[发明专利]一种基于CUDA技术的仿真投影DRR生成方法

摘要

一种基于CUDA技术的仿真投影DRR生成方法。上述方法包括：建立一种新的投影模型；对二维图像的每个像素点进行反投影；通过计算反投影线上三维图像的灰度值之和，最终生成图像配准所需的仿真投影图像。并且在该模型的基础上，本发明还提出了一种基于CUDA(Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构)技术的硬件加速方法。采用本发明所述方法，可以有效地消除投影失真和尺度变换之间的耦合，增强二维与三维图像配准的鲁棒性和精度，并且提高算法的实时性与效率。

主权项

1.一种基于CUDA技术的仿真投影DRR生成方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：A、建立投影模型，包括如下步骤：A01：以三维图像的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系即三维图像坐标系XYZ，使得X，Y，Z轴分别与三维图像中对应的外平面正交，记坐标原点为O；A02：以三维图像坐标系XYZ的原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系即投影模型坐标系UVW，使得坐标轴U，V，W与坐标轴X，Y，Z的方向分别保持一致，记坐标原点为ISO；A03：为投影模型建立一个X光源，X光源位于W轴正半轴上，距投影模型坐标系UVW坐标原点ISO距离为D1；A04：为投影模型建立一个投影面；投影面与接收器共面、大小相等且方向相同；投影面正交于W轴；W轴与投影面的交点位于投影面几何中心，且位于W轴负半轴；交点与投影模型坐标系UVW的原点ISO距离为D2；投影模型坐标系UVW的U轴和V轴分别与投影面的对应边平行；A05：为投影模型建立一个虚拟投影面；虚拟投影面平行于投影面且中心通过投影模型坐标系UVW的坐标原点ISO；A06：将投影模型相对三维图像的运动描述为投影模型坐标系UVW在三维图像坐标系XYZ内的旋转和平移，包括：平面外绕U，V轴的旋转Ru、Rv，平面内绕W轴的旋转参数Rw，平面内平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐标系内沿UV平面的平移；这个运动记为^XYZT_UVW；TUVWXYZ=cosβ0sinβ00100-sinβ0cosβ0000110000cosα-sinα00sinαcosα00001cosφ-sinφ00sinφcosφ0000100001100Tu010Tv00100001]]>α为投影模型坐标系UVW围绕U轴旋转角度Ru，β为投影模型坐标系UVW围绕V轴旋转角度Rv，φ为投影模型坐标系UVW围绕W轴旋转角度Rw；A07：投影模型自身的变化由X光源到三维图像距离D1和三维图像到接收器距离D2描述，记为I(D1，D2)；B、DRR的生成方法包含如下步骤：B01：对于投影平面上的任意点的坐标记为^UVWP_D(u_D，v_D，-D₂)，其中u_D为虚拟平面上任意点的U轴坐标，v_D为投影平面上任意点的V轴坐标，D₂为UVW坐标原点ISO到接收器距离；对于投影面上的任意点^UVWP_D(u_D，v_D，-D₂)求其在虚拟投影面上的对应点的坐标为^UVWP(u，v，0)其中D₁是X光源到UVW坐标原点ISO的距离；D₂是UVW坐标原点ISO到接收器的距离；u_D是投影面上的点在U坐标轴的坐标值；v_D是投影面上的点在V坐标轴的坐标值；u是虚拟投影面上的对应点在U坐标轴的坐标值；v是虚拟投影面上的对应点在V坐标轴的坐标值；B02：对由坐标为^UVWP(u，v，0)的点和坐标为^UVWP(0，0，D₁)的X光源所在点所确定的直线上的所有点上灰度值求和得到虚拟投影面上点^UVWP(u，v，0)的灰度值；这条直线上任意点可以表示为其中^UVWP_l表示该直线上的点在UVW坐标系中的坐标值；w表示直线上点在W轴上的坐标；u表示该直线与虚拟投影面交点在U轴上的坐标；v表示该直线与虚拟投影面交点在V轴上的坐标；D₁是X光源到UVW坐标原点ISO的距离；B03：将坐标^UVWP_l变换到XYZ坐标系下得到该点坐标为^XYZP_l＝^XYZT_UVW*^UVWP_l；其中^XYZT_UVW是坐标系XYZ到坐标系UVW的转换矩阵；^UVWP_l是直线上点在坐标系UVW下的坐标；^XYZP_l是直线上的点在坐标系XYZ下的坐标；将坐标值^XYZP_l四舍五入取整得^XYZP_{l_Z}；设三维图像的密度函数为G(x，y，z)，则二维投影上点^UVWP_D(u_D，v_D，-D₂)的灰度值可以由下面的等式得出；I(uD,vD,-D2)=Σw=-s2s2G(Pl_ZXYZ)]]>其中其中s是三维图像对角线的长度；I(u_D，v_D，-D₂)是沿着当前射线的总吸收量；u_D表示该直线与投影面交点在U轴上的坐标；v_D表示该直线与虚拟投影面交点在V轴上的坐标；D₂是UVW坐标原点ISO到接收器的距离，^XYZP_{l_Z}是直线上点在XYZ坐标系下取整后的坐标；B04：根据Beer’s定理投影平面上对应点的灰度值其中H_max是投影图像的最大灰度值；I(u_D，v_D，-D₂)是沿着当前射线的总吸收量，e是自然对数的底数；B05：对接收器上每一个像素重复步骤B01-B04得到仿真投影DRR。