專利名稱：人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是醫(yī)學(xué)影像及手術(shù)模擬技術(shù)領(lǐng)域。其中包括一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法和一種人體骨性三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在科學(xué)研究領(lǐng)域，研究的主要目的是理解自然的本質(zhì)。要達(dá)到這個(gè)目的，需經(jīng)過(guò)從觀察自然現(xiàn)象到模擬自然現(xiàn)象并分析模擬結(jié)果的過(guò)程，這依賴于科技進(jìn)步發(fā)展。
具體到醫(yī)學(xué)方面，為了能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)疾病，為手術(shù)方案的制訂提供依據(jù)，計(jì)算機(jī)手術(shù)模擬應(yīng)運(yùn)而生，是現(xiàn)代外科的重要發(fā)展方向，該領(lǐng)域的研究是計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械學(xué)、外科及生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)等多學(xué)科高技術(shù)的結(jié)晶，已成為各國(guó)科技界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
日本學(xué)者Fujino于1989年第一次提出模擬手術(shù)的概念，即在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維實(shí)體模型上立體展示病變情況及手術(shù)過(guò)程。Murphy研究中提出了由CT數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)劃全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的概念。1990年Delp等人建立了人體下肢的圖形交互模型，進(jìn)行下肢手術(shù)模擬的研究。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，這個(gè)領(lǐng)域的研究不斷深入。1996年Koch利用有限元模型系統(tǒng)通過(guò)改變骨骼和軟組織的位置來(lái)模擬面部整形手術(shù)。1999年Christopher利用有限元模型進(jìn)行髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析；Neumann，P.報(bào)道了利用三維切割交互模型進(jìn)行頜面外科的手術(shù)設(shè)計(jì)的研究。國(guó)內(nèi)已有一些開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)手術(shù)模擬系統(tǒng)的報(bào)道，如計(jì)算機(jī)輔助上頜面手術(shù)模擬，計(jì)算機(jī)輔助放射治療。上述模擬手術(shù)的人體模型及目前國(guó)際上美國(guó)、韓國(guó)及我國(guó)建立的虛擬人，均屬于正常人已知體(即直接從人體或尸體上獲得數(shù)據(jù))的三維重建模型，與實(shí)際病人骨骼疾病本身具有著一定誤差。實(shí)際上，人體骨骼系統(tǒng)疾病的病理模型的具體數(shù)據(jù)并不能從人體或尸體上直接獲得，這些結(jié)構(gòu)屬于未知體。以兒童先天性髖脫位為例，不能直接獲得數(shù)據(jù)，需通過(guò)螺旋CT(SVCT)掃描獲得數(shù)據(jù)。
現(xiàn)有螺旋CT設(shè)備雖然能進(jìn)行三維模型重建，但卻不能對(duì)模型進(jìn)行任意切割，只能用于觀察，目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)手術(shù)模擬。
計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)的關(guān)鍵在于人體(也包括動(dòng)物體等，為敘述方便，以下統(tǒng)稱人體)三維交互模擬的建立。通常三維模型的重建是利用三維數(shù)據(jù)場(chǎng)等值面生成的經(jīng)典算法Marching Cubes法，即移動(dòng)立方體法。該算法由Lorensen等人于1987年提出，它對(duì)體數(shù)據(jù)中的體素(又稱體元)進(jìn)行處理，生成三角面片集。體素是體數(shù)據(jù)的基本組成單位，每八個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)所定義的立方體區(qū)域構(gòu)成一個(gè)體素。一個(gè)體素中可能包含多個(gè)三角面片。現(xiàn)有手術(shù)模擬系統(tǒng)在進(jìn)行三維重建時(shí)就是采用這種算法。為將重構(gòu)的三維模型用于手術(shù)模擬，最好要求重構(gòu)模型中的三角面片不但具有連接性，而且能夠快速定位，這樣才能滿足實(shí)時(shí)交互進(jìn)行三維切割、移位、旋轉(zhuǎn)和拼合的需要。然而基于現(xiàn)有的這種Marching Cubes方法生成的三維重構(gòu)模型都是散亂的三角面片集，所得到的三角面片并非都是相連的，這種模型結(jié)構(gòu)在對(duì)模型進(jìn)行切割、取舍等全局性模擬操作時(shí)帶來(lái)不便，使得現(xiàn)有此類系統(tǒng)特別復(fù)雜，通常需要在工作站上才能實(shí)現(xiàn)。
