（计算机应用技术专业论文）虚拟内窥镜技术的研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 虚拟内窥镜技术是随着计算机技术、计算机图形学、计算机图像处理尤其 是虚拟现实等学科的发展而逐步形成的一种独特的技术。它属于医学虚拟现实 的范畴，是医学技术在虚拟现实中的推广。与传统的光学内窥镜相反，它不是 把镜体植入到人体中去，而是想办法将人体的管腔组织在计算机上显现出来， 让内窥镜直接在计算机上进行漫游。具体办法是，病人在检查时首先作c t 、m r i 或超声等扫描，所得数据传入计算机后进行处理，生成便于计算机显示的数据， 然后利用类似虚拟现实的手段对所要检查的区域进行显示，在计算机的屏幕上 观察是否有病变。显然，整个检查过程中病人只需要做一次扫描就可以，所以 病人的痛苦大大地减低了。由于在检查的过程中减少了病人的参与，从而也很 大程度的降低了医疗事故的发生率以及医疗成本。所以，虚拟内窥镜技术在医 学上有着广泛的应用前景。本文针对虚拟内窥镜系统的关键技术和实现方法进 行了深入研究。 首先，文章分析了在c t 、磁共振、医院p a c s 系统中应用广泛的医学图像数 据d i c o m 文件格式，实现对d i c o m 文件的正确解读。解读d i c 傩文件是三维重 建的前提。只有准确的提取出文件中的信息，如病人的检查部位、图像的窗宽 窗位以及切片厚度等，才能够建立人体数据的三维模型，从而为虚拟内窥镜以 及其他的医学应用奠定基础。接下来利用提取出的信息进行三维重建，本文简 要介绍了几种常用的表面绘制算法，并对m a r c h i n gc u b e 算法的实现流程作了 说明。 其次，文章详细讨论了虚拟内窥镜系统的相关内容，包括虚拟内窥镜的发 展现状，基本原理，实现步骤以及各个步骤的实现方法。虚拟内窥镜系统实现 的一个关键步骤是路径规划。文章对此部分进行了深入的研究。路径规划包括 图像二值化，二值图像骨架化，路径生成等三个步骤。其中骨架化是虚拟内窥 镜的核心。骨架化的意义在于提取出管腔组织的中心点，连接这些中心点从而 生成漫游的路径。因此中心点的提取速度和准确度直接影响着虚拟内窥镜系统 的实用性。 山东大学硕士学位论文 本文详细介绍了几种骨架化算法，然后针对其中的拓扑细化方法提出了改 进算法。拓扑细化算法是一种有效的提取中心路径的方法，该方法原理简单， 得到的结果基本上能够正确的保持物体的拓扑结构，但是耗时却很长，而用于 医学处理的数据集往往又是十分庞大的，所以严重的影响了该算法的实用性。 本文针对这一缺点提出了几种改进方法，在不同程度上有效地提高了算法的处 理速度，减少耗时，从而可以使该算法更好的应用到实际的应用之中。实验证 明，改进后的算法可以快速稳定的处理体数据，很大程度上起到了优化的作用。 最后，由于直接沿骨架化算法的结果进行漫游容易出现图像跳跃现象，文 章采用了n u r b s 曲线对路径进行平滑处理。文中给出了权因子变化对n u r b s 曲 线形状的影响规律，从力学角度揭示了权因子的物理意义，为更有效地利用权 因子提供的额外自由度来调整曲线形状提供了理论依据。 关键宇：虚拟内窥镜；中心路径；o i c o m 文件；路径提取；拓扑细化 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e ( v i m l a le n d o s c o p y ) i san e ws p e d a lt e c l l n i q u e 砌c hd e v e l o p e dq 面c k l yt i l e y e 邪ni s 孤疏e 孕撕o no fc 0 唧u t e rt e c m q u e ，c o m p m e rg r a p h i c s ，c o m p m 盯i m a g e p r o c e s s i n g 觚d 、，i m i a lr e a l i t y ，瓤di ti sa na p p i i c 撕o no fm e d i c a l 、，i m l a lr e a i 埘 co l 】_ 仃a r y 幻t i l e o 砸c a le 1 1 d o s c o p y ，v e d o t p u td ee l l d o s c o p y i r 哟t i l e b o d y ，b u t l l s e c o m p m e fp r o c e s s i n go f3 dd 砒船e t s 协c r e a l e m u l 砷甜讥e w so fs p e d f i co f g a i l s s i l l l i l a ro re q i l i v a i 朋tt o 幽o s ep r o d u c e db ys 锄d a r de n d o s c o p i cp r o c e d u r e s ，s ow ec 雅 o b s e r v e 吐l ep a t h 0 1 0 酉c a l 丘n d i n g so nt 壬l ec 唧u t e f1 1 1 ep a t i 锄t s 谢l on e e dp h y s i c a l