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科技论坛 。6 9 医学断层图像的三维重建系统 张锡英孟繁平 ( 东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 4 0 ) 摘要：在医疗诊断方面，针对帮助医生快速、准确的诊断病情这一情况，需要对医学断层图像进行三维重建，在集成开发环境M - 一 C r O S O RV i s u a l S t u d i 0 2 0 0 3 下，并结合O p e n G L 图形函数库，采用面绘制M a r c h i n gC u b e s 算法以及体绘制R a yC a s t i n g 算法，实现三维图形 的开发。结果表明，该三维重建系统实现了图像输入输出、预处理、三维重建以及人工交互等功能，为医生提供有力帮助。 关键词：医学断层图像；三维重建系统；医疗诊断 近些年，借助于计算机图形学等技术的医学图像三维重建应用 日益广泛，医学诊断与治疗的手段也在不断进步，例如：虚拟外科 手术系统、计算机辅助外科手术系统等。通过这些手段，外科医生手 术时可以精准定位，手术创伤被减少，成功率得到提升| 2 】。如果只是 通过医生自己描述，护士、患者等其他人有时会很难理解医生手术 关键点。因此，在正式手术前，借助计算机进行模拟手术，有利于医 生、护士以及患者的沟通。除了这方面，在学校教学上也有很多好 处，比如没有临床经验的学生、刚刚人职经验不丰富的医生使用虚 拟手术系统，都可以为他们自己带来很多益处。 医学断层图像的三维重建系统的前提和基础是三维重建。二维 切片和三维医学图像相比较，三维医学图像具有更丰富的机体内部 信息H ，可以立体逼真的显示出入体器官以及人体组织，在临床实践 中给医生实现信息可视化以及信息信息化，并且在医疗诊断以及治 疗等许多方面的应用具有很高价值。本文详细介绍了开发的医学断 层图像三维重建系统的设计思想以及实现。 1 三维重建方法 1 1 医学断层图像的获取 医学图像是通过使用C T 扫描仪器、核磁共振仪等医疗影像设 备对人体进行扫描得到的。现如今，常见的D I C O M 、B M P 、T I F F 等许 多种数据的格式普遍适用于医疗影像设备的存储。目前基于D I C O M 协议上的标准格式是医学图像领域中较为通用的数据格式。 D I C O M 医学图像的读取即将其读入到V T K 是对医学图像进行 三维重建至关重要的步骤，也是首要解决的问题。V T K 类库目前存 在的版本中，存在专门读取D I C O M 医学图像的类。v t k l m a g e S o u r c e 类的很多子类，例如v t k D I C O M I m a g e R e a d e r ( ) ，v t k V o l u m e R e a d e r ( ) 都 可以完成读取D I C O M 医学图像这项工作，其可以读取一张或者多 张图片。V T K 中还有v t k J P E G R e a d e r 、v t k B M P R e a d e r 、v t k T I F F R e a d e r 等多种图像格式的读取类，方便读取J P E G 、B M P 、T I F F 格式的图像。 1 2 三维重建原理 三维重建系统的关键是三维重建技术，三维重建方法主要分为 两种：一种是面绘制方法；另一种是体绘制方法。第一种，顾名思义 面绘制就是对表面进行重建，利用计算机图形学这一技术将物体表 面构建出的几何模型显示出来。另一种，体绘制则是不需要构建结 合模型，它是使用三维数据场将三维图像产生显示在屏幕上。 比较面绘制和体绘制两种方法，它们都是显示三维数据场。在 绘制效果、算法时间上、交互性能等方面的结果因为基本方法不同 而存在着很大不同。 面绘制最大的特点是从三维数据场中构造三角面片，采用曲面 造型技术，生成等值面。