而且，現(xiàn)有的手術(shù)模擬系統(tǒng)一般是利用原始圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行三維重構(gòu)，這樣得到的三角面片集數(shù)量巨大，相應(yīng)增加了運(yùn)算的復(fù)雜性，不但對(duì)設(shè)備要求更高，而且其反應(yīng)速度很慢。
而且，現(xiàn)有手術(shù)模擬系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)三維交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉(zhuǎn)、拾取和拼合。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，能使建立過(guò)程中生成的三角面片相連，并可以實(shí)現(xiàn)快速查找和定位。
本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問(wèn)題是，提供一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，其還可以簡(jiǎn)化模型數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)反應(yīng)速度。
本發(fā)明所要解決的再一技術(shù)問(wèn)題是，提供一種人體骨性三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)骨骼三維交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉(zhuǎn)、拾取和拼合。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案。
人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括一圖像數(shù)據(jù)獲取步驟、一模型數(shù)據(jù)提取步驟及一模型數(shù)據(jù)重建步驟，所述模型數(shù)據(jù)重建步驟包括一體素處理步驟，是利用移動(dòng)立方體法(Marching Cubes法)對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行處理，生成三角面片集；一模型記錄步驟，是利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；以及一模型重建步驟，是利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建。
其中，所述圖像數(shù)據(jù)獲取步驟是采用螺旋CT對(duì)包含未知體的實(shí)體進(jìn)行掃描，獲得原始圖像數(shù)據(jù)。
其中，所述模型數(shù)據(jù)提取步驟是根據(jù)灰度等級(jí)對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)窗進(jìn)行處理，提取出其中的模型圖像數(shù)據(jù)，并去除圖像中的干擾數(shù)據(jù)。
其中，在所述模型數(shù)據(jù)提取步驟后，還包括一模型數(shù)據(jù)壓縮步驟，是根據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)的密度，對(duì)模型圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級(jí)重采樣，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。
其中，進(jìn)行兩級(jí)重采樣所用的是領(lǐng)域平均濾波器。
所說(shuō)的人體骨性三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法包括如下步驟骨胳模型建立步驟，利用以上任一權(quán)利要求所述的未知體三維交互模型的建立方法，建立骨骼三維交互模型，其模型圖像數(shù)據(jù)以B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式組織記錄；骨刀模型建立步驟，根據(jù)骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需物體空間大小，并進(jìn)行體素處理步驟，是利用移動(dòng)立方體法對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，是利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，是利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建，其中，該骨刀模型的網(wǎng)格劃分方式及大小與所述未知體三維模型相同；以及手術(shù)模擬步驟，包含骨刀模型的平移和/或旋轉(zhuǎn)步驟、骨骼模型的切割步驟以及骨骼模型的拼合步驟或其組合。
其中，所述手術(shù)模擬步驟中的骨刀的平移和/或旋轉(zhuǎn)步驟，是根據(jù)平移和/或旋轉(zhuǎn)變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實(shí)現(xiàn)骨刀的平移或旋轉(zhuǎn)。
