基于VTK的超聲血管三維重建

郭燦柱楊涌元莊哲民楊金耀

1 汕頭大學(xué)電子信息工程系 （汕頭 515063）

2 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

基于VTK的超聲血管三維重建

郭燦柱1楊涌元1莊哲民1楊金耀2

1 汕頭大學(xué)電子信息工程系 （汕頭 515063）

2 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

基于計算機數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像處理與三維重建技術(shù)，已逐漸成為了一門具有特色的交叉學(xué)科。VTK（The Visualization Toolkit）是一個開源的、跨平臺、可自由獲取、支持并行處理的圖形應(yīng)用函數(shù)庫。利用VTK 強大的可視化功能對血管的超聲醫(yī)學(xué)影像進行三維重構(gòu)，顯示血管的內(nèi)部切面，為醫(yī)生提供更為直觀的、精確的器官內(nèi)部信息，協(xié)助醫(yī)生觀察體血管內(nèi)部病灶，可以達到比較理想的效果。文章介紹了VTK的基本構(gòu)成、可視化流程，以及基于C++語言在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下實現(xiàn)血管重建。

三維重構(gòu) VTK 超聲血管 可視化

研究表明，人類通過視覺獲取的信息占總獲取信息的80%以上，是人類獲取外部信息的重要方式。視覺信息比文字、數(shù)字等信息更加直觀，信息量更為豐富。因此，通過圖形圖像等方式將數(shù)據(jù)進行可視化，有助于人們理解數(shù)據(jù)[1]。

近年來，計算機圖形圖像等技術(shù)不斷發(fā)展，并逐步滲入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，開創(chuàng)了數(shù)字醫(yī)療的新時代?；谟嬎銠C數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像處理與三維重建技術(shù)，已逐漸成為了一門具有特色的交叉學(xué)科[2]。其中，VTK（The Visualization Toolkit）作為具有強大的三維圖形圖像處理功能，良好的體系結(jié)構(gòu)、高度的靈活性及可移植性，且開放式的免費軟件，目前在美國、西歐等各高校、研究所的數(shù)字醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[3]。

1.VTK的概述與原理介紹

1.1 VTK的概述

VTK是美國Kitware公司推出的一個開放源碼的自由的軟件系統(tǒng)，可以應(yīng)用于圖像處理、計算機圖形學(xué)、科學(xué)計算可視化，目前最新版本為7.1.0.[4]。VTK完全采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想來設(shè)計與開發(fā)，支持Windows，Unix與Linux等多種平臺，支持C，C++，Java，Tcl/Tk以及Python等編程語言[5]。VTK將眾多常用的圖形操作、圖像處理算法封裝成不同的類，非常易于理解和調(diào)用。相對于Matlab與Open GL庫，VTK具有應(yīng)用靈活、重建效果逼真、重建速度較快等優(yōu)點，同時還可以對圖像進行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、組織提取等多種操作[6]。與此同時，VTK具有很好的流和高速緩存能力，同時支持多線程處理，這些都使得VTK成為醫(yī)學(xué)圖像可視化開發(fā)的一個較好的選擇[7]。

VTK是在三維函數(shù)庫OpenGL基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法發(fā)展起來的，主要由兩部分組成，一個是利用C++語言編寫的核心層，一個是按照一定規(guī)則生成的支持腳本語言的解釋層。這種結(jié)構(gòu)的可以用C++編寫有效算法，保持解釋性語言代碼的特點，也可以用其他自己熟悉的工具進行開發(fā)。

VTK最初設(shè)計的目的是為了醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，它支持一系列可視化算法和許多高級建模技術(shù)，并且己經(jīng)集成了許多的可視化算法，像MC算法、光線投射法等。自從開發(fā)以來受到廣泛重視和應(yīng)用，并不斷得到完善，已成為可視化領(lǐng)域最負(fù)盛名的軟件開發(fā)包[2]。

1.2 VTK的原理

VTK中數(shù)據(jù)處理的兩個部分：可視化管線和渲染引擎，可視化管線主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取或者創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)處理，本文主要是對由醫(yī)學(xué)院提供的超聲血管圖片進行數(shù)據(jù)的讀取，然后將數(shù)據(jù)寫入文件或者傳遞至渲染引擎中進行顯示。渲染引擎對數(shù)據(jù)進行了一個可視的表達[7]。可視化管線的主要作用是把幾何數(shù)據(jù)（如立方體的頂點坐標(biāo)）轉(zhuǎn)換成圖形數(shù)據(jù)和負(fù)責(zé)構(gòu)建幾何體，VTK使用數(shù)據(jù)流的方式把幾何體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形數(shù)據(jù)，主要有兩個基本類和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換相關(guān)，它們是vtkDataObject和vtkProcessObject類。數(shù)據(jù)對象表達各種類型的數(shù)據(jù)，vtkDataObject可以被看作是一個二進制大塊（blob）數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)可以被認(rèn)為是一個數(shù)據(jù)集（dataset）（vtkDataSet類）。

可視化流程的原理如圖1所示。

源數(shù)據(jù)是讀入或生成的需要處理的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對象表示了VTK中不同的類型的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化點集，線性化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，多邊形數(shù)據(jù)[7]。

VTK通過過濾器來操作和變換數(shù)據(jù)。過濾器實際上就是各種算法的封裝好的代碼，對數(shù)據(jù)對象進行相應(yīng)的處理分析，可以接受一個或者多個對象的輸入以及輸出[7]。

