医学CT图像三维可视化系统的研究与开发.pdf

2 0 0 4年 9月 第 2 7卷第9期 重 庆 大 学 学 报 J o u rna l o f Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y S e p 2 0 0 4 Vo l _ 2 7 No 9 文章编号：1 0 0 05 8 2 X(2 0 0 4)0 90 0 7 6 0 4 医学 C T图像三维可视化系统的研究与开发 胡 莎 莉，唐 治 德，赵 一 凡(1 重庆大学 电气工程学院，重庆 4 0 0 0 3 0；2 南京长城信息系统有限公 司 软件部，南京 2 1 0 0 0 4)摘要：为开发符合医学数字成像与通讯(D I C O M)标准的医学计算机断层扫描(C T)图像三维可 视化 系统。探讨 了D I C O M文件 系统的结构和解析方法、医学 C T图像窗宽 窗位调节技术及其三维可视 化算法，描述 了系统的结构和各功能模块的实现方法。通过对医学 C T图像三维可视化软件的开发，比 较了表面绘制和体绘制的特点，成功而有效地实现了符合 D I C O M标准的医学c T图像的三维可视化，为影像诊断提供了形象直观的技术方法，具有广泛的临床应用价值。关键词：可视化；医学图像；体绘制；面绘制 中图分类号：T P 3 9 1 4：R 3 1 9 文献标识码：A 1 8 9 5年伦琴发明了 X射线，这极大的促进了医学 成像技术 的发展。目前无损伤诊断设备如 C T(C o rn p u t e r i z e d T o mo g r a p h y)、MR I(N u c l e a r M a g n e t i c R e s o n s l e e I m a g in g)等已经广泛 的应用于临床。医生通过 对这些设备产生的断层图像分析、想象，还原出患者器 官的三维结构及其变异，作为诊断的依据。这种方法 在很大程度上依赖于医生 的主观想象力和临床经验，缺乏直观性和准确性。事实上，多幅断层图像提供的 二维数据在空间方向上的叠加就构成 了一个三维数据 场，利用在图像图形领域十分流行 的科学可视化技术 对这个三维数据场实现三维重建，可以直观展现物体 的三维原形；并且通过对三维体的缩放、旋转、切片重 组、兴趣区的再重建等操作，可以最大程度的利用图像 信息，给临床提供更加丰富的医疗数据。随着可视化技术的发展，现代的许多医学图像设 备都是向提供三维图像发展 J，目前三维 C T，三维超 声均可提供三维影像，如通用电气、西门子等成像设备 制造商均生产三维 C T产品，但是这些设备价格相 当 昂贵。通过计算机图像图形学技术和可视化技术，对 二维 C T图像进行后处理，根据输入 的各图像参数直 接在 P C机上实现三维影像重建具有十分现实的意 义。在我国，对二维医学图像三维重建的算法研究十 分广泛，但真正应用于临床的三维系统不多，而且，随 着 D I C O M标准的广泛应用，越来越多的医疗设备符合 这个国际间的标准通讯协议。鉴于此，我们和南京长 城信息有限公司合作研究和开发了医学 C T图像三维 可视化系统。l 三维可视化系统技术研究 符合 D I C O M标准的 C T图像的三维可视化系统 必须具有的基本功能是 D I C O M文件的解析功能，用于 提取 出重建的数据场和空间信息；针对医学 C T图像 的特殊性，必须具有窗宽 窗位的调节功能；必须具有 体数据场的三维可视化功能。1 1 D I C O M文件的解析功能 D I C O M标准的提出使得医学图像及各种数字信 息在计算机之间的传递有了一个统一的规范，D I C O M 标准不但规定了通讯的标准，也规定了医学 图像特定 的存储格式。D I C O M文件一般 由一个 D I C O M文件头 和一个 D I C O M数据集构成，在 D I C O M文件头中包含 了标识数据集合的相关信息，D I C O M文件的信息主要 集中在数据集部分。D I C O M数据集又 由数据元素组 收稿 日期：2 0 0 4 0 5 2 0 基金项 目：重庆大学高 电压与电工新技术教育部重点实验室资助项 目 作者简介：胡莎莉(1 9 7 5 一)，女，湖南益阳人，重庆大学硕士研究生，从事医学图像处理和体视化技术研究。维普资讯 http:/ 第2 7 卷 第9期 胡 莎莉 等：医学 C T图像三维可视化 系统的研究与开发 7 7 成，数据元素主要由4个部分组成：标签(t a g号)，数 据长度 V L(V a l u e L e n g t h)、数 据域 和数据 描 述 V R (V a l u e R e p r e s e n t a t i o n)(这部分是可选 的)组成。不同 的标签规定了后续数据域中数据对应实体的内容，数 据元素按标签的升序排列构成数据集，如图 1 所示 。