其中，所述手術(shù)模擬步驟中的未知體模型切割步驟，是利用骨刀模型的B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各層索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含的層次包圍盒信息，通過(guò)對(duì)骨骼模型的B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不完全遍歷和回溯，定位骨骼模型與骨刀模型表面間的節(jié)點(diǎn)并分割骨骼模型。
其中的手術(shù)模擬步驟中的骨骼模型的拼合步驟，是根據(jù)變換矩陣變換未知體模型移動(dòng)部分的所有面片的頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法向，再由新面片集生成新的B+樹(shù)，通過(guò)骨骼模型移動(dòng)部分的平移和/或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)骨骼模型的拼合。
所述骨刀模型可以包括平面骨刀模型和/或球面骨刀模型，其中，平面骨刀模型由以下參數(shù)確定局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、刀平面方程和刀邊界形狀方程；球面骨刀模型由以下參數(shù)確定局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、球面半徑和刀邊界形狀方程。
本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明的人體骨骼未知體三維模型的建立方法由于采用了改進(jìn)的移動(dòng)立方體法，用B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式重新組織記錄三維模型，保證了三角面片的連接，可以實(shí)現(xiàn)快速查找和定位，建模效率高。并且，由于采用了螺旋CT獲取原始圖像掃描數(shù)據(jù)，有利于模型的真實(shí)再現(xiàn)，并且由于簡(jiǎn)化了模型數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)反應(yīng)速度。
本發(fā)明的人體骨性三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法的骨骼和骨刀三維模型具有相同的網(wǎng)格劃分方式和大小，以及相同的B+樹(shù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了未知體交互模型在任意位置的切割、平移、旋轉(zhuǎn)、拾取和拼合。
通過(guò)該骨科三維交互模型，醫(yī)生可在虛擬環(huán)境中容易進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)過(guò)程模擬，比較不同的手術(shù)方案和結(jié)果，以幫助制定最佳手術(shù)方案。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明所述人體骨骼未知體三維交互模型的重建方法的一種實(shí)施例的流程示意圖；圖2為先天性髖脫位患兒SVCT掃描數(shù)據(jù)經(jīng)二級(jí)重采樣再進(jìn)行三維重構(gòu)的三角面片集簡(jiǎn)化結(jié)果列表；圖3為本發(fā)明所述人體骨性三維交互模擬手術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的一種實(shí)施例的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，所示為本發(fā)明所提出的人體骨骼未知體三維模型建立方法的一種實(shí)施方式的流程示意圖。該方法包括一圖像數(shù)據(jù)獲取步驟、一模型數(shù)據(jù)提取步驟、一模型數(shù)據(jù)壓縮步驟以及一模型數(shù)據(jù)重建步驟。
對(duì)于其中的圖像獲取步驟，由于未知體的三維重建不能通過(guò)在實(shí)體上直接測(cè)量得到體數(shù)據(jù)，所以原始圖像中體數(shù)據(jù)一般是利用CT掃描設(shè)備對(duì)包含未知體的實(shí)體進(jìn)行掃描而獲得。
但是，傳統(tǒng)的CT由于接口問(wèn)題，阻礙直接獲取原始掃描數(shù)據(jù)，需要依靠斷層膠片重建模型，其結(jié)果是數(shù)據(jù)丟失多，誤差大，失真明顯。因此，最好是利用螺旋CT。螺旋CT是連續(xù)不間斷地收集數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)CT的缺點(diǎn)，可直接提供高精度原始整體掃描數(shù)據(jù)，從而能更好地保證重建模型的精確性和真實(shí)性。
對(duì)于其中的模型數(shù)據(jù)提取步驟，是從通過(guò)圖像數(shù)據(jù)獲取步驟得到的原始圖像數(shù)據(jù)中選取適當(dāng)灰度等級(jí)的數(shù)據(jù)開(kāi)窗進(jìn)行處理，提取出其中的模型圖像數(shù)據(jù)，并去除圖像中的干擾數(shù)據(jù)。