虽然全部的数据场细节不能由面绘制构造 的三维可视化图形表现出来，但是该方法可以抽取一个或者多个等 值面，成像比较清晰，可以通过利用图形硬件实现加速绘制，因此有 利于实时交互。 体绘制最大的特点是采用光照模型将三维空间的离散数据直 接转换为最后的立体图像。因此，保留了三维数据场中的许多细小 结构，效果更接近实物。体绘制目前最大问题是计算量大，以至于计 彝时间长、实时性差。只是在成像质量方面体绘制会好于面绘制。 I 2 1 面绘制一移动立方体法 本文使用面绘制方法中经典的移动立方体法( M a r c h i n gC u b e s ) 3 1 。M C 算法的基本原理是将二维图像数据当作是一个三维的数据 场，将数据场中的体素挨个处理，将其各个顶点的值同指定的阈值 相比较，使这个体素内部等值面的构建形式筛选出，拟合曲面是通 过某种拓扑形式将三角面片连接起来形成的，最终得到由各个体素 的等值面连接起来形成的整体等值面，即是物体的表面。M C 算法流 程图如图1 所示。 l 读入数据构蓬体素 J r 通过等值面阖值构 造体素的状态表， 确定刮分模式 上 求交点 毒 求法向里 工 绘制 一、 ( 嬉束) 、，- _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - 图1M C 算法流程图 1 _ 2 2 体绘制一光线投射法 体绘制的原理是通过分类给每个体素的不透明度和颜色属性 赋予相应的值，然后在三维数据场中，模拟体素对光线的反射、发射 以及投射作用，最后将图像合成。目前常用的体绘制算法有光线投 射( R a yC a s t i n g ) 算法、溅射法( S p l a t t i n g ) 、错切变形( S h e a r W a r p ) 、基 于纹理映射算法 4 1 ，其中以光线投射算法最为经典。 光线投射算法是基于图像空间为序的经典体绘制算法，其基本 思想是从视线处发出一条射线，它经过2 D 的图像平面投影到3 D 的体数据上。射线经过2 D 图像的像素值由累加这条射线经过的每 个体单元的颜色值和不透明度所决定。该算法原理图如图2 所示， 对颜色值和不透明度进行合成，合成方式可以是由前到后以及由后 到前I S 。 平面图像 图2 光线投射法原理图 设第i 个体素的颜色值是c ，不透明度值是Q 进入第i 个体索 的颜色值是C l N i , 不透明度值是O c N i ，经过第i 个体素后的颜色值是 C 鲫，不透明度值是a 。那么由后向前的图像合成公式： 罹吾面芥丽函再虱面i i i 戛茏江哈尔滨人，副教授，主要研究方向：现代信息技术及网络应用、图像处理。 万方数据 7 0 科技论坛 CO U T i 2 ( 1 一q ) + c f q ( 1 ) 由前向后的图像合成公式： c 。【用n 彻= ( o 肘+ C q ( 1 一。珊) n D = n 删+ Q 。c 历( 1 一。肼)( 2 ) 2 三维重建系统 2 1 技术背景介绍 该系统采用的是C S 形式，运用所学过的理论知识，按照软件 工程的开发流程来实现三维重建系统。对于本系统所使用的集成开 发环境M i c r o s o f tV i s u a l S t u d i 0 2 0 1 3 ，它拥有强大的语法提示以及自 动纠错等功能。并结合O p e n G L ( O p e nG r a p h i c sL i b r a r y ) 图形函数 库，实现三维图形的开发。采用M yS Q L 数据库服务器软件，其对小 型应用系统是非常理想的。三维重建系统运行环境为P C 端W i n d o w s 操作系统，其数据来源主要是C T 、M R I 等医学图像数据。 2 2 系统体系结构 经过对医学断层图像三维重建系统的需求进行分析，一个完整 的医学断层图像三维重建系统应具备基本功能如以下几部分： ( 1 ) 符合D I C O M 3 0 标准的医学断层图像的输入与输出； ( 2 ) 不同格式医学断层图像转换； ( 3 ) 支持常见算法； ( 4 ) 医学断层图像的交互操作。 