已经确定了正 交向量的采样点的上方。

需要说明的是，本发明中所提及的成像面、法平面和横截面在管状腔体 组织的曲面重建过程中指的都是同一个面，但是为了表述的方便，在下面的 实施例说明中会根据实际表述的需要选用不同的表述方式。

为了详细说明本发明中获取管状腔体组织的成像面的过程，图2示出了 根据本发明实施例的管状腔体组织的成像面示意图。

作为本发明的一个示例，如图2所示：

（1）在管状腔体组织的中心线的上端部取第一个采样点X₁，然后确定第 一个采样点X₁的法平面上的两个正交向量和

其中，根据右手正交理论任意选取两个正交向量和作为第一个采样 点X₁的法平面上的正交向量，使正交向量和第一个采样点X₁的切向量 构成一个正交系。

（2）采用最小旋转标架的计算方法，根据所确定的第一个采样点X₁的两 个正交向量和以及第二个采样点X₂的切向量确定第二个采样点的 法平面上的两个正交向量和

其中，采用最小旋转标架的方法在计算过程中，对于给定空间参数曲线 r(t)，设其单位切矢量为e₁(t)，则满足e₁(t)·(e₂(t)×e₃(t))=1的有序向量组 {e₁(t),e₂(t),e₃(t)}为适应性标架。其中，e₂(t)和e₃(t)是法平面中的两正交向量。 然而，不同的适应性标架可通过正交旋转矩阵的乘积相互转化，对于常见的 适应性标架Frenet标架{t,n,b}，其中而对 于空间曲线的适应性标架{e₁(t),e₂(t),e₃(t)}，其角速度矢量ω仅与后两个分量有 关，即ω=βe₂(t)+γe₃(t)，而β=e'₃(t)·e₁(t)，γ=e₁'(t)·e₂(t)，称该空间曲线的适 应性标架为最小旋转标架。此时，第一个分量为切向量，后两个分量相当于 在法平面上以一个自由度转动得到，标架没有在法平面内进行额外的转动， 而只是作为其他标架的参照系。其中，适应性标架成为最小旋转标架的充要 条件为：后两个分量e₂(t)和e₃(t)满足其中i=2，3。

通过上述计算过程，将最小旋转标架的方法应用到弯曲的管状腔体组织 中心线上采样点的法平面上的正交向量的提取上，可以获得一系列与弯曲管 状腔体组织相垂直的轴向量，同时另外两个轴向量始终不会绕着第一个轴向 量旋转。

（3）以此类推，采用最小旋转标架的方法对管状腔体组织中心线上的每 一个采样点都进行计算，分别获得每个采样点的法平面上的两个正交向量和以获取管状腔体组织的成像面。

在得到管状腔体组织的成像面的基础上，确定感兴趣区域的成像角度。 其中，在根据所获得的成像面确定感兴趣区域的成像角度过程中，在管状腔 体组织中心线上的采样点的法平面上确定两个相交的并且成一定角度的向量 作为感兴趣向量，两个感兴趣向量构成的夹角即为感兴趣区域的成像角度。

在中心线上的采样点的法平面上确定两个相交的并且成一定角度的向量 作为感兴趣向量的过程中，在管状腔体组织中心线上的采样点的法平面上确 定观察角度，然后根据该观察角度确定两个感兴趣向量，一个是该采样点的 法平面上的正交向量中的一个向量，还有一个是该采样点的法平面上与该向 量成观察角度的向量。也就是说，将该采样点的法平面上的正交向量中的一 个向量和与该正交向量所在的法平面上与该正交向量构成观察角度的向量作 为感兴趣向量，而两个感兴趣向量构成的夹角，就是所确定的观察角度，即 为感兴趣区域的成像角度；或者在管状腔体组织中心线上的采样点的法平面 上任意确定两个相交的并且成一定角度的向量作为感兴趣向量。

通过上述对确定感兴趣区域的成像角度的描述可以看出，感兴趣区域的 成像角度由两个向量组成，这两个向量的方向指向感兴趣的区域。也就是说， 在进行管状腔体组织的曲面重建时，有两个感兴趣向量，这两个感兴趣向量 可以任意成一个角度，而所成的这个角度就是感兴趣区域的成像角度。在这 两个感兴趣向量中可以先固定其中一个感兴趣向量，然后再根据这个固定的 感兴趣向量确定另一个感兴趣向量。

也就是说，在这两个感兴趣向量中，一个为固定的感兴趣向量，另一个 是不固定的。当然，这两个感兴趣的向量也都可以是不固定的，只要这两个 感兴趣向量满足是相交的并且成一定角度就可以，至于这个角度是多少，是 由临床工作者决定的，决定的方法就是根据感兴趣区域的特点，例如形状、 位置关系或者病变类型等，而这个角度也就是在管状腔体组织中心线上的采 样点的法平面上确定的观察角度。

在构成观察角度的向量过程中，采用坐标转换方法获得与管状腔体组织 相垂直的其中一个感兴趣向量，然后在正交向量所确定的法平面上，根据所 确定的观察角度获得另一个感兴趣向量。

由于感兴趣区域的成像角度在管状腔体组织的成像面的基础上实施的， 而管状腔体组织的成像面通过管状腔体组织中心线上的采样点和每个点的切 向量，采用坐标转换方法获取。因此，为了详细说明本发明中确定感兴趣区 域的成像角度过程，图3示出了根据本发明实施例的感兴趣区域的成像角度 横截面示意图。作为本发明的一个示例，如图3所示：

