應(yīng)用ＶＴＫ技術(shù)建立唇腭裂可視化模型

[摘要]目的：尋求一種高效率、高精度建立唇腭裂患者頜面部可視化模型的方法。方法：利用薄層cT獲取原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用k一均值聚類算法進(jìn)行圖像分割，結(jié)合VTK(Vi Stl8lization Toolkit)技術(shù)進(jìn)行可視化模型的建立。結(jié)果：建立了更為精確的唇腭裂患者頜面部的可視化模型，總結(jié)出了一種更為方便高效的通用可視化建模方法。結(jié)論：應(yīng)用VTK方法建立可視化模型，軟件開(kāi)發(fā)周期更短，精度更高，應(yīng)用更廣泛。

[關(guān)鍵詞]唇腭裂；VTK；可視化；k-均值聚類

[中圖分類號(hào)]R782．2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008—6455(2007)02一0218—02

科學(xué)計(jì)算可視化(Visualization in cientific Computing，簡(jiǎn)稱為VISC)是1987年由B．H．McCormick等人根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)召開(kāi)的科學(xué)計(jì)算可視化研討會(huì)的內(nèi)容撰寫(xiě)的一份報(bào)告中正式提出來(lái)的。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)硬件水平的長(zhǎng)足進(jìn)步和可視化理論方法的不斷完善，可視化在許多領(lǐng)域都得劍了廣泛的應(yīng)用。如有限元分析、計(jì)算機(jī)斷層掃描CT及核磁共振MRI數(shù)據(jù)的可視化等。本研究將VTK技術(shù)、c++技術(shù)及計(jì)算機(jī)斷層掃描CT相結(jié)合，建立唇裂的可視化模型，對(duì)臨床醫(yī)生術(shù)前面型分析、術(shù)后面型預(yù)測(cè)及口腔頜面外科教學(xué)等的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1材料和方法

1．1數(shù)據(jù)的獲?。哼x擇一左側(cè)先天性唇腭裂III度無(wú)其他身體疾患的患兒作為測(cè)試對(duì)象，應(yīng)用Toshiba公司16排螺旋cT掃描機(jī)Aquilion，測(cè)試對(duì)象采用仰臥位，眶耳平面平行于水平面，閉口位。掃描時(shí)選用骨組織掃描窗，層距O．5mm，范圍為全頭顱。

1．2數(shù)據(jù)的處理

1．2．1數(shù)據(jù)的預(yù)處理：為了更加精確地生成三維可視化模型，我們將cT掃描得到的dicom文件用infran+infran plugs軟件將其批處理轉(zhuǎn)化為raw文件，手工篩選后采用我們自行編寫(xiě)的分割軟件splitter將其骨組織和軟組織分割出來(lái)。

1．2．2模型的生成：應(yīng)用的編程環(huán)境為Visual C++．net 2003和VTK(Visualization Toolkit)。分割算法采用k一均值聚類算法。在VTK中，我們選擇了Marching Cubes算法來(lái)建立等值面模型，首先建立vtk Marching Cubes類，Set Input()函數(shù)獲取預(yù)處理數(shù)據(jù)，生成三角帶數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)化為幾何數(shù)據(jù)，vtk Actor()創(chuàng)建要顯示的“演員”，最后應(yīng)用Add Renderer()函數(shù)顯示。

結(jié)果

3討論

可視化理論自1986年提出以后，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。最著名的項(xiàng)目便是Visible Human Project(VHP)，即可視化人體。該項(xiàng)目由科羅拉多大學(xué)實(shí)施承擔(dān)，通過(guò)對(duì)男、女兩組cT及MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化重建，得到了50GB的數(shù)據(jù)集。VHP的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)始向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域滲透，具有劃時(shí)代的意義。

在我國(guó)，唇腭裂是口腔頜面部常見(jiàn)的先天性畸形，發(fā)病率約為1．8：1000，每年我國(guó)都有三到四萬(wàn)唇腭裂患兒出生。在以往的唇裂特征性研究中主要采用解剖學(xué)研究，x線頭影測(cè)量等手工方法進(jìn)行，大量的手工操作導(dǎo)致較大的誤差。奇鞠、田衛(wèi)東等采用計(jì)算機(jī)輔助三維重建技術(shù)對(duì)6例正常胎兒標(biāo)本及5例唇裂新生兒標(biāo)本顱面形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維重建，得到了唇腭裂患兒的可視化模型，但由于采用死嬰且受限于當(dāng)時(shí)可視化理論及計(jì)算機(jī)硬件水平，只實(shí)現(xiàn)了骨組織的重建。同時(shí)以往的研究也存在著開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、模型精度一般、交互式操作繁瑣等一系列問(wèn)題，本研究針對(duì)上述缺點(diǎn)，進(jìn)行了以下改進(jìn)。31應(yīng)用VTK簡(jiǎn)化可視化程序的開(kāi)發(fā)：Visualization Toolki t(簡(jiǎn)稱VTK)是一個(gè)用于可視化應(yīng)用程序構(gòu)造與運(yùn)行的支撐環(huán)境。它是在三維函數(shù)庫(kù)OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法發(fā)展起來(lái)的。它運(yùn)用C++的思想，將編程中常用的細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率叫。同時(shí)采用的Pipeline機(jī)制，規(guī)范化了程序流程，簡(jiǎn)化了代碼結(jié)構(gòu)。應(yīng)用VTK可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，使研究人員能夠?qū)⒕χ攸c(diǎn)放在唇腭裂患者面型特點(diǎn)上，構(gòu)造出適合于當(dāng)前研究的可視化模型。

