醫(yī)學(xué)CT斷層圖像三維重建的Matlab實(shí)現(xiàn)方法

1、第 25卷第 1期 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol.25,No.1 2009年 1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2009醫(yī)學(xué) CT 斷層圖像三維重建的 Matlab 實(shí)現(xiàn)方法 穆偉斌,張淑麗(齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006摘要:介紹了運(yùn)用 Matlab 軟件進(jìn)行 CT 斷層圖像的三維重建的原理及實(shí)現(xiàn)方法。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技 術(shù)將計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT等成像設(shè)備得到的人體斷層二維圖像序列,在計(jì)算機(jī)中重建成三維圖像數(shù)據(jù),并在屏 幕上形象逼真地顯示人體器官的立體視圖。 可以對重構(gòu)出的器官圖像進(jìn)行諸如旋轉(zhuǎn)、 縮放

2、等操作, 重建方法簡單, 顯示效果良好。關(guān)鍵詞:Matlab;DICOM;CT 圖像;三維重建中圖分類號:TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-984X(200901-0033-03計(jì)算機(jī)三維重建是近年來發(fā)展較為迅速的一門新興技術(shù),由于其在各個(gè)領(lǐng)域的巨大的理論和潛在應(yīng)用 價(jià)值,越來越受到廣大研究者的關(guān)注。計(jì)算機(jī)輔助的三維重建是指首先運(yùn)用圖像技術(shù)從二維圖像中分割出 興趣區(qū)的輪廓曲線,然后將一系列該連續(xù)二維圖像輸入計(jì)算機(jī),經(jīng)圖像處理與圖形處理后,在二維屏幕上 顯示出三維結(jié)構(gòu),從而更加真實(shí)、形象地再現(xiàn)原物體的空間結(jié)構(gòu) 1。目前以 CT 為代表的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中取 得的醫(yī)學(xué)圖像均為二維斷

3、層圖像,對于患者病情的判斷依靠的是醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)。醫(yī)學(xué)圖像三維重建為人 體結(jié)構(gòu)提供了更加真實(shí)、直觀的反映,便于醫(yī)學(xué)人員對病灶的觀察及手術(shù)的進(jìn)行。所以醫(yī)學(xué)圖像的三維重 建在判斷病情、手術(shù)設(shè)計(jì)、醫(yī)患溝通和醫(yī)學(xué)教學(xué)等方面具有很高的研究價(jià)值。本文嘗試?yán)?Matlab 軟件對 CT 斷層掃描圖像進(jìn)行三維重建。1 DICOM 格式圖像1.1 DICOM 文件的基本格式目前,大多數(shù)影像設(shè)備遵從 1993年美國放射學(xué)會(ACR和電器制造協(xié)會(NEMA聯(lián)合制定的醫(yī)學(xué) 數(shù)字圖像與通訊標(biāo)準(zhǔn) DICOM3.0。DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)以信息對象、業(yè)務(wù)類描述的形式,采用規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對 各種醫(yī)學(xué)信息和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,

4、形成標(biāo)準(zhǔn)的 DICOM 文件格式。 其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)元素 (Data Element 的存儲方式, 每個(gè)數(shù)據(jù)元素均由標(biāo)簽 (Tag 、 值的類型 (Value Representation,VR 、 值域的長度 (Value Length 和值域(Value Field4個(gè)基本單元組成,如圖 1所示。其中,“標(biāo)簽”作為數(shù)據(jù)元素的標(biāo)識符唯一地定義 數(shù)據(jù)元素的物理意義(如病人姓名、年齡、設(shè)備、圖像類型、圖像窗值、圖像數(shù)據(jù)等;“值的類型”是 取決于 DICOM 語義的可選項(xiàng),它描述了數(shù)據(jù)元素值域的數(shù)據(jù)類型(如字符串、整型數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)等; “值 域的長度”定義了“值域”的字節(jié)數(shù);“值域”則含有該數(shù)據(jù)元

