談一種可擴(kuò)展式三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、談一種可擴(kuò)展式三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)談一種可擴(kuò)展式三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：在分析可視化系統(tǒng)的功能和特性的基礎(chǔ)上，設(shè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)可擴(kuò)展式可視化系統(tǒng)。首 先根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像的具體特征，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列預(yù)處理方 法;隨后提出了基于特征區(qū)域提取的分割算法和采用數(shù)據(jù)挖 掘聚類方法等對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)直接分割，并提出采用了二級(jí) 排序體元塊投射等體繪制算法。最后給出的實(shí)現(xiàn)效果圖表 明系統(tǒng)能夠在pc機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)方便和有效地 繪制與管理。關(guān)鍵詞：可擴(kuò)展式可視化系統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像特征特征區(qū)域 分割數(shù)據(jù)挖掘聚類排序體元塊1、引言隨著ct、mri、u s、pet、spect等技術(shù)在醫(yī)

2、學(xué)臨床中 成功應(yīng)用，使得對(duì)人體進(jìn)行無(wú)創(chuàng)檢查以及診斷成為現(xiàn)實(shí)， 可以使醫(yī)生從二維截面方向?qū)θ梭w進(jìn)行觀察，得到人體及 其內(nèi)部器官的二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列。但在治療應(yīng)用中， 僅通過(guò)二維斷層圖像上某些解剖部位進(jìn)行簡(jiǎn)單的坐標(biāo)疊 加，不能給出準(zhǔn)確的三維影像，從而可能造成病變（靶區(qū)） 定位的失真與畸變。為了提高醫(yī)療診斷和治療規(guī)劃的準(zhǔn)確 性和科學(xué)性，需要由二維斷層圖像序列轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄庇^和 立體效果的三維圖像，展現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)，從而提供 用傳統(tǒng)手段無(wú)法獲得的解剖信息，并為進(jìn)一步模擬操作提 供視覺(jué)交互手段，醫(yī)學(xué)可視化技術(shù)就是在這一背景下提出 的。自90年代起，借助計(jì)算機(jī)處理和分析、計(jì)算機(jī)圖形 學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算

3、機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像分析與處理 一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)口。本文圍繞三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)直 接分割、繪制加速和繪制質(zhì)量提升等方面，對(duì)醫(yī)學(xué)可視化 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展式醫(yī)學(xué)可視化系 統(tǒng)，使之在普通pc機(jī)平臺(tái)的基本配置上即可運(yùn)行。2、系統(tǒng)的功能和特性2. 1系統(tǒng)的可擴(kuò)展性雖然本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的是可視化流程 中最主要的功能，但也考慮到了后續(xù)的應(yīng)用研究?？紤]到 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性本文將可視化系統(tǒng)分為兩個(gè)主要模塊設(shè)計(jì): 繪制引擎（實(shí)現(xiàn)具體的繪制算法）支撐模塊（包括用戶 界面、圖像顯示、體漫游、動(dòng)畫生成等功能模塊）當(dāng)不同的 繪制引擎提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口時(shí)，支撐模塊就不需要 重復(fù)開發(fā)，也就是說(shuō)，雖然繪制

4、方法不同，但對(duì)繪制出來(lái) 的結(jié)果，系統(tǒng)所進(jìn)行的可視化應(yīng)用行為卻是一致的。當(dāng)出 現(xiàn)新的應(yīng)用，只需要開發(fā)相應(yīng)的支撐模塊，然后集成到系 統(tǒng)中即可。用戶界面體數(shù)據(jù)文件1體數(shù)據(jù)文件2體數(shù)據(jù)文件3體數(shù)據(jù)文件4支撐模塊結(jié)果圖形（圖像）輸出繪制.可擴(kuò)展型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 2系統(tǒng)功能的框架結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng)由輸入的ct、m ri 等設(shè)備圖像序列經(jīng)預(yù)處理、分割后重建出三維表面模型， 進(jìn)而可以對(duì)重建的幾何模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作以及剖 切、手術(shù)開窗等操作。(1 )圖像的獲取與輸入二維斷層序列圖像由物理設(shè)備 (計(jì)算機(jī)斷層掃描儀ct、核磁共振成像儀mri等)生成，經(jīng) 介質(zhì)傳輸或網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)作為原始圖像序列?？梢暬?統(tǒng)讀取該

