（计算机科学与技术专业论文）医学断层图像快速可视化技术的研究与应用.pdf

摘要 医学断层图像三维可视化是可视化计算中的一个重要应用领域。 现代c t 医疗影像设备所获得的医学体数据量越来越多，使得三维可 视化所处理的数据量巨大，因此，在保证图像质量的前提下，提高医 学c t 图像的可视化展示速度变得十分重要。由于医学断层图像数据 间距较大，造成图像展示呈现阶梯状结构。插值计算是医学断层图像 可视化过程中的一个重要步骤，然而，插值计算耗费大量时间，因此， 高效的插值算法是提高断层图像可视化展示的一种关键。 本文深入分析了光线投射法的基本原理。针对三线性插值方法在 三维图像可视化绘制速度中的不足，将反距离加权插值方法应用到医 学断层图像可视化中，通过对空间点集进行体素化、权值的计算以及 插值点的映射，实现了反距离加权插值。实验结果表示，反距离加权 算法更加灵活，算法运算次数少，在保证图像质量的前提下，降低了 插值运算次数，提高了绘制速度。根据插值点间的空间关系，采用基 于接近云算法的插值点间快速跳跃策略，有效地避免了大量的无效的 插值计算。在接近云算法中，研究并设计了距离变换图，结合街区距 离度量策略保证插值点沿着光线方向安全穿越空区域，跳到下一个插 值点。实验表明，通过基于接近云算法的插值点间快速跳跃策略，降 低了插值次数，提高了绘制速度。本课题开发了一个c t 断层图像可 视化展示平台，并将反距离加权插值与接近云算法应用于展示平台 中，并取得了良好的可视化展示效果。 关键词光线投射法，医学c t 图像可视化，反距离加权插值算法， 接近云算法 a bs t r a c t t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nf o rm e d i c a lt o m o g r a p h yi m a g ei s a ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nd o m a i ni nv i s u a l i z a t i o nc a l c u l a t i o n m o r ea n d m o r em e d i c a li m a g i n gd a t aa r eo b t a i n e df r o mc tm e d i c a lp h o t o g r a p h d e v i c e ，a n di ti sd i f f i c u l tt op r o c e s ss om u c hd a t ai nt h r e e d i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n t h e r e f o r e ，i t i s i m p o r t a n t t oi m p r o v et h e s p e e d o f p r o c e s s i n ga n de n s u r et h ei m a g eq u a l i t y d u et os p a c i n ga m o n g m e d i c a l t o m o g r a p h yi m a g e s ，l a d d e r l i k e c o n t o u ri s d i s p l a y e d i n t e r p o l a t i o n c a l c u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tt a s ki nt h ev i s u a l i z a t i o np r o c e s sf o rm e d i c a l t o m o g r a p h yi m a g e ，a n d i tc o s t sal o to ft i m e t h e r e f o r e ，e f f i c i e n t i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi sak e yt oi m p r o v es p e e df o rt o m o g r a p h yi m a g e v i s u a l i z a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fr a yc a s t i n g an e wm e t h o do f i n v e r s e d i s t a n c e w e i g h t i n gi n t e r p o l a t i o n w a sp r o p o s e df o rm e d i c a l t o m o g r a p h yi m a g ev i s u a l i z a t i o n i ta i m e da ti m p r o v i n