D I C O M文件解析 目的是通过分析符合 D I C O M标 准的 C T图像 的文件 中各数据元素，从给定的序列文 件中按标签号逐个提取出重建中需要用到的信息，分 析判断各图片之间的空间关系，构造数据场，作为可视 化系统的原始输入数据。数据元 数据元素 ，数据元素 签 值的表达 值的长度 图 l 数据集和数据元素 1 2 窗宽 窗位调节功能 通过 D I C O M文件解析获得 的 C T图像各象素 比 特深度一般为 1 2位，存储位为 l 6位，目前计算机能够 显示的灰度级只有 8位，因此在重建前要完成 l 6位到 8位灰度级的映射功能，这在 C T图像的处理中称为窗 宽 窗位的调节。目前常用窗宽 窗位的调节算法有 L i n e a r 算法、G a m m a算法、L o g a ri t h m i c算法 等 J。G a m m a算法 和 L o g a ri t h m ic 算法都是非线性的，可以补偿人眼对灰度 反应的非线性，但是它们 的运算量非常大，对于二维图 像处理采用可以产生较为理想的效果，如果直接将其 运用到三维数据场，则巨大的计算量将影响实时窗宽 窗位的调节。为了有效地进行窗宽 窗位的调节，笔者 采用了计算速度快、可以实时交互的L i n e a r 算法，效果 理想。1 3 可视化技术 规则数据场的可视化方法一般分为两类：一类是 表面绘制法，一类是体绘制法 J。表面绘制法是先在三维空间数据场中构造出中间 几何图元，利用计算机图形学技术实现画面绘制。最 早用来进行表面绘制 的算法是 E K e p p l e 提出的提取 轮廓线法 J，1 9 8 7年 w E L o r e n s o n和 H E C l i n e 提 出了 M a r c h i n g C u b e s 方法。相对而言，M C方法可 以获得较高分辨率 的图像，图像生成速度快，且易交 互，是 目前 医学 图像 可视 化 中最 常用 的表 面绘 制 方法。体绘制技术是直接由三维数据场产生屏幕上二维 图像的方法，也称为直接体绘制算法，它是近年来迅速 发展的一种三维数据场可视化方法。直接体绘制算法 有很多，如光线投射法(R a y C a s t in g)，足迹表法(F o o t p ri n t)等，光线投射法是体绘制算法的经典方 法之一，具有不必单独消隐，结构简单，实现便利 的特 点，尤其如果利用 O p e n G L提供的丰富的模型变换 和 图像合成功能，强大的矩阵操作功能，可以大大地简化 光线投射法的实现过程。实验表明，采用基于 O p e n G L 的可视化开发工具 K(V i s u a l i z a t i o n T o o l k it)提供的 光线投射法可以实现快速的三维重建，交互速度较快，效果理想。通过软件开发，实际 比较了表面绘制和体绘制 的 优劣。发现了表面绘制处理的是整个体数据场中的一 小部分数据，具有较快的速度，并且可以快速灵活地进 行旋转和变换光照效果，它适合于绘制表面特征分明 的组织和器官。但是，由于表面重建对表面分割的依 赖较大，对分割的精确程度要求很高，所以对形状不明 显，亮度变化小的软组织，以及血管等组织 的三维显 示，效果不尽如人意。而且，表面绘制不能保留数据的 完整性，重建的只是物体表面而丢失掉了内部丰富的 信息；体绘制利用的是全部体数据，通过对三维数据场 中各体素分别进行处理，进而合成具有三维效果的图 像。体绘制对于形状特征模糊不清的组织和器官进行 三维显示时具有较好的效果。但是由于在原始的体绘 制过程中，一般要遍历体数据场中的每一个体素，因而 计算量较大，图像成像的速度较慢。当改变光照和视 点时，要重新进行投影运算，所以交互的速度较慢。因此，为适应不同的应用要求，系统同时实现了两 种重建方法。2 系统结构设计和功能 根据系统的功能构想和实现目标，笔者将系统结 构设计为如图 2 所示的4个模块：1)D I C O M文件解析模块：完成由符合 D I C O M标 准的 C T图像输入序列到体数据的组织和相关信息获 取的功能。该模块首先逐个解析单个的文件，提取出 诸如 S e ri a l s U I D、S e r i a l s N u m b e r、I m a g e O r i e n t a ti o n(p a-t i e n t)、I m age P o s i t io n(p a t i e n t)等关键数据，再判断输入 的图片是否为同一序列，在空间位置上是否满足重建 维普资讯 http:/ 7 8 重庆大学学报 2 0 0 4盎 I DI C OM文件解 析模 块 f 体数据预处理模块 I 体 视 化 模 块 交互 显示模 块 图 2 系统结构 图 的要求，然后将删去不符合要求的图片而将符合要求 的图片组成列表，提取逐个列表 中各文件 的象素和空 间信息，将各切片数据组织为空间体数据场。