e ，【砸n a t i o n o i l l y n d 幻m a k ea c to r m 对s c a l l t o g e t t l l es l i c e s ，t i l w ec a i l l l s e t l l es l i c ed a t a 幻b i l i l d 血em o d e l so fa p p a r a t u so nt 圭l ec o n l p u t e r w o r k s 而mm e m o d e l s f o r 血ep 撕e m s ，i sp a i n l 器s f o rt h eh o s p i t a l ，a l s or e d u c e 廿l ec o s to f t 1 1 ee ) 【a l l l i n e s j u s tb e c a u 辩o f 山e s em e r i t s ，i so n eo f 血em o s tp r o r l l i s i i l gm e d i c a l 印p h c 撕o n s t i l i sa 而c l er e s e 缸c hi n t ot 1 1 ev i m l a le l l d o s c o p yt e c l l i l i q u ef i r 巩d i c o mf i l ei s 觚a l y z e dd i c o mf i l ei s 谢d e l ya p p l i e di nc t ，m r ia 1 1 dp a c ss y 咖n 强a f t e rg e t t i l l g m ei n f b 咖a 土i o n 的md i c o m 丘l e s ，m e3 d 陀c o n s t 邝c 6 0 nc 0 1 l l db eg o i n g0 1 1 t h e l l ， s o m e3 dr e c o n s 饥l c t e da l g o r i t l l i n sb 硒e do n 鲫如c er e n d 嘶n ga i g o r i m ma r e i i l 仃0 d u c e d ，a 1 1 d 血er e a l i 撕o np r o c e s so fm a r c h i l l gc u b ea l g o r i t i l l i li sa d d r e s s e d b r i e n y s e c o n d 】弘mi n 仃o d u c i n gm er e l a t e dl d l o w l e d g eo fv i m l a le n d o s 姒i i l c l u d i l l g 血ed 吖e l o p m e mo ft l l e ，m em e o r yo ft h ev e ，王l ep r o c e s so fc a n y i n go m 肌dt h e 印p r o a c h e so fe a c hs t e p ，p a mp r o 铲a f n m i n gi sam o s ti m p o n a n tt e c h n i q u eo fv e w e d i s c u s s e d 也i s p a n i nd e t a i l t h e p a mp r o 铲孤m i i l gi n c l 幽g t t l r e e p a r t sf i r s t ，仃狃s l 撕n gi m a g e si l l t o 血eb i n a r yd i 曲a li m a g 嚣，s e c o n d s k e l e 俩删o n ， 瓶dl a s t ，p a 吐l - s m o o t h i n g t h es k e l e t o n i z 撕o na l g o r i 蛔i st l l ec o 陀i 乜s i 鲥f i c a n c ei s 野缸a c t e dt t l ec 朗t e r l i n eo f 吐l en l b e 锄dm ec 锄e r a 、i l lm o v ea l o n g 血ec 蛐t e r l i n e 幻 g e tt h eo b s e r v a t i o n s om es p e e dm da c c u r a c yo fs k e l 哟n i z a d o na i g o f i m 吣a f f e c 协 m ew h o l e 夥s t e m su 们i 何 t h i sp a p e rd e s c r i b e ss e v e r a lk i n d so fs k e l e t o n i z 撕o na l g o r i t h m 锄do p 6 r n i z et h e i l i 山东大学硕士学位论文 t o p o l o 舒“蚰i n ga l g o r i t h r r lt o p o l o 影t h i l l l l i n ga l g o r i 吐l mi s 锄e 娲c 缸v em e t l l o d 幻 g 嘶n