專利名稱：基于三維重建技術(shù)的膈肌表面積計(jì)算方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種肺部膈肌表面積計(jì)算方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，把計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中并加以利用，可以提高醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的利用效率以及醫(yī)學(xué)研究中的突破進(jìn)步，這已成為醫(yī)學(xué)中一個(gè)研究的熱門領(lǐng)域。膈為一向上隆凸呈彎隆狀的薄扁闊肌，介于胸腔和腹腔之間，成為胸腔的底和腹腔的頂。膈肌是人體最重要的呼吸肌。當(dāng)膈肌收縮時(shí)，中心部分下移，從而增大了胸腔的上下徑，胸腔和肺容積增大，產(chǎn)生吸氣；松弛時(shí)膈穹窿上升恢復(fù)原位，胸腔容積減少，以助呼氣。慢性阻塞性肺疾病與膈肌有著密切的聯(lián)系。由于膈肌位于胸腹聯(lián)合部，不僅參與胸腹部的功能，也受到胸腹部疾病的影響，其形態(tài)和功能也發(fā)生了相應(yīng)的變化，膈肌被認(rèn)為是這個(gè)疾病的靶器官。但是就目前的計(jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)發(fā)展，醫(yī)生在實(shí)際操作中只能通過CT圖來判斷病人的病情。由于膈肌的變化是三維的，所以在二維的世界里，醫(yī)生很難準(zhǔn)確、快速地判斷出病變的情況。而本發(fā)明正是通過提供一種對(duì)膈肌進(jìn)行三維重建的方案，并計(jì)算出膈肌在三維形態(tài)下的表面積來為膈肌的研究提供更直觀的數(shù)據(jù)與資料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快捷、方便、正確的肺部膈肌表面積計(jì)算方法與系統(tǒng)。本發(fā)明提出的肺部膈肌表面積計(jì)算方法，是基于三維重建技術(shù)的，即通過三維重建以及計(jì)算得到人體膈肌的表面積大小，并最終通過三維重建的立體圖像與面積計(jì)算數(shù)據(jù)綜合分析人體膈肌的病變情況。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)由三大模塊組成數(shù)據(jù)獲取與處理模塊(1)、圖像處理與建模模塊(2)和面積計(jì)算模塊(3)。其中
所述數(shù)據(jù)獲取與處理模塊(1)包括CT掃描模塊(1. 1)，CT數(shù)據(jù)獲取模塊(1. 2)，CT數(shù)據(jù)選擇模塊(1. 3)；由CT掃描模塊(1. 1)(掃描儀)對(duì)人體膈肌部位進(jìn)行CT掃描，由CT數(shù)據(jù)獲取模塊(1. 2)得到膈肌冠狀方向與矢狀方向的原始數(shù)據(jù)，CT數(shù)據(jù)選擇模塊(1. 3)選擇盡力吸氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)和盡力呼氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)，同時(shí)選擇的數(shù)據(jù)組必須在200 幀以上的，而且圖像中明確標(biāo)示有膈肌起點(diǎn)與終點(diǎn)的白點(diǎn)的。CT掃描時(shí)，首先醫(yī)生要在人身上纏繞金屬圈，標(biāo)記出膈肌的起始位置。然后進(jìn)行 CT掃描，掃描時(shí)均采取平躺的方式，并得到人冠狀方向與矢狀方向的原始數(shù)據(jù)。選擇數(shù)據(jù)時(shí)，要保證得到一個(gè)人有兩組不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)盡力吸氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)和盡力呼氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)，同時(shí)選擇的數(shù)據(jù)組必須在200幀以上的，而且圖像中有明確標(biāo)示膈肌起點(diǎn)與終點(diǎn)的白點(diǎn)。所述圖像處理與建模模塊(2)包括CT圖像輪廓描點(diǎn)模塊(2. 1)以及三維重建模塊(2. 2) ；CT圖像輪廓描點(diǎn)模塊(2. 1)對(duì)CT圖像的輪廓進(jìn)行描點(diǎn)，三維重建模塊(2. 2)根據(jù)圖像輪廓描點(diǎn)進(jìn)行膈肌三維重建。