gt h es p e e do f t r a d i t i o n a lt r i - - l i n e a r i n t e r p o l a t i o n i nt h et h r e e - d i m e n s i o n a l i m a g e v i s u a l i z a t i o n a f t e rv o x e l i z a t i o nf o rp o i n ts e ti ns p a c e ，w e i g h tc a l c u l a t i o n a n d i n t e r p o l a t i o np o i n tm a p p i n g ，i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t i n g w a s i m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d w a sm o r ef l e x i b l ea n dl e s st i m e so fo p e r a t i o n ，t h e ni tr e d u c e dt h en u m b e r o fi n t e r p o l a t i o na n di m p r o v e dt h ei m a g i n gs p e e d i na c c o r d a n c ew i t ht h e s p a t i a lr e l a t i o n s h i p sa m o n gi n t e r p o l a t i o np o i n t s ，af a s ts k i p p i n gs t r a t e g y b a s e do np r o x i m i t ycl o u d sa l g o r i t h mw a si n t r o d u c e d ，a n di tr e d u c e dal o t o fi n v a l i di n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o n i nt h ep r o x i m i t yc l o u d sa l g o r i t h m ， w es t u d i e da n d d e s i g n e d t h ed i s t a n c et r a n s f o r m a t i o n m a p ，w h i c h c o m b i n e sw i t hc i t yb l o c kd i s t a n c em e t r i cs t r a t e g y a n de u s u r e st h a tt h e m o v e m e n to fi n t e r p o l a t i o np o i n ts k i p p st h es p a c ea r e aa l o n gt h er a y d i r e c t i o ni no r d e rt or e a c ht h en e x tp o i n t t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h i s m e t h o dr e d u c e dt h en u m b e ro fi n t e r p o l a t i o na n di m p r o v e dt h ei m a g i n g s p e e d w ed e v e l o p e dv i s u a l i z a t i o np l a t f o r mf o rc tt o m o g r a p h yi m a g e ， i i a n di n v e r s e - d i s t a n c ew e i g h t i n ga n dp r o x i m i t yc l o u d sa l g o r i t h m sw e r e a p p l i e di nt h ep l a t f o r m ，t h er u n n i n gr e s u l ts h o w e dt h a tv i s u a l i z a t i o nw a s e f f e c t i v e k e yw o r d s r a yc a s t i n g ，v i s u a l i z a t i o n f o rm e d i c a lc t i m a g e ， i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t i n gm e t h o d ，p r o x i m i t yc l o u d s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 作者签名：灶熙珥年d 曲 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其 它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： ) 蛩魁导师签名盈日期：2 = l 年上月翌日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近几十年来，医学成像领域取得了一系列革命性的发展。