gt h es k e l 酏o n t h i sm e n l o di ss i m p l ea n dm er e s i l l t sa r ea c c l l r a c y b u ti ti sa 矗m e c o n s 删n ga 上g o f i t 置l m u s l l a l l y ，m ed a t ab 笛eo fm e d i c i i l ei sv e r yl a r g e w h i c h s e r i o u s l yi 1 1 f l u e n c et h ep m c t i c a l i t yo ft 量l ea l g o r i t h m t l i sp a p e rp r o p o s e ds e v e r a l i m p r o v 锄e n 拓t or e d u c en l et i m e - c o n s 删n gt h ei m p r o v e da l g o r i m mw o r k sb e 船 舭dm ee 冲e r i m e n 协s h o wm a 士i tc a ng e tt i l ec e n t e d 抽er a p i d l y 锄ds t a b l y f i i l a l i y ，p r a c t i c a lp a m - 湖0 0 “n ga l g o r i 恤b a do nm 瓜b si sg i v e ns i i l c ei m a g e j 吼l p 崦o f t e no c c u r sw h 跚n y i n ga l o n gt h er e s l d to fs k d e t o i l i z 砒i o n p h y s i c a l m e 曲go fw e i g h ti su n c o v e r e da n dt h e nm e o r e d c 嘶d e n c ei sp r o v i d e dt or n o d i 分 c u r v es h 印eb y 吣i i l gw e i 曲te 毹c t i v e l y k e y w o r d 8 ： v ir t u a ie n d 0 8 c o p y ：s k e i e t o n i z a t i o n ：d i c 0 _ f ；i e s ：c e n t e r ii n ee x t r a c t i n g ： t o p o l o g i c a it h j n n ；n g 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整宝日期：垫2 1 ：生垃 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堡!导师签名： 山一 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1虚拟内窥镜的研究背景和意义 内窥镜是一种光学仪器，从它的出现到现在已经有2 0 0 年的历史，在医学 领域中也有了几十年的应用历史，为疾病的诊断发挥着重大的作用。而医学成 像在过去的三十年中也取得了巨大的进展，在上世纪七八十年代分别出现了 c t 、躲i 、p e t 、s p e c t 等先进的影像技术，并成功应用于医学临床。同时，影 像处理分析的方法( 如视觉处理、分析算法等) 和技术( 如数据处理、存储、传输、 计算等) 也有了长足的进步，使得影像医学得以迅速发展。 将内窥镜技术和医学成像技术相结合，便产生了一门新的技术虚拟内 窥镜技术( v i r t u a le n d o s c o py ，v e ) 。1 9 9 3 年n i n g 等在美国的r a d i 0 1 0 舒杂志 上发表了一篇关于虚拟支气管成像技术的论文摘要n ，这是最早的关于虚拟内 窥镜的报道。次年，n i n g 等人又报道了结肠c t 虚拟内窥镜，即c t 虚拟结 肠镜。此后的十年来，随着c t 和m r 成像技术在速度和精度方面的改善以及 计算机技术的飞速发展，虚拟内窥镜作为一种无刨的检查和诊断方法得到空前 发展，几乎涉及到了人体所有腔道器官的检查和诊断中。“。1 9 9 4 年v i s i b l e h u m a n 数据集出现，更是使得该项技术的研究取得了较大的进展。 v e 是虚拟现实技术在现代医学中的应用，利用医学影像作为原始数据，融 合图像处理、计算机图形学、科学计算可视化、虚拟现实技术来模拟传统光学 内窥镜。通过图像重建和空腔器官结构的区域提取及路径计算等，计算机显示 连续的空腔器官内腔结构视图，用户可以沿一定路径在这个虚拟的内部空腔做 飞行观察，模拟传统的内窥检查过程，所看到的景象与用视频内窥镜观察到的 一样，甚至还可以显示解剖结构的三维外观图像以及各个方位的c t 和幔i 切片 图像。除此之外，系统还可以提供传统的光学和视频内窥镜所不具备的对视向、 视角、视野、转换、照明等的观测、控制和选择功能，其视觉反馈定位和导航 系统能确定操作者相对于实际的解剖结构的距离和位置。 