專利名稱：來(lái)自單純形網(wǎng)格的高質(zhì)量的精確的曲面三角剖分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常屬于圖像處理領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明涉及3D圖像的改進(jìn)分割，優(yōu)選地涉及醫(yī)學(xué)3D圖像的改進(jìn)分割。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，借助于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，例如計(jì)算機(jī)體層掃描(CT)和核磁共振成像(MRI)，可以無(wú)創(chuàng)地獲得關(guān)于人體解剖學(xué)的信息。所獲得的醫(yī)學(xué)圖像提供了許多信息，但如果沒有進(jìn)一步的圖像處理這些信息可能是難以解釋的。經(jīng)常使用的圖像處理方法由相關(guān)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分割(即劃界)和隨后的分割結(jié)構(gòu)的三維可視化組成。
分割的結(jié)果可被視為形成在所述分割的感興趣解剖學(xué)結(jié)構(gòu)與其周圍介質(zhì)之間的邊界的曲面。如圖1a中所示的分割的球形對(duì)象的例子，這樣的曲面通常由小的曲面單元的集合來(lái)表示，例如單純形10或三角形11。這些表示通常被稱為曲面網(wǎng)格。實(shí)際上，單純形和三角形網(wǎng)格相互間可被視為“對(duì)偶”表示，例如參見HervéDelingette在Proceedings Conf.on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR’94)上所提出的“Simplex Meshesa General Representationfor 3D Shape Reconstruction”。這樣的分割結(jié)構(gòu)的可視化則可以由前沿的曲面繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)來(lái)自例如基于三維主動(dòng)對(duì)象(3DAO)的分割的預(yù)分割的病人圖像數(shù)據(jù)，本申請(qǐng)?zhí)幚砣切吻婢W(wǎng)格的自動(dòng)產(chǎn)生，即計(jì)算域的離散表示。尤其對(duì)于實(shí)體建模、計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算固體力學(xué)(CSM)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，被分割對(duì)象的高質(zhì)量和精確的曲面網(wǎng)格是獲得精確的實(shí)體模型和CFD/CSM仿真結(jié)果的至關(guān)重要的先決條件。
對(duì)三維圖像分割來(lái)說(shuō)，過(guò)去的幾年里已經(jīng)提出了幾種不同的三維主動(dòng)對(duì)象(3DAO)。三維主動(dòng)對(duì)象有時(shí)也被稱為可變形模型，并且，J.Montagnat等人在“A Review Of Deformable Surfacestopology，geometry and deformation”，Image and Vision Computing 19(2001)pp.1023-1040中公開了不同3DAO的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用領(lǐng)域及其與曲面網(wǎng)格產(chǎn)生的關(guān)系的總體概況。例如，利用基于3D主動(dòng)對(duì)象的分割方法可以將脈管分割。所公開的分割的結(jié)果是由單純形表示的曲面。
US-A1-2002/0172406公開了另一個(gè)描述使用單純形的3DAO原理的例子。US-A1-2002/0172406中所公開的基于3DAO的分割方法也導(dǎo)致了基于單純形的3DAO的曲面網(wǎng)格。
然而，對(duì)許多應(yīng)用而言，基于單純形的曲面網(wǎng)格并不適合，而期望的是三角形化的曲面。例子是先前提到的實(shí)體建模和CFD/CSM應(yīng)用，其中，三角形曲面網(wǎng)格通常是期望的輸入之一。獲得三角形化網(wǎng)格的一種可能是從分割對(duì)象的單純形網(wǎng)格曲面的表示中提取曲面三角剖分。然而，當(dāng)前的單純形-三角形化曲面的轉(zhuǎn)換方案的缺點(diǎn)是沒有精確地保持分割對(duì)象的初始的形狀(曲率)和體積(由單純形所包圍的)。為糾正這個(gè)不精確性而進(jìn)行后期處理，其計(jì)算代價(jià)是昂貴的且并非總是魯棒的(即可能失敗)。因此，通常需要對(duì)后期處理的結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)檢查，這使得自動(dòng)應(yīng)用成為不可能。