3．2應(yīng)用k－均值聚類算法進(jìn)行圖像分割：k－均值聚類法分割是將對(duì)象空間中的元素用對(duì)應(yīng)的特征空間表示，按照一定的目標(biāo)函數(shù)將具有相似特征的空間點(diǎn)聚集成團(tuán)，然后再將它們映射回原圖像空間以得到分割結(jié)果的一種分割方法。k－均值聚類算法的自身優(yōu)勢(shì)使其具有分割運(yùn)算量小，適用于處理龐大的樣本數(shù)據(jù)，易于發(fā)現(xiàn)球狀類的特點(diǎn)，與CT的成像原理相似，十分適合CT影像的分割運(yùn)算。

3．3較高的模型精度：可視化模型的精確程度與原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分割與成像算法的優(yōu)化程度等因素都有關(guān)系。運(yùn)用cT進(jìn)行三維重建與傳統(tǒng)的x線立體攝影技術(shù)相比有著較高的可信度，在以往的研究中早已得到證實(shí)。本研究中采用薄層cT，層距為0．5mm，獲得了精確的唇腭裂患者畸形的面中部數(shù)據(jù)；原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)人工篩選，去除了部分我們不感興趣的層面；最后借助VTK高效率的著色代碼，可獲得較高精度的可視化模型?？梢暬Ｐ驮谂R床上主要應(yīng)用于三維觀察、點(diǎn)線角的測(cè)量、模擬手術(shù)外科等方面，在唇腭裂精細(xì)手術(shù)模擬過(guò)程中，較高的精度保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)臨床醫(yī)生進(jìn)行正確的術(shù)前療效評(píng)估及手術(shù)過(guò)程模擬奠定了基礎(chǔ)。

3．4建立了軟組織與骨組織的復(fù)合模型：受限于分割算法，以往的頜面部可視化模型的建立主要集中在骨組織。采用k－均值分割算法，不僅可以有效地分割出骨組織，同時(shí)對(duì)軟組織的分割也十分有效。唇腭裂患者面中部解剖結(jié)構(gòu)較正常人復(fù)雜，健壯的分割重建算法保證了重建數(shù)據(jù)的精度。應(yīng)用VTK可以靈活的實(shí)現(xiàn)軟組織與骨組織的復(fù)合重建，商業(yè)化的代碼保證了重建的效率、質(zhì)量與兼容性。唇腭裂患者的畸形是一種面中部軟硬組織的復(fù)合畸形，同時(shí)重建軟組織和骨組織，可以大幅度提高模型的真實(shí)性，更加符合虛擬手術(shù)系統(tǒng)的要求。

3．5開(kāi)放性的軟件設(shè)計(jì)：我們將代碼最終生成ExE文件。該軟件具有良好的通用性，只要有合適的CT數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，都可生成高質(zhì)量的可視化模型，不局限于唇腭裂患者。我們?cè)谧罱K生成的可視化模型預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)接口，可以導(dǎo)入其他常用工程軟件共享數(shù)據(jù)，如ansys等，作進(jìn)一步分析，提高了模型的通用性。生成模型時(shí)調(diào)整CT等值，可以獲得不同層面的可視化模型，例如，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆指?，甚至可以單?dú)顯示異?？谳喸鸭≡诳谥艿姆植?。最終得到的可視化模型，不僅可以360。觀察骨組織、軟組織、軟硬組織復(fù)合體，若在分割時(shí)選擇感興趣的范圍，也可以單獨(dú)顯示該部位，方便臨床醫(yī)生分析病情，更加準(zhǔn)確得預(yù)測(cè)術(shù)后病情改善情況。我們可以將頜面部各個(gè)主要解剖結(jié)構(gòu)分別建立可視化模型，部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維解剖圖譜，在頜面外科教學(xué)工作中也大有用武之地。

然而該系統(tǒng)也存在著一些缺點(diǎn)。雖然VTK自身的代碼效率已經(jīng)非常高效，但是我們將全頭顱唇裂患者的薄層CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化的過(guò)程中，在Pemtium 42．6G 512M RAM的Pc機(jī)上運(yùn)行時(shí)，建模時(shí)間超過(guò)5min。要獲得良好的運(yùn)行表現(xiàn)，必須使用專業(yè)的圖形工作站。另外本研究只是實(shí)現(xiàn)了可視化這一步，要得到最終虛擬手術(shù)要求的研究對(duì)象模型，還需與合適的計(jì)算模型(質(zhì)點(diǎn)彈簧模型或三維有限元模型)相結(jié)合，我們預(yù)計(jì)下一步工作將實(shí)現(xiàn)此功能，為實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)奠定基礎(chǔ)。

編輯／張惠娟

(注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。)