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基于醫(yī)學(xué)CT圖像的三維重建研究
[論文關(guān)鍵詞] 可視化;圖像;體繪制;面繪制
[論文摘要] 本文探討了DICOM文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和解析方法、醫(yī)學(xué)CT圖像窗寬/窗位調(diào)節(jié)技術(shù)及其三維可視化算法,描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法。有效地實(shí)現(xiàn)了符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)CT圖像的三維可視化,為影像診斷提供了形象直觀的技術(shù)方法。
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
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。
[參考文獻(xiàn)]
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