時(shí)間：2023-09-24 10:50:29
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核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備如單光子斷層掃描儀(Single Positron Emission Compute Tomography，SPECT)、正電子發(fā)射斷層掃描儀(Positron Emission Tomo-graphy，PET)融合了當(dāng)今最高層次的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，是目前醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的極為先進(jìn)的大型醫(yī)療診斷成像設(shè)備，在腫瘤學(xué)、心血管疾病學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病學(xué)研究中，以及新醫(yī)藥學(xué)開發(fā)研究等領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出它卓越的性能。隨著核醫(yī)學(xué)斷層影像設(shè)備的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像重建方法作為該類設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其研究工作越來越受到人們的重視。本文概述了傳統(tǒng)的圖像重建方法，并詳細(xì)介紹了一種具有較高圖像質(zhì)量和較短計(jì)算時(shí)間的重建算法—有序子集最大期望值方法(Ord-ered Subsets Expectation Maximization，OSEM)在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中的應(yīng)用。
二、傳統(tǒng)的圖像重建方法
在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中，需要根據(jù)物體某一層面在不同探測(cè)器上檢測(cè)到的投影值來重建該斷層圖像層面，即二維圖像重建。傳統(tǒng)的圖像重建方法主要分為解析法和迭代法。
解析法是以中心切片定理(Central Slice Theorem)為理論基礎(chǔ)的求逆過程。常用的一種解析法稱為濾波反投影法(Filtered Back-Projection，F(xiàn)BP)。FBP法首先在頻率空間對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再將濾波后的投影數(shù)據(jù)反投影得到重建斷層圖像。濾波器選為斜坡函數(shù)和某一窗函數(shù)的乘積，窗函數(shù)用于控制噪聲，其形狀權(quán)衡著統(tǒng)計(jì)噪聲和空間分辨。常用的窗函數(shù)有Hanning窗，Hamming窗，Butterworth窗以及Shepp-Logan窗。
解析法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，可用于臨床實(shí)時(shí)斷層重建。但當(dāng)測(cè)量噪聲較大或采樣不充分時(shí)，這類算法的成像效果不甚理想，尤其是在核醫(yī)學(xué)斷層圖像重建中對(duì)小尺寸源的成像效果差(即所謂偏體積效應(yīng))。在濾波中如果對(duì)高頻信號(hào)不做抑制，截止頻率高，此時(shí)空間分辨最好，但所重建的圖像不平滑，易產(chǎn)生振蕩和高頻偽影; 反之，采用較低截止頻率，過多壓抑高頻成分的低通窗函數(shù)會(huì)造成重建圖像的模糊，故在變換法中低噪聲和高分辨對(duì)濾波器的要求是矛盾的，需折衷選擇。且難以在重建中引入各種校正和約束，如衰減校正等。
迭代法是從一個(gè)假設(shè)的初始圖像出發(fā)，采用迭代的方法，將理論投影值同實(shí)測(cè)投影值進(jìn)行比較，在某種最優(yōu)化準(zhǔn)則指導(dǎo)下尋找最優(yōu)解。迭代求解方法的基本過程是:
(1) 假定一初始圖像f(0);
(2) 計(jì)算該圖像投影d;
(3) 同測(cè)量投影值d對(duì)比;
(4) 計(jì)算校正系數(shù)并更新f值;
(5) 滿足停步規(guī)則時(shí)，迭代中止;
(6) 由新的f作為f(0)從(2)重新開始。
該方法最大優(yōu)點(diǎn)之一是可以根據(jù)具體成像條件引入與空間幾何有關(guān)的或與測(cè)量值大小有關(guān)的約束和條件因子，如可進(jìn)行對(duì)空間分辨不均勻性的校正、散射衰減校正、物體幾何形狀約束、平滑性約束等控制迭代的操作。其中實(shí)現(xiàn)對(duì)比的方法有多種，施加校正系數(shù)的方法也有多種。在某些場(chǎng)合下，比如在相對(duì)欠采樣、低計(jì)數(shù)的核醫(yī)學(xué)成像中可發(fā)揮其高分辨的優(yōu)勢(shì)。但是迭代法收斂速度慢，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)算量大，而且重建圖像會(huì)隨著迭代次數(shù)的增加而趨于“老化”甚至發(fā)散，出現(xiàn)高頻偽影，這些缺點(diǎn)極大地限制了它在臨床中的應(yīng)用。
三、OSEM迭代算法
為了加快收斂速度，減少運(yùn)算時(shí)間，提高圖像質(zhì)量，人們提出了很多快速算法，其中有序子集最大期望值法是很有應(yīng)用前景的一種快速迭代重建算法，它是在最大似然期望法(Maximum Like-lihood Expectationmaximization，MLEM)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
MLEM方法旨在尋找與測(cè)量的投影數(shù)據(jù)具有最大似然性(ML)的估計(jì)解，其迭代過程是由最大期望值算法(EM)來實(shí)現(xiàn)的。由于是以統(tǒng)計(jì)規(guī)律為基礎(chǔ)，MLEM重建法具有很好的抗噪聲能力，是目前公認(rèn)為最優(yōu)秀的迭代重建算法之一，尤其是在處理統(tǒng)計(jì)性差的數(shù)據(jù)時(shí)，更能顯示出它相對(duì)于解析法的優(yōu)越性，但是這種方法仍然存在迭代法的運(yùn)算量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。MLEM方法在每一次迭代過程中，使用所有的投影數(shù)據(jù)對(duì)重建圖像每一個(gè)象素點(diǎn)的值進(jìn)行校正，重建圖像只被替換一次。 轉(zhuǎn)貼于
OSEM方法在每一次迭代過程中將投影數(shù)據(jù)分成N個(gè)子集，每一個(gè)子集對(duì)重建圖像各象素點(diǎn)值校正以后，重建圖像便被更新一次，所有的子集運(yùn)算一遍，稱為一次迭代過程，它所需要的運(yùn)算時(shí)間與FBP重建的時(shí)間基本相等。在ML-EM方法一次迭代過程中，重建圖像被更新一次，而在OSEM方法中重建圖像被更新N次，所以O(shè)SEM方法具有加快收斂的作用。OSEM算法中子集的選取和劃分有很多種，在SPECT中投影數(shù)據(jù)可以根據(jù)每個(gè)采樣角度實(shí)時(shí)地進(jìn)行劃分和重建，在PET中由于各個(gè)探測(cè)器上測(cè)得的投影數(shù)據(jù)是在符合判選之后同時(shí)獲得的，因此可以在全部投影數(shù)據(jù)采集完成之后劃分子集。不同子集的重建順序也可以有選擇的進(jìn)行，如可將兩個(gè)位于相對(duì)垂直的角度上的子集按相鄰順序進(jìn)行重建，以加快收斂速度。
四、數(shù)據(jù)模擬與臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果
分別采用FBP法、MLEM法和OSEM法對(duì)仿真模型和臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。仿真模型類似Jaszczak模型，在64×64的 Phantom切片中間的圓形區(qū)域上分布著大小不等、呈指數(shù)衰減的點(diǎn)狀源。選取觀測(cè)角度個(gè)數(shù)為32，探測(cè)器單元(Bin)的個(gè)數(shù)為64，模擬實(shí)際投影矩陣，投影數(shù)據(jù)符合泊松隨機(jī)分布。臨床PET的Transmission投影數(shù)據(jù)由美國(guó)密西根大學(xué)J.Fessler教授提供，觀測(cè)角度為192個(gè)，探測(cè)器Bin個(gè)數(shù)為160，PET為CTI ECAT EXACT。圖1為采用不同方法對(duì)臨床(人體模型)投影數(shù)據(jù)的重建結(jié)果，其中FBP法選用的濾波器為But-terworth濾波，陡度因子N=2，截止頻率為0.2，OSEM法為N =16一次迭代重建結(jié)果; 圖2為不同子集劃分情況下一次迭代 重建結(jié)果; 圖3為不同子集劃分情況下經(jīng)過適當(dāng)?shù)螖?shù)的重建結(jié)果。
關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像重建 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2014.17.027
1 引言