5、素的值。DICOM 提供了 3種語義:IMPLICIT VR、BIG ENDIAN和 LITTLE ENDIAN。這些語義規(guī)定了數(shù)據(jù)元素 的“值的類型”項(xiàng)是否出現(xiàn)、“值域的長度”項(xiàng)的字節(jié)數(shù)以及字節(jié)在內(nèi)存中的存儲次序等 2。數(shù)據(jù)集 傳輸方向數(shù)據(jù)元素 數(shù)據(jù)元素標(biāo)簽 值得類型 值域的長度 值域圖 1 DICOM 數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)收稿日期:2008-09-20基金項(xiàng)目:黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號:11521331作者簡介:穆偉斌(1981- ,男,黑龍江齊齊哈爾人,助教,在讀碩士研究生,主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)及醫(yī)學(xué)圖像處理研究,mwb-007。·34·齊 齊 哈 爾 大 學(xué)

6、學(xué) 報(bào) 2009年1.2 DICOM 圖像的讀入Matlab 圖像處理工具箱提供的 dicom read(函數(shù)支持讀入多種圖像類型的 DICOM 格式。但為了更方 便的處理圖像, 嘗試經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換將圖像轉(zhuǎn)換為 BMP 格式, 再進(jìn)行三維重建。 具體轉(zhuǎn)換研究見參考文獻(xiàn)3,4, 本文不做過多討論。2 CT 斷層圖像三維重建2.1 三維重建方法分類三維可視化方法,通?？筛鶕?jù)繪制過程中數(shù)據(jù)描述方法的不同而分為三大類 5:1 通過幾何單元拼接擬合物體表面來描述物體的三維結(jié)構(gòu)的, 稱為表面繪制方法, 又稱間接繪制方法。2直接將體素投影到顯示平面的方法,稱為體繪制方法,又稱直接繪制方法。3 對于既以繪制表面

7、為目標(biāo), 又采用了體繪制原理, 或者既以反映數(shù)據(jù)整體信息為目標(biāo)又以幾何造型 做為顯示單元的算法,可以將這部分算法歸為第三大類,即混合繪制方法。表面重建思想是從體數(shù)據(jù)中抽取一系列相關(guān)表面,并用多邊形擬合近似后,再通過傳統(tǒng)的圖形學(xué)算法 顯示出來。表面繪制方法的處理過程主要包括下面三部分:體數(shù)據(jù)中待顯示物體表面的分割;通過幾何單 元內(nèi)插形成物體表面;通過照明、濃淡處理、紋理映射等圖形學(xué)算法來顯示有真實(shí)感的圖像,并突出特定 信息。體繪制技術(shù)的中心思想是該方法并不產(chǎn)生等值面,而是將體素看成一個(gè)半透明物質(zhì),并賦予其一定的 顏色和阻光度, 由光線穿過整個(gè)數(shù)據(jù)場, 進(jìn)行顏色合成, 該方法把體數(shù)據(jù)作為整體直接投

8、射到圖像平面上, 以得到體數(shù)據(jù)的全局圖像。2.2 程序設(shè)計(jì)及重建效果1面繪制程序(見圖 2所示D= imread('data220.bmp'for i=216:-4:1fname = sprintf('data%d.bmp',i;x=fname;d= imread(x; %使用imread(函數(shù)讀入圖像 D = cat(3,D,d; %計(jì)算參考模板的參數(shù) endD = squeeze(D; %裝載數(shù)據(jù)image_num = 8;figure;image(D(:,:,image_numaxis image %colormap(map%顯示CT圖像 x = xlim

9、; y = ylim; %設(shè)定上下限 colormap('default' %生成切片figure;phandles = contourslice(D,1,12,19,27,8; %體視化 view(3; axis tightset(phandles,'LineWidth',2Ds = smooth3(D;set(gcf,'Renderer','zbuffer' lighting phong isonormals(Ds,hisoset(hcap,'AmbientStrength',.6 set(hiso,'

