医学图像重建与可视化技术

医学图像重建与可视化技术内容医学图像重建与可视化技术1体数据的多平面重建技术2面绘制技术体绘制技术3体绘制技术41.医学图像重建与可视化技术可以通过计算机断层技术(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子计算机断层扫描（PET）和超声(US)等医学影像技术得到病人病变部位的一组二维断层图像。二维平面图像主要用于显示平面图像中人们感兴趣的区域。在目前的成像检查中，通常是获取人体某个部位的一系列冠状、矢状截面的影像。如果需要了解某个空间取向的截面图像，就需要通过从三维图像中进行生成，所以可以通过三维体图像生成及显示一张观察效果最佳二维图像，以更好的辅助诊断。通过研究对象的一组平行截面图重建物体的三维图像是计算机图形学和医生的一个重要的研究方向。1.医学图像重建与可视化技术自从上个世纪70年代CT技术发明以来，三维医学图像重建技术在现代临床医学中起着越来越重要的作用。所谓三维重建技术是指通过对一系列的二维图像进行边界识别分割等处理，重新还原出被检测物体的三维图像。传统上，医生通过对获取的二维CT、MR等图像进行想象或加工还原出被检查对象的三维结构，这种方法很大程度上依赖于医生的主观想象和临床经验，缺乏直观性和准确性。重建后的三维模型能够真实地再现组织或器官的表面轮廓，改善可视化的质量。对重建模型施以剖切，可以方便地观察到内部组织或病变体的形状、大小及位置，更好地进行诊断。1.医学图像重建与可视化技术三维医学图像的可视化技术又被称为三维医学图像的生成与显示技术，可视化技术是通过对数据遍历、变换并作为图像进行显示，以获得对数据更深层次的理解。可视化技术处理的中心问题是数据，它不仅包含了计算机图形学、成像技术，还包含了软件设计、用户界面方法学等相关技术。医学图像可视化处理的过程如下：首先：通过CT、MRI等方式获取原始数据，然后：通过数字分析等多种方法对获取的原始数据进行变换，之后：将变换后的数据映射到适合用户表达的形式，最后：进行绘制并显示。医学图像的三维可视化技术主要包括三维重建绘制的预处理技术及绘制技术。在对体数据进行绘制之前要对图像数据进行改善图像画质、分割标注、匹配融合等预处理操作。1.医学图像重建与可视化技术三维重建绘制技术:一类是通过几何单元拼接拟合物体表面而忽略材料的内部信息来描述物体三维结构的,称为基于表面的三维面绘制方法(surfacefitting)，又称为间接绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法(directvolumerendering)，又称为直接绘制方法。体数据的多平面重建方法：又叫切片法，是一种介于两者之间的体数据可视化技术，在实际绘制中，只显现用户感兴趣的观察面信息。2.体数据的多平面重建技术由序列断层医学图像形成三维数据场后，体数据为各向同性，即体数据在空间内三个方向上具有相同的象素灰度，就可以用平面方程:x＋y＋z＋h=0进行体数据切割，从而获得该截面内的体素分布图像。如指定截面方程为:x＋h=0、y＋d=0、z＋d=0，即可分别获取符合医生习惯的冠状面、矢状面、水平面的断层图像。通常以多窗口的方式来显示多平面图像，如果将同一个方向上相邻多平面图像在屏幕的同一个窗口内进行显示，就能够提供各层次之间结构变化的可视化机制，增强了三维结构视觉综合能力。2.体数据的多平面重建技术A.冠状面、矢状面、水平面切片法x＋h=0、y＋d=0、z＋d=0先在三维空间中创建一个“切平面”，使得切平面穿过待处理的体数据。这样体数据中被切平面穿过的图像信息会映射到该平面上，即用切片切割的方式把用户感兴趣的空间实体显示出来。2.体数据的多平面重建技术B.斜截面切片复杂的多平面重建方法不是的在标准正交平面上进行取向，而是指定任意方向的截面显示，这就是斜截面。斜截面上的图像如果不是各向同性的，计算就相当困难，正确的斜截面图像的生成就不能仅靠简单的体素重组方式，而需要通过其它很多计算机图像处理技术及可视化技术的协助。2.体数据的多平面重建技术斜截面示意图图像d为体图像a、b、c中沿交线切割后所形成的截面图像。2.体数据的多平面重建技术C.曲线截面所谓曲线截面是指沿一曲线切割形成的截面。