如果直接利用上述螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)，那么得到的三角面片的量將非常大。例如，對(duì)于先天性髖脫位患兒的螺旋CT掃描數(shù)據(jù)直接進(jìn)行重構(gòu)，得到的三角面片集大約含有290000個(gè)三角面片。如此龐大數(shù)量的三角面片將使三維重構(gòu)和響應(yīng)實(shí)時(shí)交互操作變得極為困難，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求將非常高。為解決此問(wèn)題，可對(duì)上述螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化壓縮。
對(duì)高精度的螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化可以采用三種方法。第一種方法是先求得精細(xì)模型，再對(duì)精細(xì)模型進(jìn)行優(yōu)化和簡(jiǎn)化，其計(jì)算量大。第二種方法是對(duì)重構(gòu)算法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果是重構(gòu)計(jì)算本身變得復(fù)雜，重構(gòu)時(shí)間長(zhǎng)。第三種方法是先簡(jiǎn)化原始數(shù)據(jù)，再生成簡(jiǎn)化模型。其優(yōu)點(diǎn)是可以在不產(chǎn)生精細(xì)模型的情況下由簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)直接生成簡(jiǎn)化模型，計(jì)算效率較高。在本發(fā)明的實(shí)施例中具體采用該第三種方法。
發(fā)明人在對(duì)上述先天性髖脫位患兒的螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的研究中，分別采用三種濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣實(shí)驗(yàn)，以研究數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化效果。螺旋CT原始數(shù)據(jù)是規(guī)整網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可直接選取重采樣點(diǎn)原始數(shù)據(jù)值作為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中該點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。參見(jiàn)圖2，所示為簡(jiǎn)化結(jié)果列表。從中可以看出，對(duì)掃描數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣簡(jiǎn)化再進(jìn)行三維重構(gòu)可分別使產(chǎn)生的三角面片數(shù)據(jù)集壓縮到精細(xì)模型的20％(經(jīng)一級(jí)重采樣)和4％(經(jīng)二級(jí)重采樣)。研究結(jié)果表明，采用最簡(jiǎn)便的領(lǐng)域平均濾波器進(jìn)行兩級(jí)重采樣簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)生成的模型保留了原始數(shù)據(jù)中的信息，降低了計(jì)算量，取得了滿意的效果，可以滿足實(shí)時(shí)交互的需要。
因此，在本實(shí)施例中，所述模型數(shù)據(jù)壓縮步驟是根據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)的密度，對(duì)模型圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級(jí)重采樣，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，進(jìn)行兩級(jí)重采樣所用的是領(lǐng)域平均濾波器。
對(duì)于其中的模型數(shù)據(jù)重建步驟，其具體包括一體素處理步驟、一模型記錄步驟及一模型重建步驟，其中體素處理步驟是利用移動(dòng)立方體法對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行離散處理，生成三角面片集；模型記錄步驟是利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟是利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建。
可以看出，本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)立方體法作了改進(jìn)，表現(xiàn)在，使用B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分組存儲(chǔ)三角面片集。這樣，得到的整個(gè)髖關(guān)節(jié)三維模型為一個(gè)B+樹(shù)組成的森林樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，B+樹(shù)是B樹(shù)的一種變形，其中所有的葉節(jié)點(diǎn)都相互連接，這樣就保證了三角面片之間的連接。B+樹(shù)提供了兩條搜索路徑，一條是由根至葉的查找，另一條是沿葉節(jié)點(diǎn)的查找，從而在模型重建時(shí)，明顯提高三角面片的定位速度，使三維重構(gòu)和分組可在對(duì)三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)的一次掃描中完成。
