一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法技术

本发明专利技术涉及用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，识别并分割每张断层图像中的器官和/或组织，给模型各个器官和/或组织赋予物理属性，所述物理属性包括各个器官和/或组织的元素组成和密度，将体素模型的描述，本发明专利技术解决了现有技术中对于颜色信息复杂的断层解剖图像手动进行分割，工作量大的问题，采用半自动识别与分割方法，既大大提高了识别与分割效率，又保证了图像识别与分割的质量。本发明专利技术解决了现有技术中图像采集过程中所产生的标本位置的微小形变和移动问题，对序列图像进行了图像配准。本发明专利技术解决了现有技术中显示效果不好所带来的问题，对模型进行三维重建和可视化，以观察图像配准、器官和/或组织的识别与分割效果。

【技术实现步骤摘要】
一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法
本专利技术涉及辐射剂量评估和模型实现
，更为具体地，本专利技术涉及用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法。
技术介绍
体素模型作为一种数字化模型，其能够用于辐射剂量的模拟计算，以模拟各种粒子，例如，中子、光子、电子在模型内部的输运，得到各种需要的物理量，例如，粒子注量、辐射剂量。现有CT或MRI断层图像序列不能清晰反映断层的全部信息，分辨出的组织和/或器官有限，大大限制了体素模型在辐射剂量模拟计算中的应用。现有技术中对颜色信息复杂的断层解剖图像，无成熟的图像分割算法用以对其进行识别和分割，依靠人工肉眼识别的话，手工进行工作量非常大。最后，在实现过程中还要考虑到模拟计算过程中使用灵活性和实用性的要求。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，本专利技术的断层图像为具有控制点对的矢状面图像。本专利技术中采用基于控制点对的线性变换方法，对断层图像序列进行配准，提高配准效率和质量；在对断层图像组织器官识别与分割过程中，利用“选区”复制技术，极大提高组织器官识别与分割效率；在模型三维重建过程中，利用预先建立针对每个器官的二值化图像序列，完成对所有器官和组织进行三维重建可视化，不仅提高了三维可视化效率，并且有利于验证器官组织结构的准确性。另外，利用重复结构功能的栅元描述方法为体素模型赋予物理属性，不仅极大提高赋值效率，而且减小了计算内存开销。本专利技术的技术方案如下：一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，识别并分割每张断层图像中的器官和/或组织，给模型各个器官和/或组织赋予物理属性，所述物理属性包括各个器官和/或组织的元素组成和密度，将体素模型的描述，其具体包括如下步骤:S1:采集小鼠序列切片图像，获取小鼠体素模型的序列断层图像；所述断层图像类型为冷冻断层切片图像；S2：对S1中所获得的序列断层图像进行配准，纠正S1中所获得序列切片图像的相互位置偏差；S3:经过S2步骤的配准过程后，重新选择基准图像和待配准图像的其他控制点对，重复S2步骤配准过程，进一步提高图像配准质量；S4:对配准后的序列图像进行像素调整，并减少用于建立体素模型的断层图片数量，以提高辐射输运模拟计算效率；S5：对组织、器官进行识别与分割，使一种组织或器官用一种颜色填充，通过颜色差异给不同的器官或组织赋予不同的物理属性；S6：对小鼠体素模型进行三维重建以及三维显示，检验序列图像配准情况以及组织、器官的分割效果，验证模型解剖结构是否与真实的解剖结构一致；S7：基于重复体素结构功能的栅格描述方法对体素模型进行描述。优选地，在获取小鼠体素模型断层图像的过程中要求所述小鼠冷冻块与切割平台粘合固定，避免切割过程中小鼠位置发生偏移；小鼠被充分冷冻后包裹固定。优选地，沿着小鼠冷冻块矢状面方向，在小鼠体外与冷冻块边缘之间打孔，打孔个数>2，以在每张断层图像上留下控制点；孔洞长度等于为冷冻块矢状面厚度以便进行图像配准。优选地，所述断层解剖图像为矢状面图像以减少总的断层切片图像数量，提升后续图片配准和组织器官识别与分割效率。优选地，利用小鼠的序列断层图像中的留下的控制点，通过空间变换对S1所获得的连续图像进行配准；步骤S2中图像配准的具体步骤如下所示：步骤一：选定基准图像，以第1张矢状面图像为基准图像,基准图像用B1表示；步骤二：在基准图像B1中选择两个黑色控制点，分别用B11和B12表示；在待配准图像Bi中选取与基准图像位置相对应的两个控制点，分别用Bi1和Bi2表示，其中i为序列图像中的第i张图像；图像配准时，要求所述基准图像和待配准图像均为灰度图像，其所述基准图像和所述待配准图像具有一个颜色分量值；步骤三：标记控制点对的几何位置；分别读取基准图像和待配准图像灰度值为0的控制点对，记录并保存其像素几何位置：基准图像B11控制点的几何位置记录为B11(x1,y1)，B12的几何位置记录为B12(x2,y2)；待配准图像控制点Bi1的位置记录为Bi1(x′,y′)，Bi2的位置记录为Bi2(x″,y″)；步骤四：通过控制点对的几何位置计算基准图像和待配准图像之间的几何变换参数。