在進(jìn)行CT圖像輪廓描點(diǎn)時(shí)，要注意輪廓的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，即前面提到過的用金屬圈圍繞的地方，并能對(duì)膈肌的輪廓做出較為準(zhǔn)確的判斷。描點(diǎn)的過程可為手工描點(diǎn)。只需對(duì)冠狀方向和矢狀方向的CT圖像進(jìn)行描點(diǎn)即可。在一組CT圖像中也要對(duì)CT切片的選取做好掌握，在切片過程中確定從哪一幀開始，到哪一幀結(jié)束。此夕卜，要得到較為良好的三維重建效果，必須控制好幀與幀之間的間隔，一般CT圖像掃描的圖層在1. 5—2. 5mm，選取的切片與切片間的距離為8_10mm左右。 三維重建模塊(2. 2)在三維重建時(shí)，丟棄處在縱膈區(qū)域，或是阻斷了胸壁而不能清楚的描述膈肌的輪廓的冠狀面和矢狀面的圖像。剩余的冠狀面和矢狀圖像被用來三維重建。在這剩余的少許圖像中，膈穹窿的小部分由于心臟或縱膈的存在不是很確定，這部分通過最近的界限清楚的膈肌輪廓用線性插值法重建。所述面積計(jì)算模塊(3)包括，數(shù)據(jù)處理模塊(3. 1)、計(jì)算模塊(3. 2)；數(shù)據(jù)處理模塊 (3. 1)對(duì)圖像的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、處理，計(jì)算模塊(3. 2)根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊(3. 1)選擇、處理的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行面積計(jì)算。數(shù)據(jù)處理模塊(3. 1)進(jìn)行下述數(shù)據(jù)選擇、處理工作。由于冠狀面組數(shù)少于矢狀面的組數(shù)，冠狀面的數(shù)據(jù)選取18-24組，矢狀面的數(shù)據(jù)選取28-35組，其中每組冠狀面數(shù)據(jù)選取14-18個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每組矢狀面數(shù)據(jù)選取10-14個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在選取數(shù)據(jù)時(shí)必須保證最開始的那組和最后一組保留。此外還要有冠狀面方向上，病例劍突位置、病例最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算膈肌前側(cè)表面積。計(jì)算模塊(3.2)，運(yùn)用01計(jì)_(^1()函數(shù)和Triangle_Cal()函數(shù)，分別提供計(jì)算三維坐標(biāo)下兩點(diǎn)之間距離和三角形面積計(jì)算的公式。其中，用于計(jì)算三維空間中兩點(diǎn)間距離的公式為
權(quán)利要求
1.一種基于三維重建技術(shù)的膈肌表面積計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)由三大模塊組成 數(shù)據(jù)獲取與處理模塊(1)、圖像處理與建模模塊(2)和面積計(jì)算模塊(3)；其中所述數(shù)據(jù)獲取與處理模塊(1)包括CT掃描模塊(1. 1)、CT數(shù)據(jù)獲取模塊(1. 2)和CT 數(shù)據(jù)選擇模塊(1. 3)；由CT掃描模塊(1. 1)對(duì)人體膈肌部位進(jìn)行CT掃描，由CT數(shù)據(jù)獲取模塊(1. 2)得到膈肌冠狀方向與矢狀方向的原始數(shù)據(jù)，CT數(shù)據(jù)選擇模塊(1. 3)選擇盡力吸氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)和盡力呼氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)，同時(shí)選擇的數(shù)據(jù)組必須在200幀以上的，而且圖像中明確標(biāo)示有膈肌起點(diǎn)與終點(diǎn)的白點(diǎn)的；所述圖像處理與建模模塊(2)包括CT圖像輪廓描點(diǎn)模塊(2. 1)以及三維重建模塊 (2. 2) ；CT圖像輪廓描點(diǎn)模塊(2. 1)對(duì)CT圖像的輪廓進(jìn)行描點(diǎn)，三維重建模塊(2. 2)根據(jù)圖像輪廓描點(diǎn)進(jìn)行膈肌三維圖像重建；三維重建模塊(2. 2)在三維重建時(shí)，丟棄處在縱膈區(qū)域，或是阻斷了胸壁而不能清楚的描述膈肌的輪廓的冠狀面和矢狀面的圖像；剩余的冠狀面和矢狀圖像被用來三維重建； 對(duì)膈穹窿的小部分根據(jù)最近的界限清楚的膈肌輪廓，用線性插值法重建；所述面積計(jì)算模塊(3)包括，數(shù)據(jù)處理模塊(3. 1)、計(jì)算模塊(3.2)；數(shù)據(jù)處理模塊 (3. 