總之，除了曲面位置、局部曲率和被分割幾何結(jié)構(gòu)的整體體積中的嚴(yán)重誤差外，從分割對(duì)象(如3DAO)的單純形曲面的表示中得到的前沿的曲面三角剖分還具有許多缺點(diǎn)。
上述的缺點(diǎn)產(chǎn)生了對(duì)將單純形曲面表示轉(zhuǎn)化成三角剖分表示的新方法或可替代方法的需求，這些方法沒有曲面的位置和曲率的缺失，并且因此也沒有改變由這個(gè)曲面所包圍的體積。
因此，用于從3DAO的單純形曲面進(jìn)行曲面三角剖分的改進(jìn)方法將是有利的，并且尤其是這種具有更好的靈活性、成本效率和/或精確性的方法將是有利的。
因此，本發(fā)明所解決的問(wèn)題是提供從3DAO的單純形曲面中得到的精確的曲面三角剖分，同時(shí)避免了曲面位置、局部曲率和被分割幾何結(jié)構(gòu)的整體體積中的嚴(yán)重誤差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明優(yōu)選試圖單獨(dú)地或以任何組合的方式減輕、降低或消除現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足和缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)，并且，通過(guò)提供根據(jù)所附權(quán)利要求的方法、醫(yī)務(wù)工作站和計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)來(lái)至少解決上述問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的方法，是一種提供用于表示3D圖像中的3D對(duì)象的精確的三角剖分曲面網(wǎng)格的方法，其中，3D對(duì)象以具有單純形曲面網(wǎng)格的分割的3D對(duì)象的形式出現(xiàn)，該單純形曲面網(wǎng)格是由對(duì)3D對(duì)象的分割而產(chǎn)生的。所述方法提供單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格，其中，對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格至少包括三個(gè)三角剖分的節(jié)點(diǎn)。此外，通過(guò)移位(shift)分割的3D對(duì)象的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，所述方法減少由該對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格所引起的3D對(duì)象表示中的誤差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用于為3D圖像中的分割的3D對(duì)象提供精確的曲面網(wǎng)格的醫(yī)務(wù)工作站。通過(guò)移位所述三角剖分的至少一個(gè)三角剖分的節(jié)點(diǎn)以減少3D對(duì)象表示中的誤差，該醫(yī)務(wù)工作站適于改進(jìn)分割的3D對(duì)象的單純形網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分。優(yōu)選地，該醫(yī)務(wù)工作站適于執(zhí)行上述根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面的方法。優(yōu)選地，該醫(yī)務(wù)工作站被包括在醫(yī)學(xué)3D成像系統(tǒng)中，例如CT、MRI、3DRA或3DUS醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種其上嵌入有計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)程序用于提供表示3D圖像中的3D對(duì)象的精確的三角剖分曲面網(wǎng)格，其中，3D對(duì)象被分割成分割的3D對(duì)象并在被分割成分割的3D對(duì)象后具有單純形曲面網(wǎng)格。提供該程序以通過(guò)處理設(shè)備進(jìn)行處理，該程序包括用于提供單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的代碼段，其中，該對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格包括至少三個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)，該程序還包括這樣的代碼段，即通過(guò)移位分割的3D對(duì)象的所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，該代碼段減少由該對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格所引起的3D對(duì)象表示中的誤差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供包括3D分割對(duì)象的醫(yī)學(xué)3D圖像，該3D分割對(duì)象具有由根據(jù)本發(fā)明的上述方面的方法所產(chǎn)生的曲面表示。