很多体图像中需要截取部分的轮廓常常呈现出曲线形态，使用多平面或斜截面的二维图像是不可能获取这种曲线形态的，而曲线截面技术可以解决这种问题。2.体数据的多平面重建技术曲线截面示意图在c所示的正交平面图上根据需要作一条不规则的曲线，用于确定正交图像中的一组象素值，曲线上每一点象素值代表了体图像中相同位置纵深方向上的一行象素值，d就是沿图c中轨迹曲线展开所形成的截面图像，图d的每一行象素用图5c中轨迹曲线相应的每一点的象素生成。3.面绘制技术A.面绘制方法：首先是从体数据中抽取一系列等值面，并用多边形拟合近似。再通过图形学算法显示出来。由于表面可以简洁地反映复杂物体的三维结构，因此在医学图像中边界面轮廓是用于描述器官的最重要特征。

3.面绘制技术B.所谓等值面在一个网格空间中由在某点上的采样值等于一定值的所有点组成的集合。最具代表性的是：移动立方体（MarchingCubes）算法剖分立方体（DivingCubes）算法立方体（Cuberile）算法等。3.面绘制技术C.移动立方体（MarchingCubes）算法本质是从一个三维数据场中取出一个等值面，故又被称为“等值面提取”算法。在该算法中，假定原始数据是离散的三维空间规则数据场，为了在这一数据场中构造等值面：用户先给出所求等值面的值C。如果某体元一个角点的函数值大于或等于C，则将该角点赋值为1，并称该角点位于等值面之内；如果该角点的函数值小于C，则将该角点赋值为0，并称该角点位于等值面之外。根据这一原理就可以判断所求等值面将与哪些体元相交，或者说将穿过哪些体元。3.面绘制技术算法的操作步骤如下：首先，要求每次提取两张切片，形成一个层，这样两张切片上下相对应的四个点就构成一个立方体。然后按从左到右、从前到后的顺序处理每一层中的立方体，并按从上到下的顺序处理每一层。立方体示意图3.面绘制技术一个体元最多有28，256种构型，根据互补对称性和旋转对称性，可将256种构型简化成15种基本立方体。构造一个长度为256的查找表，每条记录详细记录每种等值面的连接方式，在提取等值面时，只需要比较立方体的8个顶点与密度值之间的大小关系，然后直接到查找表中查找相同情况的记录，就能知道立方体中哪条边上有等值点以及等值点的连接方式等信息，将已知的等值点进行连接就能形成等值面。3.面绘制技术基本等值面分布示意图3.面绘制技术缺点：(1)

构造等值面时存在二义性。当立方体一个面的一条对角线上的两个顶点都有标记，而另一条对角线上的两个顶点都未做标记时，会产生如图所示的两种连接方式，这时形成的面就是二义性面。当出现二义性面时，在15种基本立方体连接方式的选择上也会存在二义性。

3.面绘制技术（2）在立方体中寻找等值面时，将会产生大量散乱的三角面片，对计算机的处理速度要求很高。（3）占用大量的检测时间。MarchingCubes算法需要按顺序逐个检测每个立方体，以获取等值面，研究表明等值面提取过程中90％以上的时间都用在了立方体的检测上。上述这些缺点对三维模型重构、显示速度、再现效果及后继简化处理影响很大，所以针对这些不足，近年来提出了很多MarchingCubes的改进算法。3.面绘制技术D.剖分立方体（DivingCubes）算法该算法主要适用于三维数据场具有很高密度时的情况。用通过该单元中心点的一个小面片来代替等值面，从而省去大量的计算空间。剖分立方体方法逐步扫描每个单元，当单元的八个顶点越过等值面值时，将该单元投影到显示图像上。若投影面积大于一个像素的大小，则该单元被分割成更小的子单元，直接使子单元在显示图像上的投影为一个像素大小。优点：消除了MarchingCubes算法的二义性问题。3.面绘制技术E.立方体（Cuberile）算法