医学成像技术利用 成像设备为内科医生们提供了强大的无创伤技术来获得人体的结构、功能和病例 等信息。在医学实际运用过程中，人们可以通过不同成像设备来获得大量的基于 不同成像技术的图像数据，如计算机断层扫描成像( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ，c t ) 、 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 等医学成像技术己广泛应用于 医学诊断。通过成像扫描设备可以获得人体内部器官的图像数据序列，但是，所 获得的图像数据序列均为二维图像数据，这些二维图像数据己包含了人体内部器 官的三维信息，而二维图像只能表达某个切面的信息，仅依靠二维图像切片数据 很难直观的反映或确定物体的三维结构及其组织间的关系，医生们只能凭经验由 多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何 关系，一定程度上给手术仿真和临床治疗带来了困难。如在放射治疗应用中，仅 由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，不能准确的描述三维影像 所包含的信息，很难准确定位病变区。现有的医用x 射线c t 成像设备得到的断 层序列图像，虽然能反映层内的组织信息，但无法直接得到三维空间内组织的整 体形貌如心脏病病变区，由于物体的三维信息在医学诊断治疗等许多临床领域所 具有的特殊应用价值，为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学性，由二维断 层图像序列转变成为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构与形 态，从而提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，并为进一步模拟操作提 供视觉交互手段，因此，人们提出了医学图像三维可视化技术来解决这个问题， 它利用人类的视觉特性，通过计算机对二维图像数据序列形成的三维体数据进行 处理，将其变换为具有直观立体效果的三维图像体，得到了大量研究与广泛应用。 人体内部器官在新陈代谢过程中扮演主导地位，其组织器官功能的运行好 坏，直接影响生命机体，如心脏组织器官，在生活环境、遗传因素等不利条件的 影响下，有的人患上心脏病，且心脏病的治愈和预防存在较大的困难。对于心脏 病的检查和治疗，c t 是一种常见的辅助方式，但其只能得到心脏断面的图像， 是二维图像，因此，研究并实现二维医学图像的三维可视化，具有重要的价值。 1 1 医学图像三维可视化国内外发展状况 医学图像三维可视化是西方国家于上世纪8 0 年代末提出并发展起来的一个 新的研究领域。经过这短暂的二十几年的时间，关于医学图像三维可视化的理论 硕士学位论文第一章绪论 和方法的研究己经在国际上蓬勃开展起来，并逐步在世界相关领域得到广泛的应 用。可视化技术是针对医学领域的应用提出来的，因此，在医学领域的应用是最 早的，也是最广泛的。 上世纪7 0 年代，由于当时计算机断层扫描技术发展水平还比较低，所采集 出来的切片的厚度以及切片之间的间距比较，因此早期的研究工作主要集中在轮 廓连接的表面重建上。这一时期，三维重建的基本思想已初步建立起来，但由于 当时计算机的存储还比较小，c p u 的运算速度比较慢，因此处理大容量的多层 医学图像显得力不从心，而且图像显示质量比较低。 上世纪8 0 年代是三维可视化技术迅速发展的年代。在这十年中各种影像技 术不断出现，如断层扫描、核磁共振成像等影像技术逐渐成熟，能产生高分辨率 低噪声的图像。此外，计算机硬件的快速发展，使得其性能得到大幅度的提高， 计算机图形学技术也随之不断成熟，这些技术都极大地推动了医学图像体数据三 维可视化技术的发展。在这一时期，研究人员提出了大量优秀的算法，使三维显 示的速度和显示质量都取得了巨大提高【l 】。 上世纪9 0 年代三维可视化技术发展更加迅速的年代，三维可视化技术逐渐 趋向商用化，相继出现了一些成熟的产品，临床应用越来越广泛。三维医学图像 较之二维图像有着无可比拟的优势，它可以为医生提供直观、清晰的器官和组织 的三维结构信息，辅助医生准确、科学的确定病变体的空间位置、大小、几何形 状以及与周围组织之间的空间关系，这些使得三维医学图像在医疗诊断、手术规 划与模拟、放射治疗、医学教学和研究、解剖教育、整形与假肢外科等医学应用 领域中发挥重要作用1 2 j 。 