本發(fā)明從單純形網(wǎng)格曲面獲得改進(jìn)的三角剖分，與先前技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供由3D圖像中的單純形網(wǎng)格所表示的3D對(duì)象的改進(jìn)的且更加精確的曲面三角剖分，與精確的邊界位置、曲率和曲面所包圍的體積相結(jié)合，其具有魯棒性、保持網(wǎng)格的質(zhì)量并提供改變分辨率的可能性。


下面，參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，這樣，本發(fā)明的這些和其它的方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的且得以闡述。附圖中圖1a是分別由單純形或三角形的集合表示的示例性3D對(duì)象的示意圖；圖1b是從單純形網(wǎng)格構(gòu)造對(duì)偶三角剖分的示意圖；圖2a和圖2b是平衡三角形和單純形之間的間距的示意圖；圖3到圖5是應(yīng)用在多種形狀上的不同的三角剖分方法的結(jié)果的示意圖；和圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面的描述集中在被應(yīng)用于示例性醫(yī)學(xué)3D圖像，特別是被應(yīng)用于研究示例性對(duì)象即動(dòng)脈瘤和脊椎的本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以理解本發(fā)明并不限于這個(gè)應(yīng)用，而是還可以被應(yīng)用于許多其它的包括被分割成曲面網(wǎng)格的對(duì)象的3D圖像。
根據(jù)本實(shí)施例，以迭代法實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的方法。圖6中示出了迭代法6，其包括下列步驟60得到初始的對(duì)偶三角剖分61選擇控制參數(shù)的數(shù)值62選擇誤差閾值63選擇待處理的節(jié)點(diǎn)的子集和選擇該子集內(nèi)的順序64開始迭代65計(jì)算三角形的最佳移位66移動(dòng)曲面法線上的頂點(diǎn)67是否所有的頂點(diǎn)都被移動(dòng)？68是否存在大于誤差閾值的移位？69選擇控制參數(shù)的不同數(shù)值70是否所有的三角形都被調(diào)整？71結(jié)束下面更詳細(xì)地描述方法6的步驟。
首先，在步驟60中得到來(lái)自單純形網(wǎng)格15的初始的對(duì)偶三角剖分16，圖1b中顯示了被分割成示例性單純形網(wǎng)格及其對(duì)偶三角剖分的示例性3D對(duì)象的一部分。該單純形網(wǎng)格由單純形節(jié)點(diǎn)17之間的實(shí)線即單純形邊緣來(lái)表示，并且，單純形曲面由多個(gè)單純形節(jié)點(diǎn)17和邊緣19內(nèi)的陰影區(qū)域來(lái)表示。對(duì)偶三角剖分16由虛線，即三角形邊緣，和三角形節(jié)點(diǎn)18表示。如上所述，3D對(duì)象的表示誤差由該對(duì)偶三角剖分而引入。
接下來(lái)在步驟61中，在0和1之間選擇控制參數(shù)λ的數(shù)值。對(duì)這個(gè)參數(shù)λ來(lái)說(shuō)，較小的數(shù)值將導(dǎo)致較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和較高的精確性，而較大的數(shù)值將以犧牲一些精確性為代價(jià)來(lái)提高該方法的速度。
此外，在步驟62中選擇小的正參數(shù)ε。ε確定對(duì)最終結(jié)果來(lái)說(shuō)是可以忍受的誤差。換句話說(shuō)，ε是用于可接受誤差的閾值。
接下來(lái)，在步驟63中，選擇將要由本方法處理的三角剖分節(jié)點(diǎn)的任意但固定的子集以及該子集內(nèi)的順序。如果該三角剖分的某些頂點(diǎn)將不被改變，則可以在計(jì)算中排除這些頂點(diǎn)而不失一般性。