立方体算法实际上把整个单元看作是由同一物质构成，这样，一个不透明单元可以用该单元的同一色彩的六个面来表示并进行绘制。该方法简单、快捷，但画面粗糙，显示图像给人一种“块状”感觉，不能很好地显示对象的细节。3.面绘制技术优点：由于面绘制方法所处理的数据通常仅是整个体数据的一小部分，并且利用了计算机图形学多边形绘制技术。还借助图形硬件加速的支持，所以表面绘制法具有速度快的优点，而且可以快速灵活地进行旋转和变换光照效果。它适用于绘制表面特征分明的组织和器官(例如由CT数据生成骨骼三维图像)，由于其形象清晰，可以一定程度上替代实物模型。缺点：因为其对表面分割精确程度要求高，所以表面绘制方法对于其他一些应用，例如对形状特征不明显、有亮度变化特性的软组织，以及血管、细支气管等精细组织或器管的三维显示，常常效果不佳。而且，表面绘制方法不能保留数据的完整性。此外，其单纯的表面模型不能提供触摸反馈，因为这种反馈是由物体内部结构产生的，这将制约其广泛应用。

4.体绘制技术其中心思想是为每一个体素指定一个不透明度（Opacity），考虑每一个体素对光线的透射、发射和反射作用。光线的透射取决于体素的不透明度；光线的发射则取决于体素的物质度（Objectness），物质度愈大，其发射光愈强；光线的反射则取决于体素所在的面与入射光的夹角关系。体绘制的步骤原则上可分为投射、消隐、渲染和合成等4个步骤。4.体绘制技术它有四种常用的算法：体绘制根据所用的投影算法不同加以分类分为以对象空间为序的算法(又称为体素投影法)和以图像空间为序的算法(又称为光线投射法)。一般来说，体素投影法绘制的速度比光线投射法快。射线投射算法（Raycasting）抛雪球算法（Splatting）错切-变形算法（Shear-Warp）基于硬件的3D纹理映射算法（3DTexture-MappingHardware）4.体绘制技术A.射线投射算法（Raycasting）基础是Whitted模型，是目前使用最为广泛的一种规则数据场的体绘制方法。其基本原理是根据视觉成像原理，构造出理想化的物理视觉模型，即将每个体素都看成为能够透射、发射和反射光线的粒子，然后根据光照模型或明暗模型，依据体素的介质特性得到它们的颜色（灰度图像为亮度）和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在像平面上形成具有半透明效果的图像。4.体绘制技术由于体绘制算法包含有大量器官内部信息，从而导致计算量大，运行时间长，实时操作困难，因此必须成功解决体绘制的快速运算问题。提高体绘制运算速度的途径一般分两类:一类是缩短投射光线的长度，即避免对空体素的再采样计算，减少在投射光线上再采样点的数量。另一类是减少投射光线的数量，即避免发射光不穿过数据场或在数据场中的采样点为空体素的投射光线。4.体绘制技术外接球算法：基本思想是:将三维数据场看成是长方体，以长方体的对角线为直径，中心为圆心作外接球，显然，整个数据场被包含在这个外接球内。将外接球在观察平面上的投影圆作为发射射线的范围，球体直径为光线长度，以保证所发射线的范围包含整个数据场。同时，由于设定数据场中心为外接球圆心，因此，当任意角度对数据场进行投影时，数据场中心将始终投影到观察平面上投影圆的圆心，从而也保证了观察者从任意角度对数据场进行观察时，最终投影形成的三维图像将始终围绕数据场中心点旋转。4.体绘制技术原理4.体绘制技术B.抛雪球算法（Splatting）又称为溅射算法。抛雪球算法是反复对体素进行运算。它用一个称为足迹（Footprint）的函数计算每一体素投影的影响范围，用高斯函数定义强度分布（中心强度大，周边强度小），从而计算出其对图像的总体贡献，并加以合成，形成最后的图像。由于这个方法模仿了雪球被抛到墙壁上所留下的一个扩散状痕迹的现象，因而得名“抛雪球法”。因为抛雪球算法是“以物体空间为序”的体绘制算法，所以它的优点就是能按照体数据存储顺序来存取对象，同时只有与图像相关的体素才被投射和显示，这样可以大大减少体数据的存取数量，而且算法适合并行操作。4.体绘制技术足迹(footprint)又称为源权重函数（sourceweightfunction），是描述表面源的空间分布和