基于體積圖像數(shù)據(jù)剖面密度自動(dòng)搜索路線的主動(dòng)漫游

本文給出了由體積圖像數(shù)據(jù)的剖面密度自動(dòng)搜索主動(dòng)漫游路線的一種方法，并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)體積圖像數(shù)據(jù)中管狀結(jié)構(gòu)的主動(dòng)漫游.該方法直接利用體積數(shù)據(jù)信息，處理速度快，部分實(shí)際數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)表明，這是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)局部路徑搜索的有效方法.
　　關(guān)鍵詞:主動(dòng)漫游；圖像剖面密度；中心線搜索；圖像體積數(shù)據(jù)；匹配濾波

Automatic Path Finding in Active Navigation of Volumetric Image Data by Density Profile Image

YU Wen-xue　LUO Li-min　SHU Hua-zhong
(Department of Biology and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)
René Collorec
(Lab of SIM,University of Rennes,France)

　　Abstract:In this paper,we present a method for automatic path finding in active navigation of volumetric image data by using density profile image,and for active navigation of the tunnel-like structure in the medical volumetric image data.The method uses directly the volumetric data information,so it can achieve a high speed in processing.Some experiments on real patient data show that this method is computationally efficient and allows a real-time local path determination.
　　Key words:active navigation;density profile image;centerline determination;volumetric image data;matched filtering

一、引　　言
　　主動(dòng)漫游［1］是圖像引導(dǎo)傳感器漫游的一項(xiàng)新內(nèi)容，是指虛擬傳感器自動(dòng)搜索進(jìn)入三維解剖體空腔(如血管等)路徑的過(guò)程，它為提取、顯示、分析、診斷和治療該組織創(chuàng)造條件，也為三維人體局部可視化［2］提供了捷徑.主動(dòng)漫游不需要對(duì)數(shù)據(jù)源(CT或MRI等圖像)進(jìn)行預(yù)處理，搜尋路徑的計(jì)算可瞬間完成，計(jì)算機(jī)視覺中各種算法是這一方法的基礎(chǔ).
　　利用主動(dòng)漫游實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)窺［3］，在許多方面優(yōu)于實(shí)際傳感器內(nèi)窺.實(shí)際傳感器內(nèi)窺是一種有創(chuàng)的診斷方法，適用的場(chǎng)所是有限的，由它得到的圖像雖然直接但不清晰，并且難定位和難重復(fù).通過(guò)主動(dòng)漫游實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)窺，通?？梢员荛_這些缺點(diǎn)和限制.虛擬內(nèi)窺一般僅用到人體的影像數(shù)據(jù)，因而診斷過(guò)程可脫離人體而在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行.借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算和顯示功能及日益發(fā)展的圖像、圖形技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)更為全面的內(nèi)窺診斷，而且可以為治療過(guò)程提供指導(dǎo)和計(jì)劃.
　　在體積圖像數(shù)據(jù)中進(jìn)行漫游的方法大體可分成兩類：交互式的(Interactive)［4～6］和主動(dòng)的(Active).前者根據(jù)有關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)用交互設(shè)備(如鼠標(biāo))操縱屏幕中的虛擬攝像機(jī)在二維或三維圖像中定位，優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，缺點(diǎn)是速度非常慢.后者直接或間接利用原始體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬攝像機(jī)的自動(dòng)定位，它又包括路線規(guī)劃法(path planning)和主動(dòng)漫游法(active navigating).路線規(guī)劃法通過(guò)對(duì)立體數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行預(yù)分割、二值化處理、區(qū)域增長(zhǎng)和骨架化獲得漫游路線，速度很慢，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)漫游的需要.文獻(xiàn)［7］提出的主動(dòng)漫游方法僅僅用到光線追蹤信息而對(duì)原有信息視而不見，因而易使漫游迷失方向并導(dǎo)致運(yùn)算量大增.本文提出的基于直接體積數(shù)據(jù)圖像提取管狀結(jié)構(gòu)中心線的方法——基于圖像剖面密度搜索中心線的方法——可望解決上述問題.

二、中心線點(diǎn)和圖像剖面密度
　　1.中心線點(diǎn)
　　中心線是指所要搜尋管狀體結(jié)構(gòu)的骨架線，在這里它是有向曲線.中心線上的點(diǎn)叫做中心線點(diǎn)，記為(pi,ni)，有關(guān)向量定義如下：
　　位置：p=(xi,yi,zi),定義為中心線點(diǎn)在立體圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中的空間位置，對(duì)于主動(dòng)漫游，它表示虛擬攝像機(jī)的當(dāng)前位置.
　　方向：ni=(nxi，nyi,nzi)，定義為中心線在位置pi處的梯度方向，對(duì)于主動(dòng)漫游，它代表虛擬攝像機(jī)的攝影方向.
　　2.剖面密度平面和圖像
　　對(duì)CT、MRI等斷層圖像進(jìn)行三維體積重建得到的體積圖像可以看作是密度不同的實(shí)心體，用一平面對(duì)該實(shí)心體進(jìn)行切割所得剖平面上的剖面圖像信息稱作剖面密度，剖面密度是分割和提取人體結(jié)構(gòu)和形狀的基本信息依據(jù).剖面密度平面S即為上述立體數(shù)據(jù)圖像的剖平面.若平面S經(jīng)過(guò)p0,法線方向?yàn)閚0，那么它的方程可寫作

n0.(p-p0)=0　(1)

式中p代表平面S上的點(diǎn).
　　對(duì)剖面密度平面S進(jìn)行等間隔采樣，采樣點(diǎn)的密度值可通過(guò)對(duì)鄰域點(diǎn)(取自原立體數(shù)據(jù)圖像點(diǎn)陣)的密度插值得到，這樣得到的平面圖像，稱作剖面密度圖像，它是所要考察管狀體的橫截面，記作s［j］［i］.
　　在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，體元位置p=(x,y,z)被限制在一大小為(2u+1)×(2u+1)×(2u+1)的立方體中，而p0是其中心，見圖1.設(shè)p=p0+d，其中d=(xd,yd,zd)為一增量.由式(1)可推知n0.d=0，即

　(2)

利用該式，可以計(jì)算出剖面密度平面采樣點(diǎn)的空間位置p，經(jīng)平移變換后可得到采樣點(diǎn)在原立體圖像中的位置pm.通常，pm不正好處于原立體圖像的采樣點(diǎn)上，因而pm處密度值要通過(guò)對(duì)原立體圖像的采樣點(diǎn)插值獲得.為了提高計(jì)算精度，我們利用了pm周圍8鄰域點(diǎn)密度值(圖2)，通過(guò)下式計(jì)算pm處的密度值D(pm)

D(pm)=(1-γ){(1-β)［αD(0)+(1-α)D(1)］+β［αD(3)
+(1-α)D(2)］}+γ{(1-β)［αD(4)
+(1-α)D(5)］+β［αD(7)+(1-α)D(6)］}　(3)

其中D(i),i=0,1,…,7表示鄰域采樣點(diǎn)密度值，α、β和γ表示pm到三個(gè)相互垂直面的距離(圖2立方體邊長(zhǎng)設(shè)為1).