基于醫(yī)學(xué)ＣＴ圖像的三維重建研究

張　鑫

[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。

[關(guān)鍵詞] 可視化；醫(yī)學(xué)圖像；體繪制；面繪制

[中圖分類號(hào)]R814.43 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B[文章編號(hào)] 1673-7210（2009）03（a）-157-02

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(guò)計(jì)算機(jī)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)比較分析：作為可視化開發(fā)工具，VTK是一個(gè)開放式的免費(fèi)軟件，具有強(qiáng)大的三維功能，它提供目標(biāo)函數(shù)庫(kù)，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

醫(yī)學(xué)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)，具有廣泛的臨床應(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(guò)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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（收稿日期：2008-12-20）