一种用于虚拟手术术前规划的三维重建系统

摘要

本发明属于医学图像技术领域，特别针对虚拟手术系统的术前规划。本发明通过对CT或MRI图像进行预处理，把经过去噪、平滑及增强后的图像进行图像分割，分割后引入空洞处理，力求图像完整不缺少信息。再将分割后的完整图像进行三维重建，三维重建技术采用改进的MC算法，在原有算法15中基本拓扑构型基础上增加了9种，弥补了原有算法连接问题的不足，促使拟合曲面更加完整不易产生空洞，最后引入了光滑处理，使拟合后的曲面光滑平整，重建后的模型可以直接用于后面虚拟手术切割和碰撞检测应用。本发明用于虚拟手术术前规划，可以更加直观方便的分析病灶部位，在对医生进行培训时，直观明确的分析了病情，提高了手术成功几率，降低了手术风险。

说明书

技术领域

本发明属于计算机医学成像技术领域，具体涉及一种用于虚拟手术术前规划的三维重建系统。

背景技术

伴随着近年来科学技术的迅猛发展，虚拟手术系统日益成熟，一个完善的虚拟手术系统应该包括几何建模、生物力学建模、切割以及碰撞检测等；而三维重建则属于几何建模，用于虚拟手术术前分析以及构建模型为下一阶段做准备。

一般医学三维重建分为面绘制和体绘制，体绘制由于计算量大，过程繁琐且实时性不强等原因并不适用于虚拟手术系统，所以虚拟手术系统一般采用面绘制，面绘制算法很多其中最经典的是MC算法。

MC算法具有高效、便捷、实时性强等特点；然而MC算法也有很多缺陷，最常见的问题在于三角面片连接拟合曲面时容易产生空洞，并且拟合后曲面部分线段易凸起，连接易出现尖点致使曲面不光滑。本发明正是针对于此提出了一种新的改进的MC算法，修正了上述问题，为虚拟手术系统打下一个良好的开端，为医生提供了便捷的分析环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便捷、高效、准确的三维重建系统，该系统可为虚拟手术做出准确的分析并且为虚拟手术下一步提供精确的模型。

本发明提出的三维重建系统，是用于虚拟手术术前规划使用的。该系统通过获取的CT或MRI图像进行预处理、分割、三维重建及可视化处理，立体、直观的展现了病灶部位的三维立体模型，更加方便分析病灶部位的病变。对应的系统由五大模块组成：获取数据模块(1)、预处理模块(2)、图像分割模块(3)、三维重建模块(4)和可视化显示模块(5)。其中：

所述数据获取模块(1)是系统输入起点，用来获取CT或MRI等数据，在这里我们把患者的病灶部位的扫面图像输入进去，格式应为DICOM格式；

所述预处理模块(2)包括：去噪模块(2.1)、增强模块(2.2)以及平滑模块(2.3)，由数据获取模块(1)中获取的图像首先在去噪模块(2.1)中进行拉普拉斯去噪，去除多余无用的干扰信号；去噪后的图像进入增强模块(2.2)把弱化的图像进行增强处理；增强后的图像进入平滑模块(2.3)把不规则的图像平滑处理，为下一步分割尽可能提供优质的图像；

所述图像分割模块(3)包括：手动分割模块(3.1)和空洞处理模块(3.2)，预处理过后的图像进入图像分割模块(3)，在手动分割模块(3.1)中手动选取分割区域，在病灶部位手动分割为下一步重建做好准备；分割之后为了防止产生空洞，所以引入空洞处理模块(3.2)，来预防分割时边缘会产生“空洞”；

所述三维重建模块(4)采用改进的MC算法(4.1)，在其原有经典MC算法的15种基本拓扑结构基础上新增加了9种新的拓扑构型，由图像分割模块(3)分割后出来的图像进入三维重建模块(4)来进行三维重建，在本模块中处理中，首先建立一个三角剖分拓扑构型查找表，即在原有经典MC算法中的查找表基础上改进的查找表，它包含256个索引项，每个索引项包含索引、图形性质、以及指向24种三角剖分拓扑构型结构的指针，改进的MC算法对立方体8个顶点按阈值进行分类来确定等值面的的剖分模式，阈值由本系统自主设置，顶点分类规则为：

1)若立方体顶点的数值小于等值面阈值，则该顶点位于等值面之内，记为1；

2)若立方体顶点的数值大于等于等值面阈值，则该顶点位于等值面之外，记为0；

因为每个体素一共有8个顶点，每个顶点有两种状态，所以共有256种组合状态，由于互补对称性，即顶点位置标记置反，再根据旋转对称性以及图形组合等性质，可将256种构型简化为24种，其中包含了经典MC算法的15种基本构型，外加新加入的9种构型，丰富了拓扑构型的内涵，改善了相邻立方体连接时容易产生空洞的问题。

