Web模式的医学断层图像三维重建.pdf

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1、100029825?2001?12(11)1727205c 2001 Journal of Software软 件 学 报Vol.12,No.11W eb模式的医学断层图像三维重建宋志坚,李文生,左焕琛(复旦大学 数字医学研究中心,上海200032)E2mail:http:?摘要:实现了基于W eb的医学图像三维重建及显示.用超高速CT扫描获得人体器官的二维图像,基于JavaApplet与Java Application编程,采用体绘制法完成二维图像的三维重建与显示.重建实现了在Internet上以W eb模式跨平台运行.重建的三维图像能够清晰地显示人体器官的解剖结构,尤其是心脏的整体形态及冠

2、状动脉的走向.用Java Applet与Java Application实现基于W eb的医学图像三维重建是可行的,并对三维图像的临床应用起到了推动作用.通过三维重建显示人体器官的立体形态,尤其是冠状动脉的解剖结构,在临床上具有很大的参考价值.关键词:计算机网络;全球信息网;三维重建;心脏中图法分类号:TP391文献标识码:A三维重建可将由CT,M R I,PET等生成的断层图像重建成三维医学图像,使人们能够直接观察到活体内部器官的组织结构.它在提高疾病诊断的准确性、协助医生制订外科手术方案以及放射治疗准确定位方面具有重要的临床应用价值.20世纪80年代初,三维重建研究取得了快速发展,其基本概

3、念及研究方法初步形成了.近年来,相关学科不断发展,并开始应用于生物学标本结构研究、医学器官结构、形态特征研究以及放射医学等领域.但是,随着信息时代的到来,人们发现传统的三维重建技术越来越不适应信息化社会的需求,突出表现在,传统三维重建技术均基于特定平台与地点,重建资源不能共享,造成应用成本提高、效益下降.欲解决这一问题,必须使三维重建能够基于网络运行,提出与网络运行相适合的三维重建算法.以往的三维重建研究大多没有考虑上述问题1,2.Clapworthy3提出了基于W eb的网络三维重建思想,但最终未展示出其网络运行结果.Form iconi4基于W eb完成了对SPECT断层图像的三维重建,但

4、其精度远远不能满足临床要求,而且没有实现真正意义上的基于W eb的跨平台运行.本研究采用Java编程,通过超高速CT获得人体器官断层图像,分别重建出了心脏、头颅、颈椎、骨盆的三维结构.在心脏重建结果中还可以观察到心脏的整体形态和冠状动脉的解剖结构.同时,重建可以基于W eb在Internet上运行,实现了独立于平台的网络医学断层图像三维重建.这基本上解决了医学图像处理的资源共享与网络三维显示问题.收稿日期:1999212201;修改日期:2000206226基金项目:上海市科技发展基金资助项目(00JC14043);上海市曙光计划资助项目(SG9822)作者简介:宋志坚(1960-),男,山东

5、莱阳人,博士,教授,主要研究领域为医学图像处理,人体虚拟手术;李文生(1966-),男,安徽淮南人,博士生,主要研究领域为人体心血管解剖,多媒体技术;左焕琛(1941-),女,湖南湘阴人,教授,博士生导师,主要研究领域为人体心血管解剖,多媒体技术.1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1三维重建方法1.1CT断层图像的获得以心脏扫描为例.受检者仰卧于CT扫描台上(I matron2150型超高速CT),经前臂静脉注射非离子型造影剂(含碘量为300g?l),注射

6、量为1m l?kg,注射速度为1.2m l?s.造影剂注射12s后,由心电触发(触发点控制在R2R间隔80%处),从心底到心尖连续扫描3545层,扫描层厚3mm,每层扫描时间为0.1s.扫描结束后,通过D ICOM将断层图像转存至工作站中.1.2三维图像的形成采用光线投射法5,6形成三维图像,其原理如图1所示.建立三维坐标系xyz,设 8 为人体器官的三维数据场,x z平面为最终三维图像的显示屏,Q为三维图像的视点,视点距显示屏的距离为q.由视点Q穿过三维数据场 8 及显示屏每一像素点发出若干条射线,设某射线与显示屏的交点为pn(x,y),则三维数据场 8 中必有p1,p2,p3,.,pn,.

