專利名稱：基于nurbs的心臟三維表示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心臟的三維表示方法。

背景技術(shù)：
心臟是集電生理學(xué)、動(dòng)力學(xué)、血液流體力學(xué)以及神經(jīng)、生化控制等于一身的極其復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。建模仿真是研究復(fù)雜生物學(xué)問題的有效手段。在過去的幾年中，人們對(duì)心臟結(jié)構(gòu)和功能的生理意義有了深入的了解，并且建立了許多數(shù)學(xué)模型，努力量化所觀察到的心肌機(jī)械行為、電傳導(dǎo)行為和生物化學(xué)行為。但是由于心臟生理病理系統(tǒng)的復(fù)雜性，總的來說這些模型是相互獨(dú)立發(fā)展，目前尚沒有人能夠把心臟的各種機(jī)制集成在一起研究。
近些年興起的虛擬心臟研究將虛擬現(xiàn)實(shí)的思想引入到心血管系統(tǒng)這樣一個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域，它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形處理顯示能力，建立虛擬的心臟模型為深入研究心臟活動(dòng)機(jī)理提供了可能。模型不僅要從形態(tài)上仿真心臟，而且應(yīng)能模擬真實(shí)心臟的運(yùn)動(dòng)過程，仿真心臟的心肌、瓣膜和心腔運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征、心臟的電傳導(dǎo)特性、以及心腔內(nèi)血液的流體力學(xué)特性，并且能夠仿真心臟病理狀態(tài)，為臨床診斷疾病提供資料。
目前有一些學(xué)者提出了一些基于模型的方法，用于獲得心臟的形體和運(yùn)動(dòng)的描述。Kyoungju Park，Dimitris Metaxas等學(xué)者提出了一種心臟功能分析新的理論。用MRI的圖像建立了一個(gè)基本的心臟模型，提出了有限元分析的方法計(jì)算整體和局部的功能性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，基于這樣的模型得出的結(jié)構(gòu)可以表征心臟壁的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。而Taratorin和Sideman則把心肌層分割成大量的立方體微元片進(jìn)行建模和分析，得到效果比較理想。
然而，這些基于模型的心臟表示方法由于方法本身的原因，有些在計(jì)算精度上還達(dá)不到臨床診斷所需的要求，有些運(yùn)算速度慢。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的心臟運(yùn)動(dòng)分析方法的計(jì)算精度或速度達(dá)不到臨床診斷要求、實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快、符合臨床診斷所需的要求的基于NURBS的心臟三維表示方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于NURBS的心臟三維表示方法，所述心臟三維表示方法包括以下步驟 1)、數(shù)據(jù)的獲取與處理 給定大量的心臟醫(yī)學(xué)圖像，從這些圖像中獲取心臟表面的三維點(diǎn)，包括 (1.1)、用圖像濾波方法進(jìn)行平滑處理，去除噪聲； (1.2)、通過給定的索引文件將切片圖像調(diào)整成正確的順序； (1.3)、定義感興趣區(qū)域，通過灰度域值的方法從原CT圖像中分割出目標(biāo)區(qū)域； (1.4)、獲得圖像的灰度值，計(jì)算灰度的變化值，取灰度變化最大的為心臟邊界； (1.5)、提取心臟的三維點(diǎn)云； 2)、取上述心臟的三維點(diǎn)云作為控制點(diǎn)，進(jìn)行NURBS曲面擬合，其算式為(1) 上式中，pi，j(i＝0，1，...n；j＝0，1，...m)為曲面的控制點(diǎn)，即取自心臟的邊界點(diǎn)云，呈拓?fù)渚匦侮嚵?，ωi，j為與控制點(diǎn)相聯(lián)系的權(quán)因子；Ni，k1(u)與Nj，k2(v)分別為k1和k2次規(guī)范有理B樣條基函數(shù)； 有理B樣條基函數(shù)的de Boor-Cox遞推公式，其定義如下
上式中，B樣條Ni，k(u)雖然定義在整個(gè)參數(shù)u軸上，B樣條Ni，k(u)由其支承區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)ui，ui+1，....ui+k+1決定。