三维重建系统包括数据管理、二维图像预处理、三维重建三部 分主要模块。三维重建系统的框架图如图3 所示。 i 蝴u 蛳 - ，io * - _ i l - - 图3 三维重建系统框架图图4 三维重建系统主界面 第一部分，图详解析模块。目前，存储医学图像使用的是D I C O M 数据格式，本系统支持D I C O M 、J P E G 、B M P 以及S T L 格式的医 学图像的输入输出，可以自行选择对D I C O M 数据进行转码，因此给 系统读取带来了方便。 第二部分，预处理模块。通过扫描得到的输入输出数据通常是 一组图像序列，在扫描过程中由于一些外界因素，以至于影响到这 些图像序列的结果，因此需要对这些断层图像进行去噪等预处理方 法；然后对处理后的每一幅图像进行分割，得到感兴趣的部分。 第三部分，三维重建模块。预处理后得到的数据通过该三维重 建模块重建出一个全方位立体模型，通常使用面绘制或者体绘制算 法可以实现这部分。并且实现将器官分类根据选项进行重建，可以 快速直接的进行三维重建。 第四部分，交互操作模块。操作人员可以通过这一模块对重建 后得到的三维模型进行旋转缩放等操作，提供了丰富的观察角度。 2 3 系统的实现 医学断层图像的三维重建系统主界面如图4 所示，包括菜单 栏、工具栏。实现了数据格式转换、图像预览、三维重建、三位测量等 功能。 在三维重建过程中，实现了基于R C 算法的体绘制和基于M C 算法的面绘制。技术人员从医疗影像设备中得到一个序列的c T 数 据，可以对该数据进行去噪分割、三维重建等交互处理，得到重建结 果可以用来进行辅助诊疗。如图5 、图6 所示，分别为面绘制和体绘 制结果。 tm - - “，h m m o P - n ”。I - - 、v i I 口h T I w n 口p e n 6 L 一口一 图5 肺部体绘制结果 图6 肺轮廓面绘制结果 通过O p e n G L 函数库将重建后结果显示出来，可以旋转、移动、 放大以及缩小等效果，技术人员可以对三维重建结果进行观察，对 三维结果中病灶区或者感兴趣区域切割出来。 2 4 系统特点 医学断层图像的三维重建系统的完成为医生在临床诊断带来 了便利，该系统实现了对人体器官以及人体组织的三维重建。将病 灶区立体的呈现出来。本系统具有以下特点：( 1 ) 辅助医生从任意角 度观察三维重建后的结果，为医生提供病灶区的详细信息即空间位 置、大小等等；( 2 ) 对于医护人员来说，可以提前进行术前模拟，并制 定出有利的手术规划，减小手术的风险性；( 3 ) 对于缺少临床经验的 学生，在教学以及实践方面都带来了益处；( 4 ) 可以和3 D 打印技术 相结合，将病灶打印出来，进一步直观真实的观察，并且在假肢这方 面也有帮助。 结束语 计算机图像处理技术其中一个应用是医学图像的三维重建，它 能够将平面二维图像转变成为立体直观的三维图像，并将其显示在 屏幕上。交互操作三维重建出来的模型，对医生起到很好的辅助作 用。有利于对病灶区域进行分析并给出准确的诊疗方案；有利于医 疗诊断的准确性与科学性的提升；有利于最优的治疗方案的制定； 并且实现术前模拟；此外，在医学研究方面和解剖应用方面具有重 要的意义。 参考文献 1 】王新德基于三维重建的计算机辅助骨科手术系统研究【D 广 州：华南理工大学，2 0 1 2 2 韩成虎，韩成龙，邱文峰，C T 图像三维重建系统的设计与实现f f 现代计算机，2 013 ( 2 ) ：5 4 5 7 3 】张振东基于M a t l a b 的C T 图像三维重建的研究与实现叨电子 世界，2 0 1 3 ，2 ( 3 ) ：8 7 8 8 【4 】张翔，陈胜勇利用V T K 的D I C O M 图像的显示与信息的读取 f J l 人工智能及识别技术，2 0 11 , 7 ( 1 0 ) ：2 3 4 3 2 3 4 4 5 】陈文文，姜富春，车翔玖基于面绘制的医学序列图像三维重建 【J 计算机工程与应用，2 0 1 2 ，4 8 ( 1