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1系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入共有兩種來源一是通過網(wǎng)絡(luò)光盤磁帶等直接輸入的CTMRI多斷層原始數(shù)據(jù)二是BMP或TIF圖象文件這些文件是通過掃描儀或數(shù)字化儀得到的原始CT或MRI片子的圖象文件一般系統(tǒng)得到的CT或MRI數(shù)據(jù)都是一組圖象序列這些圖象序列會在切片照相過程中因位移旋轉(zhuǎn)比例變化等因素而存在一定程度形變的可能因此需對圖象進(jìn)行噪聲消除幾何矯正定位點(diǎn)檢測和配準(zhǔn)使得圖象中的象素點(diǎn)與它們實(shí)際的位置一致,這樣輸入的斷層圖象才能加以使用校正配準(zhǔn)后的圖象序列經(jīng)過壓縮可以存入計(jì)算機(jī)中對每一幅經(jīng)配準(zhǔn)與校正后的圖象進(jìn)行交互式人工分割或半自動(dòng)分割分離出圖象中的興趣區(qū)并對這些區(qū)域進(jìn)行邊緣提取并生成矢量化的輪廓線然后對這些輪廓線進(jìn)行拼接利用這些輪廓線重建出物體的表面通過重建獲得的三維體數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以完成三維圖形的繪制軸切面顯示三維空間切面顯示透視顯示等功能以上的輪廓線和重建獲得的三維體數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后均可以存入計(jì)算機(jī)中。

2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)直接應(yīng)用了計(jì)算機(jī)圖形圖象技術(shù)的最新成果采用Windows98或WindowsNT3D加速卡和OpenGL三維圖形庫作為解決方案實(shí)現(xiàn)了三維圖形的繪制以及旋轉(zhuǎn)平移改變視角放大縮小表面半透明和網(wǎng)格顯示等顯示方式并提供了多種可視化理解手段。

