CN103239256B - 人体骨关节虚拟x线成像方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体骨关节虚拟X线成像方法及***。首先对目标肢体进行计算机X射线断层扫描（CT），将肢体转化为由容积单元的坐标和X线吸收率组成的数据集；然后通过数值算法模拟射线经肢体到达成像平面的过程；最后对数值结果进行可视化处理，生成人眼可识别的灰度图像并输出结果。对于骨科与放射诊断医生，本发明可以生成从任意角度对肢体投照产生的X线影像，帮助其学习X线解剖学，建立三维结构与二维影像间的认知联系。对于放射技师，本发明可以模拟不同的拍摄参数及被检查者***对最终成像的影响，有助于其学习摄片技术；针对特殊疾病，本发明可以辅助筛选最佳的X线摄片***与角度，供临床参考。

Description

人体骨关节虚拟X线成像方法及***

技术领域

本发明涉及一种医学影像领域，特别涉及一种人体骨关节虚拟X线成像方法及***。

背景技术

X线摄片是骨关节疾病影像诊断中的重要方法。尽管计算机X射线断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）等医学成像技术的发展为骨科诊断提供了新的途径，但传统的X线平片影像所提供的信息仍具有不可替代性。此外，X线平片成像具有图像清晰度高、辐射量小、价格低廉、简单快速、可在负重下检查等优势，因此仍是目前临床不可或缺的检查手段。

X线平片影像是以透视方式将射线穿透方向上的组织结构叠加投影于一个二维平面，不同结构的影像相互重叠，与其固有的二维和三维外观具有较大差别。初学者在学习时常有一定困难，需要花费大量时间理解不同部位的X线影像的特征，建立其与人体三维解剖结构间的认知联系。此外，学习者对于X线影像的认知往往局限在一些常规方位的检查影像，如正侧位片、轴位片等，而其他照射角度的影像常缺少学习素材。

其次，被检查者的***，摄片角度，焦片距、物片距，以及电压值、毫安秒值等诸多设置对影像的产生都有显著影响。观察并理解这些影响往往需要重复对人体进行X线摄片，不仅成本高，操作繁杂，增加辐射摄入，而且不能方便的进行实时调整与观察，很难在现实中实施。

一种可以对拍摄参数进行任意调整，实时模拟X线成像的工具，可以帮助学习者以直观、交互的方式学习X线解剖学和摄片方法。同时，对于一些少见疾病，通过模拟不同的拍摄角度和***的摄片，可以用来探索其适合的X线摄片方法，指导临床的影像学检查。

因此，急需一套可以简单高效进行虚拟X线成像方法及其成像***。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低且能从任意角度对目标肢体进行实时投照成像的方法与***。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的人体骨关节虚拟X线成像方法，包括以下步骤：

S1：通过对目标肢体进行CT扫描获取影像数据；

S2：对目标肢体进行有限单元划分并转化为目标肢体数据集；

S3：设置虚拟球管与成像平面的空间位置；

S4：在目标肢体数据集中对成像区域进行选择或空间位置变换操作；

S5：计算射线从虚拟球管发出后经过肢体衰减到达成像平面的强度的量化数值；

S6：对量化数值进行可视化处理，转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果。

进一步，所述目标肢体数据集包括容积单元三维坐标和X线吸收率，所述目标肢体数据集为四维数字矩阵。

进一步，所述步骤S3中虚拟球管与成像平面的空间位置根据实际需要在空间中自由设置。

进一步，所述步骤S4中可对目标肢体数据集中一个或多个骨块进行显示、隐藏或空间位置变换操作。

进一步，所述步骤S5中包括设置虚拟成像时X射线的照射参数，所述照射参数包括电压值和毫安秒值。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的人体骨关节虚拟X线成像***，包括数据读取单元、肢体数字化重建单元、肢体数据集操控单元、虚拟成像操控单元、虚拟成像计算单元和X线影像可视化及输出单元；

