三維交互式切割技術(shù)在醫(yī)學(xué)圖像處理中的應(yīng)用

【作 者】孫少平，楊開泰，李斌，李元俊，梁靜

玉溪市人民醫(yī)院，玉溪市，653100

0 前言

目前，醫(yī)學(xué)圖像三維交互式切割技術(shù)的研究是醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的一個研究熱點，同時它也是一個多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。需要利用計算機圖形學(xué)、圖像處理、科學(xué)計算可視化和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識，在醫(yī)學(xué)圖像后處理領(lǐng)域有重要的意義[1]。

利用三維可視化技術(shù)重建出醫(yī)學(xué)圖像的三維模型，通常只能觀察到三維物體表面的形狀、結(jié)構(gòu)和信息，而無法觀察到內(nèi)部的詳細信息。醫(yī)生往往關(guān)心的是三維重建物體內(nèi)部的醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)信息，而內(nèi)部物體往往被外部的目標遮擋?。ㄈ缒I、肝等器官被皮膚和骨骼遮蓋）。

基于上述原因，該文提出三維交互式切割方法，通過交互式操作，可以對任意方位的三維空間數(shù)據(jù)切片和重建后的三維物體進行交互式觀察和操作，方便診斷，提高診斷的準確性。

1 任意方位的三維切片數(shù)據(jù)交互式切割

在醫(yī)學(xué)圖像三維可視化處理中往往涉及到最佳層面圖像的顯示問題，即根據(jù)感興趣組織的位置和方向以及與周圍組織結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系來確定最能滿足臨床應(yīng)用需求的斷層序列圖像[2]。該文提出采用“三維交互式切割”方法對醫(yī)學(xué)圖像序列組成的三維切片數(shù)據(jù)空間進行交互式切割，提取數(shù)據(jù)場中具有診斷意義的斷面，并對此斷面圖像進行交互式操作，方便醫(yī)生觀察三維空間數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)以及與各個組織、器官之間的空間關(guān)系，充分利用三維空間數(shù)據(jù)場的信息，具有較強的診斷價值。

1.1 正交平面切割原理及方法

正交平面切割方法是沿著X、Y和Z軸方向，設(shè)置某一點為參考點，用垂直于三個坐標軸的平面切割三維空間體數(shù)據(jù)，從而形成三個相互正交的斷面圖像，即醫(yī)學(xué)上常說的具有診斷意義的橫截面、冠狀面、矢狀面。通過人機交互方式控制三個正交面進行交互式提取和顯示切面圖像。

1.2 任意角度平面切割原理和方法

利用正交面對三維空間切片數(shù)據(jù)場進行交互式提取和顯示，只能提取和顯示三個正交面上的信息。如果需要顯示非正交面的信息，則該方法不能滿足實際需求。任意角度平面顯示需要在三維立體空間中定義一個任意方位的平面，通過定義該平面的法向量和內(nèi)點來對醫(yī)學(xué)圖像切片數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維立體空間進行任意角度的平面切割并獲得切割面的圖像信息，同時實時顯示相關(guān)的圖像信息[3]。這種方法只要在三維空間中給定平面上的一個點p(x0,y0,z0)以及該平面的法向量n=(a1,a2,a3)，由平面的點法式方程可知，該平面的方程滿足式(1)。

因此，要獲取三維空間數(shù)據(jù)場中某一角度和部位的虛擬平面，只需要確定該平面的法向量和平面上的一點即可。在三維空間中，任意平面的單位法向量均可由該平面的方向角α，β，γ確定，其中，0≤α≤ π，0 ≤ β≤π，0≤γ≤π。定義三維坐標系原點為o，則向量op的方向余弦為：cosα、cosβ、cosγ。則由式(2)可計算出法向量n=(a1,a2,a3)的值。

通過式(1)和(2)即可確定虛擬平面的法向量和內(nèi)點。為了獲取沿法向量的其他切面圖像，只需要沿法向量方向移動初始平面即可。若設(shè)為沿法向量方向移動的距離，當取負值時表示沿n的反向移動。令p'(x',y',z' )表示平移后的虛擬切片中的p(x0,y0,z0)點，則可通過式(3)求得移動后的點p'(x',y',z')的值。同時，也可以通過人機交互方式改變所定義的平面內(nèi)的法向量和內(nèi)點位置來實時切割三維空間數(shù)據(jù)場并同步顯示切割平面的圖像信息。

1.3 實驗結(jié)果與分析

本文基于可視化工具包VTK[4]進行正交平面和任意角度平面的三維切片交互式切割，并將切割面的圖像實時、動態(tài)顯示。實驗所用數(shù)據(jù)為頭部標準DICOM格式的CT圖像序列。實驗結(jié)果如圖1所示。

