三维头颅图像对正方法及装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种三维头颅图像对正方 法及装置。
背景技术
口腔CT是一种新型口腔X射线成像系统，能够提供患者口腔颌面部 三维影像，广泛应用于牙齿种植诊断、口腔外科术前计划、正畸方案设计 等口腔各科室。相比传统的全景片、正侧位片等二维影像，口腔CT影像 具有无重叠、无失真的优点，而且能够提供更多的信息，受到医生的广泛 欢迎。
口腔CT影像包含XYZ三个维度。习惯上，口腔CT影像中的XY平 面被称为横断面，XZ平面称为冠状面，YZ平面称为矢状面。大多数口腔 CT都提供颌托或头托来支撑患者的头部，并提供激光线进行辅助定位， 使患者头部的正中矢状面(穿过鼻尖点和枕点的正中垂直面)尽量与CT 影像中的正中矢状面重合。然而，上述工具都依赖于操作员手动调节和目 测判断，事实上无法保证患者头部的偏转得到彻底的消除，导致实际的口 腔CT影像中患者的正中矢状面与数据的正中矢状面或多或少地存在一定 的偏差。
在某些应用中，上述患者姿态的偏差是可以接受的，而在另外一些应 用中则不可接受。比如在正畸应用中，医生需要将三维CT影像转化为二 维正位、侧位和颏顶位透视影像以便进行测量，或者基于三维CT进行患 者的左右脸对称性分析，或者直接在三维CT影像上进行三维测量；而这 些工作的前提，是必须保证CT影像中患者的正中矢状面与数据正中矢状 面完全重合，否则就将失去测量和分析的准确性。
在现有文献(如“一种CT头颅定位架”、“一种CT扫描机头颅定位 架”等)中提出了头颅机械定位装置来解决定位不准的问题。这些装置通 常需要与CT设备进行机械连接，其本身的结构较为复杂，与其它CT设 备进行连接时需对其进行结构改造，适用应差。
此外，一些专业的口腔CT影像处理软件(比如Dolphin、Invivo)提 供了校正患者正中矢状面偏差的方法，称为重新摆位(Reorientation)。 在这些软件中，需要医生在CT影像中选择患者左右两侧对称的点(比如 左右眼眶边缘点)作为基准点，然后根据这些基准点计算校正参数。该方 法中，对称基准点的选取依赖于医生的人为操作，可能引入误差，而且费 时费力。
针对相关技术中三维头颅图像对正不准确、操作不便捷的问题，目前 尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种三维头颅图像对正方法，以解决三维头颅图像 对正不准确、操作不便捷的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种头颅自动对正方法，包括：获取 带有定位小球的口腔CT图像；在获取的所述口腔CT图像中搜索两个定 位小球的位置；根据搜索到的所述位置计算变换矩阵；对所述口腔CT图 像进行坐标变换，得到对正后的三维图像。
优选地，将所述定位小球安装于定位耳夹中，并在拍摄前置于患者外 耳道内。
优选地，在获取的所述口腔CT图像中搜索两个定位小球的位置包括：
对所述口腔CT图像进行阈值分割，其中，小球灰度根据历史经验数 据设置为T1:T2，当像素的灰度值满足T1≤I(x,y)≤T2时，即认为属于定位小 球所覆盖的区域；
计算分割处理后小球区域的质心，作为最终获得定位小球坐标；两个 定位小球的坐标分别记为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)。
优选地，根据搜索到的所述定位小球位置计算变换矩阵，包括以下步 骤：
以图像的原点作为新、旧坐标系的原点，将两个定位小球的连线方向 作为新坐标系的X轴方向，其方向向量为：U＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，归一 化得到其单位向量(ux,uy,uz)；
在Z＝0的平面上找到与新的X轴垂直的Y轴方向，其方向向量为： V＝(-(y2-y1),x2-x1,0)，归一化得到其对应的单位向量(vx,vy,vz)；
确定与新的XY平面均正交的Z轴方向，其方向向量为：N＝U×V， 归一化得到其单位向量(nx,ny,nz)，新的坐标系确定后即可得到4*4的变 换矩阵： R = u x u y u z 0 v x v y v z 0 n x n y n z 0 0 0 0 1 . ]]>
优选地，根据所述坐标变换矩阵计算对正后的三维图像包括：