在初始對(duì)偶三角剖分的頂點(diǎn)的所選擇子集的第一個(gè)頂點(diǎn)(用v來(lái)表示)處開始迭代。我們用n來(lái)表示分割曲面在頂點(diǎn)v的向外的法線矢量。為了把與從圖像得到的初始單純形曲面相關(guān)的三角剖分曲面的位置最優(yōu)化，我們?cè)噲D在曲面的兩側(cè)具有相等的誤差分布。在高彎曲區(qū)域，必須被改進(jìn)的初始對(duì)偶三角剖分主要位于單純形曲面20的一側(cè)，如圖2a所示。單純形曲面20與三角剖分曲面21之間的初始誤差是由三角形的中心23與相應(yīng)的單純形節(jié)點(diǎn)之間的間距D2控制的。如圖2b所示，通過(guò)在單純形的法線矢量之上移位單純形的中心22的三角形節(jié)點(diǎn)，我們?cè)谌切喂?jié)點(diǎn)與單純形的中心之間引入誤差(D1)，但同時(shí)，我們減小D2。當(dāng)D1和D2平衡時(shí)，三角形和單純形之間的最大誤差被最小化了。為每一個(gè)連接至v的三角形執(zhí)行這個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致對(duì)頂點(diǎn)的最佳的新位置的多個(gè)估計(jì)。在步驟65中，取相應(yīng)于所有鄰近的三角形的最佳移位s作為連接至v的每一個(gè)三角形的所有被估計(jì)的最佳位置的平均。
由于改變?nèi)瞧史猪旤c(diǎn)的位置將影響對(duì)所有鄰近頂點(diǎn)的擬合的質(zhì)量，因此，頂點(diǎn)并沒有移動(dòng)s到所計(jì)算的最佳位置。取而代之的是，在步驟66中，頂點(diǎn)僅僅按照比率λ來(lái)移動(dòng)，即s*λ。
通過(guò)為列表中的下一個(gè)頂點(diǎn)執(zhí)行同樣的過(guò)程，迭代繼續(xù)。
重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到三角剖分中所有的頂點(diǎn)都已經(jīng)被訪問(wèn)，其中在步驟67中核實(shí)這一點(diǎn)。
如果所有為頂點(diǎn)計(jì)算的最佳移位都小于由容許參數(shù)ε所定義的閾值，則停止迭代。如果任何一個(gè)移位大于閾值ε，則迭代全面開始并且再次訪問(wèn)所有的頂點(diǎn)。在步驟68核實(shí)這一點(diǎn)。在步驟68的核實(shí)的結(jié)果是任何一個(gè)移位都大于閾值ε的情況下，在步驟69中選擇λ的不同值，并且，通過(guò)返回步驟66用λ的新值再一次執(zhí)行測(cè)試。重復(fù)這個(gè)迭代直到步驟68中的核實(shí)結(jié)果是頂點(diǎn)的所有移位都小于閾值ε。
依照此方式進(jìn)行，則所有原先位于具有高曲率的區(qū)域的體積內(nèi)的三角形，都被“拖動(dòng)(pulled)”穿過(guò)單純形曲面，直到兩個(gè)曲面在整體上相互更加靠近。當(dāng)所有的三角形都被調(diào)整后(在步驟70中核實(shí)是否所有的三角形都已被調(diào)整)，該方法在步驟71處退出。由于頂點(diǎn)僅被允許在向外的法線矢量上移動(dòng)，因此保持了網(wǎng)格的質(zhì)量。在本發(fā)明的上下文中，上述網(wǎng)格質(zhì)量被限定為三角形的最大圓與三角形的最小包絡(luò)圓之間的比率。對(duì)正三角形(等邊三角形)來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)值具有最大值。對(duì)畸形三角形來(lái)說(shuō)，這個(gè)參數(shù)變小。
上述方法已經(jīng)在軟件中實(shí)現(xiàn)，并且，用各種合成的和真實(shí)的醫(yī)學(xué)形狀對(duì)上述方法進(jìn)行了評(píng)估。圖3到圖5顯示了所得到結(jié)果的幾個(gè)例子。
在這些圖中，左邊的圖像示出了單純形曲面與初始對(duì)偶三角剖分之間的對(duì)比，而中間的圖像示出了單純形曲面與精確的三角剖分之間的對(duì)比。右邊的圖像顯示對(duì)偶三角剖分與改進(jìn)的三角剖分之間的對(duì)比。顯然，最佳的情形出現(xiàn)在曲面間的差別被平衡的時(shí)候，即圖像示出了相等數(shù)量的亮區(qū)和暗區(qū)的時(shí)候。正如將由圖像顯而易見的，對(duì)于在評(píng)估過(guò)程中考慮的所有配置來(lái)說(shuō)，只有對(duì)于由上述方法所執(zhí)行的改進(jìn)的三角剖分可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，見圖3到圖5的中間圖像。
圖3顯示該方法用于簡(jiǎn)單立方體的結(jié)果。在左邊的圖像中，立方體的單純形網(wǎng)格31由較暗的區(qū)域表示，相反地它的對(duì)偶三角剖分32由較亮的區(qū)域表示。在中間的圖像中，單純形網(wǎng)格31由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分33由圖像的較亮區(qū)域表示。在右邊的圖像中，對(duì)偶三角剖分32由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分33由圖像的較亮區(qū)域表示。
在圖3的左邊的圖中，可以清楚地觀察到對(duì)偶三角剖分幾乎全部包括在被分割的單純形網(wǎng)格內(nèi)。特別地，該立方體的各角相對(duì)于初始曲面來(lái)說(shuō)錯(cuò)位了。中間的圖示出了改進(jìn)的三角剖分與初始形狀匹配得更好。幾何結(jié)構(gòu)中的低曲率和高曲率區(qū)域都匹配得很好。右邊的圖示出了初始的和改進(jìn)的三角剖分之間的對(duì)比。為獲得精確的曲面表示，這個(gè)例子的初始網(wǎng)格幾乎已經(jīng)被處處放大了。