2)体数据预处理模块：完成 窗宽 窗位调节和体 数据增强等功能。窗宽 窗位调节采用 L i n e a r 算法；体 数据增强主要是为了消除 C T图片中可能存在的噪声 而采用的可选的预处理功能，一般 的中值滤波器具有 消除噪声同时对图像边缘等信息影响不大 的优点，在 系统中选用该算法实现图像滤波。3)可视化模块：设计 了表面绘制和体绘制两种算 法。表面绘制使用 M C算法提取等值面；体绘制算法 采用 R a y C a s t i n g 算法。为了加快开发速度，笔者通过 比较分析。选用 了基 于 O p e n G L的、，1 作为可视化 开发工具，v T K是一个开放式 的免费软件，具有强大 的三维功能，它给提供 目标函数库，用户可以利用面向 对象的技术和方法对它进行二次开发。4)交互显示模块：交互显示模块主要完成对重建 后的三维影像实现旋转、缩放，获取冠状面、矢状面和 实时窗宽 窗位调节的功能。3 系统重建结果 笔者在 Wi n d o w s 2 0 0 0操作系统下，采用 V i s u a l c +6 0开发环境，使用面向对象 的方法和 C+语 言实现各模块 的功能。系统 的核心模块封装成 C O M 组建，以动态链接库(D L L)的形式提供给。使用V B 6 0 作为界面开发环境，直接调用可视化组建提供的功能。笔者从网上下载了一组2 2幅符合 D I C O M标准的 C T图片(如图 3所示)，利用本系统重建，实验表明，本系统可以很好地完成光线投射法的体重建(如图4 所示)、表面重建(如图 5所示)和窗宽 窗位调节(如 图 5、6所示)，直方图指示(各图下方)，冠状面、矢状 面的获得(各图右方)及其旋转、缩放等功能。图 3 切片图：=二 羔 ：三；芝 臻 n l m I 一 ，图4 光线投射法重建结果 图 6 骨骼部分后的光线投射法重建结果 维普资讯 http:/ 第 2 7卷第 9期 胡莎莉 等：医学 C T图像三维可视化 系统的研究与开发 7 9 4 结论 医学 C T图像三维可视化系统实现了符合 D I C O M 标准的 C T图像的三维显示，为医务人员提供 了形象、直观的诊断技术，具有广泛的临床应用价值。系统实 现 了：1)D I C O M文件的解析；2)交互式 L in e a r 算法窗宽 窗位调节；3)MC表面绘制法和光线投射法重建医学 C T图 像；通过软件开发，比较了两种重建方法的优劣；4)直方图指示，冠状面、矢状面的获得及其旋转、缩放等功能。参考文献：1 李树祥 医学图像技术的发展与应用 J 中国图像图形 学报，1 9 9 6，1(1)：2 8 12 8 6 2 N A T I O N A L E L E C T R I C A L M A N U F A C T U R E R S A S S O C I A-T I O N(N E M A)D i g i t a l I m a n g a n d C o m m u n i c a t i o n s i n M e d i c i n e(D I C O M)，D r a f t s t a I l d a r d 2 0 0 3 E B O L h t 3 4 5 6 7 8 9 1 O t p：me d i c a 1 n e ma o r g dic o m 2 0 0 3 h t m1 2 0 0 30 91 5 GONZ AI,E Z R C，WOODS R E Di g i t a l I ma g e P r o c e s s i n g M B e i j i n g：E l e c t r o n i c s I n d u s t r y，2 0 0 2 唐泽圣三维数据 场可视化 M 北 京：清华大学 出版 社，1 9 9 9 KE P PLE E Ap p rox i ma t i n g Co mp l e x S u r f a c e b y Tr i an g u l a-ti o n o f C o n t o u r L i n e s J I B M J o ur n al o f R e s e a r c hD e v e l o p-me n t，1 9 7 5，1 9：21 1 LORE NS ON W E，CL I NE H E Ma r c h i n g C u b e s：A Hi s h R e s o l u t i o n 3 D S u r f a c e C o n s t r u c t i o n J A l g o ri t h m C o m p u t e r G r a p h i c s，1 9 8 7，2 1(4)：1 6 3 1 6 9 沈海戈，柯有安医学体数据三维可视化方法的分类 与 评价 J 中国图像图形学报，2 0 0 0，5(7)：5 4 5 5 5 0 石教英，蔡立文 科学计算 