优选地，步骤S2中图像配准的步骤四中的几何变换参数的具体步骤如下:①：计算B11(x1,y1)与Bi1(x′,y′)几何位置差异:其中x′＝x1+tx,y′＝y1+ty,对Bi图像在X轴方向平移tx像素，在Y轴平移ty像素，使得待配准图像和基准图像在B11控制点重合；②：待配准图像在经过①步骤平移后，计算B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)的几何位置差异；若B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)有几何位置差异，则转入③步骤进行几何变换；若B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)有几何位置差异为0，则图像配准结束；③：计算B12(x2,y2)与B11(x1,y1)之间的直线距离，将该距离记录为R；计算Bi2(x″,y″)与B11(x1,y1)之间的直线距离，距离记录为R′；如果R＝R′,则对待配准图像进行旋转几何变换；旋转变换公式为：x″＝x2cosβ-y2sinβ；y″＝x2sinβ+y2cosβ，旋转结束后待配准图像完成配准；如果R≠R′,则转入步骤④进行几何变换；④令R′/R＝a,对待配准图像首先进行缩放变换，缩放变换公式为：x″＝ax2；y″＝ay2；待缩放变换结束后，返回步骤③再进行旋转变换。优选地，S4:对配准后的序列图像进行像素调整，并减少用于建立体素模型的断层图片数量，其具体包括如下步骤：①对配准后的图像进行像素调整：将原始图片定义为A图像，其图像大小为mⅹn像素，将裁剪后的图像定义为B图像，其大小为m′ⅹn′像素；②B图像左边界距离A图像左边界为x像素，B图像右边界距离A图像右边界距离为y像素；B图像上边界距离A图像上边界距离为u像素，B图像下边界距离A图像下边界距离为k像素；其中x+n′+y＝n,u+m′+k＝m；③顺序读取A图像中第N(i，j)像素颜色值，其中u<i≤u+m′；x<j≤x+n′；④建立m′ⅹn′的二维矩阵，将③中读取的像素颜色值顺序赋予m′ⅹn′矩阵中每个元素，形成裁剪后的图像B；⑤从第一张原始图像开始，重复上述①～④步骤，完成所有图像像素的调整；⑥每间隔一张图像选择一张图像，以减少辐射输运模拟计算内存开销。优选地，S5中对组织、器官进行识别与分割，使一种组织或器官用一种颜色填充，通过颜色差异给不同的器官或组织赋予不同的物理属性的具体方法如下：首先，根据断层图像解剖结构和颜色信息，将属于同一个器官获组织的区域分别在各个断层图像中勾勒出来，将所勾勒出来的区域作为“选区”；其次，将选区用特定颜色值填充，并保存图像；优选地，复制前一张图像已经存在的“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，其特征在于，识别并分割每张断层图像中的器官和/或组织，给模型各个器官和/或组织赋予物理属性，所述物理属性包括各个器官和/或组织的元素组成和密度，将体素模型的描述，其具体包括如下步骤:/nS1:采集小鼠序列切片图像，获取小鼠体素模型的序列断层图像；所述断层图像类型为冷冻断层切片图像；/nS2：对S1中所获得的序列断层图像进行配准，纠正S1中所获得序列切片图像的相互位置偏差；/nS3:经过S2步骤的配准过程后，重新选择基准图像和待配准图像的其他控制点对，重复S2步骤配准过程，进一步提高图像配准质量；/nS4:对配准后的序列图像进行像素调整，并减少用于建立体素模型的断层图片数量，以提高辐射输运模拟计算效率；/nS5：对组织、器官进行识别与分割，使一种组织或器官用一种颜色填充，通过颜色差异给不同的器官或组织赋予不同的物理属性；/nS6：对小鼠体素模型进行三维重建以及三维显示，检验序列图像配准情况以及组织、器官的分割效果，验证模型解剖结构是否与真实的解剖结构一致；/nS7：基于重复体素结构功能的栅格描述方法对体素模型进行描述。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，其特征在于，识别并分割每张断层图像中的器官和/或组织，给模型各个器官和/或组织赋予物理属性，所述物理属性包括各个器官和/或组织的元素组成和密度，将体素模型的描述，其具体包括如下步骤:
S1:采集小鼠序列切片图像，获取小鼠体素模型的序列断层图像；所述断层图像类型为冷冻断层切片图像；
S2：对S1中所获得的序列断层图像进行配准，纠正S1中所获得序列切片图像的相互位置偏差；
S3:经过S2步骤的配准过程后，重新选择基准图像和待配准图像的其他控制点对，重复S2步骤配准过程，进一步提高图像配准质量；
S4:对配准后的序列图像进行像素调整，并减少用于建立体素模型的断层图片数量，以提高辐射输运模拟计算效率；
S5：对组织、器官进行识别与分割，使一种组织或器官用一种颜色填充，通过颜色差异给不同的器官或组织赋予不同的物理属性；
S6：对小鼠体素模型进行三维重建以及三维显示，检验序列图像配准情况以及组织、器官的分割效果，验证模型解剖结构是否与真实的解剖结构一致；
S7：基于重复体素结构功能的栅格描述方法对体素模型进行描述。


