CT圖像三維重建體繪制算法重采樣改進

甘妙格 劉璐瑤

摘要：CT斷層影像三維重建技術(shù)是目前醫(yī)學(xué)可視化研究的熱點之一，為了更精準地獲取病變部位的信息并使診斷過程更加方便，從一組CT切片圖像中重建出三維圖像就顯得尤為重要。針對三維重建過程中體繪制的光線投射算法成像速度慢的問題，提出了將重采樣過程中的三線性插值過程轉(zhuǎn)化到二維數(shù)據(jù)場再進行插值的改進方法，在相對三線性插值法圖像質(zhì)量基本不變的情況下，成像時間節(jié)省約75%。

關(guān)鍵詞：三維重建;體繪制;光線投射算法;線性插值

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）08-63-4

0引言

CT斷層影像三維重建技術(shù)是目前醫(yī)學(xué)可視化研究的熱點之一，可以從CT圖像上獲取病變體的信息，從而使醫(yī)生做出更準確的診斷。

為了更精準地獲取病變部位的信息并使診斷過程更加方便，從一組CT切片圖像中重建出三維圖像就顯得尤為重要。CT斷層影像三維重建算法是20世紀80年代后期提出的，起初主要使用的算法是面繪制算法[1]。到90年代中期，醫(yī)學(xué)圖像的三維重建領(lǐng)域，特別是CT斷層影像的三維重建領(lǐng)域提出了基于體素的體繪制算法，包括間接體繪制算法[2]（如移動立方體法、部分立方體法等）和直接體繪制算法[3-5]（如光線追蹤算法、光線投射算法等）。

光線投射算法是一種非常經(jīng)典的三維重建算法，它的三維成像效果非常好，能夠獲得質(zhì)量較高的圖像，所以該算法得到了較為廣泛的應(yīng)用[6-7]。但它也存在成像時間長的缺點，無法較好地實現(xiàn)實時顯示，限制了應(yīng)用場合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該算法重采樣過程的計算量復(fù)雜，是影響成像速度的主要原因。

本文以Matlab為仿真環(huán)境，用166張頭部的CT斷層圖像進行實驗為對象，對重采樣這一過程的算法進行改進，對如何在保持圖像質(zhì)量基本不變的情況下提高三維重建成像速度進行了研究。

1 CT斷層影三維重建算法

1.1光線投射算法的基本原理

光線投射算法的基本原理是從投影平面中每個像素點開始出發(fā)，并沿著逆投影方向發(fā)射可以穿過三維數(shù)據(jù)場的光線[8]。然后在穿越過體數(shù)據(jù)場的時候要對體數(shù)據(jù)進行重采樣過程，最后經(jīng)過圖像合成將合成的結(jié)果呈現(xiàn)到投影平面上，光線投射算法原理如圖1所示。

1.2基于重采樣和圖像合成的算法

傳統(tǒng)的重采樣算法是在重采樣過程中采用由投影平面發(fā)出的射線上做等間距采樣的方法[9-10]。當(dāng)沿著射線進行采樣時，大多數(shù)的采樣點都不會正好落在體素粒子的位置。因此需要采用插值運算。

由采樣點附近的8個數(shù)據(jù)點通過線性插值計算出這一點的顏色值和不透明度值[11]。

每個采樣點都需要進行3次插值才能計算出最終數(shù)據(jù)。因其計算量的復(fù)雜導(dǎo)致了三維重建成像時間過長。

2基于重采樣過程的算法改進

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，錯切變形法在經(jīng)過Shear變換和Warp變形2個步驟之后，計算量最大的三維體數(shù)據(jù)場的重采樣過程，就會被變成在二維平面上的重采樣過程。這樣的話，復(fù)雜度將會降低很多，可以極大地減少三維數(shù)據(jù)場重采樣的計算量。受錯切變形法[12]思想的啟發(fā)，設(shè)想可以將三維體數(shù)據(jù)場中三線性插值運算的計算量轉(zhuǎn)換到二維數(shù)據(jù)場中的線性插值運算。

經(jīng)對比可知，三線性插值需要采樣像素點中的8個最鄰近像素點，在軸、軸和軸上進行3次線性插值，是3個線性函數(shù)的乘積。而雙線性插值利用了對采樣像素點中的4個最鄰近像素點的相關(guān)性，只需在軸和軸的方向上進行2次線性插值，是2個線性函數(shù)的乘積。因此，將三維數(shù)據(jù)場轉(zhuǎn)換到二維數(shù)據(jù)場可以大大減少計算量。

3程序設(shè)計

本文在Matlab的仿真環(huán)境下用166張bmp格式的頭部CT斷層圖像分別對改進前后的算法進行實驗，圖4是166張圖片中截取的幾張。

每張圖片得到的數(shù)據(jù)矩陣大小均為512×512×3，其中“3”表示R，G，B三通道，程序設(shè)計流程如圖5所示。

首先提取其中一個通道的數(shù)據(jù)，由166張圖像合成一個大小為512×512×166的體數(shù)據(jù)場，在此體數(shù)據(jù)場中進行重采樣并合成，最終合成的具有三維效果的圖像為灰度圖像。改變圖像的透明度，使其可以透過皮膚看到內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。

彩色三維重建時，分別由R，G，B三通道各合成一個大小為512×512×166的三維數(shù)據(jù)場，然后按照偽彩色映射函數(shù)對數(shù)據(jù)點賦RGB顏值，然后再分別進行重采樣及圖像合成。最終每個通道生成的二位投影平面圖像大小均為512×512×166的灰度圖像，再將其合并為具有R， G， B三通道的大小為的彩色圖像。

4實驗結(jié)果

用Matlab R2016b編寫代碼進行了測試，運行代碼的計算機為Dell Inspiron 3670，內(nèi)存8 GB，CPU型號為i5-9400 CPU@ 2.9 GHz。灰度圖像三維重建比較如圖6所示。

彩色三維重建比較如圖7所示。

將改進算法前后的圖像的峰值信噪比進行對比，灰色圖像的=33.836 0，彩色圖像的=36.782 4，可以看出算法改進前后圖像的質(zhì)量并無較大的改變，此時的重建結(jié)果圖像質(zhì)量僅僅下降了一點點，甚至部分部位的顯示效果還得到了增強。

傳統(tǒng)的三維重建灰度重建=24 s，彩色重建=82 s。經(jīng)過改進重采樣算法后進行的三維重建灰度重建=6 s，彩色重建也降低至=23 s。在不同的測試環(huán)境下或許有些許的誤差，但節(jié)省的時間大約75%左右。

5結(jié)束語

經(jīng)過改進的算法可以很好地完成CT斷層影像的體繪制三維重建，與傳統(tǒng)的三維重建方法相比運算量大大減少，在保證圖像質(zhì)量基本不變的情況下成像速度提升了約75%。

參考文獻

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