与传统的光学内窥镜相比，虚拟内窥镜是一种非侵入型、无接触式的检查 手段”。“，它完全克服了光学内窥镜需要把探测器插入人体内的缺点，省去了 山东大学硕士学位论文 使用镇定剂、住院治疗和手术后观察等措施，降低了检查的复杂性、危险性和 医疗成本。由于病人只需要做一次扫描即可，所以它不会给病人带来不舒服感， 也不会产生任何穿孔、感染和出血等副作用，而且还可以对病变区域进行定量 测试。此外，虚拟内窥镜能够对同一个器官对象任意地进行重复检查，并且可 以模拟检查那些光学内窥镜接触不到或不能检查的人体内部许多重要的系统如 脑、脊椎管、内耳、胆汁管、胰腺管、大血管等，从而极大地降低了检查难度， 减少了意外事故的发生。还能够帮助病人了解自己的病情，用于教学的目的。3 。 v e 的应用主要集中在那些具有空腔结构的器官上0 ，如气管、支气管、食管、 胃、结肠、血管、内耳、心脏等等。至今，v e 仍处于初期临床试验阶段。从理 论上讲，多种人体内部结构都可以使用这种技术来进行模拟检查。虽然目前的 应用仅局限于教学、培训和设计治疗方案等少数领域且处于初级研究阶段，但 随着计算机和医学成像技术的飞速发展，虚拟内窥镜研究不仅有重要的理论意 义，而且有着广阔的应用前景。 1 2典型的虚拟内窥镜系统 v e 的发展大体可分为三代“”。第一代v e 运用几何模型，生成解剖结构的 3 d 几何形状，附加一些简单的交互操作，生成简单的飞行效果，产生较为粗糙 的动画效应，在医护人员的教育和培训中得到应用。随着计算机性能的提高， v e 发展到第二代，使用高分辨率的可视化人体数据如c t 、掀i 或其它图像数据， 能够产生更逼真的图像，大大增加了、，e 的真实性、视觉逼真性和临床实用性， 当前正处于第二代研究阶段。未来第三代v e 在考虑人体器官组织的集合形状的 同时，将加入不同解剖组织的物理特性和生物特性，生成一个在物理上、生理 上和系统上都完全逼真的v e 系统“”。 虚拟内窥镜的研究旨在为医生提供诊断依据，还可应用于辅助诊断、手术 规划、实现手术的精确定位和医务人员的培训等。在诸多相关研究中，出现了 以下几种比较有代表性的虚拟内窥镜系统： ( 1 ) 虚拟内窥镜医学应用系统( v i r t u a le n d o s c o p ym e d i c a l a p p l i c a t i o n ，v e m a ) n 副：美国g er e s e a r c h d e v e l o p m e n tc e n t e r 开发的一套 医学虚拟内窥镜系统，主要用于人体的多个部位：虚拟结肠、虚拟支气管和虚 山东大学硕士学位论文 拟脉管等。该系统采用先进的分割、重建、显示和自动路径规划算法，使用器 官的c t 或豫i 切片图像，生成器官的3 d 内表面模型，模拟视频内窥镜的功能。 v e m a 支持多视图技术如细节放大、同步显示器官内外3 d 视图、组合2 d 和3 d 表面视图，在人体空腔管道中交互移动或自动航行，并且提供了交互式解剖结 构测量工具。该系统采用的目标器官的c t 和脓i 图像同周围组织的对比度较好， 主要用于医疗人员的培训和教学。 ( 2 ) 虚拟结肠内窥镜( v i r t u a lc o l o n o s c o p y ) “3 ：i m a t r o ni n c 采用虚拟人 体数据，模拟橡皮管、病人结肠c t 图像数据，使用3 d 体积可视化技术，对人 体结肠的内表面进行虚拟成像和检查。初步实现了两种结肠内的航行方式：预 定路径结肠内航行和人工定向结肠内航行。 ( 3 ) 虚拟耳窥镜( v i r t u a lo t o s c o p y ) ”1 ；美国b o s t o ns u r g i c a lp 1 a n n i n g l a b 建立了一种虚拟耳窥镜系统，以三维形式显示耳的解剖结构，通过c t 和 胍i 图像数据重建耳的内表面，来模拟传统内窥镜对内耳的检查过程。首先， 对耳朵的c t 和豫i 图像进行人工或自动分割，分离或勾勒出耳朵的颢骨、内耳 球囊、小囊、内耳道、内颈动脉、面部神经、耳咽管等器官对象，然后进行三 维重建，把这些分离出来的器官组合成一个3 d 整体对象，用特殊算法融合成一 个完整的3 d 耳模型。这个系统的突出优点是：能够清晰地显示耳道的管状结 构，不受耳道范围的限制和人工手动的影响；能够深入耳道的深部，观察耳道 壁以外的区域：能够做3 6 0 度旋转检查，定点缩放观察，显示相关部位的c t 和躲i 切片图像；具有精确的定位能力。从而使外科医生更好地对耳道进行模 拟观察，学习和了解耳道的解剖结构，预计耳道手术区域的情况，制定手术方 案，在耳病的诊断和治疗方面可以起到巨大的作用。 ( 4 ) 虚拟食管一支气管内窥镜( v i r t u a lt r a c h e o b r o n c h i a le n d o s c o p y ) ”1 ： 法国l a e i l l l e ch o p i t a l 的研发小组开发的这套虚拟系统，采用喉部c t 图像， 体积重建高质量的3 d 视图，并且在视图中提供解剖结构的三维提示功能。