對(duì)這里出現(xiàn)的所有幾何結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，與初始的對(duì)偶三角剖分相比，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所執(zhí)行的改進(jìn)的三角剖分的體積誤差經(jīng)計(jì)算大約縮小了5倍。
對(duì)圖4中的動(dòng)脈瘤來(lái)說(shuō)也是同樣。圖4顯示了在動(dòng)脈瘤上執(zhí)行上述方法的結(jié)果。在左邊的圖像中，動(dòng)脈瘤的單純形網(wǎng)格41由圖像的較暗區(qū)域表示，相反地它的對(duì)偶三角剖分42由圖像的較亮區(qū)域表示。在中間的圖像中，單純形網(wǎng)格41由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分43由較亮區(qū)域表示。在右邊的圖像中，對(duì)偶三角剖分42由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分43由圖像的較亮區(qū)域表示。
再次，改進(jìn)的三角剖分比初始的對(duì)偶三角剖分給出了更好的擬合，即更精確。空間的增大與立方體情形中所發(fā)現(xiàn)的相似。
在如圖5中所示的脊椎那樣的更加不規(guī)則的形狀中，可以發(fā)現(xiàn)精確的另一個(gè)積極作用。在左邊的圖像中，脊椎的單純形網(wǎng)格由較暗的區(qū)域表示，相反地它的對(duì)偶三角剖分由圖像的較亮區(qū)域表示。在中間的圖像中，單純形網(wǎng)格由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分由圖像的較亮區(qū)域表示。在右邊的圖像中，對(duì)偶三角剖分由較暗的區(qū)域表示，相反地改進(jìn)的三角剖分由圖像的較亮區(qū)域表示?？梢钥闯?，在初始對(duì)偶三角剖分中，例如橫突的小細(xì)節(jié)的形狀被完全遺漏了。在改進(jìn)的三角剖分中，較好地保留了這些細(xì)節(jié)。在圖5中，通過(guò)所示的箭頭標(biāo)記出了差別的區(qū)域。
如果已經(jīng)應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明的方法，則可以根據(jù)許多測(cè)試方法來(lái)測(cè)試3DAO。通過(guò)圖像處理系統(tǒng)(例如醫(yī)務(wù)工作站)測(cè)試本發(fā)明的應(yīng)用的一個(gè)方法，是通過(guò)提供描述具有例如球體的已知幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)象的灰度空間到3DAO分割。如果得到的三角形節(jié)點(diǎn)是一對(duì)一地與單純形曲面鏈接并且相對(duì)于初始球體沒有明顯的體積損失，則網(wǎng)格最有可能是改進(jìn)的對(duì)偶三角剖分。這一點(diǎn)可以用這樣的事實(shí)進(jìn)行解釋，即三角形與單純形的一對(duì)一的鏈接不得不表明起始點(diǎn)已經(jīng)是對(duì)偶三角剖分。對(duì)于球體，由于不變的曲率，因而對(duì)偶三角剖分中體積的初始損失將是顯著的。如果在得到的三角剖分中沒有出現(xiàn)體積的損失，則肯定是因?yàn)榫植空`差已經(jīng)被最小化了，這被本發(fā)明所覆蓋。
上面，經(jīng)由合并單純形曲面的三維主動(dòng)對(duì)象分割，完成了魯棒的自動(dòng)曲面網(wǎng)格產(chǎn)生，其用于實(shí)體建模、可視化和來(lái)自醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中的可分割體積的有限元件或有限空間的應(yīng)用。得到的單純形曲面的對(duì)偶三角剖分具有完全正三角形，這對(duì)計(jì)算應(yīng)用的網(wǎng)格產(chǎn)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)大的優(yōu)點(diǎn)。如上所述，直接的對(duì)偶三角剖分并不是最優(yōu)的，因?yàn)樗鼉A向于給出錯(cuò)誤的曲面表示，并且局部的曲面曲率半徑被改變而幾何結(jié)構(gòu)的整體體積收縮。通過(guò)移位三角剖分，使得最初被包括在體積內(nèi)的三角形穿透曲面網(wǎng)格或其對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格，來(lái)獲得更精確和最優(yōu)的擬合以及最小化的誤差。
