基于面绘制技术的医学影像立体显示.doc

基于面绘制的医学影像立体显示技术安徽工业大学 增强现实研究中心 边琼芳 摘要：医学影像立体显示技术利用二维医学图像序列重建出三维模型，为医生提供了直观、全面、准确的病灶和正常组织信息，给临床诊断和治疗带来了巨大进步，是当今医学领域研究的热点。三维重建有体绘制和面绘制两种方法，本文主要介绍了面绘制方法的原理和实现，选择基于体素的表面重建方法，利用国际上广泛应用的可视化工具包VTK提供的MC算法实现面绘制，并对轴、冠、矢三个方向的任意切面进行显示。关键字：医学影像 面绘制 三维重建 MC VTK 3D Visualization of Medical Image Surface RenderingQiongfang-Bian (AR-senter ,Anhui university of technology, Maanshan 243002,china)Abstract: Medical image visualization technologies build 3D models with 2D medical image series to provide useful and precise information for the doctors. It is one of the crucial technologies in CAS system, Image Guide Surgery and Minimal Invasive Surgery. VTK is an advanced toolkit for the medical 3D visualization. 3D reconstruction has two ways of volume rendering and surface rendering methods. The content of the article introduces the principle and the realization of the method of mapping the surface, and through the MC algorithm of widely used internationally visualization tool kit VTK to realize the surface rendering.and display random sections from next three direction: Axis、Crown 、Arrow.Key words: Medical image, Surface rendering, 3D reconstruction,VTK，MC1 引言1医学数据可视化在临床上已成为辅助诊断和辅助治疗的重要手段,其技术也成为近年来研究和应用的热点。如何快速、方便、高效的实现医学数据可视化是个一直在探索的问题。为此,提出采用VTK库进行医学数据可视化。分析了基于VTK库可视化工具包的机制,并用VTK对医学CT图像进行了面绘制。实例表明,用VTK开发三维可视化软件具有快速、方便、高效等特点。2 面绘制的实现2 3医学图像的三维重建就是根据输人的断层图像序列经分割和提取后，构建出待建组织的三维几何表达。这种三维几何表达的模型最常用的就是表面模型，一般以平面片特别是三角面片来逼近表示。表面重建的方法可以分为基于轮廓和基于体素的两种重建方法。（1）基于轮廓的表面重建4先从二维断层图象中抽取轮廓，然后确定相邻断层上轮廓的对应关系，最后经轮廓拼接和曲面拟合构造出一组对应轮廓的表面。基于轮廓的表面重建方法存在的问题是，当物体的几何形状复杂时特别是当有分叉(某一层上的一个轮廓与其邻层上两个或两个以上的轮廓相对应)情况出现时没有比较可靠的确定轮廓对应的方法，因此在重建复杂组织器官时往往会重建出不同的物体表面。（2）基于体素的表面重建方法5基于体素的三维物体表面重构方法是在物体表面通过的每一个体素内构造小面片，这些小面片一般是三角片物体表面由许许多多这样的小三角片组成。这种方法不必考虑分叉问题，全局的拓扑结构已经由局部拓扑处理所确定，适用于密集体数据的重建。其中最具代表性的算法是：Marching Cubes算法，Cuber/lie算法和Dividing Cubes算法。本文将采用Marching Cubes算法来实现面绘制。2.1 VTK中的Marching Cubes算法6 Marching Cubes算法是三维数据场等值面生成的经典算法，是体素单元内等值面抽取技术的代表。MC算法的基本原理是：在三维数据场中构造等值面，找出经过该等值面的体元(Cubes)，求出该体元内的等值面并计算出相关参数，便于用常用的软件包或图形硬件绘制出等值面。在医学应用上，采用MC算法可重建人体外轮廓、内部组织器官，使医生直接在3D图像上就可以观察感兴趣的器官与周围组织之间的空间关系。MC算法充分利用图形显示的硬件加速功能，绘制的图像质量较高。