柱坐標(biāo)的NURBS曲面擬合，作為優(yōu)選的一種方案在所述的步驟2)中，將(n+1)×(m+1)控制點(diǎn)陣列(xij，yij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)平移致使得曲面以z軸為中心，然后將笛卡爾坐標(biāo)表示點(diǎn)轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的點(diǎn)(rij，θij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)，其轉(zhuǎn)換公式如下(3) zij＝zij 柱坐標(biāo)系的NURBS曲面擬合的算式為(4) 其中，pi，j＝[ri，j，θi，j，zi，j]。
在所述步驟1)中，醫(yī)學(xué)圖像采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。
所述的心臟為左心室、右心室、左心房、右心房、部分或者整個(gè)心臟的內(nèi)外表面。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為NURBS又稱非均勻有理B樣條，它除了具備B樣條的特點(diǎn)外，還具有很多優(yōu)點(diǎn)1)既為標(biāo)準(zhǔn)解析形狀也為自由型曲面的精確表示與設(shè)計(jì)提供了一個(gè)公共的數(shù)學(xué)形式；2)不僅可以借助調(diào)整控制點(diǎn)來改變曲線曲面的形狀，又可利用權(quán)因子，因此具有較大的靈活性；3)是非有理B樣條形式以及有理與非有理貝齊爾形式的合適的推廣等。
NURBS曲線一條k次NURBS曲線可以表示為一段有理多項(xiàng)式矢函數(shù) 其中，ωi(i＝0，1，...n)稱為權(quán)因子，分別與控制頂點(diǎn)pi(i＝0，1，...n)相聯(lián)系。首末權(quán)因子ω0，ωn＞0，其余ωi≥0，且順序k個(gè)權(quán)因子不同時(shí)為零，以防止分母為零、保留凸包性質(zhì)及曲線不致因權(quán)因子而退化為一點(diǎn)。Ni，k(u)為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。
NURBS曲線具有局部調(diào)整性，凸包性，幾何不變性等性質(zhì)。此外，由于引入了權(quán)因子，使得曲線的調(diào)整更加靈活。
NURBS曲面一張k1×k2次NURBS曲面的有理分式表示 其中pi，j(i＝0，1，...n；j＝0，1，..m)呈拓?fù)渚匦侮嚵?，形成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。ωi，j為與控制點(diǎn)相聯(lián)系的權(quán)因子。Ni，k1(u)與Nj，k2(v)分別為k1和k2次規(guī)范有理B樣條基函數(shù)。
有理B樣條曲面具有與非有理B樣條曲面相類似的幾何性質(zhì)。而且，類似于NURBS曲線，它權(quán)因子可以用于調(diào)整曲面的形狀。
NURBS曲面區(qū)別于B樣條曲面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，它能精確表示標(biāo)準(zhǔn)解析形體(如圓柱、圓錐、球、旋轉(zhuǎn)曲面等)。
NURBS技術(shù)引入了權(quán)因子，從而解決B樣條曲面不能精確表示初等解析曲面的問題，然而，對(duì)于自由型曲面，NURBS曲面的權(quán)因子也發(fā)揮不了很大的作用，而且權(quán)因子調(diào)整的不合理，將會(huì)導(dǎo)致很壞的參數(shù)化，甚至毀掉隨后的曲面結(jié)構(gòu)。所以，我們很難通過權(quán)因子來精確表示心臟、左心室的形體，另外由于心臟、左心室形似柱狀形體，因此，引入柱坐標(biāo)系的NURBS曲面。柱坐標(biāo)系的NURBS曲面比笛卡爾坐標(biāo)系的NURBS曲面更加適合表示心臟、左心室，特別地，在提供少量邊緣點(diǎn)的情況下，柱坐標(biāo)系的NURBS曲面的優(yōu)勢(shì)更加的明顯。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在 1)NURBS曲面表示十分的方便，給定控制點(diǎn)用較低次NURBS就能獲得一個(gè)理想的曲面，該心臟模型比基于簡(jiǎn)單的幾何體或利用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)表示的心臟模型更加真實(shí)； 2)NURBS表示的心臟是一個(gè)光滑、連續(xù)的模型，為后續(xù)應(yīng)用于的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功能參數(shù)的分析提供了基礎(chǔ)； 3)NURBS曲面的局部修改性，在不改變整體形狀的情況下可以對(duì)心臟形體作局部的修改； 4)NURBS曲面具有很強(qiáng)的靈活性，通過改變控制點(diǎn)或權(quán)因子改變心臟形體，為心臟形變的研究提供可能性。