所述数据读取单元，用于与医用CT检查设备数据接口衔接，读取目标肢体的CT扫描数据；

所述肢体数字化重建单元，用于对肢体图像数据进行处理和有限单元划分，形成以容积单元排列而成的数据集；

所述肢体数据集操控单元，用于对肢体数据集进行结构分割，以及对骨块进行显示、隐藏或空间位置变换操作；

所述虚拟成像操控单元，用于设置虚拟球管与成像平面的空间位置及照射参数；

所述虚拟成像计算单元，用于计算虚拟射线通过肢体到达成像平面的强度的量化数值；

所述X线影像可视化及输出单元，用于将量化数值转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果。

进一步，所述肢体数据集为由容积单元三维坐标和X线吸收率组成的四维数字矩阵。

进一步，还包括骨块空间移动子单元，所述骨块空间移动子单元，用于选择一个或多个骨块并进行空间位置变换。

进一步，还包括骨块选择成像子单元，所述骨块选择成像子单元，用于选择一个或多个骨块并将被选骨块在肢体数据集中显示或隐藏。

进一步，还包括模拟参数设置子单元，所述模拟参数设置子单元，用于设置虚拟成像时X射线照射参数，所述照射参数包括电压值和毫安秒值。

本发明的优点在于：本发明所采用的虚拟X线成像方法将人体骨关节的CT扫描数据重建形成由容积单元的坐标和X线吸收率组成的数据集；通过数值算法模拟射线经肢体到达成像平面的过程；通过可视化处理将数值结果转换为人眼可识别的灰度影像并输出结果。通过对虚拟球管与成像平面的位置调整，可以模拟从空间任意角度，以不同的焦片距及物片距对目标肢体进行X线投照成像。通过对数值算法的调整，可以模拟不同摄片参数对最终影像的影响。摄片参数包括电压值（Kv）、毫安秒值（mAs）等。

***同时也可以基于CT值对骨性结构进行分割与三维重建。通过选取，可在整体成像中将一个或多个骨块隐藏，或对骨块进行独立成像；可以操纵骨块进行空间位置调整（如模拟关节活动）后进行虚拟成像。使用者可以使用同一个CT数据集获取肢体多种***变化下的虚拟影像。

本发明提供了人体骨关节虚拟X线成像方法及***。对于骨科医生或放射诊断医生，本发明可以生成从任意角度对肢体投照产生的X线影像，帮助其学习X线解剖学，建立三维结构与二维影像间的认知联系。对于放射技师，本发明可以模拟不同的拍摄参数及被检查者***对最终成像的影响（如电压值与曝光、焦片距与图像失真等），有助于其学习摄片技巧；针对特殊疾病（如某些特殊类型的骨折，畸形等），本发明可以辅助筛选最佳的X线摄片***与角度，供临床参考。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为虚拟成像平面示意图；

图2为虚拟成像立体示意图；

图3为模拟不同的投照角度、焦片距及物片距；

图4为选择性的虚拟成像；

图5为人体骨关节虚拟X线成像方法流程图；

图6为人体骨关节虚拟X线成像***图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为虚拟成像平面示意图，图2为虚拟成像立体示意图，图3为模拟不同的投照角度、焦片距及物片距，图中，L1表示物片距，L2表示焦片距，图4为选择性的虚拟成像，图5为人体骨关节虚拟X线成像方法流程图，如图所示：本发明提供的人体骨关节虚拟X线成像方法，包括以下步骤：