醫(yī)學(xué)圖像重建課程主要講解醫(yī)學(xué)成像與分析系統(tǒng)中的現(xiàn)代圖像重建技術(shù)，內(nèi)容包括圖像重建解析算法和迭代算法以及這些算法在XCT（X-Ray Computed Tomography）、SPECT（Single Photon Emission Computed Tomography）及MRI（Magnetic Resonance Imaging）等醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。掌握現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)圖像重建技術(shù)，并基于此研究速度快精度高的新型醫(yī)學(xué)圖像重建技術(shù)將大大促進(jìn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。醫(yī)學(xué)圖像重建課程要求學(xué)生具有基礎(chǔ)物理、數(shù)學(xué)、線性系統(tǒng)、電子電路方面的基礎(chǔ)知識(shí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像的物理原理、成像理論以及應(yīng)用等，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、涉及多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)科。對(duì)于本科生來講，通過這門課程的學(xué)習(xí)不僅僅需要獲得堅(jiān)實(shí)的理論知識(shí)，還需要從實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中更好的理解知識(shí)，掌握更加先進(jìn)有用的科研技術(shù)。醫(yī)學(xué)圖像重建課程專業(yè)性強(qiáng)，綜合性高，并且理論和實(shí)踐緊密結(jié)合。目前大多院校主要開設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，教學(xué)重點(diǎn)在于利用圖像處理方法對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理與分析;而醫(yī)學(xué)圖像重建屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，課程教學(xué)重點(diǎn)在于如何利用算法處理醫(yī)學(xué)影像設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)從而得到醫(yī)學(xué)圖像，針對(duì)本科生開設(shè)該課程的院校不多。而開展該課程教學(xué)工作的院校主要限于理論教學(xué)，并且由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏，實(shí)驗(yàn)條件不成熟等因素影響，極少涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對(duì)該課程內(nèi)容的掌握情況并不十分理想。目前，公開文獻(xiàn)主要針對(duì)醫(yī)學(xué)影像成像課程的教學(xué)研究及教學(xué)改革，尚沒有針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像重建課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究論文公開。筆者結(jié)合本校該課程的教學(xué)情況，展開一些該課程基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)研究，以全面培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。
2 基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了讓學(xué)生掌握本課程設(shè)計(jì)的成像理論以及成像算法，基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)分為三大部分，分別為XCT圖像重建仿真實(shí)驗(yàn)，SPECT圖像重建仿真實(shí)驗(yàn)和MRI圖像重建仿真實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)為XCT圖像重建仿真實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，并選取合適的重建算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。以XCT圖像重建仿真實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生2人1組，首先利用Matlab軟件產(chǎn)生平行束XCT的360度投影數(shù)據(jù);再編寫解析重建算法――濾波反投影算法和迭代重建算法――代數(shù)迭代重建算法函數(shù)程序代碼;并將仿真的投影數(shù)據(jù)作為編寫號(hào)的函數(shù)的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行重建，輸出重建后的斷層圖像;最后將重建后的斷層圖像與理論圖像相比較，分析重建算法的性能。對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，可自主選擇課本上的其他算法進(jìn)行圖像重建與結(jié)果分析。通過基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以深入了解醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的成像原理與成像過程，掌握?qǐng)D像重建算法，并學(xué)會(huì)分析比較不同算法的重建性能，真正掌握課程中的醫(yī)學(xué)圖像重建理論。
3 應(yīng)用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
醫(yī)學(xué)圖像重建是一門理論與實(shí)踐密切結(jié)合的綜合性課程，在掌握各種重建方法的同時(shí)并將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像重建是學(xué)習(xí)本課程的最終目標(biāo)。在課程理論教學(xué)以及基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生用學(xué)到的知識(shí)解決實(shí)際問題。筆者所在學(xué)校的生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院定位為研究型學(xué)院，搭建了適用于小動(dòng)物成像的微型XCT硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了與之配套的圖像采集與圖像重建軟件平臺(tái)。該微型XCT硬件系統(tǒng)中的X光管和X探測(cè)器固定，將成像對(duì)象固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過電動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)行多角度投影數(shù)據(jù)采集。筆者基于課題組的科研背景以及學(xué)院軟硬件條件，設(shè)計(jì)了小鼠XCT成像以及基于XCT圖像的小鼠主要器官分割應(yīng)用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生4人1組，首先準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料，即麻醉小鼠并尾靜脈注射CT造影劑，熟悉微型XCT硬件系統(tǒng)的構(gòu)成以及性能指標(biāo)并開啟成像軟件和硬件系統(tǒng);采用由8個(gè)鋼珠構(gòu)成的仿體對(duì)微型XCT系統(tǒng)進(jìn)行幾何校正，消除轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差以保證成像精度;幾何校正完成后，將小鼠固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，以1度為間隔，旋轉(zhuǎn)360度，采集360幅投影圖像;利用軟件平臺(tái)在服務(wù)器上對(duì)投影圖像進(jìn)行重建，得到小鼠的斷層圖像和三維結(jié)構(gòu);基于小鼠的斷層圖像，利用Amira軟件，采用人機(jī)交互方法進(jìn)行小鼠主要器官分割。通過應(yīng)用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親自操作微型XCT成像系統(tǒng)，并對(duì)采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。經(jīng)過該實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生能夠熟練掌握微型XCT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的工作過程以及數(shù)據(jù)處理流程，對(duì)微型XCT成像及其應(yīng)用有了系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)，鍛煉了動(dòng)手操作能力。
4 結(jié)論
本文結(jié)合筆者教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)，基于學(xué)院科研條件，以提高醫(yī)學(xué)圖像重建課程教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，針對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提出一些改革措施。本課程以有代表性的重建理論和有典型性的應(yīng)用實(shí)踐作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合“課堂理論指導(dǎo)、計(jì)算機(jī)仿真鞏固以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)提高”三個(gè)層次的教學(xué)手段，鞏固學(xué)生的圖像重建理論基礎(chǔ)，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，提升學(xué)生的綜合知識(shí)水平，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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Abstract: 3D image reconstruction is an attractive field generally in digital image processing techniques, especially in medical imaging. The design and implementation of a 3D medical image reconstruction system VascuView, which can be used to build 3D images from 2D image slice files produced by CT and MRI devices, is introduced. The volume rendering, surface rendering and Multi-Planar rendering are implemented and lots of the 3D operations such as coloring of 3D image based on CLUT can be performed with this software.