當(dāng)源數(shù)據(jù)完成以上流程后，用戶只需要按順序調(diào)用指定的渲染類，就可以將結(jié)果渲染到指定窗口[8]。其中，類似MFC中的CObject基類，VTKObject是VTK的基類，它為可視化流程提供基本方法，VTKSource是VTKObject的派生類，它為整個可視化流程的開始定義具體的行為和接口。VTKFlier是VTKSource的派生類，它對數(shù)據(jù)進行可視化處理，使得數(shù)據(jù)可以直接用特定算法進行處理。VTKMapper是VTKObject的另一個派生類，它將經(jīng)VTKFilter處理后的應(yīng)用數(shù)據(jù)映射為幾何數(shù)據(jù)，為原始數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)之間定義接口。這樣，多種類型的Sources，F(xiàn)ilters和Mappers就連接了起來[2]。

2.VTK三維重建的實現(xiàn)

利用VTK對醫(yī)學(xué)圖像進行三維重建的常用方法有面繪制和體繪制。面繪制中多數(shù)采用的是移動立方體算法，該算法容易實現(xiàn)，目前得到廣泛的應(yīng)用[9]。

圖1. 可視化流程的原理

移動立方體法中，在讀入數(shù)據(jù)后，建立vtkMarching Cubes類對象，設(shè)置閾值、灰度值，進行表面抽取。接著創(chuàng)建vtkPolyDataNormals類對象和vtkPolyDataMapper類對象，將vtkMarchingCubes對象的輸出作為vtkPolyDataNormals對象的輸入，并將vtkPolyDataNormals對象的輸出作為vtkPolyDataMapper對象的輸入。然后再創(chuàng)建一個代表此次處理結(jié)果的角色vtkLODActor類對象，將它與vtkPolyData Mapper對象關(guān)聯(lián)起來。至此面繪制的數(shù)據(jù)處理完成。再建立繪制者vtkRenderer和繪制窗口vtkRenderWindow，將vtkLODActor對象加入到vtkRenderer后，再將vtkRenderer對象加入vtkRenderWindow。最后為了具有交互效果，建立vtkRenderWindowInteractor對象，將vtkRenderWindow設(shè)置為交互繪制窗口。至此面繪制的移動立方體法重建完成[2]。

光線投射法是目前體繪制中常采用的算法，包含有多種光學(xué)模型，一般是光吸收還有光發(fā)射模型[9]。它的基本原理是從投影圖像平面（通常為平面）的每個像素沿著視線方向發(fā)射一條穿過體數(shù)據(jù)的射線，然后在射線上按照一定的步長進行等距離采樣，對每個采樣點采用插值技術(shù)來計算體素值，根據(jù)顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)來獲取相應(yīng)的顏色值和不透明度，最后利用光線吸收模型將顏色值進行累加直至光線穿過體數(shù)據(jù)，即可得到當(dāng)前平面像素的渲染顏色，生成最終的顯示圖像[1]。對于光線投影法，在讀入數(shù)據(jù)后，建立不透明度函數(shù)的對象vtkPiecewiseFunction用以設(shè)置不透明函數(shù)的拐點以及其對應(yīng)的不透明度；建立色彩傳遞函數(shù)對象vtkColorTransferFunction設(shè)置不同組織的不同顏色；建立vtkFixedPointVolumeRayCastMapper對三維數(shù)據(jù)進行光線投射算法的計算；建立vtkVolume對象讀入上一步的計算結(jié)果。至此體繪制的數(shù)據(jù)處理完成。接下來的窗口繪制及交互，同面繪制步驟一樣。至此體繪制的光線投影法重建完成[2]。

圖2. 原始的超聲血管醫(yī)學(xué)影像

圖3. 重建結(jié)果

2.1 VTK的數(shù)據(jù)讀取

使用VTK可以讀取DICOM，BMP等多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)鄰域的國際通用標(biāo)準(zhǔn)是DICOM，本文的數(shù)據(jù)源是附醫(yī)院提供的JPEG格式的圖片[10]。原始數(shù)據(jù)圖像如圖2。

2.2 三維模型的重建結(jié)果

根據(jù)VTK的可視化管線流程對數(shù)據(jù)進行讀取，結(jié)合ITK，利用VTK提供的對應(yīng)的類進行三維重建，理想的重建結(jié)果如圖3[11]。

3.小結(jié)

醫(yī)學(xué)圖像提供了豐富的人體生理解剖結(jié)構(gòu)的幾何信息，應(yīng)用現(xiàn)代生物圖像處理技術(shù)，可以使基于醫(yī)學(xué)圖像的解剖真實建模成為可能[12]。本文將VTK可視化工具包應(yīng)用到超聲醫(yī)學(xué)影像的重建上，能有效實現(xiàn)超聲血管圖像的超聲三維重建，為計算機輔助診斷提供有效的參考[13]。

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3D Reconstruction of Ultrasound Blood Vessel Images Based on VTK
GUO Can-zhu1YANG Yong-yuan1ZHUANG Zhe-min1YANG Jin-yao2

1 Department of Electronics, Shantou University (Shantou 515063)

2 Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co., Ltd (Shantou 515041)

The technology of medical image processing and 3D reconstruction based on computer digital image processing, computer graphics, virtual reality and computer network has gradually become an interdisciplinary subject.VTK, an graphics application library, which is open source, cross platform, and free to access. 3D reconstruction of ultrasound blood vessel images based on VTK can do great help to the doctor with more detail of the inside of the organic. This paper introduces the basic constitution and visualization process of VTK. Furthermore, the reconstruction method of ultrasound blood vessel images based on C++ is realized under the environment of Microsoft Visual Studio 2010.

3D reconstruction, VTK, ultrasound blood vessel, visualization

1006-6586(2017)09-0012-03

R814.4

A

2017-04-12

郭燦柱，楊涌元，汕頭大學(xué)電子工程系研究生；莊哲民，汕頭大學(xué)電子工程系教授；楊金耀，汕頭市超聲儀器研究所有限公司教授級工程師。