一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法與系統技術方案

本發明專利技術公開了一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法與系統，涉及醫學圖像三維可視化領域。本發明專利技術包括以下步驟：獲取肺部CT二維圖像序列，所述肺部CT二維圖像序列構成體數據；采用蒙特卡洛路徑追蹤的方法對體數據進行繪制，根據體數據的吸收和散射模型，得到渲染方程；采用增量跟蹤方法對光線采樣，并使用蒙特卡洛方法求解渲染方程，得到第一像素顏色；使用光線追蹤繪制手術器械，并計算第二像素顏色；將第一像素顏色和第二像素顏色進行疊加，得到CT重建結果。本發明專利技術用于手術導航系統醫學影像三維重建領域，提高手術導航醫學影像三維重建模型的質量，與光線追蹤算法相結合，加強醫生對三維解剖模型的深度感知。醫生對三維解剖模型的深度感知。醫生對三維解剖模型的深度感知。

【技術實現步驟摘要】
一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法與系統


[0001]本專利技術涉及醫學圖像三維可視化領域，更具體的說是涉及一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法與系統。

技術介紹

[0002]傳統醫學影像技術能獲取人體的二維投影圖像，如X射線圖像，計算機斷層掃描(Computed Tomography，CT)圖像或核磁共振圖像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)。隨著醫學影像技術的發展，病人單次掃描獲取的影像數目越來越多，醫生為了診斷病情往往需要查看大量的二維圖像，不僅耗時，而且二維影像沒有對解剖結構的整體感知，容易造成疾病誤判。在此背景下，將三維重建技術應用到二維斷層圖像序列中，提高器官或病灶在三維空間的立體感知，清晰展現病灶的空間位置、大小、幾何形狀，可以使醫生更加了解病人身體解剖結構，對病灶區域有更清晰的認知，從而準確判斷病情。
[0003]傳統的醫學圖像三維重建技術分為面繪制和體繪制，面繪制會損失大量原有二維序列圖像信息，不利于醫生對解剖結構的信息判斷。傳統體繪制使用光線投射法進行醫學圖像三維重建，基本原理是從屏幕上每一個像素點出發，沿著視線方向發射出一條光線，沿著穿過光線的體數據等距離采樣；使用傳遞函數對采樣點進行分類，賦予不同的顏色和傳遞函數；然后按照從前向后或從后到前的順序合成采樣點信息，計算出采樣點在發射光線的像素上的投影顏色值。相比于面繪制，基于光線投射法的體繪制可以展現重建物體的內部信息，繪制效果較好，是目前最為廣泛應用的醫學圖像三維重建方法，但是也無法達到自然界真實光照的效果。
[0004]現有手術導航系統中的醫學影像三維重建效果差，無法在手術規劃過程中給醫生提供清晰的解剖結構，在使用手術導航系統引導時無法給醫生提供準確的深度感知，易造成醫生誤操作。