實驗結(jié)果分析：圖1(a)為CT切片序列圖像；圖1(b)中左上角為1(a)中圖像序列形成的三維空間數(shù)據(jù)場，右上角為橫截面圖，左下角為冠狀面圖，右下角為矢狀面圖；圖1(c)中左上角為圖像序列形成的三維空間數(shù)據(jù)場，其余三幅圖像均為不同角度切割平面圖像。圖1(b)和1(c)均通過交互式調(diào)節(jié)窗寬和窗位的數(shù)值來突顯不同的組織和器官部位，具有較強的臨床診斷價值，醫(yī)生可以從不同的角度對其進行交互式觀察。同時，也可對上述圖像進行放大、平移、旋轉(zhuǎn)等交互式操作，方便醫(yī)生進行定性和定量分析，提高診斷效率和準確度。

圖1 三維切片交互式切割結(jié)果Fig.1 The results of interactive clipping for 3D cross-section images

2 三維重建體交互式切割

由于三維空間數(shù)據(jù)場具有一定的層次感，在實際觀察中三維可視化后的圖像內(nèi)部組織和器官通常會被皮膚和骨骼等外部信息所遮擋，無法看到三維重建體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息[5]。本文提出“三維交互式切割”即“六面體切割”和“任意角度切割”方法對重建后的三維圖像進行交互式切割，可以實時動態(tài)的顯示三維重建體內(nèi)部的圖像信息。比起傳統(tǒng)的單純依靠調(diào)節(jié)皮膚和骨骼等外表面的不透明度和灰度等數(shù)值來顯示內(nèi)部信息，此方法具有較強的實時性和交互性[3]。

2.1 三維重建體交互式切割原理和方法

三維重建體的交互式切割，通常需要在三維空間中定義兩個模型。一種是在場景中用于顯示實體的Data模型，另一種是對三維物體進行操作的Widget模型。對三維重建體進行交互動作必須要通過處于三維場景中的Widget模型作用于Data模型[6]。本文基于三維可視化工具包VTK在屏幕上創(chuàng)建一個立方體空間和可以交互式放置的任意角度平面，此立方體空間的六個表面和任意角度平面以及它們的中心點都能通過鼠標或者其他操作對其進行交互式操作。通過這個六面體和任意角度平面直接對三維空間的物體進行交互式切割。其基本流程如圖2所示。

圖2 六面體/任意角度平面切割重建物流程Fig.2 Flow chart of hexahedron/arbitrary-orienting clipping plane for 3D reconstructed image

2.2 實驗結(jié)果與分析

本文基于三維可視化工具包VTK進行六面體和任意角度平面的三維重建體交互式切割，并同步將切割的圖像實時、動態(tài)顯示。實驗所用數(shù)據(jù)為重建后的MRI三維腦部立體圖像。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 三維重建體交互式切割結(jié)果Fig.3 The results of interactive clipping for 3D reconstructed image

實驗結(jié)果分析：圖3(a)為MRI腦部序列切片圖像；圖3(b)為圖3(a)切片圖像的三維重建體；圖3(c)和3(d)分別是通過“六面體切割”和“任意角度切割”方法對圖3(b)處理的結(jié)果。在圖3(c)所在的三維空間，定義六個小物體，其中每個物體都代表一個平面，通過點擊移動每個平面上的小物體，此物體所在的平面也會隨著物體的移動而移動，從而達到六面體切割三維空間體數(shù)據(jù)的目的。通過上述方法即可觀察到重建體內(nèi)部六面方位的信息，具有較高的臨床診斷和分析價值。在圖3(d)所在的三維空間中，同樣定義一個小圓錐體和一個小球體，其中小圓錐體可以控制空間中平面的法向方向，小球體可以控制平面切割體數(shù)據(jù)的位置。通過控制小圓錐體和小球體的方位，達到任意角度平面切割空間體數(shù)據(jù)的目的。通過上述方法即可觀察到重建體內(nèi)部任意方位的信息，具有較高的臨床價值。

3 結(jié)論

本文采用“三維交互式切割”方法對醫(yī)學(xué)圖像序列組成的三維空間數(shù)據(jù)場進行交互式切割、提取和顯示，實驗結(jié)果清晰地表現(xiàn)出感興趣組織結(jié)構(gòu)在層間的變化，增強了對三維結(jié)構(gòu)的視覺感知能力；同時采用“六面體和任意角度平面切割”方法對MRI圖像重建后三維立體進行交互式切割，以便觀察重建體內(nèi)的結(jié)構(gòu)信息，解決了三維重建體繪制本身的缺陷，具有較高的臨床實用價值。

[1]胡戰(zhàn)利.基于VTK的醫(yī)學(xué)圖像三維重建及交互研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2008.

[2]嚴華剛,付璇,錢雅君,等.基于VTK的任意平面CT圖像二維交互分割初步研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2010,25(5): 21-23.

[3]周振環(huán),王安明,王京陽,等.基于VTK三維可視化編程[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,6(3): 10-14.

[4]Hu Z,Li J.Study on 3D CT image reconstruction and interactive clipping[C].ITAB,2008: 101-104.

[5]李嘉,胡懷中,胡軍,等.可視化三維圖形庫Visualization ToolKit3.2的原理及應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件,2004,21(2):5-6,29.

[6]孫少平.醫(yī)學(xué)圖像三維可視化及交互式切割研究[D].昆明理工大學(xué),2012.