參見(jiàn)圖3，所示為本發(fā)明骨科三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法的流程示意圖。下面結(jié)合模擬小兒先天性髖脫位骨科手術(shù)過(guò)程的實(shí)例，對(duì)本方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
該方法包括骨骼模型建立步驟、骨刀模型建立步驟和手術(shù)模擬實(shí)施步驟。
其中，骨骼模型建立步驟是利用前述的未知體三維模型的建立方法，建立未知體三維模型，其模型圖像數(shù)據(jù)以B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式組織記錄。
選擇左側(cè)先天性髖脫位患兒1名，女，6歲，作為建模素材。采用PhilipTomoscan SR 7000型螺旋CT從髂骨翼至股骨近端連續(xù)掃描36層，螺旋層厚5mm，床進(jìn)速度3mm/s，螺旋CT原始整體圖像數(shù)據(jù)通過(guò)HUB存儲(chǔ)于Dicom服務(wù)器。使用SGI圖形工作站，通過(guò)NFS共享方式，從Dicom服務(wù)器獲取螺旋CT原始圖像數(shù)據(jù)。
從上述原始圖像數(shù)據(jù)中選取適當(dāng)灰度等級(jí)的數(shù)據(jù)開(kāi)窗進(jìn)行處理，提取出其中的模型圖像數(shù)據(jù)，并去除圖像中的干擾數(shù)據(jù)。
采用領(lǐng)域平均濾波器經(jīng)兩級(jí)重采樣，有效壓縮原始圖像數(shù)據(jù)。
采用前述改進(jìn)的移動(dòng)立方體法進(jìn)行體素處理，并用B+樹(shù)方式分組存儲(chǔ)經(jīng)處理的體素及其所含三角面片信息。按照Marching Cubes方法可以發(fā)現(xiàn)其中隱含著三角面片的多層次包圍盒信息，由上向下依次為分組、層、行和體素，而用B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄存儲(chǔ)三角面片符合移動(dòng)立方體法處理過(guò)程的特點(diǎn)，這樣記錄的三維模型為一個(gè)B+數(shù)組成的森林樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
骨刀模型建立步驟，根據(jù)骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需的物體空間大小，并將骨刀模型的物體空間劃分為與髖關(guān)節(jié)模型相同的網(wǎng)格空間；然后按層、行和體素順序，開(kāi)始對(duì)每一邏輯立方體進(jìn)行處理。當(dāng)一個(gè)立方體不處于曲面邊界時(shí)，不處理該立方體，對(duì)處于邊界上的立方體則生成該立方體內(nèi)的局部數(shù)據(jù)場(chǎng)，并對(duì)該邏輯立方體內(nèi)生成的所有面片進(jìn)行檢測(cè)，以保證該立方體內(nèi)屬于邊界外的面片不被包含入骨刀模型內(nèi)。
將骨刀模型離散為三角面片，使骨刀和髖關(guān)節(jié)模型物體空間的坐標(biāo)原點(diǎn)重合，網(wǎng)格劃分和大小相同，根據(jù)曲面方程生成正規(guī)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。再采用改進(jìn)的移動(dòng)立方體法進(jìn)行體素處理，產(chǎn)生重構(gòu)骨刀模型的三角面片集，并將其組織到一棵B+樹(shù)中。
現(xiàn)分別以平面骨刀模型和球面骨刀模型為例，說(shuō)明骨刀曲面方程的確定。平面骨刀模型，由局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、刀平面方程和刀邊界形狀方程(4個(gè)平面方程)確定；球面骨刀模型由局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、球面半徑和刀邊界形狀方程(2個(gè)平面方程)確定。
在手術(shù)模擬實(shí)施步驟中，包含骨刀模型的平移和/或旋轉(zhuǎn)步驟、未知體模型的切割步驟以及未知體模型的拼合步驟或其組合。實(shí)踐中的各種復(fù)雜術(shù)式都是通過(guò)這些基本操作或其組合實(shí)現(xiàn)的。
在手術(shù)模擬實(shí)施過(guò)程中，需要將骨刀模型移動(dòng)到任意位置旋轉(zhuǎn)為任意角度后進(jìn)行切割操作。平移和旋轉(zhuǎn)后骨刀模型的B+樹(shù)結(jié)構(gòu)必然徹底改變，而B(niǎo)+樹(shù)結(jié)構(gòu)又是實(shí)現(xiàn)前述快速切割算法的基礎(chǔ)。因此，如何處理作了平移和旋轉(zhuǎn)操作后的骨刀模型的B+樹(shù)是核心問(wèn)題。一種思路是根據(jù)變換矩陣變換面片的所有頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法向，再由新面片集生成新的B+樹(shù)；另一種思路是根據(jù)變換矩陣生成整個(gè)骨刀模型的新描述信息，再由前述的骨刀模型生成方法生成新位置上的骨刀模型。按前一種算法，整個(gè)骨刀模型的每一個(gè)面片要被重新修改，而關(guān)鍵問(wèn)題是變換過(guò)的面片很可能不再處于一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)，因此必須將這樣的面片重新剖分。