改进的MC算法(4.1)的主要步骤如下：

(1)依次扫描相邻两层数据，逐个构造立方体；

(2)将立方体每个顶点的灰度值和给定等值面阈值进行比较，计算索引值；

(3)对于含有等值面的立方体，用灰度差分计算其顶点的梯度；

(4)由索引值查改进后的索引表，获得和等值面有交点的当前立方体的相交边；

(5)根据相交边的两顶点及其法向量，通过插值计算等值点坐标和法向量；

(6)根据索引值查改进扩充的三角片索引表，确定当前立方体内构成三角片的等值点的组合方式；

(7)由各立方体内的三角片构成等值面；

(8)系统检测等值面是否光滑，若不光滑则进入光滑处理步骤，完善表面模型；

所述可视化显示模块(5)是系统最后一步，其显示由C++搭载MITK平台上可视化算法开发，上述三维重建模块(4)中经过改进的MC算法模块(4.1)重建后的图像在本模块中可视化显示。

上述技术方案中，整个系统都是基于C++基础之上搭载MITK平台独立自主研发实现的。

上述技术方案中，系统中的三维重建模块采用改进的MC算法，且基于C++和MITK开源软件结合实现。

本发明的有益效果是：本发明的一种用于虚拟手术术前规划的三维重建系统，不仅可以提供精确的立体模型，更可以为虚拟手术下一步提供模型；本发明中所述系统集图像获取、预处理、图像分割、三维重建及可视化五大功能，打破了传统二维断层图像对某些病变部位观察不清晰的缺点，清晰直观的分析病灶部位的病变；其中三维重建技术采用了最新的改进MC算法，不但扩充了拓扑关系结构，而且在算法内部引入了光滑处理步骤，使得重建过后的模型部位更加平整光滑。

附图说明

图1是本发明的系统流程结构图。

图2是改进的MC算法流程图。

图3是改进的MC算法里扩充后的24种拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。

本发明的一种用于虚拟手术术前规划的三维重建系统，以病患髋部病变为例，如图1所示，将从患者身上采集的病灶部位髋部的CT或MRI扫描数据导入本系统之中，数据格式应为DICOM；紧接着系统进行图像预处理，在预处理模块首先对髋部图像进行去噪，采用拉普拉斯去噪方法过滤掉多余的干扰信号，去噪后该模块对图像进行增强操作，避免在上一步去噪时干扰了正常的信息，增强之后该模块对其进行平滑操作，将不规则的图像进一步优化，为下一步分割尽可能提供一个完整平滑的模型，平滑后系统对图像进行平滑检查，若不平滑则重复平滑操作。

预处理之后的图像进入图像分割模块，将髋部部位进行图像分割，提取有用信息，分割之后该模块还对其进行空洞处理，用来预防图像分割后髋部边缘容易产生的空洞，之后系统自动检测图像是否仍有空洞，若仍有重复空洞处理操作。

图像分割之后进入三维重建部分来对髋部进行重建，三维重建部分采用改进的MC算法，在其原有经典MC算法的15种基本拓扑结构基础上新增加了9种新的拓扑构型，在本模块中处理中，首先建立一个三角剖分拓扑构型查找表，即在原有经典MC算法中的查找表基础上改进的查找表，它包含256个索引项，每个索引项包含索引、图形性质、以及指向24种三角剖分结构的指针，系统首先根据它的索引在三角剖分拓扑构型查找表中确定其结构形式，然后再根据索引项中的图形性质参数确定最终的组合方式，本系统三维重建过程如图2所示，具体步骤如下：

a.依次扫描相邻两层CT数据，逐个构造立方体；

b.将立方体每个顶点的灰度值和给定等值面阈值进行比较，计算索引值；

c.对于含有等值面的立方体，用灰度差分计算其顶点的梯度；

d.由索引值查改进后的索引表，获得和等值面有交点的当前立方体的相交边；

e.根据相交边的两顶点及其法向量，通过插值计算等值点坐标和法向量；

f.根据索引值查改进扩充的三角片索引表，如图3所示，确定当前立方体内构成三角片的等值点的组合方式，其中黑点表示标记为1的角点；

g.由各立方体内的三角片构成等值面拟合髋部形状；

h.系统检测等值面是否光滑，若不光滑则进入光滑处理步骤，完善髋部表面模型；

重建之后的髋部模型进入可视化模块显示呈现，可视化模块是基于MITK平台封装好的可视化程序用C++开发出来的，重建之后的髋部模型可以在此清晰、立体、直观的展现在医生眼前，来帮助医生分析病情。

显然，上述实施案例仅仅是为了说明清楚发明思想所做的举例，并非对实施方式和重建部位进行限定。对所属研究领域的科研人员来说，在上述说明的虚拟手术所有基础上还可以做很多不同形式变化，如股骨重建分析、肺部重建分析等，在这里无须予以穷举，而由此引申的所有显而易见的变化均在本发明的保护范围之内。