美国国家医学图书馆于1 9 8 9 提出了“可视化人体计划( v i s i b l eh u m a n p r o j e c t ) ”。1 9 9 1 年，委托科罗拉多医学院建立了一男一女的全部解剖结构的数 据库，以l m m 分辨率进行扫描所获得的完整男性数据集的大小为1 5 g b ，以 0 3 3 m m 分辨率进行扫描所获得的女性数据集大小为4 0 g b 。这一计划的实现， 将极大地推动医学教育、医学科学研究乃至临床医疗技术的发展。随后，韩国、 日本、德国、澳大利亚纷纷启动了可视人体计划。我国的第三军医大可视化人体 研究课题组也于2 0 0 2 年8 月完成了中国首例数字化可视人体数据集的采集工作。 美国国家超级计算机应用中心( n c s a ) 还研究开发了一个狗心脏c t 数据的动态 显示的系统i l ，z j 。 医学图像的三维可视化在医疗领域的整形和假肢外科应用中有了很好的发 展。在整形外科中，f i a l k o v 等首先将计算机辅助立体定向导航系统应用于颅面 整形外科中，而h a s s f e l d 等将一套三维定向导航系统成功应用于颅面区域的手 术，准确性可达到2 m m 以内。 2 硕士学位论文第一章绪论 目前，在国外己经有了可以显示三维医学图像的商品化系统。有的是一个独 立的系统，如加拿大的a l l e g r o 系统，它可以根据不同用户的要求，与不同厂家 的c t 扫描设备或核磁共振仪相连接；有的则是一些医疗设备的一个组成部分， 像以色列爱尔新特公司、美国通用电气公司出产的螺旋c t 扫描设备均附有基于 图形工作站的医学图像可视化系统，在将多层c t 扫描图像和m 砌图像输入计 算机后，该系统可以沿x 、y 、z 三个方向逐帧显示输入的图像，可以用不同方法 构造三维形体，可以作任意位置的剖切以观看内部结构，此外，还有测量距离、 计算体积等功能【3 】；另外，还有一些软件工具库用于可视化系统的开发，比如 v t k 、i d l 等。 在国内，对于资金并不雄厚的医疗行业的单位，单独添置这样的医学三维成 像设备，投入过大，经济负担过重，但不这样做又会限制我国医疗水平的进一步 提高，要解决这一矛盾的办法之一就是利用和改造现有的，己被广泛应用的传统 二维成像设备，如c t 、m r i 和u s 等，采用这些已有的设备产生的数据，通过 安装的附加设备进行三维可视化重建。国内的医学图像三维重建及可视化研究方 面，浙江大学、清华大学、中科院自动化所等均作了大量研究，开发了医学试验 系统，比较著名的有中科院自动化所的3 d m e d 等，目前已发展到2 0 版本，但 由于三维重建技术的研究成本高，周期长，而且在医学方面上的应用要求非常高， 这些都制约了该领域在国内的发展，多数产品还依赖于进口，截止到目前国内尚 无成熟的商用系统。随着医院数字化建设的蓬勃发展，“数字化医院”的理念己 经被广大医院所接受。在美国、英国等发达国家“数字化医院”建设的重点己转 向“医疗数字化”，正逐渐进入“区域医疗”阶段。从我国的实际情况看，虽然 大多数医院已经开始认识到医疗数字化的必要性，但面向纯粹医疗活动的各类医 疗信息系统在医院的应用尚未普及1 4 j 。 目前，国外三维重建技术的研究正朝着与临床应用结合，与虚拟现实技术结 合以及专用三维显示硬件等几个方向发展，已成为医学图像研究领域的研究热 点，在不久的将来，相信或许会有更多的商用化的系统应用到医学临床诊断中。 1 2 医学断层图像的可视化技术研究 自从德国科学家伦琴在1 8 9 5 年发明x 射线以来，c t 、m r j 等现代医学影 像设备先后出现，使得传统的医学诊断方式发生了革命性的变化。随着现代化计 算机科学技术的发展，医学图像的处理与分析越来越多地受到人们的关注，使用 计算机对医学影像设备采集到的图像序列进行处理，可以辅助医生进行更好、准 确地诊断。目前己成为- - f q 新兴的发展迅速的交叉科学领域1 4 】。 医学图像可视化是可视化技术在医学领域的一个重要应用，是当前医学图像 3 硕士学位论文第一章绪论 处理的研究热点。它的内容是指利用二维医学切片图像重建三维图像模型并进行 定性定量分析的技术。该技术可以从二维图像中获取三维的结构信息，而且为用 户提供更逼真的显示手段和定量分析工具。医学图像可视化技术作为有力的辅助 手段，能够弥补医学成像设备在成像上的不足，能够为用户提供具有真实感的三 维医学图像，便于用户从多角度、多层次进行。在医学领域中，c t 和m 对在临 床上的应用，产生出大量的体数据。有效地显示这些数据所包含的信息，对于医 学领域有广泛的应用及研究价值。计算机辅助大脑扫描器奠定了现代断层摄影术 的基础，它的出现带动了整个影像技术发生了全面的根本性的改变。可以说，断 层摄影术的出现为医学图像可视化技术的研究和发展提供了必要的物质保障。开 创了医学可视化蓬勃发展的新纪元。三维体数据可以看成是由许许多多个体素组 成的。