本发明提供的人体骨关节虚拟X线成像方法，包括以下步骤：

S1：对目标肢体进行计算机X射线断层薄层扫描(即CT)获取肢体图像数据；

S2：将肢体有限单元划分，转化为由容积单元的三维坐标和X线吸收率组成的数据集；

S3：设置虚拟球管与成像平面的空间位置；

S4：在肢体数据集中对成像区域进行选择或空间位置变换等操作，该步骤可以根据实际情况选择使用；

S5：通过模拟算法计算射线从虚拟球管发出后经过肢体衰减到达成像平面的强度的量化数值；

S6：对量化数值进行可视化处理，转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果。

图6为人体骨关节虚拟X线成像***图。如图所示，本实施例提供了一种人体骨关节虚拟X线成像***，包括数据读取单元、肢体数字化重建单元、肢体数据集操控单元、虚拟成像操控单元、虚拟成像计算单元、X线影像可视化及输出单元、骨块空间移动子单元、骨块选择成像子单元和模拟参数设置子单元。

所述数据读取单元，用于与医用CT检查设备数据接口衔接，读取目标肢体的CT扫描数据；

所述肢体数字化重建单元，用于对肢体图像数据进行处理和有限单元划分，形成以容积单元排列而成的数据集；

所述肢体数据集操控单元，用于对肢体数据集进行结构分割，以及对骨块进行显示、隐藏或空间位置变换操作；

所述虚拟成像操控单元，用于设置虚拟球管与成像平面的空间位置及照射参数；

所述虚拟成像计算单元，用于计算虚拟射线通过肢体到达成像平面的强度的量化数值；

所述X线影像可视化及输出单元，用于将量化数值转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果。

所述肢体数据集为由容积单元三维坐标和X线吸收率组成的四维数字矩阵。

所述骨块空间移动子单元，用于选择一个或多个骨块并进行空间位置变换。

所述骨块选择成像子单元，用于选择一个或多个骨块并将被选骨块在肢体数据集中显示或隐藏。

所述模拟参数设置子单元，用于设置虚拟成像时X射线照射参数，所述照射参数包括照射电压值（Kv）、毫安秒值（mAs）等。

临床定义的薄层扫描是指扫描层厚在5mm及以下的断层扫描。在本实例中，为了保证虚拟成像的质量，需提高扫描的精度，使扫描层厚及层距达到1mm或以下。其中层厚是指扫描层的厚度，层距是指两层中心之间的距离。

本实施例中的X线照射的角度并不是唯一的，虚拟球管与成像平面的位置可在空间中自由设置，从而获得从任意角度对目标肢体进行投照的虚拟X线影像。该功能可以通过本***的虚拟成像操控单元实现。虚拟成像操控单元在交互式图形界面中显示目标肢体的三维模型及其所在的空间区域，操作者可以在界面中操控虚拟球管和成像平面在空间中自由安放；同时会有参数化的界面，显示虚拟球管和成像平面与肢体的距离、角度等的信息，供操作者进行量化控制。

本实施例中***通过CT扫描与三维重构，将整个肢体划分为有限个容积单元进而构建数据集。容积单元的数目和体积取决于CT扫描的分辨率和层厚。例如，CT断层图像的分辨率为w*h,在轴向层数为l，则整个肢体划分的容积单元的数目n=w*h*l。每个容积单元包含四个值：其空间的坐标值x、y、z，以及对X线的吸收系数μ。

若容积单元用U表示，则整个肢体数据集表示为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1(X_1{Y}_1,Z_1,{\mathrm{\μ}}_1)\\ U_2(X_2,Y_2,Z_2,{\mathrm{\μ}}_2)\\ U_3(X_3,Y_3,Z_3,{\mathrm{\μ}}_3)\end{array}\right\}$

其中，第n个数据表示为U_n(X_n,Y_n,Z_n,μ_n)，n为正整数。本实施例中通过计算虚拟射线通过肢体到达成像平面的强度的量化数值模拟X线摄片的成像过程。虚拟射线以初始强度I₀从虚拟球管发出，在目标肢体中经过m个容积单元的吸收，最终以衰减强度I₁到达成像平面。容积单元定义为{U1，U2……Um},其对应的X线吸收率为{μ₁，μ₂，…，μ_m}，则：

$I_1=I_0{e}^{-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{\mathrm{\μ}}_i},$ 其中，m为正整数；