5、圖像序列，經(jīng)過(guò)處理斷層間圖像的配準(zhǔn)、圖像格 式轉(zhuǎn)換、圖像歸一化處理等，最后轉(zhuǎn)換成與設(shè)備無(wú)關(guān)的文 件或數(shù)組待以進(jìn)一步處理。(2) 二維圖像的預(yù)處理由醫(yī)學(xué)儀器獲得的原始數(shù)據(jù)一般 不能直接輸入到可視化功能處理模塊的，通常需要對(duì)其進(jìn) 行必要的變換預(yù)處理，故模塊內(nèi)容是后繼處理的技術(shù)基礎(chǔ)。 利用圖像處理的已有技術(shù)成果，根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)際物理 特征，可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列合理的變換預(yù)處理方法。系統(tǒng)讀取該圖像序列時(shí)，采用dicom3 . 0協(xié)議存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、 中值法和保持邊緣濾波處理、直方圖均衡圖像、二維雙三 次樣條切片間插值等預(yù)處理，經(jīng)重采樣后將二維圖像序列 封裝成規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)，此數(shù)據(jù)場(chǎng)亦可稱之為三維醫(yī)學(xué)圖像，

6、系統(tǒng)后繼的組織分割和繪制即是對(duì)此數(shù)據(jù)場(chǎng)在三維空間中 進(jìn)行。(3) 組織或器官的分割與提取根據(jù)圖像特征、待建組織 或器官的形態(tài)特征，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)過(guò)渡 特征區(qū)域、基于醫(yī)學(xué)模糊邊緣和數(shù)據(jù)挖掘等直接針對(duì)醫(yī)學(xué) 三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的分割方法。(4) 組織或器官的繪制醫(yī)學(xué)可視化算法一般可以分為兩 大類：基于面繪制的可視化算法和直接體繪制算法。面繪 制方法是按照給定的閾值，提取一個(gè)等值表面，然后按傳 統(tǒng)的曲面濃淡方法繪制。直接體繪制算法是把數(shù)據(jù)場(chǎng)作為 整體直接投射到圖像平面上，以得到數(shù)據(jù)場(chǎng)的全局圖像。它不需要構(gòu)造中間幾何圖元，特別適合于諸如云霧、 流體、大腦組織、氣體等無(wú)固定形狀的數(shù)據(jù)場(chǎng)集的圖像生 成

7、。還有此方法可以產(chǎn)生高質(zhì)量、有真實(shí)感的圖像，而面 繪制無(wú)法勝任這些工作。直接體繪制算法的缺點(diǎn)是每生成 一幅圖像都要重新遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)，十分費(fèi)時(shí)，所以需要 有高性能的加速算法。本系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的是直接體繪制的方法，利用醫(yī)學(xué)組 織器官的組織平滑過(guò)渡的特點(diǎn)，采用了不影響繪制質(zhì)量但 能提高繪制速度的二級(jí)排序體元塊投射算法和提高邊緣體 繪制的頻域體繪制算法口 “。(5) 幾何操作與顯示基本的幾何操作包括對(duì)重建模型的 縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等。系統(tǒng)還可以給定平面對(duì)重建模型進(jìn) 行剖切，可獲得剖切面的形狀;對(duì)外表組織施以剖切，可以 看到內(nèi)部組織;手術(shù)開窗是在外表組織上開一個(gè)窗口，從而 可以通過(guò)窗口看到內(nèi)部組織；設(shè)定和

8、改變組織顏色，半透明 效果顯示，組織顯示與隱藏。3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果圖系統(tǒng)采用idl語(yǔ)言開發(fā)，在idl3. 0開發(fā)平臺(tái)上，采用 普通pc機(jī)（基本配置為p41. 6 g的cpu, 256m內(nèi)存，3d加 速卡）進(jìn)行開發(fā)。軸切片效果圖見(jiàn)圖2。圖3為不透明度設(shè) 置效果圖，其中a圖不透明度：1.0（骨組織），0 .1（軟組 織），b圖不透明度：0.5（骨組織），0.01（軟組織）。4、結(jié)論本文利用可視化及相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果，參考相 關(guān)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展式的三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)從功能上劃分為醫(yī)學(xué)圖像的獲取與輸入、 二維圖像的預(yù)處理、待建組織的分割與提取、三維模型的 構(gòu)建以及幾何操作與

9、顯示等幾個(gè)模塊，根據(jù)可視化組織的 重要度不同，設(shè)計(jì)出不同的組織分割和繪制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明系統(tǒng)能夠在普通pc機(jī)上，真實(shí)地表達(dá)可視化組織的 各種信息，并且由于設(shè)計(jì)上的可擴(kuò)展性結(jié)構(gòu)，保證了本系 統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立性，可以方便地增加新的功能模塊, 且各模塊之間相互獨(dú)立，某一塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不會(huì)影響其它 模塊的功能運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化方便和 有效地繪制與管理。參考文獻(xiàn)1 rayh , pf i sterh , silve rd. ray-cast ingarchitec turesforvol umevisualiz ation. ieeet ransaetions onvisualiz

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