从 1 9 9 8 年开始，他们对8 9 个肺癌病人常规内窥镜和虚拟内窥镜检查进行比较研 究，结果表明，这套系统能够准确地显示食管一支气管及其外围组织的解剖结 构图像，具有广泛的临床应用潜力：可以用来检查那些常规内窥镜观察不到的 末梢组织损伤；追踪支气管癌的发展情况：预测、监视和观察食管一支气管的 山东大学硕士学位论文 病变；辅助进行支气管治疗；术后跟踪观察伤口缝合状况等。 ( 5 ) 冠状动脉虚拟内窥镜( v i r t l l a le n d o s c o p yo ft h ec o r o n a r y a r t e r i e s ) “”：i m a t r o ni n c 在i m a t r o n 图形工作站上实现冠状动脉内虚拟飞行 观察，模拟冠状动脉内窥镜检查或心脏超声波检查，能估算出冠状动脉的内腔 横截面直径。 1 3虚拟内窥镜的技术组成及发展难点 虚拟内窥镜系统的实现过程主要分为五个基本步骤，分别是放射影像的数 据采集、图像的组织分割、三维重建、路径规划、实时绘制1 。 ( 1 ) 数据采集。c t ，胍i 等设备采集2 d 的医学切片图像，经3 d 重建后的图像质 量主要取决于数据采集的方式和分辨率，分辨率又由切层厚度和矩阵大小决定 “”1 。原始的图像分辨率越高，重建的3 d 图像效果越好。 ( 2 ) 图像的组织分割。由于实际的医学图像数据集c t 、m r i 等提供的断层 切片图像除了包含特定组织外，还包含了其它的信息，必须将特定的组织、器 官分割出来才能实现3 d 重建。分割是指区分相邻组织结构特征的过程。目前 主要使用手工、半自动、自动分割三种方法。 ( 3 ) 三维重建。三维重建是将2 d 的切片数据集重新构造成3 d 实体的过程。 这就必须正确的解读二维切片数据，从中取出相关的信息，利用这些信息还原 三位图像。虚拟内窥镜系统的3 d 重建有表面重建和体重建两种方法乜0 2 “。 警衫豁 a ) 结肠的中心线 b ) 动脉的中心线c ) 气管的中心线 图l - l 管腔组织的中心路径 ( 4 ) 路径规划。这是漫游过程中至关重要的一步。在还原出的三维人体组织 4 山东大学硕士学位论文 器官中，采取有效的方法提取出管腔组织的中心路径，然后让虚拟摄像机按照 中心路径进行漫游，才能实现内窥镜的功能。图1 1 所示为提取出的管腔组织 的中心路径。 ( 5 ) 实时绘制。按照3 d 重建的结果，模拟虚拟摄像机在人体组织器官内部 移动产生的效果，根据相应的视点位置、视线方向实时显示出对应的景象，这 是实时绘制的主要任务。 如今的虚拟内窥镜技术虽然发展迅速，但是还远远未达到l 临床应用要求， 有许多技术尚未解决，存在的主要难点有： ( 1 ) 图像分割：图像分割是获得单个器官对象的关键步骤。精确性、自动性 和可重复性，是图像分割的最高目标。目前图像分割通常使用后处理技术，也 就是在整个图像数据集合获取之后，使用手工或者半自动分割。手工分割就是 有经验的医护人员在每个切片图像数据上人工勾画出特定的组织、器官，其工 作量是非常巨大和繁琐的，并且错误也较多。半自动分割是通常采用的方法， 也即通过交互式的人工干预实现图像分割。最近一些研究实现了骨骼与软组织 的全自动分割。图像分割的最终目的是做到在获取图像的同时就能自动分割。 ( 2 ) 路径规划：路径规划是预先设定漫游路径，以便在漫游过程中沿着这条 规划好的路径漫游，一般是预先抽取特定组织的中心路径作为漫游路径，主要 有在2 d 切片图像和在3 d 重构图形中抽取中心路径两种方法。沿着主要的视线 方向，在两维的切片图像中抽取出相应组织的中心轴线，然后将每个切片中心 线连起来经后处理形成中心路径，这种在2 d 切片图像中构造的中心路径包含有 较多的错误，结果不理想。在3 d 重构的组织图形中抽取中心路径是较为常用的 方法，但是需要非常漫长的过程，这种过程通常是令人难以忍受的。当前，迫 切需要一种快速、高效的中心路径抽取方法。 ( 3 ) 实时处理：由于虚拟内窥镜使用的医学图像的数据量特别大，尤其是直 接体绘制更是如此。鉴于直接体绘制具有面绘制无法比拟的优点，如何在漫游 过程中采用体绘制方式实时处理相应的场景显示是虚拟内窥镜走向临床应用的 关键问题，也是当前虚拟内窥镜系统研究的最为重要的热点。虽然出现了许多 实时处理方法，但是目前即使在最高档的图形工作站上也无法实现实时漫游。 ( 4 ) 场景绘制：场景绘制与实时处理是息息相关的，采用直接体绘制算法实 山东大学硕士学位论文 现场景绘制可以提供病人特定组织病变部位更多的信息。加速直接体绘制的方 法不只是虚拟内窥镜的要求，同时也是医学可视化的研究重点，但是这些方法 都不适应虚拟内窥镜实时处理的要求。如何针对虚拟内窥镜使用图像数据的特 殊性( 含有较多的空体素) ，研制适应实时处理的快速算法是非常重要的。 ( 5 ) 硬件平台：目前的虚拟内窥镜系统大都是运行在s g i 高档图形工作站上， 有些还需要多c p u 的服务器辅助计算。这种价格高昂的硬件平台也是影响虚拟 内窥镜系统走向临床应用的主要因素。如何将虚拟内窥镜系统推向普通p c 或者 价格较低的低档图形工作站上是当前迫切需要解决的任务。 1 4 论文主要研究成果 本文对虚拟内窥镜系统进行了深入的学习与研究，分析了虚拟内窥镜系统 的技术构成与实现，针对三维重建与路径规划部分进行了具体的讨论，主要包 括d i c o m 文件的解读，三维管腔组织中心路径的提取以及由离散的路径点生成 漫游路径。