上述方法的應(yīng)用和使用是多種多樣的，并包括示例性的領(lǐng)域，例如計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算固體力學(xué)(CSM)。需要正視的是，CFD和CSM是醫(yī)學(xué)世界的主題，未來(lái)其將在診斷和規(guī)劃工具中找到應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括，例如腹主動(dòng)脈瘤，頸動(dòng)脈和冠狀動(dòng)脈中斑塊的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，旁路規(guī)劃(bypass planning)外周動(dòng)脈和腦動(dòng)脈瘤。三角形化的曲面最適合作為體積網(wǎng)格產(chǎn)生的起始點(diǎn)，因?yàn)樗钸m合于高復(fù)雜域的網(wǎng)格化。通過(guò)從單純形網(wǎng)格提供高精度的曲面三角剖分，本發(fā)明為高精度CFD和CSM提供基礎(chǔ)。
對(duì)依賴要求高精度的3DAO的其它實(shí)體建模和可視化應(yīng)用來(lái)說(shuō)，本發(fā)明也是有用的。對(duì)于實(shí)體建模，通常相對(duì)于由3DAO所產(chǎn)生的單純形曲面，三角形化的曲面是通常是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兏`活，且大多數(shù)實(shí)體建模應(yīng)用依賴于相關(guān)的數(shù)據(jù)格式(如STL，VRML)。要求高精度的實(shí)體建模的一個(gè)特殊的例子是植牙的規(guī)劃。因此，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選途徑是利用為處理3D醫(yī)學(xué)圖像而配置的醫(yī)務(wù)工作站。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，醫(yī)務(wù)工作站被包括在醫(yī)學(xué)3D成像系統(tǒng)中，例如CT、MRI、3DRA模態(tài)和3DUS系統(tǒng)，用于捕獲病人身體部分的3D醫(yī)學(xué)圖像。醫(yī)務(wù)工作站例如經(jīng)由用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮线m的網(wǎng)絡(luò)連接被連接至醫(yī)學(xué)3D成像系統(tǒng)的圖像捕獲部分。
本發(fā)明的方法可應(yīng)用到所有其中3DAO可以被用于分割的模態(tài)中，例如MR、CT、3DRA和3DUS。
本發(fā)明可以以任何適當(dāng)?shù)男问綄?shí)現(xiàn)，包括硬件、軟件、固件或其任意組合。然而優(yōu)選地，本發(fā)明作為運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器和/或數(shù)字信號(hào)處理器上的計(jì)算機(jī)軟件而實(shí)現(xiàn)?？梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)耐緩皆谖锢砩?、功能上和邏輯上?shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的元件和構(gòu)件。實(shí)際上，可以在單個(gè)單元中、多個(gè)單元中或作為其它功能單元的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。這樣，本發(fā)明可以在單個(gè)單元中實(shí)現(xiàn)，或者，可以物理地及功能地分布在不同的單元和處理器間。
雖然上面已經(jīng)參照特殊的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但并非將其限制于這里所提出的特殊形式。實(shí)際上，本發(fā)明僅僅受限于所附的權(quán)利要求，并且，其它的不同于上述特殊形式的實(shí)施例同樣可能在這些所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，例如，與上述那些不同的提供單純形曲面網(wǎng)格或其對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的方法。
