人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法及其应用技术

人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法，包括一图像数据获取步骤、一模型数据提取步骤及一模型数据重建步骤，其特征在于：所述模型数据重建步骤包括：　　　　一体素处理步骤，是利用移动立方体法对体数据的体素进行处理，生成三角面片集；　　　　一模型记录步骤，是利用体数据的体素在模型中所处的行、层、分组位置与Ｂ＋树结构的对应关系，通过Ｂ＋树数据结构方式，重新组织和记录三维模型；　　　　一模型重建步骤，是利用Ｂ＋树结构的数据搜索方式，根据Ｂ＋树结构下记录的三维模型的体素的连接关系，对体素及其中的三角面片定位，实现三维模型的重建。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机成像
，特别是医学影像及手术模拟
其中包括一种人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法和一种人体骨性三维交互模拟手术的实现方法。
技术介绍
在科学研究领域，研究的主要目的是理解自然的本质。要达到这个目的，需经过从观察自然现象到模拟自然现象并分析模拟结果的过程，这依赖于科技进步发展。具体到医学方面，为了能够准确认识疾病，为手术方案的制订提供依据，计算机手术模拟应运而生，是现代外科的重要发展方向，该领域的研究是计算机科学、数学、机械学、外科及生物医学工程学等多学科高技术的结晶，已成为各国科技界研究的一个热点。日本学者Fujino于1989年第一次提出模拟手术的概念，即在计算机产生的三维实体模型上立体展示病变情况及手术过程。Murphy研究中提出了由CT数据来计划全髋关节置换手术的概念。1990年Delp等人建立了人体下肢的图形交互模型，进行下肢手术模拟的研究。近年来，随着计算机的飞速发展，这个领域的研究不断深入。1996年Koch利用有限元模型系统通过改变骨骼和软组织的位置来模拟面部整形手术。1999年Christopher利用有限元模型进行髋关节稳定性预测分析；Neumann，P.报道了利用三维切割交互模型进行颌面外科的手术设计的研究。国内已有一些开发计算机手术模拟系统的报道，如计算机辅助上颌面手术模拟，计算机辅助放射治疗。上述模拟手术的人体模型及目前国际上美国、韩国及我国建立的虚拟人，均属于正常人已知体(即直接从人体或尸体上获得数据)的三维重建模型，与实际病人骨骼疾病本身具有着一定误差。实际上，人体骨骼系统疾病的病理模型的具体数据并不能从人体或尸体上直接获得，这些结构属于未知体。以儿童先天性髋脱位为例，不能直接获得数据，需通过螺旋CT(SVCT)扫描获得数据。现有螺旋CT设备虽然能进行三维模型重建，但却不能对模型进行任意切割，只能用于观察，目前尚无法实现手术模拟。计算机模拟手术的关键在于人体(也包括动物体等，为叙述方便，以下统称人体)三维交互模拟的建立。通常三维模型的重建是利用三维数据场等值面生成的经典算法Marching Cubes法，即移动立方体法。该算法由Lorensen等人于1987年提出，它对体数据中的体素(又称体元)进行处理，生成三角面片集。体素是体数据的基本组成单位，每八个相邻的采样点所定义的立方体区域构成一个体素。一个体素中可能包含多个三角面片。现有手术模拟系统在进行三维重建时就是采用这种算法。为将重构的三维模型用于手术模拟，最好要求重构模型中的三角面片不但具有连接性，而且能够快速定位，这样才能满足实时交互进行三维切割、移位、旋转和拼合的需要。然而基于现有的这种Marching Cubes方法生成的三维重构模型都是散乱的三角面片集，所得到的三角面片并非都是相连的，这种模型结构在对模型进行切割、取舍等全局性模拟操作时带来不便，使得现有此类系统特别复杂，通常需要在工作站上才能实现。而且，现有的手术模拟系统一般是利用原始图像数据直接进行三维重构，这样得到的三角面片集数量巨大，相应增加了运算的复杂性，不但对设备要求更高，而且其反应速度很慢。而且，现有手术模拟系统并不能实现三维交互模型在任意位置的切割、平移、旋转、拾取和拼合。
技术实现思路