通过研究，对一些已有的方法提出了改进，一定程度上提高了算法 的效率和实用性。最终利用新的算法实现了一个能够在p c 机上运行的虚拟内窥 镜系统，可以准确快速的在管腔内进行漫游，有很好的实用价值。该论文的研 究成果主要包括： 1 d i c o m 文件的解读。病人做c t ，敝i 等扫描后得到的是二维的切片数据， 这些切片数据是遵从d i c 叫标准的。d i c o m 文件中存储的信息不仅包括病人的 基本信息，图像扫描的各项参数，更重要的是还有扫描得到的图像数据，正确 的读出这些数据，并采用有效的数据结构进行存储，才能够构造出实际的人体 模型，从而进行医学检查和研究。 2 在路径规划方面，详细介绍了路径规划的基本要求和实现过程，形成一 套完整的理论方法。依次分析了路径规划过程中的每个步骤的的作用及实现方 法并应用于实践，成功的开发了一个虚拟内窥镜系统。 3 自动漫游路径的获取。系统中自动漫游的实现采用了拓扑细化算法，但 是现有的拓扑细化方法处理医学图像时耗时很大，严重的影响了虚拟内窥镜的 实时性和有效性。所以本文对该方法进行了改进，从几个方面大大缩短了提取 中心路径的时间，提高了算法的效率。 山东大学硕士学位论文 1 5论文章节安排 全文共分六章，具体内容安排如下： 第一章主要介绍虚拟内窥镜的基本知识，包括产生背景、发展现状，基本 原理和技术组成。 第二章介绍三维重建的有关知识，分析了d i c o m 文件的格式，实现了切片 数据的正确解读，并简要介绍了表面绘制技术和系统采用的面绘制算法。 第三章讨论路径规划部分的技术组成及实现，介绍各个实现步骤的目的， 方法和意义。 第四章针对路径规划部分中的路径提取进行具体讨论。介绍当前采用的拓 扑细化算法，然后对该算法提出改进，改进后的算法大大减少了耗时，应用于 内窥镜系统，能取得很好的效果。 第五章简单介绍用n u r b s 曲线进行路径平滑后的曲线形状调整问题。给出 了n u r b s 权因子变化对曲线形状影响的规律，应用该规律能够更好的调整漫游 路径。 第六章是总结与展望。总结本文的内容，同时对下一步的工作进行了初步 的计划。 山东大学硕士学位论文 第二章医学图像的解读和表面绘制 虚拟内窥镜的数据来源是二维的切片数据。无论是c t 还是m r i 扫描，得到的 切片图像都是按d i c o m 文件的格式进行存储的。正确的解读d i c o m 文件，才能够 提取出其中的有用信息，进行三维图像的重建，为虚拟内窥镜的实现做准备。 本章首先介绍医学体数据的表示，然后详细介绍d 【c o m 文件的产生背景，文件格 式及解读方法，最后给出几种经典的面绘制算法。我们开发的虚拟内窥镜系统 采用- c 面绘制方法，将二维数据还原成三维的虚拟器官并在屏幕上显示出来。 2 。1医学体数据的表示 体数据在计算机中的表示方式是一个首先要考虑的问题，体数据表示方式 不同，相应的体视算法也有些差别。目前，体数据的表示方法主要有三种方式： 原始灰度图像、二值化图像以及原始灰度图像加上属性的综合表示。第一种方 式是把原始图像原封不动地保留下来，但对机器内存要求很高，且处理速度很 慢。二值体数据“”用八叉树结构或段存储结构来表示体数据，可以大幅度地减 少存储，但是丢失大量有用信息。第三种方式把对原始数据进行处理的过程中 产生的一些中间数据( 如属性、颜色、阻光度、法向量等) 一次性地计算并保留 下来，从而避免了每次重新计算这些中间数据，但要求计算机的内存必须足够 大。这三种表示方式各有优缺点，要根据实际问题的具体特点和要求加以选择。 目前，一个引人注目的研究方向是体数据的压缩以及对压缩的体数据直接进行 体视化口2 2 “，它能很好的处理存储和计算之间的矛盾。 我们开发的系统中采用了第一种表示方式。这种采用原始图像来表示医学 体数据的方法虽然不丢失信息，但在生成3 d 图像后，由于数据量大，在用户对 图像进行各种变换操作( 如旋转、平移、缩放) 时，显示速度非常慢。为了解决 这个问题，可以考虑在对图像变换过程中，用低分辨率显示，而用户停止变换 操作时用高分辨率显示，这样便不会影响用户观察。 为了支持这种多分辨率的图像显示，在读入数据之后，就要对原始数据进 行压缩处理。最简单的方法是采用8 ：1 ( x ，y ，z 三个方向各为2 ：1 ) 的压缩比，新的 体素值取相应的8 个体素值的平均值。也可以取更高的压缩比如2 7 ：1 或6 4 ：1 ，由 山东大学硕士学位论文 用户使用时来选择。这样，读入数据后，系统中将存在多套数据。一般情况下， 采用8 ：1 的压缩比已能满足用户对实时显示的要求。 2 2d ic 0 m 图像文件的分析与解读 2 2 1d i c 0 _ 文件产生的背景和意义 在医学影像信息学的发展和p a c s 的研究过程中，由于医疗设备生产厂商的 不同，造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传输方式干差万别，使得医 学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到严重阻碍。为此， 美国放射学会( a c r ) 和全美电子厂商联合会( n e m a ) 认识到急需建立一种标准， 以规范医学影像及其相关信息的交换，d i c o m 标准就是在这样的背景下产生的 叫。