每条虚拟射线的衰减强度I1全部计算后，可获得成像平面的量化数值集合{I1}；通过可视化处理，将数值转换为灰度图像，可获得虚拟X线影像。

本***的主要功能：通过对虚拟球管与成像平面的位置调整，可以模拟从空间任意角度，以不同的焦片距及物片距对目标肢体进行X线摄影。通过对虚拟摄片算法的调整，可以模拟不同摄片参数对最终影像的影响，如电压值（Kv）、毫安秒（mAs）等。可以基于CT值对骨性结构进行分割，三维重建；通过选取，可针对一个或多个骨块进行独立虚拟成像。同时，可以操纵骨块进行空间位置调整（如模拟关节活动），再行虚拟X线成像，使用者可以使用同一个CT数据集获取肢体不同***变化下的虚拟影像。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.人体骨关节虚拟X线成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对目标肢体进行薄层CT扫描获取影像数据，所述薄层CT扫描的扫描层厚及层距达到1mm或以下；

步骤S2：通过基于CT值对骨结构进行分割和三维重建，对目标肢体进行有限单元划分并形成由容积单元三维坐标和X线吸收率组成的目标肢体数据集；

步骤S3：设置虚拟球管与成像平面的空间位置；

步骤S4：在目标肢体数据集中对成像区域进行选择或空间位置变换操作；

步骤S5：计算射线从虚拟球管发出后经过肢体数据集选择的成像区域衰减到达成像平面的强度的量化数值；

步骤S6：对量化数值进行可视化处理，转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果；

所述步骤S3中虚拟球管与成像平面的空间位置根据实际需要在空间中自由设置；

所述步骤S4中可对目标肢体数据集中一个或多个骨块进行显示、隐藏或空间位置变换操作，还可以操纵骨块模拟关节活动后进行虚拟成像，并模拟多种***变换成像，多种***变换下的虚拟影像是使用同一个CT数据集来获得的；

所述步骤S5中包括设置虚拟成像时X射线的照射参数，所述照射参数包括电压值和毫安秒值。

2.根据权利要求1所述的人体骨关节虚拟X线成像方法，其特征在于：所述步骤S2中的目标肢体数据集为四维数字矩阵。

3.利用权利要求1所述的人体骨关节虚拟X线成像方法构成的成像***，其特征在于：包括数据读取单元、肢体数字化重建单元、肢体数据集操控单元、虚拟成像操控单元、虚拟成像计算单元和X线影像可视化及输出单元；

所述数据读取单元，用于与医用CT检查设备数据接口衔接，读取目标肢体的CT扫描数据；

所述肢体数字化重建单元，用于对肢体图像数据进行处理和有限单元划分，形成以容积单元排列而成的数据集；

所述肢体数据集操控单元，用于对肢体数据集进行结构分割，以及对骨块进行显示、隐藏或空间位置变换操作；

所述虚拟成像操控单元，用于设置虚拟球管与成像平面的空间位置及照射参数；所述虚拟成像计算单元，用于计算虚拟射线通过肢体到达成像平面的强度的量化数值；

所述X线影像可视化及输出单元，用于将量化数值转换成人眼可识别的灰度图像并输出结果。

4.根据权利要求3所述的成像***，其特征在于：所述肢体数据集为由容积单元三维坐标和X线吸收率组成的四维数字矩阵。

5.根据权利要求3所述的成像***，其特征在于：还包括骨块空间移动子单元，所述骨块空间移动子单元，用于选择一个或多个骨块并进行空间位置变换。

6.根据权利要求3所述的成像***，其特征在于：还包括骨块选择成像子单元，所述骨块选择成像子单元，用于选择一个或多个骨块并将被选骨块在肢体数据集中显示或隐藏。

7.根据权利要求3所述的成像***，其特征在于：还包括模拟参数设置子单元，所述模拟参数设置子单元，用于设置虚拟成像时X射线照射参数，所述照射参数包括电压值和毫安秒值。