本發(fā)明涉及醫(yī)療影像處理技術(shù)，具體涉及醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)。

背景技術(shù)：

光線投射方法可以生成高質(zhì)量的三維圖像，能夠滿足臨床診斷的需要。但是它的一個(gè)突出缺點(diǎn)就是繪制速度慢。目前，針對(duì)于光線投射的軟件加速技術(shù)主要有以下幾種：包圍盒技術(shù)(bounding box)，空間剖分(space subdivision)技術(shù)和光線相關(guān)性(ray coherence)技術(shù)。

其中，包圍盒技術(shù)的基本原理是在物體外圍生成一個(gè)與物體外接的最小多面體，當(dāng)采用光線投射方法進(jìn)行繪制的時(shí)候，直接跳過多面體以外的數(shù)據(jù)而只在這個(gè)多面體內(nèi)進(jìn)行采樣和圖像合成。

空間剖分技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)空間的相關(guān)性，通過對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行剖分，將連續(xù)的空體元?jiǎng)澐值揭欢ǖ淖訁^(qū)間，當(dāng)光線在數(shù)據(jù)空間穿行的時(shí)候，碰到這些子區(qū)間只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的求交運(yùn)算，就可以略過整個(gè)子區(qū)間，從而減少光線投射的步數(shù)，達(dá)到降低繪制時(shí)間的目的?？臻g網(wǎng)格剖分有兩種方式：一種是將空間均勻地分割成大小相同的小立方體網(wǎng)格的方法；另外一種網(wǎng)格剖分方式是采用分層次的空間剖分方法。

除了以上加速方法，預(yù)處理計(jì)算方法也可以提高圖像質(zhì)量及加速光線追蹤過程?；诠饩€相關(guān)性的加速方法主要基于以下一種或幾種原理：(1)像空間相關(guān)性(pixel-space coherency)，(2)物空間相關(guān)性(object-space coherence)，(3)光線間相關(guān)性(inter-ray coherency)，(4)空間跳躍(space-leaping)，(5)序列間相關(guān)性(sequence coherence)。

隨著CT等影像設(shè)備的升級(jí)換代，數(shù)據(jù)量越來越大，采用現(xiàn)有加速方法(如上述光線投射的軟件加速技術(shù))對(duì)速度的提高有限，無法滿足臨床要求。再者，現(xiàn)有的預(yù)處理方法也往往無法把光照相關(guān)計(jì)算進(jìn)行預(yù)處理，這主要是由于光照模型需要引入光線向量，而在旋轉(zhuǎn)過程中光線向量是動(dòng)態(tài)變化的，而且如果引入光線向量需要存儲(chǔ)向量三個(gè)浮點(diǎn)的標(biāo)量分量，這對(duì)于一些預(yù)合成方法創(chuàng)建相關(guān)查找表是很難實(shí)現(xiàn)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)三維可視化方案中數(shù)據(jù)處理速度慢，無法滿足臨床要求的問題，需要一種新的光線投射加速方案，以讓醫(yī)學(xué)三維可視化速度滿足臨床要求。

為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于醫(yī)學(xué)三維可視化的球坐標(biāo)索引方法，以提高光線投射方案中數(shù)據(jù)處理的速度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的用于醫(yī)學(xué)三維可視化的球坐標(biāo)索引方法，該方法預(yù)先計(jì)算體元的法向量，并基于球坐標(biāo)的索引方法進(jìn)行存儲(chǔ)，以更新與法向量索引對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列表。

一種用于醫(yī)學(xué)三維可視化的球坐標(biāo)索引方法，其特征在于，所述方法預(yù)先計(jì)算體元的法向量，并基于球坐標(biāo)的索引方法進(jìn)行存儲(chǔ)，以更新與法向量索引對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列表。

