三维医学可视化体系分析范文

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1系统的体系结构

系统的数据输入共有两种来源一是通过网络光盘磁带等直接输入的CTMRI多断层原始数据二是BMP或TIF图象文件这些文件是通过扫描仪或数字化仪得到的原始CT或MRI片子的图象文件一般系统得到的CT或MRI数据都是一组图象序列这些图象序列会在切片照相过程中因位移旋转比例变化等因素而存在一定程度形变的可能因此需对图象进行噪声消除几何矫正定位点检测和配准使得图象中的象素点与它们实际的位置一致,这样输入的断层图象才能加以使用校正配准后的图象序列经过压缩可以存入计算机中对每一幅经配准与校正后的图象进行交互式人工分割或半自动分割分离出图象中的兴趣区并对这些区域进行边缘提取并生成矢量化的轮廓线然后对这些轮廓线进行拼接利用这些轮廓线重建出物体的表面通过重建获得的三维体数据系统可以完成三维图形的绘制轴切面显示三维空间切面显示透视显示等功能以上的轮廓线和重建获得的三维体数据经压缩后均可以存入计算机中。

2系统的实现

三维医学可视化系统直接应用了计算机图形图象技术的最新成果采用Windows98或WindowsNT3D加速卡和OpenGL三维图形库作为解决方案实现了三维图形的绘制以及旋转平移改变视角放大缩小表面半透明和网格显示等显示方式并提供了多种可视化理解手段。

2.1系统的实现原理

通过对CT机或MRI成象数据的直接解码或通过TWAIN接口从扫描仪获得影象数据生成DIB图象对输入计算机的图象进行直方图调整卷积滤波后开始图象配准对于含有定位标识点的断层图象可以利用这些点信息来进行定位典型的定位器几何结构共有9根定位棒其中有3根是对角定位棒在断层图象中表现为9个标识点由于这些标识点在三维空间中的坐标是已知的利用这些信息不难求出每个断层图象到三维空间的变换矩阵通过该线性映射关系就可以将所有断层图象在三维坐标空间中配准配准后的图象可以用来提取组织形态信息由用户先选定目标组织的边缘任一点然后按二值图法进行轮廓的自动搜索采用左手触摸跟踪法的修正方法对图象进行轮廓跟踪将图象边界线用链码加以表示对于不同组织相互连接或相距较近时产生的相互纠缠的轮廓线或灰度落差较大产生的中断与扭曲的轮廓线采用人机对话的方式进行分离断层图象在三维空间的z方向的分辨率较低为此需要对各层与层之间的断层图象进行插值补充出若干层新的三维数据对于相邻层间距不太大的情况采用线性插值算法当体部扫描的层间距较大时采用高阶插值样条函数插值算法从而达到良好的效果在三维重建方面系统提供了基于体元和基于表面的两种重建方式基于表面的重建采用了Lorensen等人提出的"MarchingCube"算法这是一种基于体素的表面重建方法该方法先确定一个表面阈值计算每一体素内的梯度值并与表面阈值进行比较判断找出那些含有表面的立方体再利用插值的方法求出这些表面基于体元的重建采用了光线跟踪算法其实质是在给定视点视线方向的条件下有效地估计每一个象素的光亮度从每一体素出发根据设定的方向反射一条光线对该射线通过的象素沿深度方向进行光亮度积分依据光照模型求出各采样点的光亮度值从而得到三维数据图象。完成三维重建后通过OpenGL库可以将数据以三维的方式显示出来并产生旋转移动等效果用户可以在三维数据体上以任意角度进行观察并可以对三维体任意角度进行切割观察剖面情况对切割后剖面中的数据空洞采用三线性插值的方法进行填充在三维数据体的基础上系统还可以完成数字化重建放射透视图象(DigitallyReconstructedRadiographs-DRR)DRR可实现对患者在任意空间角度下的透视模拟由于DRR是模拟常规放射透视图象成象过程图象是由射线在透射体中沿其路径衰减后形成的"叠加"结果所以系统利用辐射线模拟跟踪算法以及对不同组织器官密度采用加窗处理来获得了解剖组织的多层次形态图象图34分别显示了系统的三维重建和DRR效果图为了有效地存储上述的断层序列图象和生成的三维体数据以及适应网络传输的要求需要对数据进行压缩系统利用三维小波变换的思想根据人眼的视觉特性来达到数据压缩存储的目的对断层序列图象和生成的三维体数据多幅成组图象进行三维小波变换后对低频子带采取不带量化器的无失真差值脉冲预测编码对高频进行量化最后对变换系数进行熵编码应用在网络系统中需要对这些数据进行传输。

2.2系统的特点与应用

三维医学可视化系统行之有效地完成对人体器官软组织和病变体的三维重建和三维显示为医生的医疗诊断提供了辅助工具系统的主要特点与应用如下：

(1)提供了器官和组织的三维结构信息并可以从任意角度观察人体结构从而提供给医生病变体确切的空间位置大小几何形状以及与周围生物组织之间的空间关系等信息协助医生正确诊断出病变范围位置及程度。

(2)作为医学研究和教学的工具能在外科手术的计划和模拟中发挥很大作用让医生在虚拟环境中参予对人体三维影象的操作和改造活动进行手术规划和手术过程模拟比较不同的手术方案和结果以帮助制定出最佳手术方案和提高手术的安全性。

(3)放射治疗计划的制定也是三维医学可视化系统的一个重要应用领域通过三维密度场可以计算得到三维剂量场使计划设计者定量把握剂量场空间在患者体内的分布情况从而使得在靶区获得均匀的剂量分布同时最大限度地减少正常组织和要害的受量。

(4)根据三维重建所得到的几何描述对用计算机辅助制造系统设计与制造人体的假肢都有很大的意义。

3结束语

三维医学可视化是近年来计算机图形学和图象处理技术研究和应用的重要方面我们开发的三维医学可视化系统通过实际投入使用和北京医疗器械所的医疗设备相结合在计算机上对医学图象数据进行各种处理达到一般成象设备所不能完成的许多功能为医生在诊断治疗方面提供了有力的工具。