1)對(duì)圖像的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、處理，計(jì)算模塊(3. 2)根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊(3. 1)選擇、處理的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行面積計(jì)算；計(jì)算模塊(3.2)，運(yùn)用01計(jì)_(^1()函數(shù)和Triangle_Cal()函數(shù)，分別提供計(jì)算三維坐標(biāo)下兩點(diǎn)之間距離和三角形面積計(jì)算的公式；其中，用于計(jì)算三維空間中兩點(diǎn)間距離的公式為 = V C^l — ^2)2 + (3"i "J2)2 + (^l — ^2)2 ⑴已知的是空間中的三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，用公式(1)求出由這三個(gè)點(diǎn)組成的三角形的三條邊， 然后再運(yùn)用計(jì)算三角形面積的公式求出三角形的面積S= %/p(p — a) (ρ — ο) (ρ — c)⑵其中P= (a+b+c) /2，a、b、c為三角形的三條邊的長度；定義Area_Cal()函數(shù)和Area2_Cal ()函數(shù)來分別計(jì)算冠狀切片和矢狀切片間的表面積；對(duì)于所述切片間面積計(jì)算方法如下從第一幀切片開始，依次計(jì)算相鄰兩切片間的面積；首先進(jìn)行小三角形的劃分，相鄰兩切片間的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)大體相同，故按順序?qū)汕衅g的面積分割成一排排鋸齒狀的小三角形；通過循環(huán)結(jié)構(gòu)依次對(duì)這些小三角形進(jìn)行面積計(jì)算并累加，計(jì)算得到兩切片間的表面積； 再用一個(gè)外循環(huán)將每兩個(gè)相鄰切片間的表面積累加起來得到總的表面積；最后求解膈肌表面積，根據(jù)膈肌的形狀特征，將膈肌分為前部、兩側(cè)、頂部和后部；首先計(jì)算前部表面積，即求兩個(gè)前部三角形面片的面積之和；接下來加上兩側(cè)的面積，最后加上頂部和后部的面積，得到最終表面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于所述三維重建模塊(2.2)根據(jù)圖像輪廓描點(diǎn)進(jìn)行膈肌三維圖像重建時(shí)，控制幀與幀之間的間隔，CT圖像掃描的圖層在1.5— 2. 5mm，選取的切片與切片間的距離為8_10mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊(3.1)對(duì)圖像的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、處理，包括如下工作選取冠狀面的數(shù)據(jù)18-24組，選取矢狀面的數(shù)據(jù)28-35組，其中每組冠狀面數(shù)據(jù)選取14-18個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每組矢狀面數(shù)據(jù)選取 10-14個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在選取數(shù)據(jù)時(shí)必須保證最開始的那組和最后一組保留；此外還要選取冠狀面方向上，劍突位置、最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算膈肌前側(cè)表面積。
4. 一種基于三維重建技術(shù)的肺部膈肌表面積計(jì)算方法，其特征在于具體步驟為(1)數(shù)據(jù)獲取與處理； (2)圖像處理與三維圖像建模；(3)面積計(jì)算；其中所述數(shù)據(jù)獲取與處理步驟包括CT掃描、CT數(shù)據(jù)獲取和CT數(shù)據(jù)選擇；由CT掃描儀對(duì)人體膈肌部位進(jìn)行CT掃描，由CT數(shù)據(jù)獲取得到膈肌冠狀方向與矢狀方向的原始數(shù)據(jù)，CT數(shù)據(jù)選擇是選擇盡力吸氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)和盡力呼氣時(shí)測量得到的數(shù)據(jù)，同時(shí)選擇的數(shù)據(jù)組必須在200幀以上的，而且圖像中明確標(biāo)示有膈肌起點(diǎn)與終點(diǎn)的白點(diǎn)的；所述圖像處理與三維圖像建模包括CT圖像輪廓描點(diǎn)以及三維圖像重建；即根據(jù)CT 