只要遵照这个标准，就可以通过p a c s 沟通不同厂家生产的、不同种类的数 字成像设备。目前，d i c 0 m3 0 已经得到了世界上主要厂商的支持，新一代医学 影像设备均以支持该标准作为基本特征，我国的医疗器械开发、生产部门都十 分重视这个发展趋势。 d i c o m 的全称为d i g i t a li m a g i n ga 1 1 dc o 衄u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ，即医 学数字成像和通信标准，是医学影像的专用存储格式，后缀为d c m ，在c t 、磁 共振、医院p a c s 系统中应用广泛。它的字面含义很清楚，包括了医学的数字成 像和通信两个方面，内容极其繁琐、庞大，目前没有任何医学系统可以支持所 有的d i c 0 m 服务，每一种设备都是只针对自己最需要的部分提供支持。 要正确解读d i c o m 文件，首先要了解d i c o m 文件的结构。 2 2 2 d i c 0 m 文件的结构 d i c 伽文件是指按照d i c 0 m 标准而存储的医学文件，一般由一个d i c o m 文件 头和一个d i c o m 数据集合组成“1 。 首先介绍d i c o m 数据集合( d a t as e t ) 。在d i c o m 文件中最基本的单元是数据 元素( d a t ae l e m e n t ) 。d i c o m 数据集合就是由d i c o m 数据元素按照一定的顺序排 列组成。 d i c o m 文件不同于其它的图像文件，里面不仅包含图像数据，还包含许多其 山东大学硕士学位论文 它和图像有关的信息，如病人姓名，出生日期，检查日期，病人编号，检查部 位等等，有简短的字符信息，也有数字信息。为了表达这些信息，d i c o m 标准定 义了大量的数据元素，这些根据具体需要选取的数据元素按照一定的顺序排列 组成了数据集合。 数据元素主要由四个部分组成：标签( d a t ae l e m e n tt a g ) 、数据描述 ( v r ：v a l u er e p r e s e n t a t i o n ) 、数据长度和数据域，如图2 1 示。 图2 1d i c o m 文件结构 ( 1 ) 标签是一个4 字节的无符号整数。d i c o m 所有的数据元素都可以用标签 来唯一表示，各个标签对应什么数据元素可以查阅d i c o m 标准中的“数据字典”。 在d i c 0 m 中人为地将标签分为两个部分：组号( 高位2 字节) 和元素号( 低位2 字 节) ，在数据字典中，所有的元素都是用“( 组号，元素号) ”这种方式来表示的。 ( 2 ) v r 指明了该数据元素中的数据是哪种类型的。在d i c 0 m 文件中，它是一 个长度为2 的字符串，例如，如果一个数据元素的v r 为“d a ”，则表示该数据元 素中存储的数据为日期型，如果一个数据元素的v f i 为“f l ”则表示该数据元素 中存储的数据为浮点型。关于v r 的详细取值和说明可以参阅d i c o m 标准中的“数 据结构和编码”部分内容。 在数据元素中，v r 是可选的，它取决于协商的传输数据格式。d i c 嘣中规定 了显式( e x p l i c i tv r ) 和隐式( i n e x p l i c i tv r ) 两种传输格式，在显式传输时， v r 必须存在：在隐式传输时，v r 必须省略。 ( 3 ) 数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度( 字节数) 。值为一个 1 6 或3 2 比特( 依赖于传输方式) 无符号整数。 ( 4 ) 数据域中包含了该数据元素的数值。 对于d i c o m 文件，一般采用显式传输，数据元素按标签从小到大顺序排列， 即d i c o mp s3 5 规定的e x p l i c i tv rl i t t l ee n d i a nt r a n s f e rs y n t a x 。 再来介绍一下文件头。d i c 叫文件头( f i l em e t ai n f o r a t i o n ) 包含了标识 数据集合的相应信息。每个d i c o m 文件都必须包括该文件头。文件头的最开始 是文件识别信息，由1 2 8 字节的文件导言组成，可以用于应用协议或特定的操 山东大学硕士学位论文 作定义，是为了使在d i c o m 文件中提供的图像和其他数据更易于被访问处理而 设定的。如果该导言不表达信息，这1 2 8 字节应该用十六进制的0 0 来填充。接 下来是d i c o m 前缀，它是一个长度为4 字节的字符串“d i c m ”，可以根据该值 来判断一个文件是不是d i c 0 m 文件。此外，文件头中还包括其它一些非常有用 的信息，如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等等。每个文件头元素的 长度必须为偶数，否则应该按照规定补充一个字节。 