7、,pm个数据落在射线Qpn 上,且pn(x,y,z)与pn(x,y)的关系如下(取Q在y轴上):x=x?(1-h),z=z?(1-h).其中h=y?q 1.显示屏.Fig.1D iagram of 3D i maging图1三维重建原理图在模仿x射线透视投影的过程中,不同的器官组织在x射线下因反射率和吸收率的不同而成像的现象,通过 8 中体素的颜色值和不透明值这两个物理量来描述这一成像原理,即以p1,p2,p3,.,pn,.,pm为采样点,由其CT值推算三维图像中pn(x,y)处的像素灰度值G(x,y).具体算法是,对各采样点处八邻域数据的CT值及不透明值作非线性插值,求出作为各样点的颜色值C

8、n(x,y,z)和不透明值an(x,y,z).Cn的计算是由中心差分法得到各采样点的法向量,再用Phong光照模型计算得出的.an用下式计算:an(x,y,z)=a1ct(x,y,z)-ctf1+a2ctf2-ct(x,y,z)?(ctf1-ctf2).其中ctf2和ctf1是某器官的CT值范围,ct(x,y,z)是 8 中相应像素处的CT值,ctf1ct(x,y,z)ctf2.在得到每一样点的颜色值和不透明值以后,从前往后依次将每一样点的颜色值按下面的公式进行合成,得到最终像素点Pn(x,y)处的灰度值.Cn+1=Cn-1an-1+Cnan(1-an-1),an+1=an-1+an(1-an

9、-1).对每一射线循环重复上述过程则可以计算出三维图像每一像素点的灰度值,从而最终形成三维图像.2网络重建原理与局域网相比较,在Internet环境下系统通信带宽参差不齐,速度不一.因此,要求重建系统在图像重建过程中必须减少其通信量.单一的JavaApplet运行模式难以满足网络重建的需求.首先,它势必导致客户端程序庞大,需要通过网络下载的JavaApplet字节量很大,系统运行速度下降,可8271J ournal of S of tw are软件学报2001,12(11)1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.

10、All rights reserved.http:/靠性降低.其次,由于Java技术的安全性限制,Java Applet程序只能与源宿主机进行通信,只能针对位于源宿主机上的图像文件进行读写操作,这就使得系统的灵活性下降,临床应用受到很大的限制.本研究采用三层应用结构来完成基于W eb的医学图像三维重建.系统结构如图2所示.系统的第1层为用户通信程序,负责用户界面显示、重建参数传送、发送重建请求、接收重建结果等.它位于W eb服务器中,由Java Applet组成.第2层包括服务器通信程序和三维重建程序两部分,由Java Application组成.服务器通信程序负责接收用户通信程序传输的重建参

11、数与重建请求,并将三维重建程序的计算结果输送给用户通信程序;三维重建程序负责完成断层图像的三维重建.组成.第3层由图像数据库组成.图像数据库的结构有两种形式:一种是以用户机作为图像服务器,此时用户必须以服务器身份连入Internet,欲重建的断层图像放在服务器指定的目录中;另一种是单独建立与重建服务器直接连接的图像服务器,此时用户必须将欲重建的断层图像上载到图像服务器指定的目录中.服务器通信程序利用Java的多线程机制,可以同时接收多个用户(Java Applet)发送的请求.三维重建程序根据Java Applet的请求,同一时刻只能建立1个类对象,从而将多用户并行到达的请求串行化,以保证每次

12、只能有1个线程与三维重建程序通信.系统的工作过程如下:首先用户利用W eb浏览器,通过重建主页向W eb服务器发出重建请求,并将用户通信程序下载到内存,通过用户界面发送有关重建参数(图像名称、断层数量、观看角度、断层图像网址)给服务器通信程序,当三维重建程序利用服务器通信程序接收到有关参数后,建立重建类对象,完成断层图像的三维重建,重建结果通过服务器通信程序传送给用户通信程序,并将最后的结果显示在用户端的W eb浏览器上.3结果图3是三维重建在Internet Explorer 5.0浏览器上运行的剪切结果.客户端硬件环境为Pentium?2350?128 M微机,服务器端硬件环境为SunSp

13、arc100?128M工作站.网络运行环境A TM?155M校园网(其中图3(a)、(b)为心脏正面观,图3(c)为冠状动脉,图3(d)、(e)为头颅,图3(f)为颈椎,图3(g)为骨盆).4讨论本文的研究工作采用Client?Server模式,通过Java Applet与Java Application的通信,使三维重建系统成为三层应用软件结构,使得用户在基于网络从事三维重建时,需要通过网络直接下载的部分只是用户通信程序,并且在网上频繁传输的也只是重建参数与重建结果,从而降低了系统传输的通信量,提高了系统的运行速度和可靠性.同时,由于Java Applictaion不存在安全机制问题,可以直

14、接实现对用户端断层图像的重建,提高了系统的灵活性.9271宋志坚 等:W eb模式的医学断层图像三维重建 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Fig.3Results of 3D reconstruction shown on W eb图3三维重建在W eb上的运行结果医学图像三维重建在W eb下运行成功,这将对其临床应用起到重要的推动作用.目前临床应用的三维重建技术均基于特定平台,不要说不同地区,即使是同一医院,甚至同一科室,因不同型号的设备分别具有各自的