基于现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法，能使建立过程中生成的三角面片相连，并可以实现快速查找和定位。本专利技术所要解决的另一技术问题是，提供一种人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法，其还可以简化模型数据，提高系统反应速度。本专利技术所要解决的再一技术问题是，提供一种人体骨性三维交互模拟手术的实现方法，实现骨骼三维交互模型在任意位置的切割、平移、旋转、拾取和拼合。为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案。人体骨骼未知体三维交互模型的建立方法，包括一图像数据获取步骤、一模型数据提取步骤及一模型数据重建步骤，所述模型数据重建步骤包括一体素处理步骤，是利用移动立方体法(Marching Cubes法)对体数据的体素进行处理，生成三角面片集；一模型记录步骤，是利用体数据的体素在模型中所处的行、层、分组位置与B+树结构的对应关系，通过B+树数据结构方式，重新组织和记录三维模型；以及一模型重建步骤，是利用B+树结构的数据搜索方式，根据B+树结构下记录的三维模型的体素的连接关系，对体素及其中的三角面片定位，实现三维模型的重建。其中，所述图像数据获取步骤是采用螺旋CT对包含未知体的实体进行扫描，获得原始图像数据。其中，所述模型数据提取步骤是根据灰度等级对原始图像数据进行选择，对数据开窗进行处理，提取出其中的模型图像数据，并去除图像中的干扰数据。其中，在所述模型数据提取步骤后，还包括一模型数据压缩步骤，是根据原始图像数据的密度，对模型图像数据进行两级重采样，以简化数据，实现数据压缩。其中，进行两级重采样所用的是领域平均滤波器。所说的人体骨性三维交互模拟手术的实现方法包括如下步骤骨胳模型建立步骤，利用以上任一权利要求所述的未知体三维交互模型的建立方法，建立骨骼三维交互模型，其模型图像数据以B+树数据结构形式组织记录；骨刀模型建立步骤，根据骨刀曲面方程，确定骨刀模型所需物体空间大小，并进行体素处理步骤，是利用移动立方体法对体数据的体素进行处理，生成三角面片集；模型记录步骤，是利用体数据的体素在模型中所处的行、层、分组位置与B+树结构的对应关系，通过B+树数据结构方式，重新组织和记录三维模型；模型重建步骤，是利用B+树结构的数据搜索方式，根据B+树结构下记录的三维模型的体素的连接关系，对体素及其中的三角面片定位，实现三维模型的重建，其中，该骨刀模型的网格划分方式及大小与所述未知体三维模型相同；以及手术模拟步骤，包含骨刀模型的平移和/或旋转步骤、骨骼模型的切割步骤以及骨骼模型的拼合步骤或其组合。其中，所述手术模拟步骤中的骨刀的平移和/或旋转步骤，是根据平移和/或旋转变换矩阵，生成骨刀曲面方程的新描述信息，再建立该新的骨刀模型，实现骨刀的平移或旋转。其中，所述手术模拟步骤中的未知体模型切割步骤，是利用骨刀模型的B+树数据结构中各层索引节点内包含的层次包围盒信息，通过对骨骼模型的B+树数据结构的不完全遍历和回溯，定位骨骼模型与骨刀模型表面间的节点并分割骨骼模型。其中的手术模拟步骤中的骨骼模型的拼合步骤，是根据变换矩阵变换未知体模型移动部分的所有面片的顶点的坐标和法向，再由新面片集生成新的B+树，通过骨骼模型移动部分的平移和/或旋转，实现骨骼模型的拼合。所述骨刀模型可以包括平面骨刀模型和/或球面骨刀模型，其中，平面骨刀模型由以下参数确定局部坐标系点在全局坐标系中的坐标、刀平面方程和刀边界形状方程；球面骨刀模型由以下参数确定局部坐标系点在全局坐标系中的坐标、球面半径和刀边界形状方程。本专利技术具有如下有益效果本专利技术的人体骨骼未知体三维模型的建立方法由于采用了改进的移动立方体法，用B+树数据结构方式重新组织记录三维模型，保证了三角面片的连接，可以实现快速查找和定位，建模效率高。并且，由于采用了螺旋CT获取原始图像扫描数据，有利于模型的真实再现，并且由于简化了模型数据，可以进一步提高系统反应速度。本专利技术的人体骨性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩宇，许忠信，
申请(专利权)人：李浩宇，
类型：发明
国别省市：