關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像處理；3D圖像重建；VTK；ITK
Key words: medical image processing；3D image reconstruction；VTK；ITK
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2011）24-0161-02
0引言
計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）、核磁共振成像（MRI）和3D-4D超聲波立體影像診斷等3D醫(yī)學(xué)成像診斷設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。這類設(shè)備通常使用切片掃描技術(shù)，將所得到的數(shù)碼切片圖像系列以DICOM文件格式保存起來，并據(jù)之還原為3D圖像。這些設(shè)備所生成的數(shù)碼圖像數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出并存放到其他存儲(chǔ)設(shè)備如計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)硬盤中，供醫(yī)生和研究人員采用醫(yī)學(xué)圖像軟件重建其3D圖像進(jìn)行瀏覽和分析。
醫(yī)學(xué)3D圖像重建技術(shù)是計(jì)算機(jī)可視化領(lǐng)域的一部分，它使用2D切片圖像系列來重建三維圖像，這些2D切片圖像系列可由不同種類的醫(yī)學(xué)掃描設(shè)備生成，并以DICOM文件格式存放其圖像和各種參數(shù)。不同類型的設(shè)備有其不同的掃描采樣參數(shù)，如CT通常使用高對(duì)比度平行掃描切片，MRI使用低對(duì)比度平行掃描切片，而超聲波掃描儀一般使用低對(duì)比度的平行或散射切片。一般來說，醫(yī)學(xué)3D圖像重建的基本步驟如下：
第一步：將2D切片圖像系列（以DICOM格式存放的一組文件）讀入內(nèi)存并還原其位置和排列順序，組成數(shù)據(jù)體；
第二步：使用某種繪制技術(shù)將數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為3D圖像。
通常用于醫(yī)學(xué)圖像的繪制技術(shù)有多平面繪制（MPR，Multi-Planar Rendering），表面繪制（SR，Surface Rendering）和體繪制（VR，Volume Rendering）等。我們開發(fā)的VascuView3D就是一個(gè)3D醫(yī)學(xué)圖像重建系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于將CT和MRI等設(shè)備生成的2D病患切片圖像系列轉(zhuǎn)換成3D圖像。VascuView3D同時(shí)集成了體繪制、表面繪制和多平面繪制等3D視圖。
1幾種主要繪制技術(shù)
1.1 多平面繪制MPR技術(shù)多平面繪制技術(shù)用于切片結(jié)構(gòu)重建，即根據(jù)垂直軸向掃描的切片系列重建出冠狀軸向平面投影和矢狀軸向平面投影。實(shí)際上，VascuView3D所使用的MPR算法并不局限于重構(gòu)正交方向上的投影，也可以用于重構(gòu)出三維空間上任意平面方向上的投影圖像。MPR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小，因此可用于配置較低的計(jì)算機(jī)。
1.2 表面繪制SR技術(shù)表面繪制技術(shù)是用一組等值面來表現(xiàn)3D對(duì)象。在各切片上，同一等值面中各點(diǎn)的密度相同。表面繪制技術(shù)用于將一種組織和其他組織區(qū)分開來，如從頭部的切片系列中分離骨頭和肌肉，或者從肌肉組織中分離血管等。表面繪制技術(shù)通常用于高對(duì)比度數(shù)據(jù)。
在表面繪制技術(shù)中，有兩種主要的等值面重建方法：
①基于輪廓的表面繪制：使用從各切片中提取的等值面閾值來重建等值面；
②基于體素的重建：直接從標(biāo)明等值面閾值的體素來重建等值面。在這類算法中，最好的是移動(dòng)立方體算法，其他類似的算法還有移動(dòng)四面體算法和分割立方體算法。
在VascuView3D提供的表面繪制算法中，用戶可以提供一個(gè)等高值以得到更好的繪制效果。
1.3 體繪制VR技術(shù)體繪制技術(shù)使用穿過對(duì)象體的投影光束來實(shí)現(xiàn)對(duì)象體的透明化。沿著每一根光束，對(duì)每個(gè)體素計(jì)算其透明度和顏色，然后再根據(jù)沿各光束計(jì)算出的數(shù)據(jù)重整為圖像平面上的像素。體繪制技術(shù)所產(chǎn)生的圖像是半透明的立體灰度圖像，也可以根據(jù)不同的需要對(duì)其進(jìn)行著色處理。這種3D圖像對(duì)理解對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)非常有用，是醫(yī)學(xué)3D圖像軟件中最重要的界面視圖。體繪制技術(shù)的缺點(diǎn)是計(jì)算工作量很大，如果用戶的計(jì)算機(jī)配置較低，則響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，它可用于低對(duì)比度數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)體繪制技術(shù)時(shí)，主要用到下面兩種射線投影方法：
①對(duì)象順序法：投影光束從對(duì)象體的后方向前投射（從對(duì)象體到圖像平面）；
②圖像順序或光線投射法：投影光束從前方向后穿過對(duì)象體（從圖像平面到對(duì)象體）。
此外還有一些其他方法可用于3D圖像合成，在醫(yī)學(xué)圖像處理中常用的有：最大密度投影、最小密度投影，α合成和非實(shí)感體繪制等。在實(shí)際的三維圖像軟件中，這些方法通常都和以上各種繪制技術(shù)結(jié)合起來使用。
在VascuView3D中，同時(shí)提供了MPR、VR和SR三種不同的繪制界面供用戶選擇，在不同的繪制界面中，還提供了相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整手段，以達(dá)到最好的顯示效果。
2由平行切片系列重建3D圖像
平行切片數(shù)據(jù)系列可由計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）或核磁共振（MPR）等設(shè)備生成，并以DICOM文件系列的方式存儲(chǔ)。除了2D圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)外，存放于DICOM文件中的還有關(guān)于患者和設(shè)備的有關(guān)信息，以及各種掃描參數(shù)。
平行切片設(shè)備所使用的掃描間距通常在0.5到2.0毫米之間。從CT數(shù)據(jù)重建3D圖像比較容易，這是因?yàn)镃T采用高對(duì)比度掃描。在使用上節(jié)所述的各種繪制方法得到3D圖像之前，首先應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中按原來的順序和位置排列好平行切片來組成數(shù)據(jù)體。由于數(shù)據(jù)量很大，所以對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量的要求比較高。
3VascuView3D系統(tǒng)的開發(fā)
3D醫(yī)學(xué)圖像重建系統(tǒng)VascuVeiw3D是VascuBase醫(yī)學(xué)信息管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，用于從病患醫(yī)療檔案中存放的CT和MPR圖像系列文件中重建其3D圖像，供醫(yī)生和研究人員分析使用。VascuView3D使用Visual C++.NET開發(fā)，并使用了可視化工具包VTK（Visualization Toolkit）和ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）中提供的各種3D算法。
3.1 VTKVTK是一個(gè)廣泛應(yīng)用于3D計(jì)算機(jī)圖形圖像處理和可視化編程的開源軟件包。它由一組C++類庫和幾種交互式界面接口如Tcl/Tk、Java以及Python組成。VTK支持各種可視化算法，包括標(biāo)量的、矢量的、張量的研究面向容積的算法；支持高級(jí)模型算法如：隱式模型、多邊形裁剪、網(wǎng)格平滑、分割、等值面，以及德洛內(nèi)三角（Delaunay Triangulation）算法等。VTK有一個(gè)內(nèi)容豐富的信息可視化框架，有一整套3D交互組件，支持并行處理。VTK可運(yùn)行于多種操作系統(tǒng)平臺(tái)上，如Windows、Linux、Unix及Mac。
3.2 ITKITK是一個(gè)多平臺(tái)的圖像分析工具的開源軟件包，具有強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)圖像分割和配準(zhǔn)功能，包括許多高水平的多維圖像分析算法，如用于等值面提取的移動(dòng)立方體算法。ITK軟件并不提供對(duì)圖像界面的直接支持，因此需要和VTK等可視化軟件結(jié)合使用。ITK還包含了對(duì)DICOM文件的讀取功能，這對(duì)提取存放于DICOM文件頭中的各種參數(shù)非常有用。
3.3 VasucView3D軟件結(jié)構(gòu)圖1說明了VascuView3D系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。作為醫(yī)學(xué)信息管理系統(tǒng)VascuBase的一個(gè)組件，VascuView3D被設(shè)計(jì)成內(nèi)嵌于VascuBase用戶界面的一個(gè)OCX控件。
3.4 VascuVeiw3D軟件界面設(shè)計(jì)VascuVeiw3D的主界面類似某些商業(yè)醫(yī)學(xué)軟件系統(tǒng)，見圖2。左面是2D切片系列瀏覽窗口，右面用于顯示重建的3D圖像。在3D窗口上方有一個(gè)工具條，整合了若干常用功能按鈕。VascuView3D還提供了豐富的菜單功能以方便用戶。
3.5 VascuView3D的主要類結(jié)構(gòu)
VascuView3D的主要類有：
clsDicomIOclsImageFileReaderclsImageSeriesReaderclsItkVtkData
clsMetaDataDictionary clsMetaDataObject
clsCastImageFilter；clsExtractImageFilter；clsFlipImageFilter；
clsRescaleIntensityImageFilter
vtkMFCWindow clsVascuView
其中Filter類的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.6 VascuView3D的主要功能
VascuView3D的主要功能如下：
①讀入2D切片序列文件，從中提取DICOM信息并構(gòu)造對(duì)象數(shù)據(jù)體；
②選用合適的算法重建3D圖像，可提供體繪制（VR）、表面繪制（SR）和多平面繪制（MPR）等視圖；
③用戶可通過系統(tǒng)界面對(duì)生成的3D圖像進(jìn)行各種操作，如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、調(diào)整對(duì)比度和亮度，以及感興趣區(qū)操作；
④對(duì)于體繪制視圖，還提供了基于顏色對(duì)照表CULT（Color look-up table）的3D圖像著色。CLUT是一種將一給定的顏色范圍轉(zhuǎn)換為另一組顏色的轉(zhuǎn)換機(jī)制，可用于對(duì)三維灰度圖像的仿真著色或偽彩色著色，以提高圖像辨識(shí)率；
⑤對(duì)于表面繪制，可根據(jù)用戶給定的輪廓值進(jìn)行繪制。
4結(jié)論
3D醫(yī)學(xué)圖像重建軟件VascuView3D用于根據(jù)CT或MRI輸出的2D醫(yī)學(xué)切片圖像文件重建其三維圖像，供醫(yī)生和研究人員使用。該系統(tǒng)建立在VTK和ITK之上，使用Visual C++編程。該軟件是醫(yī)學(xué)信息管理系統(tǒng)VascuBase的一個(gè)重要組成部分，擁有令人滿意的三維圖像重建速度和方便的用戶界面。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：三維重建；VTK；體繪制
中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)07-1592-03
A Method of Medical Image 3D Reconstruction Using VTK
HU Heng-wu1, ZHANG Jun-lan1, LI Min2
(1.School of Information Engineering, Guangdong Medical College , Dongguan 523808, China; 2.Center of Network and Information, University of South China , Hengyang 421000, China)
Abstract: With the advanced technology in recent years, the increasing demand for an effective medical imaging system, especially the three-dimensional medical image reconstruction, has addressed its significance in diagnosis. None of the existing software show efficiency in terms of cost and computational performance. Owing to this fact, a method of 3D reconstruction using VTK has been discussed in this paper, which has been achieved through a series of processes including DICOM source data, gray interpolations, ray casting and volume rendering. The method shows its future utilities in CT, MRI and Ultrasound image volume rendering, and provides a more informative view in order to assist the medical worker.
