基于Web的醫(yī)學(xué)圖像三維重構(gòu)與可視化方法

趙聰聰++王進(jìn)科

摘 要 隨著Web技術(shù)的快速發(fā)展與醫(yī)學(xué)成像水平的不斷提高，基于Web的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化逐漸在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。三維重構(gòu)后的可視化圖像能清晰地顯示人體器官的解剖結(jié)構(gòu)。本文提出了基于AJAX與X3D結(jié)合的場景交互框架，實(shí)現(xiàn)X3D標(biāo)準(zhǔn)的API和ECMA交互腳本的應(yīng)用，通過三個二維平面來確定待顯示的三維目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)的交互式應(yīng)用Web醫(yī)療圖像三維重構(gòu)可視化應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Web三維重建 GPU重構(gòu) X3D MVC可視化

1 引言

基于Web的三維可視化系統(tǒng)充分融合了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)以及圖像處理技術(shù)，使得處于不同地域的醫(yī)生參與遠(yuǎn)程會診；它能幫助生物醫(yī)學(xué)工作者提高解剖結(jié)構(gòu)的理解力，提高學(xué)習(xí)與交流的便利性，以及促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與人類社會的健康發(fā)展。本文開發(fā)出基于Web的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)技術(shù)，使得這些技術(shù)具有良好的魯棒性、精確性和實(shí)用性，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化醫(yī)療診斷、教育中發(fā)揮實(shí)際作用

2 GPU并行重構(gòu)

三維重構(gòu)的方式主要分為面繪制與體繪制兩種。體繪制需要將數(shù)據(jù)場中每個體元的值映射為顏色與阻光度，這一映射過程通過傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換后的RGBA值通過合成投影到幀緩沖區(qū)相應(yīng)的像素位置上，合成的方式可以通過多種算法實(shí)現(xiàn)。面繪制，是指在三維數(shù)據(jù)場中構(gòu)造并顯示等值面的過程，是從三維數(shù)據(jù)場中還原物體三維信息的主要手段之一?；诙嗪薌PU并行技術(shù)方式的MC算法，將2D橫斷面分割成多個獨(dú)立的片段，通過重構(gòu)合并多線程進(jìn)而形成3D等值面模型。

3 X3D模型轉(zhuǎn)換與紋理映射

本文中提出了重構(gòu)模型的X3D的模型轉(zhuǎn)換技術(shù)及相應(yīng)模型的紋理映射，形成Web兼容的3D格式。等值面中的坐標(biāo)將被轉(zhuǎn)換到X3D中指定的索引面集合節(jié)點(diǎn)中。該索引面集被用于表示X3D重構(gòu)模型中的一個多邊形網(wǎng)格的形狀和表面。為了將紋理映射到這樣一個模型上，我們創(chuàng)建了一個和模型同樣大小的模板立方體。將輸入的2D橫斷面生成的紋理圖像，根據(jù)其坐標(biāo)被映射到立方體里模型上，然后合并紋理立方體和重構(gòu)模型的索引面集節(jié)點(diǎn)。我們使用了完整的分辨率圖像切片，并且計算是運(yùn)行在GPU平臺上，從而產(chǎn)生適用于Web的X3D模型，最終使得本文獲得的重構(gòu)模型更加靈活，更加容易被擴(kuò)展，并且被一般的3D瀏覽器支持。

4 集成X3D的MVC可視化

本文在提出了MVC的框架設(shè)計模式的過程中，設(shè)計了一個可視化的流水線系統(tǒng)，從而來有效地提高系統(tǒng)的靈活性與擴(kuò)展性。在可視化框架設(shè)計中，我們根據(jù)MVC設(shè)計原則將系統(tǒng)劃分為模型層、視圖層、控制器三層。

4.1 模型層

主要是提供操作的數(shù)據(jù)，如等值面模型、紋理模型、可繪制點(diǎn)等。

4.2 視圖層

為了使得生成的等值面被OpenGL可視化，在處理層我們需要重點(diǎn)提出了等值面模型轉(zhuǎn)化技術(shù)，即將等值面轉(zhuǎn)化為多邊形模型。

4.3 控制器

分派請求和控制流程，主要是將ECMA腳本等添加到視圖模型中，從而提高可視化系統(tǒng)在Web頁面上的交互性。

5 AJAX與X3D結(jié)合的場景交互

Web3D技術(shù)提供多種方式來實(shí)現(xiàn)可視化的場景交互。本文對于三維可視化過程中場景交互僅僅聚焦在三維目標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、放縮等基本交互操作，從而滿足Web實(shí)時性的要求。本文為三維可視化的Web模式提出了提供了兩種交互式框架：一個基于傳感器節(jié)點(diǎn)的場景更新框架，另一個基于Ajax3D（Ajax，Asynchronous JavaScript and XML）的框架。

5.1 基于傳感器節(jié)點(diǎn)的場景更新框架

基于傳感器節(jié)點(diǎn)的場景更新框架使用Web3D技術(shù)中預(yù)先定義的傳感器節(jié)點(diǎn)來增強(qiáng)場景交互和更新。該場景中的傳感器節(jié)點(diǎn)被動感應(yīng)，并響應(yīng)用戶的存在和交互。Web3D允許開發(fā)者針對特定的用途，集成定制的腳本，并為內(nèi)部和外部的ECMA腳本或者Java代碼提供計算服務(wù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。使用這個框架，一旦場景從一個服務(wù)區(qū)載入到一個客戶端，用戶能夠通過他們內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行場景交互。

5.2 基于Ajax3D的框架

本文使用2D圖像導(dǎo)航來阻止這樣的不必要的模型重載，低分辨率圖像的集合會比3D模型小很多。該2D導(dǎo)航器可以通過頁面的Java script，使用Ajax3D技術(shù)，將指令消息轉(zhuǎn)發(fā)給Web瀏覽器。該指令消息被推送到場景訪問界面，來恰當(dāng)?shù)刂匦陆；蛘咧匦屡渲媚Ｐ?。使用這種方式，模型的2D導(dǎo)航器不會立即出發(fā)一個模型的重載，而是，3D模型會在用戶提交選擇好的位置和平面后進(jìn)行重載。頁面不需要重新載入。帶著這樣的結(jié)果，用戶仍可以無縫地通過2D導(dǎo)航器實(shí)現(xiàn)3D導(dǎo)航，而不用不必須的模型重載。

6 總結(jié)

基于Web模式醫(yī)學(xué)圖像三維重構(gòu)與可視化渲染方式，可以在異步條件下改變?nèi)S場景中的內(nèi)容 ，給客戶帶來更加具有交互性的三維體驗(yàn)。醫(yī)學(xué)圖像可視化是圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程上的重要應(yīng)用，三維重構(gòu)后的圖像提高了醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，有利于制定最優(yōu)的治療方案及放射手術(shù)規(guī)劃，并可進(jìn)行手術(shù)模擬，在解剖教育及醫(yī)學(xué)提出了中具有重要意義。

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作者簡介

趙聰聰（1996-），女，大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>

王進(jìn)科（1983-），男，博士學(xué)歷。研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像分析。

作者單位

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 山東省榮成市 264300