在權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括”并不排斥出現(xiàn)其它的元件或步驟。此外，盡管是單獨(dú)地列出，但可以通過(guò)例如單個(gè)單元或處理器實(shí)現(xiàn)多個(gè)方法、元件或方法步驟。此外，盡管單個(gè)的特點(diǎn)可以包括在不同的權(quán)利要求中，但它們可能被有利地組合在一起，并且，被包含在不同的權(quán)利要求中并不意味著特征的組合不是靈活的和/或有利的。此外，單數(shù)的參考不排除多個(gè)。術(shù)語(yǔ)“一”、“第一”和“第二”等并不排除多個(gè)。權(quán)利要求中的參考符號(hào)僅僅是作為說(shuō)明例子而提供，并且不能以任何方式解釋為限制權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種提供用于表示3D圖像中的3D對(duì)象的精確的三角剖分曲面網(wǎng)格的方法，所述3D對(duì)象被分割成分割的3D對(duì)象，并且在分割成所述分割的3D對(duì)象后具有單純形曲面網(wǎng)格，該方法包括提供所述單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格，所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格包括至少三個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)，和通過(guò)移位分割的3D對(duì)象的所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，來(lái)減少由所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格引起的3D對(duì)象表示中的誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，移位至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)包括移動(dòng)所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角形，所述對(duì)偶三角剖分曲面被完全包含在所述分割的3D對(duì)象的體積內(nèi)，而通過(guò)移動(dòng)所述至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)，所述分割的3D對(duì)象被單純形曲面網(wǎng)格經(jīng)由單純形曲面而包圍。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中移位至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)包括通過(guò)提供用于分割的3D對(duì)象的所述改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，相對(duì)于以下對(duì)分割的3D對(duì)象的所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)對(duì)偶三角剖分節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行最優(yōu)化單純形曲面和三角形化的曲面之間的間距；和/或各個(gè)三角形的和單純形的曲面之間所包含的體積；經(jīng)由單純形節(jié)點(diǎn)插入的更高順序的曲面表示；和/或
3D對(duì)象的表示。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供所述單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格包括得出所述單純形曲面網(wǎng)格的初始對(duì)偶三角剖分，所述初始對(duì)偶三角剖分包括對(duì)偶于所述單純形曲面網(wǎng)格的單純形曲面的多個(gè)三角形；選擇控制參數(shù)的數(shù)值；選擇誤差閾值；選擇將要處理的所述對(duì)偶三角剖分的節(jié)點(diǎn)的順序；開始減少誤差的迭代，以用于將所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格中的誤差最小化；計(jì)算減少三角形移位的最佳誤差；利用由所述控制參數(shù)相乘的所述減少移位的最佳誤差，在曲面法線上移動(dòng)對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的所有頂點(diǎn)；將每一個(gè)移位與所述誤差閾值進(jìn)行比較；在任意移位都大于誤差的情況下，選擇控制參數(shù)的不同的值；和重復(fù)迭代，直到要被移位的對(duì)偶三角剖分的所有三角形都被移位。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述分割的3D對(duì)象是三維主動(dòng)對(duì)象(3DAO)，并且，所述單純形曲面網(wǎng)格描述所述3DAO的3DAO曲面。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述移位三角形節(jié)點(diǎn)的步驟包括通過(guò)反復(fù)地修正三角形化的曲面與初始分割的單純形曲面之間的局部誤差來(lái)使三角剖分精確，初始單純形網(wǎng)格的質(zhì)量保持不變，直到達(dá)到小于預(yù)定誤差閾值的擬合。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述3D圖像是包括醫(yī)學(xué)3D對(duì)象的3D醫(yī)學(xué)圖像。