Key words: 3D reconstruction ; VTK; volume rendering
隨著當(dāng)前健康醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)診斷的要求也越來越高。特別是用于醫(yī)療的CT、MRI及其他大型設(shè)備[1~3]，以它們生成的圖像進(jìn)行處理為基礎(chǔ)的診斷技術(shù)的快速發(fā)展，從X光成像的傳統(tǒng)二維圖像到三維圖像處理技術(shù)。由美國(guó)放射學(xué)會(huì)(American College of Radiology, ACR)和美國(guó)電子制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufactures Association, NEMA)提出了醫(yī)學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)DICOM3.0[4]，解決了不同圖像生成設(shè)備給圖像轉(zhuǎn)換所帶來的障礙和困難，用標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行了規(guī)范化。
當(dāng)前，許多大型醫(yī)院把DICOM圖像嵌入到三維重建軟件，近似于一種大型圖像處理工作站。這種工作站的一個(gè)主要缺點(diǎn)是消耗大量計(jì)算資源，需要高性能硬件來完成任務(wù)。通常，建這種工作站的成本很高，小型醫(yī)院沒有實(shí)力搭建。顯然，這種軟件在成本上是不可行的，并且僅僅開發(fā)此軟件的公司才可以實(shí)施維護(hù)，這就帶來了諸多困難和不便。因此，更小且有效的DICOM標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)圖像重建系統(tǒng)的開發(fā)有利于克服上述提到的限制[5]，與此同時(shí)，小型醫(yī)院也能擁有自己的三維重建系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠增強(qiáng)診斷的準(zhǔn)確性，為病人提供更加可靠的治療。
1方法
1.1 DICOM資源
DICOM專用于醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信。DICOM標(biāo)準(zhǔn)由ACR和NEMA聯(lián)合，DICOM超聲數(shù)據(jù)的多個(gè)幀被用于體繪制三維重建。收集到的DICOM文件以8字節(jié)方式存儲(chǔ)，其灰度值范圍是0~255。可存儲(chǔ)的最大幀數(shù)是256幀，如圖1所示。
1.2體繪制
在圖像預(yù)處理中，用于體繪制的源數(shù)據(jù)是DICOM格式的[6]，體繪制的基本流程（如圖2所示），比面繪制更加難實(shí)施。其主要的難點(diǎn)是如何為圖像體素的不同灰度值設(shè)置不同的透明度和顏色值。VTK使用類vtkPiecewiseFunction設(shè)置透明度值。這種方法僅需要對(duì)透明度的離散灰度值進(jìn)行少許設(shè)置，其值在灰度值范圍內(nèi)連續(xù)地變換。但是，想知道不同結(jié)構(gòu)的灰度值是件不容易的事，這就要求我們用反復(fù)的嘗試和錯(cuò)誤來找到合適的灰度值范圍。
使用類vtkColorTransferFunction設(shè)置顏色值，實(shí)際上是提供一個(gè)灰度值給map的GRB值。用它來添加不同灰度值給體素，為的是增強(qiáng)可視效果。VTK用類vtkVolumeRayCastFunction實(shí)現(xiàn)體繪制，它包含三個(gè)子類：vtkVolumeRayCastMIPFunction，vtkVolumeRayCastCompositeFunction，vtkVolumeRayCastIsosurFunction。圖2 VTK三維體繪制流程
1.2.1體素
體素是三維中的基本單元，它是由兩張鄰近切片的各四個(gè)點(diǎn)組成的一個(gè)立方體[7]。在體素上依次定義了8個(gè)不同點(diǎn)；體素在坐標(biāo)軸的每一邊都有一個(gè)六面形狀，如圖3所示。圖3體素結(jié)構(gòu)
1.2.2圖像插值
通常，來源于醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備生成的圖像數(shù)據(jù)總是含有空間上的間隔，這種間隔比像素間的間隙還要大的多。例如，CT切片的圖層內(nèi)像距一般為0.5~2mm，而空間距離則達(dá)到1~15mm。因此，當(dāng)我們做三維重建時(shí)，需要用圖層間的插值生成新的切片層。當(dāng)前的超聲圖像，間隔值設(shè)置為3.57mm。
插值方法主要分成兩類：一類是基于圖像灰度值插值法，例如鄰近、線性[8]和曲線插值法[9]等；另一類是基于匹配（拼接）插值法。這些方法實(shí)際上都是針對(duì)間隔而設(shè)計(jì)的?；诨叶炔逯档膱D像插值法是最普通也是最簡(jiǎn)單的插值法。
1.2.3灰度插值法
灰度插值法是在原斷層圖像序列中插入一定數(shù)量的缺失切片圖像[10]?，F(xiàn)有插值法主要是灰度鄰近插值法、線性插值法和高次非線性插值法。線性插值常常被假定為Z軸方向的兩鄰接域線性變換的灰度值，相當(dāng)于估算相應(yīng)點(diǎn)的新的間隔灰度值，其值的確定需要數(shù)個(gè)灰度層相應(yīng)點(diǎn)的信息。
假定在已知斷層圖像V()
2結(jié)果
二維圖像依賴于感興趣區(qū)域的物理特征。但是，對(duì)于多數(shù)現(xiàn)存的醫(yī)學(xué)圖像成像系統(tǒng)而言，直接生成最佳空間定位的二維圖像非常困難。這是因?yàn)槲恢煤蛼呙瓒ㄏ蛉Q于本身的結(jié)構(gòu)及其它的物理限制。因此，三維圖像處理在診斷應(yīng)用中具有較高的價(jià)值。
圖4 a為未經(jīng)插值的體繪制結(jié)果，b為調(diào)整參數(shù)的體繪制結(jié)果
圖4a顯示了未經(jīng)插值的三維體繪制結(jié)果。顯而易見，重建結(jié)果比較粗糙，尤其是在Z軸方向的像素。在這種情況下，感興趣的頸動(dòng)脈從三維模型中很難分辨。但是，用vtkOpacityTransferFunction和vtkColorTransferFunction適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，改善體繪制算法，頸動(dòng)脈的內(nèi)部區(qū)域都能清晰可辨，如圖4b所示。
3結(jié)束語
該文提出了一種基于VTK的三維重建體繪制方法。這種方法適用于CT、MRI或超聲圖像的多種器官組織重建，有利于立體觀察損害和正常的器官組織，對(duì)于實(shí)際臨床應(yīng)用具有重要意義。
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【關(guān)鍵詞】 解剖學(xué)
Comparison between images of threedimensional reconstruction of digital virtual pancreas and traditional profiles of anatomy
【Abstract】 AIM: To compare the images of the threedimensional reconstruction of the pancreas with profiles of the traditional teaching materials so as to provide more precise anatomical data for surgery and anatomical study. METHODS: Threedimensional reconstruction images of the pancreas based on the Virtual Chinese HumanF1 were used and compared with the traditional anatomical profiles. RESULTS: There were some distinct differences between the pancreas images of the threedimensional reconstruction and the profiles of traditional teaching materials for anatomy. The threedimensional reconstruction images were more precise and easier to understand. CONCLUSION: Virtual images， more precise in displaying the accurate structure of the human body， is a new approach to anatomical teaching and learning.