2.如权利要求1所述的用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，其特征在于，沿着小鼠冷冻块矢状面方向，在小鼠体外与冷冻块边缘之间打孔，打孔个数>2，以在每张断层图像上留下控制点；孔洞长度等于为冷冻块矢状面厚度以便进行图像配准。


3.如权利要求2所述的用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，其特征在于，所述断层解剖图像为矢状面图像以减少总的断层切片图像数量，提升后续图片配准和组织器官识别与分割效率。


4.如权利要求3所述的用于辐射剂量评估的生物体体素模型实现方法，其特征在于，利用小鼠的序列断层图像中的留下的控制点，通过空间变换对S1所获得的连续图像进行配准；步骤S2中图像配准的具体步骤如下所示：
步骤一：选定基准图像，以第1张矢状面图像为基准图像,基准图像用B1表示；
步骤二：在基准图像B1中选择两个黑色控制点，分别用B11和B12表示；在待配准图像Bi中选取与基准图像位置相对应的两个控制点，分别用Bi1和Bi2表示，其中i为序列图像中的第i张图像；
图像配准时，要求所述基准图像和待配准图像均为灰度图像，其所述基准图像和所述待配准图像具有一个颜色分量值；
步骤三：标记控制点对的几何位置；分别读取基准图像和待配准图像灰度值为0的控制点对，记录并保存其像素几何位置：基准图像B11控制点的几何位置记录为B11(x1,y1)，B12的几何位置记录为B12(x2,y2)；待配准图像控制点Bi1的位置记录为Bi1(x′,y′)，Bi2的位置记录为Bi2(x″,y″)；
步骤四：通过控制点对的几何位置计算基准图像和待配准图像之间的几何变换参数。


5.如权利要求4所述的用于辐射剂量评估的生物体体素模型的实现方法，其特征在于，步骤S2中图像配准的步骤四中的几何变换参数的具体步骤如下:
①：计算B11(x1,y1)与Bi1(x′,y′)几何位置差异:其中x′＝x1+tx,y′＝y1+ty,对Bi图像在X轴方向平移tx像素，在Y轴平移ty像素，使得待配准图像和基准图像在B11控制点重合；
②：待配准图像在经过①步骤平移后，计算B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)的几何位置差异；
若B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)有几何位置差异，则转入③步骤进行几何变换；
若B12(x2,y2)与Bi2(x″,y″)有几何位置差异为0，则图像配准结束；
③：计算B12(x2,y2)与B11(x1,y1)之间的直线距离，将该距离记录为R；计算Bi2(x″,y″)与B11(x1,y1)之间的直线距离，距离记录为R′；
如果R＝R′,则对待配准图像进行旋转几何变换；
旋转变换公式为：x″＝x2cosβ-y2sinβ；y″＝x2sinβ+y2cosβ，旋转结束后待配准图像完成配准；
如果R≠R′,则转入步骤④进行几何变换；
④令R...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓敏，谢向东，袁勇，宁静，李大伟，纪云龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11