10、SpecularColorReflectance',0,'SpecularExponent',502體繪制程序(見圖 3所示clear allD= imread('data240.bmp'for i=238:-4:1fname = sprintf('data%d.bmp',i;x=fname;d= imread(x;D = cat(3,D,d;% 計(jì)算參考模板的參數(shù) endD = squeeze(D;x y z D = reducevolume(D, 4 4 1; D = smooth3(D; % 對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理p = patch(i

11、sosurface(x,y,z,D, 5,'verbose', .'FaceColor', 'yellow', 'EdgeColor', 'none' %定義圖像顏色,光線 p2 = patch(isocaps(x,y,z,D, 5, 'FaceColor', 'interp', 'EdgeColor', 'none'view(3; axis tight; daspect(1 1 .4colormap(gray(100camlight; lightin

12、g gouraudisonormals(x,y,z,D,p;第 1期 醫(yī)學(xué) CT 斷層圖像三維重建的 Matlab 實(shí)現(xiàn)方法 ·35· 2.3 重建方法比較面繪制對有明確表面的物體成像速度快,可以快速靈活地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和變換光照效果。與面繪制相比, 體繪制引入了透明度,由于要遍歷數(shù)據(jù)場中的每一個(gè)體素,運(yùn)算速度較慢,而且每次改變視角和光照時(shí), 要重新進(jìn)行投影運(yùn)算,難以運(yùn)用到實(shí)時(shí)繪制中。比較以上 2種繪制方式,面繪制需要提取等值面,觀察實(shí) 時(shí)度好、數(shù)據(jù)處理量小;模型針對某個(gè)或多個(gè)組織,適用于快速成型、有限元分析等場合。體繪制無需提 取等值面,觀察實(shí)時(shí)度不良,數(shù)據(jù)處理量極大,人工渲染

13、,適用于觀察。3 結(jié)束語本文介紹了運(yùn)用 Matlab 軟件進(jìn)行 CT 斷層圖像的三維重建的原理及實(shí)現(xiàn)方法。三維重建技術(shù)應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域已有多年,但早期的重建效果多不理想。隨著軟硬件條件的進(jìn)步,特別是高分辨率的 CT、MRI 及先 進(jìn)的光學(xué)掃描儀等新設(shè)備的出現(xiàn)和一系列相關(guān)軟件的開發(fā),三維重建的效果有了質(zhì)的飛躍。其應(yīng)用范圍也 逐漸覆蓋了術(shù)前診斷、手術(shù)設(shè)計(jì)、術(shù)后預(yù)測和療效評價(jià)等方面,效果也逐漸提高。然而,目前的技術(shù)仍有 很多不足,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,三維重建技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必將發(fā)揮越來越大的作用。參考文獻(xiàn)1 張威,隋天中,趙衛(wèi). CT圖像表面重建技術(shù)中的邊緣輪廓提取方法J. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),200

14、2,21(s1:91-97.2 張尤賽,陳福民. DICOM醫(yī)學(xué)圖像窗口變換的加速算法J. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003,13:218-220.3 王立功,劉偉強(qiáng),于甬華,等. DICOM醫(yī)學(xué)圖像文件格式解析與應(yīng)用研究J. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006,29:210-212.4 王成波,陳偉,謝兵,等. DICOM圖像與BMP圖像的轉(zhuǎn)換研究J. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2004(1:13-17.5 高艷,唐曉英,張軍莉,等. 基于物體空間序法的CT圖像三維重建算法的研究J. 北京生物醫(yī)學(xué)工程,2003,22(3: 180-183.Investigation and achievement of three

15、dimensions reconstructionfor CT fault image by MatlabMU Wei-bin,ZHANG Shu-li(Qiqihar Medical University Medical Technoligy College,Heilongjiang Qiqihar 161006,ChinaAbstract:Principle and application method of rebuilding three dimensions reconstruction for CT fault images by Matlab software. Computer graphics and image handling technique are used to convert anthropometric fault two dimensions image sequences obtained by imaging devices such as computer fault scanning(CT into three dimensions image database, then three dimensions video of anthropometric organs will be vividl