基于GPU加速的虛擬內(nèi)窺鏡漫游技術(shù)研究

郭慶斌+呂曉琪+張寶華+唐振禹

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中存在的繪制和交互速度較慢、漫游方式不易操作等問(wèn)題，通過(guò)利用圖形處理器（GPU）的并行運(yùn)算技術(shù)提高光線投射體繪制算法的繪制速度，使用可視化工具包（VTK）設(shè)計(jì)人性化的手動(dòng)交互方式，并且手動(dòng)交互方式可以與體繪制物體完成實(shí)時(shí)響應(yīng)，然后將沿著中心路徑的自動(dòng)漫游和手動(dòng)交互方式結(jié)合并實(shí)現(xiàn)靈活的切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用GPU可以實(shí)現(xiàn)快速的體繪制和交互式漫游，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，并且該文交互式漫游便于靈活操作。

關(guān)鍵詞： 虛擬內(nèi)窺鏡； 圖形處理器； 光線投射體繪制； 交互式漫游

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0057?04

Research on virtual endoscopy roaming technology based on GPU

GUO Qingbin， L? Xiaoqi， ZHANG Baohua， TANG Zhenyu

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： Aiming at the problems of slow volume rendering， slow interactive speed and complex roaming operating mode existing in the traditional virtual endoscopy system， the parallel computing technology of GPU （graphics processing unit） is used to improve the rendering speed of ray?casting volume rendering algorithm. The humanized manual interactive mode was designed with VTK （visualization toolkit）. The humanized manual interactive mode can realize real?time response with body of volume rendering. The automatic roaming along the centerline and the manual interactive mode are combined to achieve flexible switching. The experimental results show that the utilization of GPU can realize fast volume rendering and interactive roaming， improve operating efficiency of system. The interactive roaming designed in this paper is easy and flexible to operate.

Keywords： virtual endoscopy； graphics processing unit； ray?casting volume rendering； interactive roaming

內(nèi)窺鏡是在醫(yī)療診斷中經(jīng)常使用的手術(shù)工具，包括胃鏡、血管鏡、腸鏡等。它能將空腔器官內(nèi)壁表面呈現(xiàn)給醫(yī)生以輔助檢測(cè)與診斷，然而它同時(shí)具有很多的缺點(diǎn)。因?yàn)閮?nèi)窺鏡體需要插入人體內(nèi)，這會(huì)給病人帶來(lái)痛苦與不適，也可能會(huì)造成出血、穿孔、感染等不良后果；再者傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢查需要耗費(fèi)高昂的費(fèi)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)[1]應(yīng)用而生。

虛擬內(nèi)窺鏡是指通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法對(duì)CT，MR設(shè)備產(chǎn)生的病人影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重建而生成的能反映空腔器官立體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部表面形態(tài)的圖像。而傳統(tǒng)基于CPU的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)繪制速度慢，交互響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，影響醫(yī)生的實(shí)時(shí)觀察診斷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）越來(lái)越強(qiáng)大，在圖形圖像處理能力上已超越通用CPU。GPU是圖形處理單元，它的強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力使光線投射算法被改進(jìn)并在GPU上運(yùn)行?；贕PU的光線投射算法使得虛擬內(nèi)窺鏡即可以加快體數(shù)據(jù)的繪制速度，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)窺鏡的實(shí)時(shí)交互漫游，并通過(guò)調(diào)整視角、變動(dòng)視距來(lái)根據(jù)用戶的意愿對(duì)空腔內(nèi)表面進(jìn)行檢查，以幫助醫(yī)療工作者診斷。

1 交互式虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組成

虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)[2]的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程：獲取原始醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)；對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割，獲得所需的圖像目標(biāo)區(qū)域；利用分割后目標(biāo)區(qū)域求空腔器官中心線；對(duì)處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維面繪制或者對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維體繪制；設(shè)置虛擬相機(jī)，沿著中心線對(duì)三維空腔進(jìn)行自動(dòng)漫游觀察；設(shè)計(jì)交互漫游方式，對(duì)特殊地方進(jìn)行交互控制檢查。

1.1 圖像分割

對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)的分割可以得到所需要的目標(biāo)器官區(qū)域的圖像，同時(shí)提高器官組織的面繪制速度，便于提取空腔器官中心路徑。本文使用的是閾值分割算法[3]，首先選定目標(biāo)種子點(diǎn)，將與種子點(diǎn)具有相似灰度值的像素集歸并到種子點(diǎn)所在區(qū)域。設(shè)原始圖像灰度值函數(shù)為f（i，j），分割后圖像像素灰度函數(shù)為g（i，j），給定與種子點(diǎn)灰度值相似的合適灰度值范圍（T1，T2），并作為圖像分割的閾值，然后進(jìn)行二值化處理：將圖像中所有像素點(diǎn)的灰度值與種子點(diǎn)的灰度值比較，在閾值范圍內(nèi)的像素點(diǎn)的灰度值置為255，在閾值范圍外的像素點(diǎn)的灰度值置為0，即：