2 2 3d i c 0 _ 文件的解读 对c t 图像进行3 维重建，首先要从d i c o m 图像文件中获取对于重建必需的信 息，例如病人姓名、检查的部位，图像的切片厚度、窗宽窗位等。这些内容对 应的标签如下： 表2 1d i c 伽文件常用标签 t a g v i ln a e 说明 ( 0 0 1 0 ，0 0 l o ) p np a t i e n t sn e 病人姓名 ( 0 0 l o ，0 0 4 0 )c sp a t i e n t ss e x病人性别 ( o o l 0 ，l o l o ) a sp a t i e n t sa g e 病人年龄 ( 0 0 1 8 ，0 0 1 5 ) c s b o d yp a r t检查的身体部位 e x a m i n e d ( 0 0l 8 ，0 0 5 0 )d ss li c et h i c k n e s s切片厚度，以毫米为单位 ( 0 0 2 8 ，0 0 1 0 ) u sr o w s 图像的行数 ( 0 0 2 8 o o l1 )u sc 0 1 u m n s 图像的列数 ( 0 0 2 8 ，0 0 3 0 )d sp i x e ls p a c i n g 象素空间，各个象素中心点之间的物理 距离，由一个双行的数字值以毫米来确 定。 ( 0 0 2 8 0 1 0 0 ) u sb i t sa l l o c a c e d 位分配，对于c t 图像，取值为1 6 。 ( 0 0 2 8 ，0 1 0 1 )u sb i t ss t o r e d 位存储，对于c t 图像，取值界于1 2 到 1 6 之间。 ( 0 0 2 8 0 1 0 2 )u s h i g hb i t位存储的高顺序位 ( 0 0 2 8 ，0 1 0 3 ) u s p i x e l象素表示，o o o o h = 无符号整数0 0 0 l h = 2 r e p r e s e n t a t i o n的补码。 ( 0 0 2 8 ，1 0 5 0 )d sw i n d o w c e n t e r窗位 ( 0 0 2 8 ，1 0 5 1 )d sw i n d o w i d t h 窗宽 ( 7 f e o o o l o )o b (或 p i x e ld a t a 象素数据 o w ) 具体处理过程总体上是逐字节读取： 1 ) 首先根据文件头信息，确定是否为d i c o m 文件： 山东大学硕士学位论文 2 ) 对于数据集合，根据当前数据元素的标签，确定是否为系统需要的信息， 若需要则根据此数据元素中的长度值读取此长度的数据域并保存，否则跳过此 长度的数据域继续读下一数据元素。 3 ) 当读到标签( 7 f e o ，o o l 0 ) 时，表示象素数据开始。根据2 ) 中读取的与象 素相关的信息如象素表示和存储位数等来确定应用什么样的类型来存储象素 值。例如，( 0 0 2 8 ，0 1 0 3 ) 值为o o o o h 而( 0 0 2 8 ，0 1 0 0 ) 值为1 2 时，可将读出的数据 用w o r d 类型来存储。 由于3 d 重建是针对多张c t 图像的，我们把多张图像的象素值放在一个数 组中存储，并与检查部位、图像的大小、切片厚度等其它的相关信息封装在一 个类中，为后续的3 d 重建和显示提供方便。 另外，d i c 酬图像文件解读时应注意以下两个问题： ( 1 ) 字节顺序 字节顺序是指多字节数据在存储或传输时，是低位字节先存储或发送 ( l i t t l ee n d i a n ) ，还是高位字节先存储或发送( b i ge n d i a n ) 。这由传输语法决 定，传输语法由一个u i d ( 唯一标识符) 来标识。值为“l2 8 4 0 1 0 0 0 8 1 2 ”的 u i d 是d i c o m 默认的隐式l i t t l ee n d i a n 传输语法。而显式v rl i t t l ee n d i a n 传输 语法由值为“1 2 8 4 0 1 0 0 0 8 1 2 1 ”的u i d 识别，显式v rb i ge n d i a n 传输语法 由值为“1 2 8 4 0 1 0 0 0 8 1 2 2 ”的u i d 识别。 ( 2 ) 特殊的v r 对v r 值为o b 、册、s q 、u n 的情况，二字符v r 域后的1 6 比特被保留给后续版 本。这些保留字节应该被设置成o o o o h ，不被使用和解码。数据长度域是3 2 比特 无符号整数，如果数据域长度确定，则数据长度域包含一个与数据域的长度相 等( 字节数) 的值，否则，由序列定界项标志数据域的结束。 2 3 面绘制算法 医学图像的三维重建就是根据输入的断层图像序列，经分割和提取后，构 建出待建组织的三维几何表达。这种三维几何表达的模型最常用的就是表面模 型。表面模型一般以平面片特别是三角面片来逼近表示，对于封闭的表面，构 成一多面体，这时也称多面体模型。 山东大学硕士学位论文 早期c t 切片间距较大，因此早期的主要研究工作集中在轮廓连接( c o n t o u r c 0 衄e c t i o n ) 或称从平面轮廓重建形体( s h a p ef r p l a n a rc o