（1）选取管状腔体组织中心线上的任意一个采样点，根据该采样点的两 个正交向量和中的一个向量作为其中一个感兴趣向量。

（2）根据管状腔体组织中的所要观察的感兴趣区域的构造特点，例如管 状腔体组织的大小、方位、结构形态等，在采样点的法平面上找到与向量成 θ角的向量作为另一个感兴趣向量。

由于所要观察的感兴趣区域在管状腔体组织中可以呈现出不同的形态， 如窄条形，椭圆形，圆弧形等，因此可以根据感兴趣区域构造特点，灵活确 定一个最佳的观察角度θ。根据θ角，在正交向量确定的采样点的法平面上找 到与向量成θ角的向量

（3）把成θ角的两个向量和作为曲面重建成像的感兴趣向量，而θ角 即为感兴趣区域的成像角度。

根据观察角度的不同，感兴趣向量也会不同，从而根据感兴趣向量形成 的夹角也不同。因此可以根据不同的观察角度任意调整感兴趣向量的夹角， 即根据感兴趣区域的特点，感兴趣向量的夹角可以根据不同的观察角度任意 确定并任意进行多次调整。需要说明的是，在本发明中，一个观察角度只能 成像一次，但是可以根据不同的观察角度进行多次成像，且每次成像的角度 不同。经过对不同观察角度的多次成像，就可以完成管状腔体组织的旋转多 角度曲面重建。

在确定感兴趣区域的观察角度θ后，就可以在由正交向量和确定的采 样点的法平面上找到与向量成θ角的向量则向量和就为多角度曲面 成像的感兴趣向量。

根据确定的成像角度的向量方向，获得向量方向的管状腔体组织信息， 并根据中心线各采样点之间的位置关系，重建管状腔体组织的成像并显示。

为了直观显示曲面重建的图像，图4示出了根据本发明实施例的沿多角 度感兴趣向量展开的管状腔体组织的横截面示意图。作为本发明的一个示例， 如图4所示：

根据确定的成像角度的向量方向，也就是根据确定的θ角的向量和采用插值换算的方法计算得到沿这两个向量方向的管状腔体及其周围的组织 信息，然后根据该管状腔体组织各个采样点之间的相对位置关系，把相关联 的感兴趣向量组织在一张平面上并显示出来。

与上述方法相对应，本发明还提供一种管状腔体组织的旋转多角度曲面 重建装置，图5示出了根据本发明实施例的管状腔体组织的旋转多角度曲面 重建装置方框示意图。

如图5所示，本发明提供的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建装置500 包括采样单元510、切向量计算单元520、成像面获取单元530、成像角度确 定单元540、成像角度向量方向确定单元550和成像单元560。

其中，采样单元510用于通过提取管状腔体组织的中心线，获得管状腔 体组织中心线上的采样点；切向量计算单元520用于获得管状腔体组织中心 线上每个采样点的切向量；成像面获取单元530用于根据切向量计算单元520 中管状腔体组织中心线的采样点和每个采样点的切向量，采用坐标转换方法 获得管状腔体组织的成像面；成像角度确定单元540用于根据感兴趣区域的 构造特点，在成像面获取单元530所获得的成像面上确定感兴趣区域的成像 角度；成像角度向量方向确定单元550用于根据成像角度确定单元540所确 定的成像角度进一步确定成像角度的向量方向；成像单元560用于根据成像 角度的向量方向的管状腔体组织信息以及管状腔体组织中心线上各采样点之 间的位置关系，重建该管状腔体组织的成像并显示。

在本发明的一个优选实施方式中，成像面获取单元530进一步包括：正 交向量确定单元（图中未示出），用于任意确定中心线上第一个采样点的法平 面上的正交向量，然后根据管状腔体组织中心线上已经确定了正交向量的采 样点的法平面上的正交向量和与已经确定了正交向量的采样点相邻的采样点 的切向量，采用坐标转换方法，确定与已经确定了正交向量的采样点相邻的 采样点的法平面上的正交向量。

另外，成像角度确定单元540还可以进一步包括：感兴趣向量确定单元 （图中未示出），用于在管状腔体组织中心线上的采样点的法平面上确定两个 相交的并且成一定角度的向量作为感兴趣向量，两个感兴趣向量构成的夹角 即为成像角度确定单元540中确定的感兴趣区域的成像角度。

其中，感兴趣向量确定单元在中心线上的采样点的法平面上，确定两个 相交的并且成一定角度的向量作为感兴趣向量的过程中，在中心线上的采样 点的法平面上确定观察角度，将正交向量中的一个向量和与正交向量所在的 法平面上与向量构成观察角度的向量作为感兴趣向量，其中，感兴趣向量构 成的夹角即为感兴趣区域的成像角度；或者，在中心线上的采样点的法平面 上任意确定两个相交的并且成一定角度的向量作为感兴趣向量。

在感兴趣向量确定单元确定观察角度的向量过程中，采用坐标转换方法 获得与管状腔体组织相垂直的其中一个感兴趣向量，然后在正交向量所确定 的法平面上，根据所确定的观察角度获得另一个感兴趣向量，并根据观察角 度任意调整感兴趣向量的夹角。

通过以上实施例的表述可以看出，本发明提供的旋转多角度曲面重建的 方法及装置，通过在管状腔体组织成像面的基础上，采用可调节、多角度的 感兴趣向量，通过分析计算和处理，实现感兴趣向量在管状腔体组织的横截 面上任意灵活地成像，使临床工作者能够快速有效地检测到管状腔体组织中 的细小病变。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明的管状腔体组织的旋转多 角度曲面重建方法及装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发 明所提出的管状腔体组织的旋转多角度曲面重建方法及装置，还可以在不脱 离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附 的权利要求书的内容确定。