8.如上述任意權(quán)利要求所述的方法，所述的移位包括平衡改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格與單純形曲面網(wǎng)格之間的間距。
9.一種提供用于表示3D圖像中的3D對(duì)象的精確三角剖分曲面網(wǎng)格的醫(yī)務(wù)工作站，所述3D對(duì)象被分割成分割的3D對(duì)象，并且所述3D對(duì)象在分割成所述分割的3D對(duì)象后具有單純形曲面網(wǎng)格，該醫(yī)務(wù)工作站包括用于下述步驟的裝置提供所述單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格，所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格包括至少三個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)，和通過(guò)移位分割的3D對(duì)象的所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，來(lái)減少由所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格引起的3D對(duì)象表示中的誤差。
10.一種提供用于3D醫(yī)學(xué)圖像中的分割的3D對(duì)象的精確曲面網(wǎng)格的醫(yī)學(xué)3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如權(quán)利要求9所述的醫(yī)務(wù)工作站。
11.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上嵌入有提供用于表示3D圖像中的3D對(duì)象的精確三角剖分曲面網(wǎng)格的計(jì)算機(jī)程序，所述3D對(duì)象被分割成分割的3D對(duì)象，并且所述3D對(duì)象在分割成所述分割的3D對(duì)象后具有單純形曲面網(wǎng)格，該計(jì)算機(jī)程序通過(guò)處理設(shè)備進(jìn)行處理，該計(jì)算機(jī)程序包括用于下述步驟的代碼片段提供所述單純形曲面網(wǎng)格的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格，所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格包括至少三個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)，和通過(guò)移位分割的3D對(duì)象的所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的至少一個(gè)三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供改進(jìn)的三角剖分曲面網(wǎng)格，來(lái)減少由所述對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格引起的3D對(duì)象表示中的誤差。
12.在如權(quán)利要求9所述的醫(yī)務(wù)工作站上使用如權(quán)利要求7所述的方法。
13.一種3D醫(yī)學(xué)圖像，包括具有由如權(quán)利要求7所述的方法產(chǎn)生的曲面表示的3D分割對(duì)象。
全文摘要
公開一種用于改進(jìn)描述3D圖像中的分割的3D對(duì)象的曲面網(wǎng)格的精確度的方法。提供對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格用于3D對(duì)象的單純形曲面網(wǎng)格。通過(guò)移位分割的3D對(duì)象的對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格的三角剖分節(jié)點(diǎn)以提供更精確的三角剖分曲面網(wǎng)格，來(lái)減少由對(duì)偶三角剖分曲面網(wǎng)格引起的3D對(duì)象表示中的誤差。優(yōu)選的3D圖像為醫(yī)學(xué)3D圖像。此外，為實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)，公開了包括在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中的醫(yī)務(wù)工作站。
文檔編號(hào)G06T17/20GK101080747SQ200580043457
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者S·德普特, M·布里尤沃, F·拉法古 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司