圖1是從CT切片獲得的感興趣區(qū)域示意圖。
圖2是提取出來的心臟表面的點(diǎn)的示意圖。
圖3是NURBS曲面擬合塑料心臟的示意圖。
圖4是渲染NURBS曲面擬合塑料心臟的示意圖。
圖5是一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)七個(gè)狀態(tài)的左心室內(nèi)外壁NURBS曲面擬合示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1～圖5，一種基于NURBS的心臟三維表示方法，包括以下步驟 1)、數(shù)據(jù)的獲取與處理 給定大量的心臟醫(yī)學(xué)圖像，從這些圖像中獲取心臟表面的三維點(diǎn)，包括 (1.1)、用圖像濾波方法進(jìn)行平滑處理，去除噪聲； (1.2)、通過給定的索引文件將切片圖像調(diào)整成正確的順序； (1.3)、定義感興趣區(qū)域，通過灰度域值的方法從原CT圖像中分割出目標(biāo)區(qū)域； (1.4)、獲得圖像的灰度值，計(jì)算灰度的變化值，取灰度變化最大的為心臟邊界； (1.5)、提取心臟的三維點(diǎn)云； 2)、取上述心臟的三維點(diǎn)云作為控制點(diǎn)，進(jìn)行NURBS曲面擬合，其算式為(1) 上式中，pi，j(i＝0，1，...n；j＝0，1，...m)為曲面的控制點(diǎn)，即取自心臟的邊界點(diǎn)云，呈拓?fù)渚匦侮嚵?，ωi，j為與控制點(diǎn)相聯(lián)系的權(quán)因子；Ni，k1(u)與Nj，k2(v)分別為k1和k2次規(guī)范有理B樣條基函數(shù)； 有理B樣條基函數(shù)的de Boor-Cox遞推公式，其定義如下
上式中，B樣條Ni，k(u)雖然定義在整個(gè)參數(shù)u軸上，B樣條Ni，k(u)由其支承區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)ui，ui+1，....ui+k+1決定。
柱坐標(biāo)的NURBS曲面擬合，作為優(yōu)選的一種方案在所述的步驟2)中，將(n+1)×(m+1)控制點(diǎn)陣列(xij，yij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)平移致使得曲面以z軸為中心，然后將笛卡爾坐標(biāo)表示點(diǎn)轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的點(diǎn)(rij，θij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)，其轉(zhuǎn)換公式如下(3) zij＝zij 柱坐標(biāo)系的NURBS曲面擬合的算式為(4) 其中，pi，j＝[ri，j，θi，j，zi，j]。
在所述步驟1)中，醫(yī)學(xué)圖像采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。
所述的心臟為左心室、右心室、左心房、右心房、部分或者整個(gè)心臟的內(nèi)外表面。
本實(shí)施例中，首先，給定大量的塑膠心臟的CT切片圖，該塑膠心臟放在木制的支架上，支架上裝有油的針筒用于心臟形變。本實(shí)驗(yàn)用NURBS曲面擬合某狀態(tài)下的塑膠心臟。
其次，從CT切片圖中獲取塑膠心臟表面的三維點(diǎn)。這個(gè)過程分成6個(gè)步驟 1)用濾波對(duì)圖片進(jìn)行平滑處理，去除一些噪聲； 2)通過給定的索引文件將CT切片調(diào)整為正確的順序； 3)定義一個(gè)感興趣區(qū)域，目的是分割出目標(biāo)區(qū)域(圖1)這個(gè)過程基于亮度域值分割出心臟表面； 4)獲得圖像的灰度值，計(jì)算灰度的變化值，取灰度變化最大的為心臟邊界； 5)提取三維點(diǎn)云，手動(dòng)刪除一些明顯的噪聲點(diǎn)； 6)顯示這些點(diǎn)(圖2)。
取圖4中的30×35個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)(其中30為每層上點(diǎn)數(shù)，而35為取得層數(shù))，3×3階NURBS曲面擬合后的心臟如圖3和4。