技術實現思路

[0005]有鑒于此，本專利技術提供了一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法與系統，是一種高質量的基于蒙特卡洛路徑追蹤的體繪制方法及系統，用于手術導航系統醫學影像三維重建領域，提高手術導航醫學影像三維重建模型的質量，與光線追蹤算法相結合，加強醫生對三維解剖模型的深度感知。
[0006]為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
[0007]一方面公開了一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法，包括以下步驟：
[0008]獲取肺部CT二維圖像序列，所述肺部CT二維圖像序列構成體數據；
[0009]采用蒙特卡洛路徑追蹤的方法對體數據進行繪制，根據體數據的吸收和散射模型，得到渲染方程；
[0010]采用增量跟蹤方法對光線采樣，并使用蒙特卡洛方法求解渲染方程，得到第一像素顏色；
[0011]使用光線追蹤繪制手術器械，并計算第二像素顏色；
[0012]將第一像素顏色和第二像素顏色進行疊加，得到CT重建結果。
[0013]可選的，所述渲染方程如下：
[0014][0015]其中，表示x位置處沿著方向出射的輻射亮度，是邊界項，表示射線末端x
d
沿反方向的入射輻射亮度，表示位置x
t
沿著內散射的輻射亮度，s表示光線在介質中的深度，σ
s
(x
t
)表示x
t
處的散射系數，表示位置x到x
t
間的透射系數。
[0016]可選的，其中，T
r
的值為：
[0017][0018]其中，σ
t
表示介質的消光系數，為散射系數σ
s
和吸收系數σ
a
的和；在均勻介質中，消光系數σ
t
為常數，此時
[0019]可選的，體繪制方程應該變為：
[0020][0021]其中，j是第j個采樣點；t表示第j個采樣點離光線起點的距離；p(t
j
)是第j個采樣點在某一位置的概率密度函數；x
j
表示第j個采樣點的位置，ω
j
表示光線在第j個采樣點處的傳播方向；分別為發生散射和零碰撞的概率。
[0022]可選的，使用光線追蹤繪制手術器械，具體為：將手術器械導入場景中，從視點向成像平面的像素發射光線，找到與發射光線相交的最近物體的交點，若交點處表面是散射面，則直接計算光源照射交點產生的顏色；如果交點處表面是鏡面或折射面，則繼續向反射或折射方向跟蹤另一條光線，如此遞歸，直到光線逃逸出場景或達到最大遞歸深度。
[0023]另一方面還公開了一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建系統，包括：肺部CT二維圖像序列獲取模塊，渲染方程建立模塊，第一像素顏色計算模塊，第二像素顏色計算模塊和CT重建結果模塊；
[0024]其中，肺部CT二維圖像序列獲取模塊：用于獲取肺部CT二維圖像序列，所述肺部CT二維圖像序列構成體數據；
[0025]渲染方程建立模塊，用于采用蒙特卡洛路徑追蹤的方法對體數據進行繪制，根據體數據的吸收和散射模型，得到渲染方程；
[0026]第一像素顏色計算模塊，用于采用增量跟蹤方法對光線采樣，并使用蒙特卡洛方法求解渲染方程，得到第一像素顏色；
[0027]第二像素顏色計算模塊，用于使用光線追蹤繪制手術器械，并計算第二像素顏色；
[0028]CT重建結果模塊，用于將第一像素顏色和第二像素顏色進行疊加，得到CT重建結果。
[0029]經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本專利技術公開了一種結合光線追蹤與
體繪制的CT重建方法與系統，具有以下有益效果：
[0030]1、高質量：通過蒙特卡洛路徑追蹤的方法，能夠提高醫學影像三維重建模型的質量，使醫生在手術規劃過程中能夠獲得清晰的解剖結構。
[0031]2、準確性高：與光線追蹤算法相結合，能夠進一步提高醫生對三維解剖模型的深度感知，提高手術導航系統的準確性。
[0032]3、可靠性高：由于該算法能夠提高手術導航系統的準確性，因此在手術導航系統中應用該算法，可以提高手術導航系統的可靠性，避免醫生誤操作的風險。
[0033]4、應用廣泛：該算法適用于醫學影像三維重建領域，可以應用于各種不同類型的醫學影像三維重建，具有廣泛的應用前景。
[0034]基于以上優點，本專利技術提出的基于蒙特卡洛路徑追蹤的體繪制與光線追蹤結合的算法，具有較高的技術水平和經濟價值。
附圖說明
[0035]為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0036]圖1為本專利技術的流程示意圖；
[0037]圖2為本專利技術的蒙特卡洛路徑追蹤示意圖；
[0038]圖3為本專利技術的光線追蹤示意圖；
[0039]圖4為本專利技術的CT重建結果。
具體實施方式
[0040]下面將結本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法，其特征在于，包括以下步驟：獲取肺部CT二維圖像序列，所述肺部CT二維圖像序列構成體數據；采用蒙特卡洛路徑追蹤的方法對體數據進行繪制，根據體數據的吸收和散射模型，得到渲染方程；采用增量跟蹤方法對光線采樣，并使用蒙特卡洛方法求解渲染方程，得到第一像素顏色；使用光線追蹤繪制手術器械，并計算第二像素顏色；將第一像素顏色和第二像素顏色進行疊加，得到CT重建結果。2.根據權利要求1所述的一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法，其特征在于，所述渲染方程如下：其中，表示x位置處沿著方向出射的輻射亮度，是邊界項，表示射線末端x
d
沿反方向的入射輻射亮度，表示位置x
t
沿著內散射的輻射亮度，s表示光線在介質中的深度，σ
s
(x
t
)表示x
t
處的散射系數，表示位置x到x
t
間的透射系數。3.根據權利要求2所述的一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法，其特征在于，其中，T
r
的值為：其中，σ
t
表示介質的消光系數，為散射系數σ
s
和吸收系數σ
a
的和；在均勻介質中，消光系數σ
t
為常數，此時4.根據權利要求1所述的一種結合光線追蹤與體繪制的CT重建方法，其特征在于，體繪制方程應該變為：其中，j是...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李靜，周杰，沈南燕，
申請(專利權)人：上海上智優卓機器人科技有限公司，
類型：發明
國別省市：