利用CT值赋予密度、组成成分的数字人体建模方法

摘要

本发明公开了一种利用CT值赋予密度、组成成分的数字人体建模方法。在获得人体的彩色照片和CT片后，对彩色照片进行配准、分割，标识出人体的重要器官或组织；器官或组织的密度和组成成分由与彩色照片配准后的CT片中的CT值经过一定的数学转换得到。本发明方法建立的数字人体模型不仅可真实的再现人体的三维几何信息，还可真实的表示人体内部的解剖结构，可以用在核医学及辐射防护上对人体辐射剂量的评估中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字人体建模方法，尤其是涉及数字人体建模的流程以及密度、组成成分赋予的方法。

背景技术

数字人体模型简称数字人，是利用医学影像CT/MRI/彩色照片数据通过计算机技术构建的体现三维解剖结构的人体模型，主要用于核医学及辐射防护等领域。人体辐射剂量的评估是核医学及辐射防护的重要任务之一。在实际工作中，由于时间、场地、探测器等客观条件的限制，经常无法或者不方便进行直接测量。数字人体模型的开发给辐射防护和核医学的研究提供了一个崭新的手段，另外，数字人体模型还将广泛应用于航天、航空、军事国防及汽车、建筑、服装、家具等相关的领域。近些年来，表示人体全身或局部的模型在辐射防护等领域得到了广泛的应用。

在建立数字人体模型的过程中，密度和组成成分等物理属性的赋予是建立模型非常关键的一步。然而现有的数字人体模型都是根据ICRP/ICRU报告给出的平均密度及组成成分来赋予同一个器官或组织中的每一个体元，由于每个器官或组织都包含大量的体元，这样使得在一个器官或组织中，各个位置的密度、组成成分都相同，这与人体的实际解剖结构显然不符。另外，由于人体器官和组织数多于ICRP报告的建议值，有些器官或组织不可避免的利用类似结构进行近似。而且即使不进行近似，ICRP报告建议值也是通过有限人数获得的平均值，存在一定的误差。

构建数字人体模型时，一般同时采集了人体的CT片和彩色照片两种格式的图像数据。其中，彩色照片分辨率高，易于分割器官或组织，但没有提供密度信息，仅仅只有颜色信息；CT片提供了器官或组织的密度和组成成分信息，但其分辨率要比彩色照片数据低的多，不易于分割器官或组织。如果能同时使用彩色照片和CT片来建立数字人体模型，即利用彩色照片来分割器官或组织，利用CT片来获得体元的密度和组成成分，那将能充分利用两种数据的优势，这样建立的模型将能更为真实的体现人体的解剖结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有数字人体建模方法，不能真实的反应人体的实际解剖结构的缺点，而提出的一种利用CT值赋予密度、组成成分的数字人体建模方法，本发明在获得同一个人体的CT片/彩色照片后，对彩色照片进行分割，标识出人体的各个器官或组织；器官或组织的密度和组成成分由与彩色照片配准后的CT片中的CT值经过一定的数学转换得到。本发明方法建立的数字人体模型不仅可真实的再现人体的三维几何信息，还可真实的表示人体内部的解剖结构。

一种利用CT值赋予密度、组成成分的数字人体建模方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在获取人体断层图像数据时，同时采集CT片和彩色照片两种格式的数据；

(2)分割、标识出人体的各个器官和组织：

在彩色照片上手工勾画出人体的各个器官和组织外轮廓，用不同的颜色来填充，获得了各个器官和组织的形状、大小、在人体内的位置等几何信息；

(3)CT片和彩色照片的配准：

对CT片和彩色照片进行配准，使二者的像素相对应，配准后，根据在彩色照片上分割出的器官和组织的外轮廓信息，获得CT片上器官和组织的外轮廓信息；

(4)获取器官或组织的密度信息：

由于CT片中的CT值与被测材料的密度和组成成分相关，从人体各器官或组织的CT值求取各器官或组织对应的密度；

(5)获取器官或组织的组成成分信息：

假设人体某器官或组织由已知CT值、密度和组成成分的两种物质组成，分别为(H1，ρ1，ω1)和(H2，ρ2，ω2)，其中ω1和ω2分别表示某种元素在两个组成物质中的质量百分比，H1、H2为CT值，ρ1、ρ2为密度，令H1≤H≤H2，则可以得到该器官或组织内某种元素质量百分比ω的表达式：

$\omega =\frac{{\rho }_1(H_2-H)}{{\rho }_1{H}_2-{\rho }_2{H}_1+({\rho }_2-{\rho }_1)H}({\omega }_1-{\omega }_2)+{\omega }_2$