【Keywords】 threedimensional reconstruction; virtual image; anatomy
【摘要】 目的： 研究數(shù)字化虛擬胰腺三維重建圖像與傳統(tǒng)解剖學(xué)圖像，試圖為解剖學(xué)和臨床外科提供更為準(zhǔn)確的解剖學(xué)依據(jù)及解剖學(xué)研究方法. 方法： 采用基于虛擬中國(guó)人女性一號(hào)的胰腺三維重建及三維可視化數(shù)字圖像資料，與傳統(tǒng)的解剖學(xué)圖像進(jìn)行對(duì)比分析. 結(jié)果： 三維重建的圖像與傳統(tǒng)解剖學(xué)圖像在某些結(jié)構(gòu)上有明顯的差別，三維重建圖像更為真實(shí)直觀，更加便于學(xué)習(xí)和理解. 結(jié)論： 虛擬重建圖像形象逼真，能真實(shí)還原組織器官結(jié)構(gòu)的本來面貌，是解剖學(xué)研究和學(xué)習(xí)的新途徑.
【關(guān)鍵詞】 三維重建；虛擬圖像；解剖學(xué)
0引言
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展始于對(duì)人尸體的解剖學(xué)研究，傳統(tǒng)的解剖學(xué)是通過對(duì)人尸體的剖切、觀察、測(cè)量，繪圖還原人體結(jié)構(gòu)而來的. 而CT，MRI現(xiàn)代影像技術(shù)的發(fā)展，拓寬了人體器官的觀察與研究，通過電子計(jì)算機(jī)三維重建醫(yī)學(xué)圖像的方法開拓解剖學(xué)研究的新領(lǐng)域［1］. 我們通過比較胰腺三維重建醫(yī)學(xué)圖像與傳統(tǒng)解剖學(xué)圖像，試圖為解剖學(xué)和臨床外科提供更為科學(xué)的解剖學(xué)依據(jù)及解剖學(xué)研究方法.
1材料和方法
1.1材料
數(shù)據(jù)來源與三維圖像重建： 本研究的原始數(shù)據(jù)來源于南方醫(yī)科大學(xué)臨床解剖研究所虛擬中國(guó)人女性一號(hào)（VCHF1）數(shù)據(jù)集［2］. 我們對(duì)經(jīng)過配準(zhǔn)的圖像，采用ACDSee看圖軟件，從邊界明顯的圖像開始，逐張審閱，確定邊界. 然后Photoshop7.0對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，采用套索、鋼筆等圖像處理工具，描繪胰腺及需要重建的組織結(jié)構(gòu)圖像邊界，刪除無關(guān)的圖像要素，存盤，完成一次圖像分割. 為了保證準(zhǔn)確再現(xiàn)胰腺原始構(gòu)像，圖像處理必須從邊界明顯的圖片開始，按圖片序列逐一進(jìn)行分割.
全部圖像分割完畢后，將全部圖像讀入，然后應(yīng)用高斯平滑算法進(jìn)行平滑，接著使用等高面的算法進(jìn)行邊界的提取，分別提取胰腺、十二指腸、膽總管、動(dòng)脈及靜脈系統(tǒng)的表面信息，完成表面信息的提取后，再次使用平滑算法，以確保表面的平滑性. 最后將提取出來的表面信息寫成Visualization Toolkit（VTK）文件. 至此，使用由VC+編寫的GUI程序調(diào)用并顯示這個(gè)VTK文件，就能看到最終的重建結(jié)果（Fig 1）.
1.2方法
根據(jù)專業(yè)研究方向，我們采用傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)例圖，選取胰腺、十二指腸及腹部血管有關(guān)的解剖圖像進(jìn)行比較.
2結(jié)果
2.1重建圖像與解剖學(xué)中相對(duì)應(yīng)圖像的比較在VCHF1數(shù)據(jù)虛擬重建的圖像中，胰腺立體感強(qiáng)，能三維可視化，可以從不同角度進(jìn)行觀察，胰腺的外形復(fù)雜，可見胰腺周圍組織結(jié)構(gòu)在胰腺表面的壓跡，充分反應(yīng)了胰腺與周圍組織互為滲透式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（Fig 1，2）. 傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)例圖中的胰腺形態(tài)較為規(guī)則，未能充分表現(xiàn)胰腺復(fù)雜的毗鄰關(guān)系（Fig 3）.
2.2腹主動(dòng)脈和下腔靜脈在三維重建圖像中可見腹主動(dòng)脈和下腔靜脈之間有明顯的距離（Fig 4），左右腎靜脈不在同一平面匯入下腔靜脈，下腔靜脈因腎靜脈的匯入明顯變粗，并且走向有所改變. 傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)例圖中的腹主動(dòng)脈和下腔靜脈則緊密相連，關(guān)系緊密，與腎靜脈的關(guān)系表現(xiàn)不夠（Fig 5）.
2.3十二指腸三維重建的十二指腸從降段到空腸起始處，腸管外形變化較大，降段扁狹，體現(xiàn)了受膽囊擠壓的特點(diǎn). 十二指腸降段的中下部分及水平段與胰腺的關(guān)系緊密，而十二指腸降段的起始部分則與胰腺有明顯的距離（Fig 1，6），傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)例圖中的十二指腸外形規(guī)則，完全包繞胰腺頭部（Fig 3）.
2.4膽總管、門靜脈、肝總及肝固有動(dòng)脈解剖學(xué)教材中常把三者的解剖關(guān)系固定化［3］，三維重建所見的膽總管、門靜脈、肝總及肝固有動(dòng)脈的解剖關(guān)系在行程中有明顯的變化，膽總管、門靜脈及肝固有動(dòng)脈在十二指腸的上緣較為接近，在十二指腸下緣膽總管與門靜脈及腸系膜上靜脈的關(guān)系并非緊密，有明顯的間距（Fig 4， 6）.
2.5腸系膜上動(dòng)脈及腸系膜上靜脈三維重建的腸系膜上動(dòng)脈和腸系膜上靜脈，其主干與肢體上的同名動(dòng)靜脈不同，沒有肢體同名動(dòng)靜脈那樣的血管鞘，二者不并行，并非傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)例圖上的樣并行（Fig 7）. 腸系膜上動(dòng)脈與腸系膜上靜脈雖為同名動(dòng)靜脈，但腸系膜上靜脈屬門靜脈系統(tǒng)，并不直接匯入下腔靜脈，其功能決定其走向與同名動(dòng)脈有所不同.