可视化算法 与系统 M 北 京：科学 出版社，1 9 9 6 LE V O Y M D i s p l a y o f S u r f a c e s f r o m V o l u m e D a t a J I E E E C o m p u t e r G ra p h i c s and A p p l i c a t i o n，1 9 9 8，8(3)：2 9 3 7 WES T OVER L F o o t p rin t E v alu a t i o n f o r V o l u me Re n d e ri n g J C o m p u t e r G r a p h i c s，1 9 9 0，2 4(4)：3 6 7 3 7 6 Re s e a r c h a n d De v e l o p me n t a Vi s u a l i z a t i o n S y s t e m f o r M e d i c a l CT I ma g e s HU S h a 一 ，T ANG Z h i d e ，Z H AO Y Ma r i (I C o ll e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e fi n g，C h o n g q in g U n i v e r s i ty，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0，C h in a；2 S o f tw a r e D e p a r tm e n t，N a n j in g G r e a t Wa u In f o r m a ti o n S y s t e m C o L t d ，N a n j i n g 2 1 0 0 0 4，C h i n a)Ab s t r a c t：I n o r d e r t o d e v e l o p a 3 D v i s u a l i z a ti o n s y s t e m f o r me d i c al C T i ma g e s wh i c h c o mp l y t l l DI COM s t a n d a r dt h e a u tho rs s t u d y D I C O M fi l e f o rma t a n d m e tho d s o f analy z i n g i t，d i s c u s s the k e y t e c h n o l o g y o f a d j u s ti n g Wi n d o w s C e n t e r W i n d o ws L e v e l o f Me d i c al C T i mag e s an d 3 D vis u a l i zati o n me thod s，an d d e scri b e the s y s t e mg s t r u c t u r e an d a p p r o a c h e s t o i mp l e me n t e v e r y f u n c t i o n mod u l e T h rou s h d e v e l o p i n g 3 D rec o n s t r u c t i o n s o f twa r e o f me d i c al C T i mag e ss u r f a c e r e n d e r i n g i s c o mp a r e d wi th v o l u me r e n d e r i n g W e s u c c e e d in i mp l e me n t i n g the v i s u a l i z a ti o n s y s t e m for me d i c al C T B tn a g e s w h i c h c o mp l y wi th DI COM s t a n d a r d Th i s s y s t e m p r o vid e s an i n tui t i o n i s t i c w a y for dia g n o s ing with me dic al i ma g e s Th e s y s t e m i s s i g n i fic an t i n c l i n i c al e n v i ron me n t Ke y wo r d s：vis u a l i zati o n；me d i c al i mage；v o l u me ren d e r i n g；s u r f a c e ren d e r i n g (编辑李胜眷)维普资讯 http:/