本索引方法中，所述體元的法向量由下式給出：

其中

其中，N(x_i,y_j,z_k)為法向量，f(x_i,y_j,z_k)為點(diǎn)(x_i,y_j,z_k)的CT值。

本索引方法中，所述方法在讀入患者影像數(shù)據(jù)后進(jìn)行體元法向量的計(jì)算。

本索引方法中，基于球坐標(biāo)的索引方法進(jìn)行存儲(chǔ)的過程如下：

在球坐標(biāo)系，計(jì)算體元的法向量N(x_i,y_j,z_k)，通過如下公式確定：

其中，θ為球坐標(biāo)系中Z軸的方位角；φ球坐標(biāo)系中X軸的方位角；

存儲(chǔ)體元法向量及其相關(guān)項(xiàng)，不存儲(chǔ)體元法向量浮點(diǎn)類型的三個(gè)標(biāo)量分量，只要存儲(chǔ)體元法向量對(duì)應(yīng)的離散后的θ[x_i,y_j,z_k]及φ[x_i,y_j,z_k]。進(jìn)一步的，將θ及φ按256份均分進(jìn)行離散，體元法向量索引下標(biāo)對(duì)應(yīng)的離散值θ_m和φ_n，有m,n∈[0,256]。

本索引方法中，所述方法在圖像旋轉(zhuǎn)重建時(shí)，只基于變化的光線向量對(duì)表DP[θ_m,φ_n]進(jìn)行更新，然后在光線追蹤過程采樣時(shí)基于體元法向量索引[θ_m,φ_n]及DP[θ_m,φ_n]直接得到采樣點(diǎn)法向量與光線向量的點(diǎn)積，所述表DP[θ_m,φ_n]來存儲(chǔ)[θ_m,φ_n]對(duì)應(yīng)的向量與光線向量的點(diǎn)積值。

基于上述方案構(gòu)成的用于醫(yī)學(xué)三維可視化的球坐標(biāo)索引方法，其能夠有效避免體元法向量及與法向量相關(guān)參數(shù)的重復(fù)計(jì)算，節(jié)省了大量時(shí)間；同時(shí)，能夠大量減少內(nèi)存方面的開銷；基于本方法可進(jìn)一步提高可視化速度，以讓醫(yī)學(xué)三維可視化速度滿足臨床要求。

附圖說明

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)例中球坐標(biāo)向量表達(dá)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

本實(shí)例針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)光投影加速技術(shù)中所面臨的問題，提供一種基于球坐標(biāo)的向量索引方法。

該方案通過預(yù)先計(jì)算體元的法向量，針對(duì)該體元的法向量以球坐標(biāo)的索引方法進(jìn)行存儲(chǔ)，并以此來更新那些與法向量索引對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列表。由此避免法向量及與法向量相關(guān)參數(shù)的重復(fù)計(jì)算，節(jié)省了大量時(shí)間；同時(shí)，本索引方法由于將法向量以球坐標(biāo)方式進(jìn)行表達(dá)及存儲(chǔ)，無需存儲(chǔ)向量三個(gè)浮點(diǎn)的標(biāo)量分量，減少了大量?jī)?nèi)存方面的開銷。通過本方案既能夠提高速度，又能夠大量減少內(nèi)存開銷。這里的預(yù)處理在讀入患者影像數(shù)據(jù)后進(jìn)行，且只計(jì)算一次。

以下通過以具體實(shí)例來進(jìn)一步的說明本方案。

實(shí)例1，向量球坐標(biāo)索引的建立

基于光線追蹤原理的三維可視化過程中，在圖像采樣及合成過程中會(huì)涉及到關(guān)于體元法向量及相關(guān)項(xiàng)的計(jì)算。對(duì)應(yīng)的，在笛卡兒坐標(biāo)系中，體元的法向量N由下式給出：

其中

其中，N(x_i,y_j,z_k)為法向量，f(x_i,y_j,z_k)為點(diǎn)(x_i,y_j,z_k)的CT值。

由于體元法向量是經(jīng)過單位化的，故在球坐標(biāo)系中可以用圖1中的θ及φ角唯一確定(如圖1所示)。

這里的θ及φ角為圖1中的方位角，θ為有向線段與z軸正向的夾角；φ為從正z軸來看自x軸按逆時(shí)針方向所轉(zhuǎn)過的角。

在實(shí)際的應(yīng)用中，基于公式1.1和公式1.2可以計(jì)算出體元的法向量N(x_i,y_j,z_k)，其對(duì)應(yīng)的θ及φ滿足：