Marching Cubes算法的过程可以描述如下7：(1)每次读出两张切片，形成一层(Laver)。(2)两张切片上下相对应的四个点构成一个立方体(Cube)，如图4.1所示。(3)从左至右、从前到后的顺序处理一层中的立方体(抽取每个立方体中的等值面)，然后从下到上顺序处理到n一1层，算法就结束，故名为Marching Cubes。对于每一个立方体而言，它的8个顶点的灰度值可以直接从输入数据中得到，要抽取的等值面的阈值也已经知道。如果一个顶点的灰度值大于阈值，则将它标记为黑色(Marked Vertex)，而小于阈值的不标(Unmarked Vertex)，如图4.2所示。图2.1 Cube图2.2 阈值判断2.1.1插值问题8MC算法的基本思想是逐个处理数据场中的体素，分类出与等值面相交的体素，采用插值计算出等值面与体素棱边的交点。根据体素中每一顶点与等值面的相对位置，将等值面与立方体边的交点按一定方式连接生成等值面，作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。其中曲面和曲线中最常用的是线性插值和抛物线插值，而面绘制技术中常用的是线性插值。我们简单介绍一下：设函数y=f(x)在区间a,b上有定义且已知函数在区间a,b上n+1个互异点上的函数值，若存在一个简单函数y=p(x )，使其经过y=f(x)上的 这n+1个已知点(),(),，()（图2.3），即 p()= , i=0,1,n那么，函数p(x)称为插值函数，点称为插节点， 点(),(),，()称为插值点，包含插值节点的区间a,b称为插值区间,求p (x)的方法称为插值法，f(x)称为被插函数。若p(x)是次数不超过n的多项式,用Pn(x)表示，即则称为n次插值多项式，相应的插值法称为多项式插值；若P(x)为分段多项式，称为分段插值，多项式插值和分段插值称为代数插值。图2.32.2 MC算法在面绘制中的应用面绘制实际上就是提取感兴趣的某一种物质（如骨骼）进行三维重建，一般用密集的角网格来表达，在三维重建中，首先得设置感兴趣物质的CT值，然后通过VTK的各种可视化管道来对提取的物质进行处理，如：vtkMarchingCubes *skinExtractor = vtkMarchingCubes:New();/建立一个Marching Cubes 算法的对象 skinExtractor-SetInput(reader-GetOutput(); /得到体数据skinExtractor-SetValue(0,150); /150即为这里设置的CT值，可认为是皮肤vtkStripper *skinStripper = vtkStripper:New(); /建立三角带对象skinStripper-SetInput(skinExtractor-GetOutput(); /将生成的三角片连接成三角带vtkPolyDataMapper *skinMapper = vtkPolyDataMapper:New(); /建立一个数据映射对象skinMapper-SetInput(skinStripper-GetOutput(); /将三角带映射为几何数据 vtkActor *skin = vtkActor:New(); skin-SetMapper(skinMapper); /获得皮肤几何数据的属性skin-GetProperty()-SetDiffuseColor(1, .49, .25); /设置皮肤颜色的属性 skin-GetProperty()-SetSpecular(.3); /设置反射率 skin-GetProperty()-SetSpecularPower(20); /设置反射光强度以下图3.1和图3.2是对头皮和头骨进行重建的效果图： 图3.1 头皮 图3.2头骨 4 结束语基于三维医学图像的三维重建，是医学诊断大辅助手段，可以大大提高医疗诊断的准确性和可靠性。面绘制可以利用数据削减、数据缓冲、三角面片削减技术使程序的数据处理能力大大提高，为重建出精确、视觉效果良好、交互操作能力强的三维图像提供了保障。1 Westover L. Footprint Evaluation for Volume RenderingJ. Computer Graphics, 1990,24(4):367376. 2 祁俐娜，罗述谦.基于VTK的医学图像三维重建J.北京生物医学工程，2006，25(1)：15.3 罗述谦,周果宏.医学图像处理与分析M，北京：科学出版社，2003.4 黄春桦.医学影像三维可视化系统设计及关键技术研究D.西安：西安电子科技大学，2005.5 Lorensen W.E,Cline HE, Marching Cubes： A high resolution 3D sudace construction algorithmJACM Computer Graphics,1987,21(4):163170.6 Arie E.Kaufman. A