3討論
3.1解剖學(xué)教學(xué)及學(xué)習(xí)的新方法和途徑傳統(tǒng)的解剖學(xué)二維平面圖像在闡明三維立體的人體結(jié)構(gòu)上有著先天的不足，美國(guó)可視人工程開拓了人體解剖學(xué)研究一個(gè)新的領(lǐng)域，虛擬中國(guó)人工程的成功已經(jīng)催生了新的解剖學(xué)研究［4］. 我們基于VCHF1的胰腺三維重建及三維可視化數(shù)據(jù)圖像資料，是人體胰腺及周圍重要組織結(jié)構(gòu)的真實(shí)還原，完全展示了胰腺及周圍重要組織結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，能以三維可視化的方式從不同角度進(jìn)行展示，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的透明度，透視觀察胰腺、十二指腸、膽總管、動(dòng)脈及靜脈系統(tǒng)的相互關(guān)系（Fig 4， 6），結(jié)合傳統(tǒng)教材的圖像與實(shí)體解剖，能更好地理解真實(shí)的三維人體結(jié)構(gòu)，克服了解剖學(xué)教學(xué)中剖切后不能很好還原其真實(shí)解剖位置的不足，將使解剖學(xué)的教學(xué)更加充實(shí)和豐富多彩，對(duì)學(xué)習(xí)有極大幫助.
3.2解剖學(xué)圖譜的三維可視化對(duì)傳統(tǒng)解剖學(xué)的補(bǔ)充和發(fā)展傳統(tǒng)的解剖學(xué)是通過對(duì)人尸體的剖切、觀察、測(cè)量，繪圖還原人體結(jié)構(gòu)而來的，難免有人為的理想化因素（Fig 3， 5， 7）. 我們?cè)趯?shí)際工作中也常感到解剖學(xué)圖譜與真實(shí)人體的差別，圖譜上的二維平面圖像也難以說明人體的三維立體結(jié)構(gòu). 通過與相應(yīng)圖像的比較，結(jié)合實(shí)際工作的經(jīng)歷，我們認(rèn)為即使是傳統(tǒng)權(quán)威教科書，有些圖像與實(shí)際人體也是有較明顯差別的. Reinig等［5］在美國(guó)可視人研究中認(rèn)為虛擬重建的圖像是實(shí)時(shí)互動(dòng)真實(shí)的解剖學(xué)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)解剖學(xué)圖譜的不足. 虛擬VCHF1數(shù)據(jù)是高度真實(shí)的人體斷面數(shù)字化圖像. 基于VCHF1數(shù)據(jù)三維重建的胰腺及周圍結(jié)構(gòu)三維可視化圖像，是人體組織器官立體結(jié)構(gòu)的真實(shí)體現(xiàn)，高度真實(shí)還原人體的胰腺及周圍結(jié)構(gòu)，是對(duì)傳統(tǒng)教材中失真或理想化圖像的完善和補(bǔ)充.
3.3解剖學(xué)圖譜的三維可視化有助于臨床外科的發(fā)展通過虛擬重建加深對(duì)臨床解剖學(xué)的理解，是促進(jìn)外科發(fā)展的有效途徑. 方馳華等［6］證明三維重建肝臟管道是研究肝臟管道的理想方法. Uchida等［7］以CT圖像的三維重建研究胰腺的血供. 充分理解胰腺周圍解剖是胰腺十二指腸切除手術(shù)的關(guān)鍵，胰頭癌根治手術(shù)還必須注意腎靜脈［8］. 胰腺柔軟，離體后不易定形，其在人的真實(shí)外形不易理解，胰腺及周圍組織結(jié)構(gòu)大多是腹膜后的深在器官，外科醫(yī)生在一般的腹部手術(shù)中難以觀察到，也因其復(fù)雜的周邊結(jié)構(gòu)不易進(jìn)行探查和觸摸，因此，常有高年資的腹部外科醫(yī)師對(duì)胰腺及其周圍結(jié)構(gòu)感到陌生，這也可能是胰腺外科手術(shù)是腹部外科手術(shù)難點(diǎn)的原因之一. 本研究圖像資料數(shù)字化，以三維可視化的形式，通過任意角度的旋轉(zhuǎn)，全方位顯示胰腺及其周圍結(jié)構(gòu). 也可設(shè)置不同的透明度，或?qū)⑷我馊舾煞N結(jié)構(gòu)的透明度設(shè)置為0，將其隱藏（Fig 4， 6），便于對(duì)深面組織結(jié)構(gòu)的觀察理解，對(duì)臨床醫(yī)師理解掌握胰腺的解剖關(guān)系有極大幫助.
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圖像三維重建的方法主要有兩大類:一類是三維面繪制;另一類是三維體繪制。體繪制更能反應(yīng)真實(shí)的人體結(jié)構(gòu)。由于體繪制算法運(yùn)算量太大,即使利用高性能的計(jì)算機(jī),仍然無法滿足實(shí)際應(yīng)用中交互操作的需要,因此,面繪制仍是目前的主流算法。
1.1三維面繪制(SurfaceRending)表面表示是表示三維物質(zhì)形狀最基本的方法,它可以提供三維物體的全面信息,其具體形式用邊界輪廓線和表面曲面表示。
1.1.1基于斷層輪廓的表面重建
在斷層圖像中,通過手工或自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輪廓的確定性分割,然后用各層的輪廓線“堆砌”在一起表示感興趣物體的邊界,這種輪廓線表示方法簡(jiǎn)單且數(shù)據(jù)量小,但是不很直觀。除了以輪廓線表示物體外,還可以由輪廓重建物體的表面來表示。最早的方法是基于多邊形技術(shù),主要采用平面輪廓的三角形算法,用三角片面擬合這組表面輪廓的曲面,Bussonnat提出了另外一種基于表面輪廓的Delaunay三角形方法,解決了系列表面輪廓的三維連通性問題。用三角形或多邊形的小平面(或曲面)在相鄰的邊界輪廓線間填充形成物體的表面,所得出的只是分片光滑的表面,Lin采用從輪廓出發(fā)的B樣條插值重建算法,得到了整體光滑的表面。
1.1.2基于體素(Voxel)的等值面重建[1,2]
所謂等值面是指空間中的一張曲面,該曲面上函數(shù)F(x,y,z)的值等于某一給定值。等值面生成的最早研究是從醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用開始的。由于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)是三維正交等距網(wǎng)格,組織三維圖像的基本六面體單元稱為體素(Voxel)?；隗w素的等值面重建方法主要有以下幾種。
(1)Cuberille方法。該方法將三維圖像中的每一像素看成是空間中的一個(gè)六面體單元,即體素。在體素內(nèi)數(shù)據(jù)場(chǎng)具有相同的值,用邊界體素的六個(gè)面擬合等值面,即邊界體素中相互重合的面去掉,只把不重合的面連接起來近似表示等值面。這種方法的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單易行,便于并行處理,因?yàn)閷?duì)每個(gè)體素的處理都是獨(dú)立的;主要問題是出現(xiàn)嚴(yán)重的走樣,顯示圖像給人一種“塊狀”感覺,尤其在物體邊界處鋸齒形走樣特別醒目,而且顯示粗糙,不能很好地顯示物體的細(xì)節(jié)。
(2)MarchingCubes方法[3,4]。這是由Lore2nesen提出的一種基于體素的表面重建方法,MC方法是三維規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)等值面生成的經(jīng)典算法,它先確定一個(gè)表面閾值,計(jì)算每一個(gè)體素內(nèi)的梯度值,并與表面閾值進(jìn)行比較判斷,找出那些含有表面的立方體,利用插值的方法求出這些表面,這其實(shí)是抽取等值面的過程。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以采用比較成熟的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法進(jìn)行顯示。計(jì)算量小,運(yùn)行速度快,借助于專用硬件支持,在高性能PC上面繪制完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互顯示,但它存在連接上的二義性,為解決二義性問題,提出了很多有效的方法。例如MarchingTetrahedral,DiscMC方法。
(3)MarchingTetrahedral方法[5]。Marc2hingTetrahedral算法(簡(jiǎn)稱MT算法)是在MC算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,該算法首先將立方體體素剖分成四面體,然后在其中構(gòu)造等值面,進(jìn)行四面體剖分后,等值面在四面體中的剖分模式減少,算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。其次,構(gòu)造的等值面較MC算法構(gòu)造的等值面精度高。而最直接的原因是企圖通過在四面體內(nèi)構(gòu)造等值面來避免MC算法中存在二義性問題。常見的立方體剖分成四面體的方法有5個(gè)、6個(gè)和24個(gè)四面體剖分法。一般最常用的是5個(gè)四面體剖分法。
(4)DividingCubes方法。這種方法是逐個(gè)掃描每個(gè)體素,當(dāng)體素的8個(gè)頂點(diǎn)越過等值面時(shí),將該體素投影到顯示圖像上。如果投影面積大于一個(gè)像素的大小,則該體素被分割成更小的子體素,使子體素在顯示圖像上的投影為一像素的大小,每一子體素在圖像空間被繪制成一表面點(diǎn)。每一表面點(diǎn)由對(duì)應(yīng)子體素的值,對(duì)象空間中的位置和剃度三部分表示,可使用傳統(tǒng)的圖形學(xué)消影技術(shù),將表面點(diǎn)繪制到圖像空間中。采用繪制表面點(diǎn)而不是繪制體素內(nèi)等值面片,從而節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。