而按后一種算法，只要重新確定新位置上的骨刀模型經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格，再處理這些網(wǎng)格就可以得到新模型。由于骨刀模型經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格數(shù)較少，按第二種思路重新生成的面片比按第一種思路修改每一個(gè)面片的幾何構(gòu)造并進(jìn)行剖分更為有效率。因此，本實(shí)施例中，采用了修改整個(gè)模型參數(shù)再重新生成骨刀模型的方式，先根據(jù)平移和/或旋轉(zhuǎn)變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實(shí)現(xiàn)骨刀的平移或旋轉(zhuǎn)。
骨刀模型移動(dòng)到要求位置后，重新生成新的模型，以進(jìn)行切割操作。此前我們已獲得了髖關(guān)節(jié)表面模型的B+樹(shù)表示，根據(jù)上面所述，骨刀模型是用與髖關(guān)節(jié)模型相同的B+樹(shù)結(jié)構(gòu)組織記錄三角面片集，兩模型的網(wǎng)格劃分方式及大小均相同。在為骨刀和髖關(guān)節(jié)模型建立了各自的B+樹(shù)表示后將兩模型放入同一物體空間，進(jìn)行求交切割運(yùn)算。
按照傳統(tǒng)的離散為三角面片的三維表面模型間的切割算法，需要對(duì)兩個(gè)表面模型逐個(gè)面片進(jìn)行測(cè)試，以求得兩個(gè)模型的所有交點(diǎn)，再由交點(diǎn)開(kāi)始利用面片的相鄰信息在被切割體的模型中跟蹤所有面片，確定每個(gè)面片應(yīng)屬于被分割后的哪一部分。為得到分割結(jié)果需要遍歷被切割模型的所有面片，對(duì)于復(fù)雜模型效率極低。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)切割的方法是在將骨刀和髖關(guān)節(jié)的三維表面模型放入同一物體空間，分別為兩個(gè)模型建立各自的B+樹(shù)表示后，利用B+樹(shù)中各層索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含的層次包圍盒信息，通過(guò)對(duì)B+樹(shù)的不完全遍歷和回溯，只選擇子孫節(jié)點(diǎn)中包含交點(diǎn)的非葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到快速定位表面模型間的交點(diǎn)并分割髖關(guān)節(jié)模型的目的。有效地提高了實(shí)際系統(tǒng)操作效率。
在其后的骨骼模型的拼合步驟中，是通過(guò)未知體模型移動(dòng)部分的平移和/或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)未知體模型的拼合。具體方式是根據(jù)變換矩陣變換未知體模型移動(dòng)部分的所有面片的頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法向，再由得到新面片集生成新的B+樹(shù)，從而可以得到拼合后的骨骼模型。
本發(fā)明可具體應(yīng)用于微機(jī)環(huán)境，便于推廣使用，對(duì)提高整體醫(yī)療水平有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括一圖像數(shù)據(jù)獲取步驟、一模型數(shù)據(jù)提取步驟及一模型數(shù)據(jù)重建步驟，其特征在于所述模型數(shù)據(jù)重建步驟包括一體素處理步驟，是利用移動(dòng)立方體法對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行處理，生成三角面片集；一模型記錄步驟，是利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；一模型重建步驟，是利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建。
2.如權(quán)利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述圖像數(shù)據(jù)獲取步驟是采用螺旋CT對(duì)包含未知體的實(shí)體進(jìn)行掃描，獲得原始圖像數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的建立方法，其特征在于，所述模型數(shù)據(jù)提取步驟是根據(jù)灰度等級(jí)對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)窗進(jìn)行處理，提取出其中的模型圖像數(shù)據(jù)，并去除圖像中的干擾數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的建立方法，其特征在于，在所述模型數(shù)據(jù)提取步驟后，還包括一模型數(shù)據(jù)壓縮步驟，是根據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)的密度，對(duì)模型圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級(jí)重采樣，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。