两小球连线的中心点坐标为C0＝(tx0,ty0,tz0)，其中 tx0＝(x1+x2)/2,ty0＝(y1+y2)/2,tz0＝(z1+z2)/2；变换后图像中心坐标为 C0＝(tx1,ty1,tz1)；变换前图像中某一点(x,y,z)得到变换后对应点(x',y',z')的 过程可写为 x ′ y ′ z ′ 1 = 1 0 0 t x 1 0 1 0 t y 1 0 0 1 t z 1 0 0 0 1 u x u y u z 0 v x v y v z 0 n x n y n z 0 0 0 0 1 1 0 0 - t x 0 0 1 0 - t y 0 0 0 1 - t z 0 0 0 0 1 x y z 1 , ]]>即可得到对正后的所 述三维图像。
优选地，在得到对正后的三维图像之后，还包括：
根据所述对正后的所述三维图像进行投影计算，得到正位、侧位和颏 顶位投影图。
优选地，通过模拟X射线衰减法或最大强度投影法确定所述正位、所 述侧位和所述颏顶位投影图。
根据本发明的另一方面，提供了一种头颅对正装置，应用于口腔CT， 包括：
定位耳夹，用于将定位小球放置在待拍摄所述口腔CT图像的患者的 外耳道内。
获取模块，用于获取带有定位小球的口腔CT图像；
搜索模块，用于在获取的所述口腔CT图像中搜索两个定位小球的位 置；
坐标变换矩阵计算模块，用于根据搜索到的所述位置计算坐标变换矩 阵；
坐标变换模块，用于根据所述变换矩阵生成对正后的三维图像。
通过本发明，通过定位耳夹将定位小球放置于患者外耳道内，在CT 扫描后得到包含定位小球信息的三维图像，然后通过自动搜索方法找到小 球的位置，进而基于小球位置计算得到变换矩阵，最后利用变换矩阵获得 校正后的口腔CT数据，使得患者正中矢状面与数据正中矢状面重合。本 发明解决了现有三维头颅图像对正方法和装置不准确、不便捷的问题，提 高了三维头颅图像对正的准确性和便捷性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一 部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的头颅图像对正的方法流程图；
图2为根据本发明实施例的头颅定位装置的结构示意图，图示为将耳 夹打开、并将包含定位小球的顶端置入外耳道后的状态；
图3为根据本发明实施例的进行对正前的结果图；
图4为根据本发明实施例的进行对正后的结果图；
图5为根据本发明实施例的头颅图像对正装置的结构框图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是， 在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例提出了一种适用于口腔CT的头颅自动对正方法。图1是根 据本发明实施例的三维头颅图像对正的方法流程图，如图1所示，该方法 包括如下步骤：
S102，扫描得到带有定位小球的口腔CT图像数据；
S104，通过自动识别方法搜寻并记录口腔CT图像中两个定位小球的 位置；
S106，根据找到的两个定位小球的位置求出患者正中矢状面位置和 校正所需的坐标变换矩阵；
S108，使用该变换矩阵对原始三维图像进行处理，得到对正后的图 像。
本实施例提出了一种适用于口腔CT的头颅自动对正方法。在本实施 例中，以一种口腔CT的头颅定位装置为基础，此装置无需安装在设备上， 而是直接戴在患者头部，通过塞入患者耳道的定位小球，计算患者的正中 矢状面位置，进而对数据进行坐标变换，使得患者的正中矢状面和数据的 正中矢状面重合。
在本实施例中，该方法包括如下四步：
第一步为获取包含定位小球的口腔CT图像，第二步为基于此图像搜 索定位小球，第三步为计算坐标变换矩阵，第四步为对此图像进行坐标变 换并生成对正后的图像。
下面进行具体描述：
第一步：带有定位小球的口腔CT图像的获取
由于本发明利用左、右两个定位小球的相关信息对头颅进行对正，故 需获取带有定位小球的口腔CT图像。如附图2所示，此装置处于打开状 态，患者将定位耳夹塞到耳朵内，此装置由于下部的关闭装置或者材料变 形，确保耳夹可以塞到外耳道内，同时满足不同人的头部尺寸，更加牢固 的固定到人头上。扫描完成后，即可获取带有定位小球的图像数据。
第二步：寻找定位小球，具体步骤为：
(1)采用阈值分割法提取定位小球对应区域：根据历史经验数据设 定小球灰度范围为T1:T2，当图像像素的灰度值满足T1≤I(x,y)≤T2时，即 认为属于定位小球所覆盖的区域。
(2)计算分割处理后小球区域的质心，作为最终获得定位小球坐标。两 个定位小球的坐标分别记为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)。
第三步，计算坐标变换矩阵