2.1系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

通過對CT機(jī)或MRI成象數(shù)據(jù)的直接解碼或通過TWAIN接口從掃描儀獲得影象數(shù)據(jù)生成DIB圖象對輸入計(jì)算機(jī)的圖象進(jìn)行直方圖調(diào)整卷積濾波后開始圖象配準(zhǔn)對于含有定位標(biāo)識點(diǎn)的斷層圖象可以利用這些點(diǎn)信息來進(jìn)行定位典型的定位器幾何結(jié)構(gòu)共有9根定位棒其中有3根是對角定位棒在斷層圖象中表現(xiàn)為9個(gè)標(biāo)識點(diǎn)由于這些標(biāo)識點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)是已知的利用這些信息不難求出每個(gè)斷層圖象到三維空間的變換矩陣通過該線性映射關(guān)系就可以將所有斷層圖象在三維坐標(biāo)空間中配準(zhǔn)配準(zhǔn)后的圖象可以用來提取組織形態(tài)信息由用戶先選定目標(biāo)組織的邊緣任一點(diǎn)然后按二值圖法進(jìn)行輪廓的自動(dòng)搜索采用左手觸摸跟蹤法的修正方法對圖象進(jìn)行輪廓跟蹤將圖象邊界線用鏈碼加以表示對于不同組織相互連接或相距較近時(shí)產(chǎn)生的相互糾纏的輪廓線或灰度落差較大產(chǎn)生的中斷與扭曲的輪廓線采用人機(jī)對話的方式進(jìn)行分離斷層圖象在三維空間的z方向的分辨率較低為此需要對各層與層之間的斷層圖象進(jìn)行插值補(bǔ)充出若干層新的三維數(shù)據(jù)對于相鄰層間距不太大的情況采用線性插值算法當(dāng)體部掃描的層間距較大時(shí)采用高階插值樣條函數(shù)插值算法從而達(dá)到良好的效果在三維重建方面系統(tǒng)提供了基于體元和基于表面的兩種重建方式基于表面的重建采用了Lorensen等人提出的"MarchingCube"算法這是一種基于體素的表面重建方法該方法先確定一個(gè)表面閾值計(jì)算每一體素內(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再利用插值的方法求出這些表面基于體元的重建采用了光線跟蹤算法其實(shí)質(zhì)是在給定視點(diǎn)視線方向的條件下有效地估計(jì)每一個(gè)象素的光亮度從每一體素出發(fā)根據(jù)設(shè)定的方向反射一條光線對該射線通過的象素沿深度方向進(jìn)行光亮度積分依據(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)圖象。完成三維重建后通過OpenGL庫可以將數(shù)據(jù)以三維的方式顯示出來并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)移動(dòng)等效果用戶可以在三維數(shù)據(jù)體上以任意角度進(jìn)行觀察并可以對三維體任意角度進(jìn)行切割觀察剖面情況對切割后剖面中的數(shù)據(jù)空洞采用三線性插值的方法進(jìn)行填充在三維數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上系統(tǒng)還可以完成數(shù)字化重建放射透視圖象(DigitallyReconstructedRadiographs-DRR)DRR可實(shí)現(xiàn)對患者在任意空間角度下的透視模擬由于DRR是模擬常規(guī)放射透視圖象成象過程圖象是由射線在透射體中沿其路徑衰減后形成的"疊加"結(jié)果所以系統(tǒng)利用輻射線模擬跟蹤算法以及對不同組織器官密度采用加窗處理來獲得了解剖組織的多層次形態(tài)圖象圖34分別顯示了系統(tǒng)的三維重建和DRR效果圖為了有效地存儲上述的斷層序列圖象和生成的三維體數(shù)據(jù)以及適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笮枰獙?shù)據(jù)進(jìn)行壓縮系統(tǒng)利用三維小波變換的思想根據(jù)人眼的視覺特性來達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮存儲的目的對斷層序列圖象和生成的三維體數(shù)據(jù)多幅成組圖象進(jìn)行三維小波變換后對低頻子帶采取不帶量化器的無失真差值脈沖預(yù)測編碼對高頻進(jìn)行量化最后對變換系數(shù)進(jìn)行熵編碼應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

2.2系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用

三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)行之有效地完成對人體器官軟組織和病變體的三維重建和三維顯示為醫(yī)生的醫(yī)療診斷提供了輔助工具系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與應(yīng)用如下：

(1)提供了器官和組織的三維結(jié)構(gòu)信息并可以從任意角度觀察人體結(jié)構(gòu)從而提供給醫(yī)生病變體確切的空間位置大小幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關(guān)系等信息協(xié)助醫(yī)生正確診斷出病變范圍位置及程度。

(2)作為醫(yī)學(xué)研究和教學(xué)的工具能在外科手術(shù)的計(jì)劃和模擬中發(fā)揮很大作用讓醫(yī)生在虛擬環(huán)境中參予對人體三維影象的操作和改造活動(dòng)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)過程模擬比較不同的手術(shù)方案和結(jié)果以幫助制定出最佳手術(shù)方案和提高手術(shù)的安全性。

(3)放射治療計(jì)劃的制定也是三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域通過三維密度場可以計(jì)算得到三維劑量場使計(jì)劃設(shè)計(jì)者定量把握劑量場空間在患者體內(nèi)的分布情況從而使得在靶區(qū)獲得均勻的劑量分布同時(shí)最大限度地減少正常組織和要害的受量。

(4)根據(jù)三維重建所得到的幾何描述對用計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造人體的假肢都有很大的意義。

3結(jié)束語

三維醫(yī)學(xué)可視化是近年來計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖象處理技術(shù)研究和應(yīng)用的重要方面我們開發(fā)的三維醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)通過實(shí)際投入使用和北京醫(yī)療器械所的醫(yī)療設(shè)備相結(jié)合在計(jì)算機(jī)上對醫(yī)學(xué)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理達(dá)到一般成象設(shè)備所不能完成的許多功能為醫(yī)生在診斷治療方面提供了有力的工具。