15、三维成像系统,受其自身软、硬平台的限制,相互之间也不能通用.这种受平台制约、独立运行的方式导致临床上对三维重建系统的重复购置,诊断成本提高,应用效率下降,严重限制了三维图像的临床应用与推广.本研究使得三维重建基于W eb在Internet上运行,克服了上述弊端.临床上需要具备三维重建处理功能的设备如CT,M R I,PET等,均能以客户端的身份连接到网络环境中,当需要从事三维重建时,便可采用本研究所用的网络计算模式:将重建软件放置于重建服务器中,依靠W eb从网络上下载Java字节码至客户端内存,通过与服务器的通信,在服务器上完成三维重建,并将重建结果传送到用户端.由于Java具有跨平台运行特

16、性,所以它对客户端机器的软、硬平台没有特别的限制.另外,图像处理一般对硬件条件要求较高.本研究工作所采用的网络重建模式,三维重建的大部分工作在服务器端完成,客户端仅通过W eb传送重建参数与接收重建结果,因此,对客户端机器没有过高的要求,也就是说,即便客户端为较低档的计算机,也可以通过网络资源共享的方法来达到重建断层图像的目的,从而可以充分发挥高性能计算机的作用.从实验结果来看,网络重建的精度能够满足临床需求.以往的医学图像三维重建(即使非网络运行)未能描述出心脏的整体形态,尤其是冠状动脉的整体结构,因此,临床上欲观察冠状动脉的结构,必须依靠传统的冠状动脉造影术.由于它属于有创检查项目,在应用

17、中受到很大的限制.本研究结合超高速CT技术,基于W eb在Internet上重建人体器官的三维形态,其精度达到可以显示冠状动脉的程度,使临床上可以通过无创检查而观察到冠状动脉的结构.References:1Durikovic,R.,Kaneda,K.,Yamashita.I maging and modeling from serial m icroscopic sections for the study of anatomy.M edical and Biological Engineering and Computing,1998,36(3):276283,2L inney,D.,Den

18、gm,J.Three2Di mensional morphometry in ultrasound.Journal of Engineering in M edicine,1999,213(H3):235245.3Clapworthy,G.,Krokos,M.,Vasilonikolidakis,N.An Internet service for manipulating 3D models of human organs re2constructed from computer tomography and magnetic resonance i maging.M edical Infor

19、matics,1997,47(122):121124.0371J ournal of S of tw are软件学报2001,12(11)1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/4Form iconi,A.R.,Passeri,A.,Guelfi,M.R.,et al.WorldW ideW eb interface for advanced SPECT reconstruction algo2rithm s i mplemented on a remote m

20、assively parallel computer.M edical Informatics,1997,47(122):125138.5Levoy,M.Display of surfaces from volume data.IEEE CG&A,1988,8(3):2937.6Song,Zhi2jian,Q i,W en,L i,W en2sheng.Reconstruction of three2di mensionalmedical slice i mages based onWWW.Jour2nal of ShanghaiM edicalU niversity,1999,26(4):2

21、46354(in Chinese).附中文参考文献:6宋志坚,齐文,李文生.基于WWW技术的医学断层图像三维重建.上海医科大学学报,1999,26(4):246354.Reconstructing Three-D i mensionalM edical Section I mages Based on WWW3SON G Zhi2jian,L IW en2sheng,ZUO Huan2chen(D ig italM ed ical Center,Fudan U niversity,S hanghai200032,China)E2mail:http:?Abstract:To reconstruc

22、t three2di mensionalmedical i mages in Internet based onW eb and to achieve highly re2alistic display,getting two2di mensional i mage of human organs from ultrafast CT as sources,applying the volumerendering techniques to rebuild and display three2di mensional i mages in JavaApplet and JavaApplicati

23、on program.This reconstruction can be run in W eb brow ser on many different kinds of computers.The anatom ic structure ofhuman organs can be displayed clearly in reconstructed three2di mensional i mages,especially the grossmorphologyof the heart and the trail of the coronary artery.Three2D i mensio

24、nalmedical i mage reconstruction inW eb brow seri mplemented by Java Applet is feasible,which w illprompt clinical use of three2di mensional i mages.The solid con2formation of human organs,especially the anatom ic structure of the coronary artery,can be displayed by usingthree2di mensional reconstru

25、ction techniques,which may offer great references to clinic.Key words:computer network;WorldW ideW eb;three2di mensional reconstruction;heart3Received December 1,1999;accepted June 26,2000Supported by the Science Development Foundation of Shanghaiof China under GrantNo.00JC14043;the SHU GUANG ProjectFoundation of Shanghai of China under Grant No.SG98221371宋志坚 等:W eb模式的医学断层图像三维重建 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/