據(jù)此完成以球坐標(biāo)方式來表達(dá)預(yù)先計(jì)算得到的體元法向量。

在存儲(chǔ)體元法向量及其相關(guān)項(xiàng)時(shí)，本實(shí)例不需要存儲(chǔ)體元法向量浮點(diǎn)類型的三個(gè)標(biāo)量分量，而只存儲(chǔ)體元法向量對(duì)應(yīng)的離散后的θ[x_i,y_j,z_k]及φ[x_i,y_j,z_k]，這里的θ[x_i,y_j,z_k]及φ[x_i,y_j,z_k]為點(diǎn)[x_i,y_j,z_k]處的球坐標(biāo)。

為了降低內(nèi)存的消耗，本實(shí)例將θ及φ按256份均分進(jìn)行離散，則體元法向量索引下標(biāo)對(duì)應(yīng)的離散值θ_m和φ_n，有m,n∈[0,256]，并以此進(jìn)行存儲(chǔ)。

同時(shí)基于不同的應(yīng)用還需要另外一個(gè)或多個(gè)表存儲(chǔ)需要計(jì)算的相關(guān)項(xiàng)。比如在實(shí)際計(jì)算中需要計(jì)算法向量與光線向量的點(diǎn)積，本實(shí)例定義一個(gè)表DP[θ_m,φ_n]來存儲(chǔ)離散方位角[θ_m,φ_n]對(duì)應(yīng)的向量與光線向量的點(diǎn)積值。

由此，當(dāng)圖像旋轉(zhuǎn)重建時(shí)，本實(shí)例只需要基于變化的光線向量及1.3式對(duì)表DP[θ_m,φ_n]進(jìn)行更新，然后在光線追蹤過程采樣時(shí)基于體元法向量索引[θ_m,φ_n]及DP[θ_m,φ_n]直接得到采樣點(diǎn)法向量與光線向量的點(diǎn)積，而不需要每次采樣都重新進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)例2，向量球坐標(biāo)索引在體顯示中的具體應(yīng)用

基于光線追蹤的體顯示圖像合成公式由下式給出：

c_out,λ(u,v)＝c_in,λ(u,v)(1-α(x_i,y_j,z_k))+c_λ(x_i,y_j,z_k)α(x_i,y_j,z_k) (2.1)；

其中，c_out,λ(u,v)表示光線離開體元時(shí)的顏色值，c_in,λ(u,v)表示光線進(jìn)入體元前的顏色值，α(x_i,y_j,z_k)表示當(dāng)前體元的阻光度，c_λ(x_i,y_j,z_k)表示當(dāng)前體元的顏色值。

上述公式2.1只給出了基于光線吸收及發(fā)射模型的顏色和阻光度的合成公式，在實(shí)際的應(yīng)用中，為了得到更好的可視化效果，還需要引入相應(yīng)的光照模型，本實(shí)例中選擇Phong模型來說明向量球坐標(biāo)索引在體顯示中的應(yīng)用，Phong模型由下式給出：

其中

c_λ:表示當(dāng)前體元第λ個(gè)顏色分量λ＝r,g,b；

c_pλ:表示當(dāng)前體元第λ個(gè)顏色分量平行光成分；

k_αλ:第λ個(gè)顏色分量環(huán)境光成分；

k_dλ:第λ個(gè)顏色分量漫反射成分；

k_sλ:第λ個(gè)顏色分量鏡面反射成分；

n:高亮指數(shù)；

k₁,k₂:深度因子；

d:當(dāng)前體元到屏幕平面距離；

當(dāng)前體元法向量；

光線向量；

高亮方向法向量；

觀察者方向向量。

考慮到采用平行光源，屏幕靜止后，為常量，由公式2.3可知，也為常量，而可以通過體元法向量索引得到。

基于實(shí)例1中提出的向量球坐標(biāo)索引方案，還需要定義NL[θ_m,φ_n]及NH[θ_m,φ_n]兩個(gè)表，分別存儲(chǔ)k_dλ(N·L)及k_sλ(N·H)ⁿ的值。因此，當(dāng)圖像旋轉(zhuǎn)重建光線向量發(fā)生變化時(shí)，在光線追蹤采樣前只需要重新計(jì)算表NL[θ_m,φ_n]及NH[θ_m,φ_n]的值即可，而不需要在光線追蹤采樣時(shí)重復(fù)計(jì)算，節(jié)省了大量時(shí)間，大大提高可視化速度。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。