[发明专利]一种基于影像体元运算的器官几何重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于影像体元运算的器官几何重建方法，通过该方法可以高效构造出表述实物内部或外部结构的实体几何模型。涉及实体造型、以及这种几何描述的剂量吸收计算,在辐射防护、医学放疗计划和影像科学等领域具有应用价值。

背景技术

三维模型广泛应用于科学实验分析、科学实验仿真领域。比如在核辐射与防护领域，为了模拟人体在一定辐射条件下的吸收剂量，常常需要利用计算机技术对人体影像数据进行各种处理建立精确的人体几何模型，并结合蒙特卡罗程序进行仿真计算。计算机对几何模型的表示模式，按其复杂程度，一般分为线框模型、表面模型和实体模型三种，前两种描述方式分别是以物体的棱边、物体的各表面为单位来表示形体特征的。实体模型采用有向棱边右手法则确定所在面外法线的方向，以描述表面的哪一侧是存在的实体；这样就能分清体内、体外，形成实体模型。

蒙特卡罗方法是目前唯一能够对辐照目标内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确仿真的工具，蒙特卡罗方法与复杂的三维人体解剖模型相结合代表了虚拟仿真在计算机技术中的跃进。在诊断放射检查中，精确的人体器官剂量评估对于放射治疗是非常有益的。目前，国际上已经成功建立多种人体模型并结合蒙特卡罗模拟程序，对人体在辐射环境下的吸收剂量进行精确性的计算评估。人体三维解剖模型成功转换为蒙特卡罗程序所需要的几何描述是进行蒙特卡罗仿真计算的前提条件，也是目前国际上蒙特卡罗模拟研究的热点和难点。

高精度的人体彩色切片或现代计算机断层摄影（俗称CT）等能够针对人体体内特征提供较为详细的组织几何结构信息，为人体内部结构的实体建模提供了数据基础。基于高精度的人体影像切片，常用的三维表面再现算法（如Marching Cubes）是靠提取实物的等值面来得到面片模型结构，一方面，由于这种面的提取方法非充分性，往往会导致模型表面结构的二义问题，出现内外面交叉或法向量错误而产生很多的空洞，使模型失真，不能真实表述人体实体的内部几何结构。另一方面，几何重建过程中没有充分考虑到器官外围面解析及其相关联的蒙特卡罗几何构造，故而其解析程度存在误差，执行效率不高，不能被广泛应用。现有的一些基于体元合并的几何重建方法，虽然一定意义上对器官体元进行了合并，克服了上述缺陷，但是器官表面体元却没有被最大量的合并以致不能有效减少器官体元合并后的长方体数目，其合并速度较慢，无法生成器官表面点云信息，在巨量的人体影像数据中应用局限。

发明内容

本发明提供了一种基于影像体元运算的器官几何重建方法，目标在于提供一种从影像数据集中高效进行体元合并、解析出指定器官的外围面或其点云信息，以便得到高品质的三维器官实体模型，来真实描述人体器官内部的详细结构；该解析结果可以有效的和器官的蒙特卡罗几何表示关联起来，解决高精度人体剂量吸收评估中遇到的人体蒙卡几何无效转换和计算效率较低的难题。

本发明采用的技术方案为：一种基于影像体元运算的器官几何重建方法，是基于器官分割后人体断层系列切片数据集，按照体元运算法则生成器官坐标矩阵对人体器官进行三维几何重建的方法，其特征在于，该步骤包括：

步骤（a）、获取指定器官体元相对数据集的位置矩阵；

步骤（b）、按照精度要求对位置矩阵重采样；

步骤（c）、体元加法运算生成器官的长方体集合；

步骤（d）、根据长方体坐标矩阵重建器官几何；

其中，步骤（c）所述体元加法运算条件是依照三维深度遍历的原则依次执行线性约束下的体元加法运算，把器官体元位置矩阵转换为长方体集的坐标矩阵；

假设某器官第i个体元的位置为(x_i，y_i,z_i)，定义单位体元为一长方体，该长方体起点和终点为其一条对角线上两个点(x_i1,y_i1,z_i1)和(x_i2,,y_i2,z_i2)，此单位体元可以记作v_i=v(x_i1，y_i1,z_i1,x_i2,y_i2,z_i2)，其中x_i2=x_i1+1,y_i2=y_i1+1,z_i2=z_i1+1;

同时定义长方体v_i和v_j之间的加法运算规则：