找到定位小球后，根据得到的两个定位小球的位置，计算变换矩阵并 输出。得到变换矩阵的方法为：以图像的原点作为新、旧坐标系的原点， 将两个定位小球的连线方向作为新坐标系的X轴方向，其方向向量为： U＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，归一化得到其单位向量(ux,uy,uz)，然后在Z＝0 的平面上找到与新的X轴垂直的Y轴方向，其方向向量可取为： V＝(-(y2-y1),x2-x1,0)，归一化得到其对应的单位向量(vx,vy,vz)，最后确 定与新的XY平面均正交的Z轴方向，其方向向量为：N＝U×V，归一化 得到其单位向量(nx,ny,nz)，新的坐标系确定后即可得到4*4的变换矩阵： R = u x u y u z 0 v x v y v z 0 n x n y n z 0 0 0 0 1 . ]]>
第四步，对图像进行坐标变换，生成对正后的图像
得到变换矩阵后可对原始图像进行变换，该过程首先将两定位小球连 线的中心移动到图像原点，旋转完成后再移动到新图像的中心。具体步骤 为：两小球连线的中心点坐标为C0＝(tx0,ty0,tz0)，其中 tx0＝(x1+x2)/2,ty0＝(y1+y2)/2,tz0＝(z1+z2)/2；变换后图像中心坐标为 C0＝(tx1,ty1,tz1)。变换前图像中某一点(x,y,z)得到变换后对应点(x',y',z')的 过程可写为 x ′ y ′ z ′ 1 = 1 0 0 t x 1 0 1 0 t y 1 0 0 1 t z 1 0 0 0 1 u x u y u z 0 v x v y v z 0 n x n y n z 0 0 0 0 1 1 0 0 - t x 0 0 1 0 - t y 0 0 0 1 - t z 0 0 0 0 1 x y z 1 , ]]>即可得到对正后的图 像。
申请人使用带定位小球的口腔CT数据进行了验证。图3、图4为对 正前后生成的正位图的效果对比图，图3为对正前的正位图，图4为对正 后的正位图，通过细节对比可以看出，使用本发明方法，可以有效地实现 对正的功能。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种头颅图像对正装置，应 用于口腔CT，图5为根据本发明实施例的头颅头像对正装置的结构框图， 如图5所示，该装置包括：
获取模块52，用于获取带有定位小球的口腔CT图像；
搜索模块54，用于在获取的所述口腔CT图像中搜索两个定位小球的 位置；
坐标变换矩阵计算模块56，用于根据搜索到的所述位置计算坐标变 换矩阵。
坐标变换模块58，用于根据所述变换矩阵生成对正后的三维图像。
优选地，该装置还包括：定位耳夹，用于将定位小球放置在待拍摄所 述口腔CT图像的患者的外耳道内。
优选地，该搜索模块54包括：
分割模块542，用于对所述口腔CT图像进行阈值分割，其中，小球 灰度根据历史经验数据设置为T1:T2，当像素的灰度值满足T1≤I(x,y)≤T2时，即认为属于定位小球所覆盖的区域；
确定模块544，用于计算分割处理后小球区域的质心，作为最终获得 定位小球坐标；两个定位小球的坐标分别记为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)。
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：
(1)与机械方法相比，本发明无需与现有CT设备机械连接，仅需 对扫描图像进行后处理即可达到校正的目的，其适用性强、成本更低，同 时摆位也方便。
(2)与软件方法相比。现阶段医生通过在CT影像中人工选择左右 两侧对称基准点来达到头颅校正的目的，所选基准点往往会引入误差导致 校正参数的不准确。而本申请提供的技术方案能够自动识别定位小球的位 置从而校正口腔CT数据，与以人为选择对称点相比，更加准确。与人工 头颅对正相比，本申请能够自动寻找定位小球位置进而完成对正过程，在 此过程中不需人工参与，避免了人工操作所花时间与精力。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤 可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者 分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执 行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执 行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块 或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定 的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。