圖像輪廓描點(diǎn)進(jìn)行膈肌三維圖像重建；在三維圖像重建時(shí)，丟棄處在縱膈區(qū)域，或是阻斷了胸壁而不能清楚的描述膈肌的輪廓的冠狀面和矢狀面的圖像；剩余的冠狀面和矢狀圖像被用來三維重建；對(duì)膈穹窿的小部分根據(jù)最近的界限清楚的膈肌輪廓，用線性插值法重建；所述面積計(jì)算步驟包括數(shù)據(jù)處理、具體計(jì)算；即對(duì)圖像的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、處理，然后進(jìn)行面積計(jì)算；面積計(jì)算，是運(yùn)用Dist_cal()函數(shù)和Triangle_Cal()函數(shù)，分別提供計(jì)算三維坐標(biāo)下兩點(diǎn)之間距離和三角形面積計(jì)算的公式；其中，用于計(jì)算三維空間中兩點(diǎn)間距離的公式為已知的是空間中的三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，用公式(ι)求出由這三個(gè)點(diǎn)組成的三角形的三條邊， 然后再運(yùn)用計(jì)算三角形面積的公式求出三角形的面積 其中P= (a+b+c) /2，a、b、c為三角形的三條邊的長度；定義Area_Cal()函數(shù)和Area2_Cal ()函數(shù)來分別計(jì)算冠狀切片和矢狀切片間的表面積；對(duì)于所述切片間面積計(jì)算方法如下從第一幀切片開始，依次計(jì)算相鄰兩切片間的面積；首先進(jìn)行小三角形的劃分，相鄰兩切片間的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)大體相同，按順序?qū)汕衅g的面積分割成一排排鋸齒狀的小三角形；通過循環(huán)結(jié)構(gòu)依次對(duì)這些小三角形進(jìn)行面積計(jì)算并累加，計(jì)算得到兩切片間的表面積； 再用一個(gè)外循環(huán)將每兩個(gè)相鄰切片間的表面積累加起來得到總的表面積；最后求解膈肌表面積，根據(jù)膈肌的形狀特征，將膈肌分為前部、兩側(cè)、頂部和后部；首先計(jì)算前部表面積，即求兩個(gè)前部三角形面片的面積之和；接下來加上兩側(cè)的面積，最后加上頂部和后部的面積，得到最終表面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述計(jì)算方法，其特征在于所述根據(jù)圖像輪廓描點(diǎn)進(jìn)行膈肌三維圖像重建時(shí)，控制幀與幀之間的間隔，CT圖像掃描的圖層在1. 5—2. 5mm，選取的切片與切片間的距離為8-10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述計(jì)算方法，其特征在于所述對(duì)圖像的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、 處理包括如下工作選取冠狀面的數(shù)據(jù)18-24組，選取矢狀面的數(shù)據(jù)28-35組，其中每組冠狀面數(shù)據(jù)選取14-18個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每組矢狀面數(shù)據(jù)選取10-14個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在選取數(shù)據(jù)時(shí)必須保證最開始的那組和最后一組保留；此外還要選取冠狀面方向上，劍突位置、最左上方、最右上方肋膈角以及最左下方、最右下方起始位置的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算膈肌前側(cè)表面積。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于三維重建技術(shù)的膈肌表面積計(jì)算方法與系統(tǒng)。本發(fā)明通過對(duì)CT圖像進(jìn)行三維重建，還原出人體膈肌的三維圖像，然后采集膈肌表面的關(guān)鍵特征點(diǎn)并進(jìn)行處理，最終計(jì)算出膈肌的表面積。本發(fā)明可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中對(duì)與膈肌相關(guān)的呼吸疾病(例如慢性阻塞性肺疾病COPD)的診斷，通過對(duì)比不同呼吸狀況下膈肌表面積的變化來判斷病人的病變情況，從而提高了醫(yī)生對(duì)于COPD等病例的診斷效率。
文檔編號(hào)A61B6/03GK102222336SQ20111015580
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者劉偉, 張葉娜, 張文強(qiáng), 朱曉萍, 沈彧 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)