专利名称：一种基于cuda技术的仿真投影drr生成方法
技术领域：
本发明涉及医学图像配准领域，尤其涉及二维三维医学图像配准中的投影模型以及仿真投影(DRR)的生成方法。
背景技术：
计算机辅助的医学手术是一个集医学和计算机技术等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是借助计算机以及跟踪设备模拟手术中涉及的各个过程包括手术规划，手术导航等来指导医生实现高精度的外科手术。
医学图像配准是计算机辅助手术的关键技术。特别是在骨创伤导航手术中，通过二维三维图像配准可以将术前的二维手术规划数据和术中三维图像匹配，进而完成三维图像中手术规划数据的重建，达到指导手术的目的。
二维三维图像配准中，仿真投影(DRR)定义了当前三维图像的位置。通过仿真投影和投影图像比较，可以矫正三维图像的位置最终达到和投影图像的匹配。
图像配准中，传统的投影模型假设投影结构是一个正四面锥。并且X光源到投影平面的距离已知。待优化的参数是投影模型和三维图像的空间位置关系，由三个旋转参数和三个平移参数组成。这种模型对于骨创伤手术中的配准并不适用。首先，当三维图像沿中心投影移动时会同时产生投影失真和尺度变化。这两种变化的耦合会降低配准方法的鲁棒性和精确度。
在生成DRR的过程中，需要进行大量的计算。这影响了配准过程的实时性。通过以CUDA为平台的GPU硬件运算可以增强DRR生成的实时性。发明内容
为了克服由于投影模型带来的配准鲁棒性差和精度低的缺点。本发明提出了一种新的投影模型以及基于这个模型的仿真投影生成方法和基于CUDA平台的实现。
根据本发明的一个方面，提出了应用于二维三维图像配准的投影模型建立方法包括以下步骤
AOl 以三维图像的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系即三维图像坐标系XYZ，使得X，Y，Z轴分别与三维图像中对应的外平面正交，记坐标原点为0 ；
A02 以三维图像坐标系XYZ的原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系即投影模型坐标系UVW，使得坐标轴U，V，W与坐标轴X，Y，Z分别保持一致，记坐标原点为ISO ；
A03 为投影模型建立一个X光源，X光源位于W轴正半轴上，距投影模型坐标系 UVff坐标原点ISO距离为Dl ；
A04 在接收器所在的平面为投影模型建立一个投影面；投影面正交于W轴；W轴与投影面的交点位于投影面几何中心，且位于W轴负半轴；交点与投影模型坐标系UVW的原点ISO距离为D2 ；
A05 为投影模型建立一个虚拟投影面；虚拟投影面平行于投影面且中心通过投影模型坐标系UVW的坐标原点ISO ；
A06 将投影模型相对三维图像的运动描述为投影模型坐标系UVW在三维图像坐标系XYZ内的旋转和平移，包括平面外绕U，V轴的旋转Ru、Rv,平面内绕W轴的旋转参数 Rw，平面内平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐标系内沿UV平面的平移；这个运动记为xyzTuvw ；
权利要求
1. 一种基于CUDA技术的仿真投影DRR生成方法，其特征在于该方法包括如下步骤 A、建立投影模型，包括如下步骤AOl 以三维图像的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系即三维图像坐标系XYZ，使得X， Y，Z轴分别与三维图像中对应的外平面正交，记坐标原点为0 ；A02 以三维图像坐标系XYZ的原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系即投影模型坐标系 UVff,使得坐标轴U，V，W与坐标轴X，Y，Z的方向分别保持一致，记坐标原点为ISO ；A03 为投影模型建立一个X光源，X光源位于W轴正半轴上，距投影模型坐标系UVW坐标原点ISO距离为Dl ；A04 为投影模型建立一个投影面；投影面与接收器共面、大小相等且方向相同；投影面正交于W轴；W轴与投影面的交点位于投影面几何中心，且位于W轴负半轴；交点与投影模型坐标系UVW的原点ISO距离为D2 ；投影模型坐标系UVW的U轴和V轴分别与投影面的对应边平行；A05 为投影模型建立一个虚拟投影面；虚拟投影面平行于投影面且中心通过投影模型坐标系UVW的坐标原点ISO ；A06 将投影模型相对三维图像的运动描述为投影模型坐标系UVW在三维图像坐标系 XYZ内的旋转和平移，包括平面外绕U，V轴的旋转Ru、Rv，平面内绕W轴的旋转参数Rw，平面内平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐标系内沿UV平面的平移；这个运动记为xyzT胃；
2.如权利要求1所述的DRR生成方法的流程，其特征在于其步骤有1)初始化CUDA；2)分配内存；3)传输三维图像到显卡设备；4)在显卡设备中初始化MxN个线程，其中M和N代表输出图像维度；每一个线程对应着图像上的一个像素；5)对投影面上每一像素求灰度值；6)输出投影图像到主程序。
全文摘要
一种基于CUDA技术的仿真投影DRR生成方法。上述方法包括建立一种新的投影模型；对二维图像的每个像素点进行反投影；通过计算反投影线上三维图像的灰度值之和，最终生成图像配准所需的仿真投影图像。并且在该模型的基础上，本发明还提出了一种基于CUDA(Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构)技术的硬件加速方法。采用本发明所述方法，可以有效地消除投影失真和尺度变换之间的耦合，增强二维与三维图像配准的鲁棒性和精度，并且提高算法的实时性与效率。
文档编号G06T15/50GK102542600SQ201110417500
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者贾克斌, 贾晓未, 魏嵬 申请人:北京工业大学