為了能夠獲得心臟的一些功能參數(shù)，對(duì)一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的7個(gè)狀態(tài)的左心室內(nèi)外心壁進(jìn)行NURBS曲面擬合(圖5)。把一個(gè)心動(dòng)周期分為7個(gè)時(shí)間間隔，每個(gè)間隔是100ms，那么每個(gè)間隔對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)的左心室。
權(quán)利要求
1.一種基于NURBS的心臟三維表示方法，其特征在于所述心臟三維表示方法包括以下步驟
1)、數(shù)據(jù)的獲取與處理給定大量的心臟醫(yī)學(xué)圖像，從這些圖像中獲取心臟表面的三維點(diǎn)，包括
(1.1)、用圖像濾波方法進(jìn)行平滑處理，去除噪聲；
(1.2)、通過給定的索引文件將切片圖像調(diào)整成正確的順序；
(1.3)、定義感興趣區(qū)域，通過灰度域值法從圖像中分割出目標(biāo)區(qū)域；
(1.4)、獲得圖像的灰度值，計(jì)算灰度的變化，取灰度變化最大的位置為心臟邊界；
(1.5)、提取心臟的三維點(diǎn)云；
2)、取上述心臟的三維點(diǎn)云作為控制點(diǎn)，進(jìn)行NURBS曲面擬合，其算式為(1)
上式中，pi，j(i＝0，1，...n；j＝0，1，...m)為曲面的控制點(diǎn)，即取自心臟的邊界點(diǎn)云，呈拓?fù)渚匦侮嚵?，ωi，j為與控制點(diǎn)相聯(lián)系的權(quán)因子；Ni，k1(u)與Nj，k2(v)分別為k1和k2次規(guī)范有理B樣條基函數(shù)；有理B樣條基函數(shù)的Boor-Cox遞推公式如下
上式中，B樣條Ni，k(u)雖然定義在整個(gè)參數(shù)u軸上，B樣條Ni，k(u)由其支承區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)ui，ui+1，....ui+k+1決定。
2.如權(quán)利要求1所述的基于NURBS的心臟三維表示方法，其特征在于在所述的步驟2)中，將(n+1)×(m+1)控制點(diǎn)陣列(xij，yij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)平移致使得曲面以z軸為中心，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將笛卡爾坐標(biāo)表示的點(diǎn)轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的點(diǎn)(rij，θij，zij)(i＝0，1...n，j＝0，1...m)，其轉(zhuǎn)換公式如下(3)
zij＝zij
柱坐標(biāo)系的NURBS曲面擬合的算式為(4)
其中，pi，j＝[ri，j，θi，j，zi，j]。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于NURBS的心臟三維表示方法，其特征在于在所述步驟1)中，心臟醫(yī)學(xué)圖像采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于NURBS的心臟三維表示方法，其特征在于所述的心臟為左心室、右心室、左心房、右心房、部分或者整個(gè)心臟的內(nèi)外表面。
全文摘要
一種基于NURBS的心臟三維表示方法，包括以下步驟1)數(shù)據(jù)的獲取與處理給定大量的心臟醫(yī)學(xué)圖像，從這些圖像中獲取心臟表面的三維點(diǎn)；2)取上述心臟的三維點(diǎn)云作為控制點(diǎn)，進(jìn)行NURBS曲面擬合，其算式為(1)，上式中，pi，j(i＝0，1，…，n；j＝0，1，…，m)為曲面的控制點(diǎn)，即取自心臟的邊界點(diǎn)云，呈拓?fù)渚匦侮嚵校豬，j為與控制點(diǎn)相聯(lián)系的權(quán)因子；Ni，k1(u)與Nj，k2(v)分別為k1和k2次規(guī)范有理B樣條基函數(shù)。本發(fā)明提供一種計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快、符合臨床診斷所需的要求的基于NURBS的心臟三維表示方法。
文檔編號(hào)G06T17/20GK101216956SQ200710307249
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者陳勝勇, 蔣婷婷, 盛 劉, 張劍華, 王萬良 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)