根据以上方法，从CT值中获得的组成成分被用来赋予每个体元，这样在同一个器官或组织中不同的体元都具有相对应的组成成分；

(6)建立数字人体模型：

根据上述得到的器官或组织的密度和组成成分信息，按照剂量计算方法要求的格式生成相应的输入文件，进行人体辐射剂量的各种模拟计算。

所述的数字人体建模方法，其特征在于获取器官或组织的密度的方法是：将人体器官或组织根据CT值分成若干个区间，相应地人体的密度也分成若干区间，已知各区间CT值范围所对应的密度范围后，利用CT值与密度的线性关系，就可以利用线性插值的方法求得已知CT值的各体元对应的密度值。

设CT i，j，k为(i，j，k)处体元的CT值，density_lower、density_upper、CT_lower、CT_upper分别代表一个线性变化范围内的密度下限、密度上限、CT值下限、CT值上限；设M i，j，k为该体元的密度，则M i，j，k可以用下式求出：

$M_{i,j,k}=\mathrm{density}\_\mathrm{lower}+\frac{(\mathrm{density}\_\mathrm{upper}-\mathrm{density}\_\mathrm{lower})}{\mathrm{CT}\_\mathrm{upper}-\mathrm{CT}\_\mathrm{lower}}*(\mathrm{CT}\_\mathrm{upper}-{\mathrm{CT}}_{i,j,k})$

根据上述方法，从CT值中获得的密度用来赋予每个体元，得到同一个器官或组织中不同的体元相对应的密度值。

本发明的有益效果为：采用本发明方法建立的数字人体模型充分利用了彩色照片和CT片两者的优势，不仅可真实的再现人体的三维几何信息，还可真实的表示人体内部的解剖结构。

附图说明

图1是建立数字人体模型的过程示意图。

图2是CT值与密度之间的转换关系示意图。

具体实施方式

参见图1、图2。

利用CT值赋予密度、组成成分的数字人体建模方法：包括以下步骤：

(1)分割、标识出人体的各个器官和组织

获取人体断层图像数据时，同时采集CT片和彩色照片两种格式的数据；由于彩色照片的分辨率很高，可以实现比较精确的器官和组织的分割。人体各个重要的器官和组织，在彩色照片上被手工勾画出外轮廓，并用不同的颜色来填充。这样就获得了各个器官和组织的形状、大小，在人体内的位置等几何信息。

(2)CT片和彩色照片的配准

由于CT片和彩色照片的分辨率不一样，其象素不一一对应，同时使用两种数据建立数字人体模型时，必须对两者进行配准，使两者的象素相对应。经过配准后，根据分割后的彩色照片上分割出的器官或组织的轮廓信息，就可获得CT片上器官或组织的轮廓信息，相当于在CT片上进行了分割。

(3)获取器官或组织的密度信息：

由于CT片中的CT值与被测材料的密度和组成成分相关，通过一定的数学变换就可以得到一个微小体积元内(体元)组织的各种属性参数。本发明的求密度的方法是采用区间法，即将人体CT值范围分成若干个区间，对应地也将人体的密度分成若干区间。在同一区间内，介质的密度与CT值保持线性关系。因此，在知道某些CT值范围所对应的密度范围后，就可以利用线性插值的方法求得所需CT值对应的密度。附图2是以把CT值范围分成6个区间为例，CT值与密度之间的关系图。

设CT i，j，k为(i，j，k)处体元的CT值，density_lower、density_upper、CT_lower、CT_upper分别代表一个线性变化范围内的密度下限、密度上限、CT值下限、CT值上限。设M i，j，k为该体元的密度，则M i，j，k可以用下式求出：

$M_{i,j,k}=\mathrm{density}\_\mathrm{lower}+\frac{(\mathrm{density}\_\mathrm{upper}-\mathrm{density}\_\mathrm{lower})}{\mathrm{CT}\_\mathrm{upper}-\mathrm{CT}\_\mathrm{lower}}*(\mathrm{CT}\_\mathrm{upper}-{\mathrm{CT}}_{i,j,k})$

根据上述方法，从CT值中获得的密度被用来赋予每个体元，这样在同一个器官或组织中不同的体元都具有相对应的密度值。

(4)获取器官或组织的组成成分信息：

假设某器官或组织由已知CT值、密度和组成成分的两种物质组成，分别为(H1，ρ1，ω1)和(H2，ρ2，ω2)，其中ω1和ω2分别表示某种元素在两个组成物质中的质量百分比。令H1≤H≤H2，则可以得到该组织某元素组成情况ω的表达式：

$\omega =\frac{{\rho }_1(H_2-H)}{{\rho }_1{H}_2-{\rho }_2{H}_1+({\rho }_2-{\rho }_1)H}({\omega }_1-{\omega }_2)+{\omega }_2$

根据以上方法，从CT值中获得的组成成分被用来赋予每个体元，这样在同一个器官或组织中不同的体元都具有相对应的组成成分。

(5)建立数字人体模型

根据上述得到的器官或组织的密度和组成成分，按照剂量计算方法要求的格式生成相应的输入文件，就可以进行人体辐射剂量的各种模拟计算。