基于miminis平台的c图像三维重建算法研究

基于miminis平台的c图像三维重建算法研究

0医学三维立体模型建立医学ct是医生广泛使用的一种诊断方法。ct断层扫描图像反映了x线对不同组织的衰减率，密度相似软组织的边界分布效果不佳。为医学二维图像重建三维立体模型是医学数据研究的一个热点内容。有人试图用AutoCAD软件,将CT图像导入CAD窗口,手工建立三维模型,但建模的结果与真实情况有一定差距,很难满足医学要求。笔者使用C#语言以及开放的图像处理开放包ActiViz.NET,编写了一款基于Mimics平台用于对器官、骨骼或组织CT影像进行三维重建的软件,实现了断层扫描图片的三维仿真。将CT图片导入Mimics10.01窗口,对感兴趣部分进行分离并重建,重建的模型更接近于其解剖结构。1图像数据的采集Mimics软件支持的格式有DIMCOM3.0标准,ACR-NEMA格式,也支持BMP格式与TIFF格式的灰度图像。需要注意的是,Mimics不支持彩色图像和JPEG格式的图像。DICOM格式的影像数据,文件头一般已经包含了下列参数。1)患者名称(patientname),可以是患者的名字,也可以是研究项目名称,但要方便分类和管理。2)层距(slicedistance),断层扫描图片连续两层的间隔。3)像素尺寸(pixelsize),图像的像素与物体实际尺寸的比例,如同地图的比例尺。4)扫描架倾斜度(gantrytilt),CT机扫描时的倾斜角度。实验中使用的CT影像全部是符合DICOM格式的文件,避免了手动进行图像的配准。选择脾脏作为研究对象,将腹部CT图像导入软件Mimics10.01中,用阈值分割、蒙版编辑和区域增长等方法,将脾脏分离出来。并对其进行三维重建,通过平移、缩放重建的三维图片,可以全方位、准确地判断脾脏的健康与疾患所在。以便于医护人员准确诊断病情,有针对性地采取下一步的治疗方案。系统算法流程图如图1所示。2图像的三维预处理运行File/ImportImages,选择DIMCOM格式文件,导入成功后,读取一组人体腹部16排螺旋CT图像。屏幕上显示同一幅图片的3个视图,其中右侧的视图为轴视图(xy-view或axialview),左侧上面的视图为前视图(xz-view或coronalview),左侧下面的视图为侧视图(yz-view或sagittalview)。每个视图中均有二维坐标系,图2相当于用3个二维坐标构成的三维坐标系。3个视图的使用很方便,对任意一个视图CT图像的任意位置,直接用鼠标点击想要操作的位置,交叉线的位置将会到达点击的位置,另两个视图也会相应改变,显示出该物体的三维位置。每个窗口右侧的滚动条用来旋转对应视图的图片,以寻找最清晰的观察角度。预处理包括调整窗宽和窗位,设置方位参数,把不同视图中图片的对比度调整到一个合适的数值。对比度越大,则越容易对人体组织中密度不同的部分进行分割。为选择合适的HU范围,使用功能区contrast(灰度对比)工具。图3为设置窗宽窗口,点击图3中下面的圆圈并拖动鼠标可以调整HU的最小值,点击上面的圆圈并拖动鼠标可以调整HU的最大值。或点击图3中的斜线并拖动鼠标,观察视图区的图像,待明显看出脾脏轮廓时,停止拖动。窗宽HU值设置为-75~316像素后的效果如图4所示。3阈值使用的限制合理地定义阈值取决于建模的目的,如果想得到一个好看的模型,使用较小的阈值,这样建立的模型漏洞少;反之,若是为了建立义肢的模型服务,则建议使用较大的阈值。较小的阈值选择病人的软组织较容易,阈值较大,则只会保留较稠密的部分,定义上下界阈值,选择神经部分比较容易,把感兴趣的部分粗略地分出来。实验中,当设置阈值Min为54,Max为176时,脾脏的轮廓比较清楚。分割结果如图5所示。3个视图都有二维坐标,同时可以看出3个视图的对应关系。例如,当前的3个视图坐标原点的位置,就是同一个位置从3个角度观察的效果。改变任意一个坐标,其他两个也随之相应改变。4缺失0和1Mimics10.01软件中分割的结果保存为Mimics的一个对象蒙板(mask)。蒙板是与原始图像一一对应的二值蒙板,也组合成一个三维体数据。它与体数据集的不同就是其体素的值只有0和1(见图6)。Mimics10.01提供多种蒙板编辑功能。先使用裁剪蒙板(cropmask)按钮,拉伸白色边框,选定脾脏所在区域,在选择脾脏区域时,注意观察3个视图同步变化,避免剪切掉脾脏的任何一部分,裁剪后的蒙板如图6所示。图6中基本剩下脾脏部分的影像。裁剪后的蒙板会有一些多余部分,点击编辑蒙板工具(editmasks),用手动方式编辑蒙板,剪掉多余部分。某些多余部分可能从一个视图的一个角度观察不到。为了避免此种情况发生,分别选择某一视图后,调整视图右侧的滚动条改变观察角度,进行多角度裁剪。5mimcs10.0的系统仿真采用MC算法。假定原始数据是离散的三维空间规则数据场,每一单元内等值面抽取的两个主要计算:1)体素中由三角面片逼近的等值面计算;2)三角面片各顶点法向量计算。三维重建流程图如图8所示。重建后的三维图像会残留部分肾脏和与脾脏距离很近的肋骨,可先用手工方法粗略去掉,再用蒙板三维编辑(editmaskin3D)进一步去除(见图9)。图9中重建的脾脏周围有一个正方体,作为三维坐标,便于精准定位,对编辑后的蒙板再次进行三维重建并进行光顺处理。光滑处理后的脾脏三维重建效果如图10所示。三维视图可以平移、缩放和旋转,便于观察,还可裁剪三维模型。三维仿真的难点在于图像分割。而大部分图像分割都可以利用Mimics提供的蒙板编辑(editmasks)或多层蒙板编辑(multiplesliceedit)去掉与目标连接的像素,然后再进行区域增长完成。但对于肝脏等与周围组织灰度相近的脏器,这种方法工作量庞大,过程繁琐,要求对目标脏器的形状较为熟悉。在这种情况下,可以使用造影剂。但若造影剂过多,则容易诱发肾病。所以对造影剂的使用应该慎重。普通的CT,或X射线虽然在诊断过程中使用较为方便简单,费用也相对较低,但对情况较复杂的患者,普通的CT影像资料无法全方位准确地反映患者的实际病情,导致不能进行最为有效地治疗。以往通过CAD等三维软件手工建模,模型简单且单元和节点少,虽然计算量少、速度快,但其结果往往和真实的情况有很大的出入,仿真效果不理想。而Mimics10.01可以解决这方面的难题,它可对腹部复杂的影像资料进行有效分析。通过阈值分割,将无效的资料进行剔除,选择感兴趣的部分(脾脏)。对脾脏进行三维重建,通过平移、缩放和旋转,使医护人员能更加直观、准确地了解病情,为患者制定最优的治疗方案。6临床使用的价值基于Mimics软件的三维重建,可以快速将CT图像数据重建成三维仿真模型,把医学图像信息以三维方式显示,可以全方位得出病症部位的有效数据,然后对三维模型进行模拟手术。从而做到以最小的创伤准确地清除病灶。为进一步实体手术提供理论基础,提高治愈几率。重建的模型,接近真实的脾脏,为以后脾脏的进一步研究提供了更为丰富的分析数据。此项技术具有很好的临床推广应用价值。为了去掉像素中的