5.如權(quán)利要求5所述的建立方法，其特征在于，進(jìn)行兩級(jí)重采樣所用的是領(lǐng)域平均濾波器。
6.人體骨性三維交互模擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法包括如下步驟骨胳模型建立步驟，利用以上任一權(quán)利要求所述的未知體三維交互模型的建立方法，建立骨骼三維交互模型，其模型圖像數(shù)據(jù)以B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式組織記錄；骨刀模型建立步驟，根據(jù)骨刀曲面方程，確定骨刀模型所需物體空間大小，并進(jìn)行體素處理步驟，是利用移動(dòng)立方體法對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，是利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，是利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建，其中，該骨刀模型的網(wǎng)格劃分方式及大小與所述未知體三維模型相同；手術(shù)模擬步驟，包含骨刀模型的平移和/或旋轉(zhuǎn)步驟、骨骼模型的切割步驟以及骨骼模型的拼合步驟或其組合。
7.如權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，其中的手術(shù)模擬步驟中的骨刀的平移和/或旋轉(zhuǎn)步驟，是根據(jù)平移和/或旋轉(zhuǎn)變換矩陣，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立該新的骨刀模型，實(shí)現(xiàn)骨刀的平移或旋轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，其中的手術(shù)模擬步驟中的未知體模型切割步驟，是利用骨刀模型的B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各層索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含的層次包圍盒信息，通過(guò)對(duì)骨骼模型的B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不完全遍歷和回溯，定位骨骼模型與骨刀模型表面間的節(jié)點(diǎn)并分割骨骼模型。
9.如權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，其中的手術(shù)模擬步驟中的骨骼模型的拼合步驟，是根據(jù)變換矩陣變換未知體模型移動(dòng)部分的所有面片的頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法向，再由新面片集生成新的B+樹(shù)，通過(guò)骨骼模型移動(dòng)部分的平移和/或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)骨骼模型的拼合。
10.如權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述骨刀模型包括平面骨刀模型和/或球面骨刀模型，其中，平面骨刀模型由以下參數(shù)確定局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、刀平面方程和刀邊界形狀方程；球面骨刀模型由以下參數(shù)確定局部坐標(biāo)系點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、球面半徑和刀邊界形狀方程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種人體骨骼未知體三維交互模型的建立方法，包括圖像數(shù)據(jù)獲取步驟、模型數(shù)據(jù)提取步驟及模型數(shù)據(jù)重建步驟，模型數(shù)據(jù)重建步驟包括體素處理步驟，利用移動(dòng)立方體法對(duì)體數(shù)據(jù)的體素進(jìn)行處理，生成三角面片集；模型記錄步驟，利用體數(shù)據(jù)的體素在模型中所處的行、層、分組位置與B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)B+樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式，重新組織和記錄三維模型；模型重建步驟，利用B+樹(shù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)搜索方式，根據(jù)B+樹(shù)結(jié)構(gòu)下記錄的三維模型的體素的連接關(guān)系，對(duì)體素及其中的三角面片定位，實(shí)現(xiàn)三維模型的重建。本發(fā)明還公開(kāi)了一種應(yīng)用上述方法實(shí)現(xiàn)人體骨性三維交互模擬手術(shù)的方法，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的手術(shù)模擬，從而為制定最佳手術(shù)方案提供依據(jù)。
文檔編號(hào)G06T17/50GK1555030SQ20031012115
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者李浩宇, 許忠信 申請(qǐng)人:李浩宇