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基于醫(yī)學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)和各功能模塊的實現(xiàn)方法。有效地實現(xiàn)了符合DICOM標準的醫(yī)學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)學圖像設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、西門子等成像設備制造商均生產(chǎn)三維CT產(chǎn)品，但是這些設備價格相當昂貴。通過圖像圖形學技術(shù)和可視化技術(shù)，對二維CT圖像進行后處理，根據(jù)輸入的各圖像參數(shù)直接在PC機上實現(xiàn)三維影像重建具有十分現(xiàn)實的意義。
1 三維可視化系統(tǒng)技術(shù)研究
符合DICOM標準的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)場和空間信息。針對醫(yī)學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)場的三維可視化功能。
1.1 DICOM文件的解析功能
DICOM標準的提出使得醫(yī)學圖像及各種數(shù)字信息在計算機之間的傳遞有了一個統(tǒng)一的規(guī)范，DICOM標準不但規(guī)定了通訊的標準，也規(guī)定了醫(yī)學圖像特定的存儲格式。DICOM文件一般由一個DICOM文件頭和一個DICOM數(shù)據(jù)集構(gòu)成，在DICOM文件頭中包含了標識數(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個部分組成：標簽、數(shù)據(jù)長度VL、數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)描述VR。不同的標簽規(guī)定了后續(xù)數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)對應實體的內(nèi)容，數(shù)據(jù)元素按標簽的升序排列構(gòu)成數(shù)據(jù)集。DICOM文件解析目的是通過分析符合DICOM標準的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簽號逐個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，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，存儲位為16位，目前計算機能夠顯示的灰度級只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度級的映射功能，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，可以補償人眼對灰度反應的非線性，但是它們的運算量非常大，對于二維圖像處理采用可以產(chǎn)生較為理想的效果，如果直接將其運用到三維數(shù)據(jù)場，則巨大的計算量將影響實時窗寬/窗位的調(diào)節(jié)。為了有效地進行窗寬／窗位的調(diào)節(jié)，筆者采用了計算速度快、可以實時交互的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體數(shù)據(jù)場中的一小部分數(shù)據(jù)，具有較快的速度，并且可以快速靈活地進行旋轉(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，由于表面重建對表面分割的依賴較大，對分割的精確程度要求很高，所以對形狀不明顯、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。體繪制對于形狀特征模糊不清的組織和器官進行三維顯示時具有較好的效果。但是由于在原始的體繪制過程中，一般要遍歷體數(shù)據(jù)場中的每一個體素，因而計算量較大，圖像成像的速度較慢。當改變光照和視點時，要重新進行投影運算，所以交互的速度較慢。因此，為適應不同的應用要求，系統(tǒng)同時實現(xiàn)了兩種重建方法。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和功能
根據(jù)系統(tǒng)的功能構(gòu)想和實現(xiàn)目標，筆者將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計為4個模塊：
DICOM文件解析模塊：完成由符合DICOM標準的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。該模塊首先逐個解析單個的文件，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。
體數(shù)據(jù)預處理模塊：完成窗寬/窗位調(diào)節(jié)和體數(shù)據(jù)增強等功能。窗寬／窗位調(diào)節(jié)采用Linear算法；體數(shù)據(jù)增強主要是為了消除CT圖片中可能存在的噪聲而采用的可選的預處理功能，一般的中值濾波器具有消除噪聲同時對圖像邊緣等信息影響不大的優(yōu)點，在系統(tǒng)中選用該算法實現(xiàn)圖像濾波。
可視化模塊：設計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是一個開放式的軟件，具有強大的三維功能，它提供目標函數(shù)庫，用戶可以利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法對它進行二次開發(fā)。
交互顯示模塊：交互顯示模塊主要完成對重建后的三維影像實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放，獲取冠狀面、矢狀面和實時窗寬/窗位調(diào)節(jié)的功能。
3 結(jié)論
CT圖像三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)了符合DICOM標準的CT圖像的三維顯示，為醫(yī)務人員提供了形象、直觀的診斷技術(shù)，具有廣泛的應用價值。系統(tǒng)實現(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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