1.2三維體繪制(VolumeRending)[6]體繪制由于直接研究光線通過體數(shù)據(jù)場(chǎng)與體素的相互關(guān)系,無需構(gòu)造中間面,體素的許多細(xì)節(jié)信息得以保留,結(jié)果的保真性大為提高。從結(jié)果圖像的質(zhì)量上講,體繪制要優(yōu)于面繪制,但從交互性能和算法效率上講,至少在目前的硬件平臺(tái)上,面繪制還是要優(yōu)于體繪制的。下面討論三種體繪制方法。
1.2.1投影法(Projection)首先根據(jù)視點(diǎn)位置確定每一體素的可見性優(yōu)先級(jí),然后,按優(yōu)先級(jí)由低到高或由高到低的次序?qū)⑺畜w素投影到二維像平面上,在投影過程中,利用光學(xué)中的透明公式計(jì)算當(dāng)前顏色與阻光度,依投影順序(即體素可見性優(yōu)先級(jí))的不同,投影法分為從前至后(Front2to2Back)算法與從后至前(Back2to2Front)算法。一般說來,前一種算法運(yùn)算速度快,但除需一個(gè)顏色緩存區(qū)外,還需要一個(gè)阻光度緩存區(qū);后一種算法僅需一個(gè)顏色緩存區(qū),并在執(zhí)行過程中產(chǎn)生不同層面的圖像,有助于醫(yī)生更好地理解醫(yī)學(xué)圖像。
1.2.2光線跟蹤法(Ray2Casting)此法是在體數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后,從像空間的每一體素出發(fā),根據(jù)設(shè)定的方法反射一條光線,在其穿過各個(gè)切片組成體域的過程中,等間距地進(jìn)行二次采樣,由每個(gè)二次采樣點(diǎn)的8個(gè)領(lǐng)域體素用三次線性插值法得到采樣點(diǎn)的顏色和阻光度值,依據(jù)光照模型求出各采樣點(diǎn)的光亮度值,從而得到三維數(shù)據(jù)圖像。光線跟蹤法所面臨的問題是運(yùn)行速度慢,可利用空間相關(guān)性提高算法的效率。
1.2.3最大密度投影(MIP)最大密度投影是一種廣泛使用的體繪制技術(shù),傳統(tǒng)的MIP算法使用光線跟蹤法(Ray2Cast2ing)跟蹤圖像平面上每個(gè)像素發(fā)出的投影光線與體數(shù)據(jù)相交的每個(gè)體素,逐個(gè)比較,找出每條光線上的最大值,將它作為投影平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值。臨床上在病人血管中注入造影劑后進(jìn)行CT或磁共振成像,然后,用MIP算法顯示血管的位置、形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也稱為血管造影(Angiogra2phy)。幾乎所有的商用醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)都包含MIP繪制模塊。由于MIP的結(jié)果缺少深度信息,觀察時(shí)要對(duì)體數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn),這意味著每次要計(jì)算5~20幀圖像。顯然,若不優(yōu)化,血管造影只能在昂貴的大型工作站上實(shí)現(xiàn)。
2三維表面重建MC算法的改進(jìn)
2.1離散MarchingCubes算法
離散MarchingCubes算法(簡(jiǎn)稱DiscMC)是MONTANIC,SCATENIR和SCOPIGNOR在2000年提出的一種新型的MarchingCubes的改進(jìn)算法[3],它將三維表面的重構(gòu)和簡(jiǎn)化過程融為一體,在等值面的生成過程中就自適應(yīng)地完成了面片合并。與其它簡(jiǎn)化算法相比[2],DiscMC具有算法效率高、簡(jiǎn)化比例高、損失精度小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),DiscMC還采用了非常簡(jiǎn)捷的辦法解決了經(jīng)典MarchingCubes算法中的二義性問題。說明DiscMC的算法流程如圖1所示。其中左面是4個(gè)相鄰的體元(Cubes),帶有黑點(diǎn)側(cè)的9個(gè)頂點(diǎn)位于等值面內(nèi),另外9個(gè)頂點(diǎn)位于等值面外,上面一行說明了用經(jīng)典的MarchingCubes算法構(gòu)造等值面三角面片的結(jié)果,下面一行說明了DiscMC的構(gòu)造和簡(jiǎn)化流程。經(jīng)典MarchingCubes算法直接根據(jù)這4個(gè)體元頂點(diǎn)的內(nèi)外狀態(tài)構(gòu)造出8個(gè)三角面片,這些三角面片的頂點(diǎn)是根據(jù)所在邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的密度值通過插值計(jì)算得出。DiscMC則把整個(gè)過程分成三步:(1)掃描(Marching):首先,所有與等值面相交的體元被逐一掃描,根據(jù)其8個(gè)頂點(diǎn)的內(nèi)外狀態(tài),按照規(guī)定好的方式生成三角面片。在這一步中,所有生成的三角面片只是用它所在體元的位置和其形態(tài)的編號(hào)進(jìn)行記錄,并不計(jì)算實(shí)際的頂點(diǎn)坐標(biāo)值。(2)合并(Merging):三角面片生成后,將凡是位于同一平面并且相鄰的三角面片得到合并,形成大的多邊形,隨后,大的多邊形又被重新劃分為三角形。(3)插值(Interpolating):DiscMC的最后一個(gè)步驟是通過線性插值計(jì)算出最后所得的三角面片的頂點(diǎn)坐標(biāo),這一步和經(jīng)典的MC算法是相同的。
2.2三維重建的代碼實(shí)現(xiàn)[7~12]
采用格式為dcm的256×256×110的MRI人頭圖像序列,采用VisualC++6.0進(jìn)行開發(fā)的,應(yīng)用了MFC,OpenGL等技術(shù),運(yùn)行于Win2dows2000環(huán)境下。這里僅列出DiscMC算法實(shí)現(xiàn)的程序框架:DiscMC算法實(shí)現(xiàn)的偽代碼如下:{清除當(dāng)前正在顯示的三維表面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);從CT數(shù)據(jù)與處理文件(PRE)中讀取原始數(shù)據(jù);if從PRE文件中讀取數(shù)據(jù){通過輪廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行體數(shù)據(jù)的填充;清除斷層輪廓線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);}for(對(duì)每一個(gè)物體){初始化存儲(chǔ)掃描形成的三角面片的兩層鏈表結(jié)構(gòu)INCIDENCE;for(對(duì)每個(gè)個(gè)體元){查表找到對(duì)應(yīng)的三角面片分布情況;將每一個(gè)三角面片根據(jù)其平面方向和所處位置加入INCIDENCE;}初始化三角面片鏈表FaceList、頂點(diǎn)鏈表PointList和多邊形鏈表PolyList;for(對(duì)INCIDENCE中的每一個(gè)平面){清空用于合并的二維數(shù)組Merger;for(對(duì)于該平面上的每個(gè)三角形或矩形){查表找到該三角形或矩形的邊對(duì)應(yīng)于Merger中的編號(hào);以異或模式將每條邊寫入Merger;}至上而下掃描Merger,將合并的圖形劃分為凸多邊形,加入PolyList;}將PolyList中涉及到的頂點(diǎn)加入PointList,同時(shí)建立頂點(diǎn)的逆向索引;for(PolyList中的每個(gè)凸多邊形){檢查其邊界上(不含端點(diǎn))是否有點(diǎn)在PointList中;找到這樣的“T”型點(diǎn),加入該多邊形,同時(shí)做標(biāo)記;進(jìn)行“之”字形的三角形劃分,生成的三角面片加入FaceList;if(不能劃分完)進(jìn)行扇狀劃分;}清除PolyList;清除INCIDENCE;將FaceList中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)組FaceArray中;清除FaceList;將PointList中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)組VertexArray中,同時(shí)進(jìn)行插值;清除PointList;}對(duì)所有頂點(diǎn)計(jì)算其法向量;進(jìn)行OpenGL的有關(guān)設(shè)置,準(zhǔn)備顯示。
[關(guān)鍵詞] 可視化；醫(yī)學(xué)圖像；體繪制；面繪制
[中圖分類號(hào)]R814.43 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B[文章編號(hào)] 1673-7210（2009）03（a）-157-02
隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的許多醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備都是向提供三維圖像發(fā)展，目前三維CT、三維超聲均可提供三維影像，如通用電氣、西門子等成像設(shè)備制造商均生產(chǎn)三維CT產(chǎn)品，但是這些設(shè)備價(jià)格相當(dāng)昂貴。通過計(jì)算機(jī)圖像圖形學(xué)技術(shù)和可視化技術(shù)，對(duì)二維CT圖像進(jìn)行后處理，根據(jù)輸入的各圖像參數(shù)直接在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維影像重建具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。
1 三維可視化系統(tǒng)技術(shù)研究
符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像的三維可視化系統(tǒng)必須具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的數(shù)據(jù)場(chǎng)和空間信息。針對(duì)醫(yī)學(xué)CT圖像的特殊性，必須具有窗寬/窗位的調(diào)節(jié)功能，還必須具有體數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維可視化功能。
1.1 DICOM文件的解析功能
DICOM標(biāo)準(zhǔn)的提出使得醫(yī)學(xué)圖像及各種數(shù)字信息在計(jì)算機(jī)之間的傳遞有了一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，DICOM標(biāo)準(zhǔn)不但規(guī)定了通訊的標(biāo)準(zhǔn)，也規(guī)定了醫(yī)學(xué)圖像特定的存儲(chǔ)格式。DICOM文件一般由一個(gè)DICOM文件頭和一個(gè)DICOM數(shù)據(jù)集構(gòu)成，在DICOM文件頭中包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息，DICOM文件的信息主要集中在數(shù)據(jù)集部分。DICOM數(shù)據(jù)集又由數(shù)據(jù)元素組成，數(shù)據(jù)元素主要由4個(gè)部分組成：標(biāo)簽、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度VL、數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)描述VR。不同的標(biāo)簽規(guī)定了后續(xù)數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)實(shí)體的內(nèi)容，數(shù)據(jù)元素按標(biāo)簽的升序排列構(gòu)成數(shù)據(jù)集。DICOM文件解析目的是通過分析符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像的文件中各數(shù)據(jù)元素，從給定的序列文件中按標(biāo)簽號(hào)逐個(gè)提取出重建中需要用到的信息，分析判斷各圖片之間的空間關(guān)系，構(gòu)造數(shù)據(jù)場(chǎng)，作為可視化系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)。
1.2 窗寬/窗位調(diào)節(jié)功能
通過DICOM文件解析獲得的CT圖像各象素比特深度一般為12位，存儲(chǔ)位為16位，目前計(jì)算機(jī)能夠顯示的灰度級(jí)只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度級(jí)的映射功能，這在CT圖像的處理中稱為窗寬/窗位的調(diào)節(jié)。
目前常用窗寬/窗位的調(diào)節(jié)算法有Linear算法、Gamma算法、Logarithmic算法等。Gamma算法和Logarithmic算法都是非線性的，可以補(bǔ)償人眼對(duì)灰度反應(yīng)的非線性，但是它們的運(yùn)算量非常大，對(duì)于二維圖像處理采用可以產(chǎn)生較為理想的效果，如果直接將其運(yùn)用到三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，則巨大的計(jì)算量將影響實(shí)時(shí)窗寬/窗位的調(diào)節(jié)。為了有效地進(jìn)行窗寬／窗位的調(diào)節(jié)，筆者采用了計(jì)算速度快、可以實(shí)時(shí)交互的Linear算法，效果理想。
1.3 可視化技術(shù)
規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化方法一般分為兩類：一類是表面繪制法，一類是體繪制法。
通過軟件開發(fā)，實(shí)際比較了表面繪制和體繪制的優(yōu)劣。發(fā)現(xiàn)了表面繪制處理的是整個(gè)體數(shù)據(jù)場(chǎng)中的一小部分?jǐn)?shù)據(jù)，具有較快的速度，并且可以快速靈活地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和變換光照效果，它適合于繪制表面特征分明的組織和器官。但是，由于表面重建對(duì)表面分割的依賴較大，對(duì)分割的精確程度要求很高，所以對(duì)形狀不明顯、亮度變化小的軟組織，以及血管等組織的三維顯示，效果不盡如人意。體繪制對(duì)于形狀特征模糊不清的組織和器官進(jìn)行三維顯示時(shí)具有較好的效果。但是由于在原始的體繪制過程中，一般要遍歷體數(shù)據(jù)場(chǎng)中的每一個(gè)體素，因而計(jì)算量較大，圖像成像的速度較慢。當(dāng)改變光照和視點(diǎn)時(shí)，要重新進(jìn)行投影運(yùn)算，所以交互的速度較慢。因此，為適應(yīng)不同的應(yīng)用要求，系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種重建方法。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能
根據(jù)系統(tǒng)的功能構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，筆者將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4個(gè)模塊：
DICOM文件解析模塊：完成由符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像輸入序列到體數(shù)據(jù)的組織和相關(guān)信息獲取的功能。該模塊首先逐個(gè)解析單個(gè)的文件，提取出了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再判斷輸入的圖片是否為同一序列，在空間位置上是否滿足重建的要求，然后將刪去不符合要求的圖片而將符合要求的圖片組成列表，提取逐個(gè)列表中各文件的象素和空間信息，將各切片數(shù)據(jù)組織為空間體數(shù)據(jù)場(chǎng)。
體數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：完成窗寬/窗位調(diào)節(jié)和體數(shù)據(jù)增強(qiáng)等功能。窗寬／窗位調(diào)節(jié)采用Linear算法；體數(shù)據(jù)增強(qiáng)主要是為了消除CT圖片中可能存在的噪聲而采用的可選的預(yù)處理功能，一般的中值濾波器具有消除噪聲同時(shí)對(duì)圖像邊緣等信息影響不大的優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)中選用該算法實(shí)現(xiàn)圖像濾波。
可視化模塊：設(shè)計(jì)了表面繪制和體繪制兩種算法。表面繪制使用MC算法提取等值面；體繪制算法采用Ray Casting算法。為了加快開發(fā)速度，筆者通過比較分析：作為可視化開發(fā)工具，VTK是一個(gè)開放式的免費(fèi)軟件，具有強(qiáng)大的三維功能，它提供目標(biāo)函數(shù)庫，用戶可以利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法對(duì)它進(jìn)行二次開發(fā)。
交互顯示模塊：交互顯示模塊主要完成對(duì)重建后的三維影像實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放，獲取冠狀面、矢狀面和實(shí)時(shí)窗寬/窗位調(diào)節(jié)的功能。
3 結(jié)論
醫(yī)學(xué)CT圖像三維可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像的三維顯示，為醫(yī)務(wù)人員提供了形象、直觀的診斷技術(shù)，具有廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了：DICOM文件的解析；交互式Linear算法窗寬/窗位調(diào)節(jié)；MC表面繪制法和光線投射法重建醫(yī)學(xué)CT圖像；通過軟件開發(fā)，比較了兩種重建方法的優(yōu)劣；直方圖指示，冠狀面、矢狀面的獲得及其旋轉(zhuǎn)、縮放等功能。
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