当固定某一维，就得到一副二维图像，称之为断层图像或切片。三维医学 图像可视化的任务是从医学体数据中建立精确的并具有真实感的对象视图，最后 成像在二维平面上，它之所以称之为三维图像，是为了区别于二维切片图像。这 方面的研究始于7 0 年代，并且成功地从c t 图像中重建了骨头的三维结构。应 用到医学图像数据的技术主要有两种：面绘制和体绘制技术。 1 面绘制 基本思想是提取感兴趣物体的表面信息，再用绘制算法根据光照、明暗模型 进行消影和渲染后得到显示图像。在计算机图形学领域，面绘制算法发展到今天 己经相当成熟，并可利用专门的图形加速硬件来加速绘制过程，但面绘制需要指 定闭值，以确定场景中感兴趣物体的表面，而且除了闭值法，任何自动的、“硬” 的( 相对于模糊分割而言) 、基于边缘或基于区域的分割方法都可以使用。由于上 述方法采样的参数需要交互指定，因此分割和绘制速度在这里是最重要的考虑因 素。另外，这种分割得到的表面可以用多种方式对其进行描述，如体素、点、体 素的面、三角面片及其他形状的表面片等，这个过程常常又被称为三维建模，一 般绘制本身包括投影、消影和渲染3 个基本步骤，这些步骤对于产生三维立体感 是必须的，而其他技术，如立体显示，旋转物体造成的运动视差，阴影和纹理映 射都可用于增强立体感【5 1 。 2 体绘制 体绘制技术是一种基于光学映射的方法，这种方法通过模拟光线在物体内部 的一系列光学现象，使得到的体绘制图像更具真实感、便于分析和想象。体绘制 与面绘制不同，由于体绘制算法认为体数据场中每个元素体素，都有一定的属性 ( 透明度和光亮度) ，而且通过计算所有体素对光线的作用即可得到二维投影图 像。直接体绘制法是近年来发展起来的用于显示体数据的新算法，它放弃了传统 4 硕士学位论文第一章绪论 方法中体由面构造这一约束，可以在小构造物体表面几何描述的情况下，采用体 绘制光照模型直接从三维体数据中绘制各类物理量的分布情况。首先要对原始数 据进行分类，将三维体数据中的体素看成一个半透明物质，并赋予其一定的颜色 与阻光度，由光线穿过整个数据场，进行颜色合成，得到最终的绘制结果。体绘 制方法通常不要求对被显示物做精确的分割，它直接研究光线通过体数据场时与 体素的相互关系，物体中的细微结构和细小变化都可以不同程度地表现出来。更 重要的是，在体绘制方法中，透明度的引入大大增强了数据整体显示效果。通过 对不同的组织分配相应的透明度，可以同时将各组织器官的质地属性、形状特征 及相互之间的层次关系表现出来，从而丰富了图像的信息。但是由于整个数据集 都参与绘制，又缺乏特殊的硬件支持，显示处理速度非常慢，不能满足实时交互 的要求。并且体绘制方法不能灵活地改变外部光照及视角，每一次变化都意味着 整个绘制过程重新开始。从上面的分析可以看出表面绘制依赖于分割的结果，表 面不能表现复杂的内部信息。而体绘制方法回避了图像分割问题，并且可以得到 数据整体显示效果，表现更加丰富的机体内部信息，得到人体组织、器官逼真的 立体显示，更适合进行医学影像可视化技术的研究。但体绘制方法的大数据量和 算法效率低的问题已经成为可视化技术发展的瓶颈，同时也日益成为研究的热 点，这也是本论文的研究目标1 6 ，7 j 。 1 3 医学断层可视化的应用领域 对医学断层图像在屏幕上显示出来并交互对于医疗诊断具有十分重要的意 义。一般来说，它的应用主要有以下几个方面：放射治疗规划及手术规划、矫形 手术、解剖教育、虚拟手术、整形与假肢外科等领域【l 吲。 1 放射治疗规划及手术规划 利用放射线杀死或抑制恶性肿瘤要事先进行规划，包括放射剂量的精确计算 和照射点精确定位。如果剂量不合适或者辐射位置不准，剂量轻则造成治疗效果 不佳，重则危及周围正常组织。由c t 图像序列对病变体及周围的组织进行可视 化，在手术规划中，医生可方便的观察病变体及周围的组织的形状、位置，这样， 确定科学的手术方案。在放射治疗中，根据可视化的内容描述，制定合适的放射 治疗规划，使射线照射病变组织时对周围正常组织不产生影响或者影响最小，从 而制定最佳的治疗方案，使治疗效果达到最好。 2 矫形手术 断层图像可视化技术在矫形手术诊断中有着重要应用。在矫形手术中，特别 是髓关节治疗中目前己取得成功应用。髓关节发育不正常在儿童中并不少见，在 5 硕士学位论文第一章绪论 作矫形手术时，需要对髓关节进行切割、移位、固定等操作。利用可视化技术可 以首先在计算机上构造髓关节的三维图像，然后对切割部位、切割形状、移位量 及固定方式的多种方案在计算机上进行模拟，并从各个不同角度观察其效果。最 后由医生选择出最佳实施方案，从而大大地提高矫形手术的质量。 3 解剖教育 医学可视化技术将一系列的二维c t 图像重构成三维的人体结构，使得人类 认识自身的内部结构成为可能。“可见人体”计划的实现，推动着医学教育的快 速向前发展。在医学院校的解剖教育课上，指导老师可以通过重建的模型，在教 室进行授课，而不需要采用真实形体进行指导，节约成本。 4 虚拟手术 虚拟手术是一项极具挑战性的课题，涉及图形学、视觉、医学、机器入学等 多学科领域，可视现实和实时交互是虚拟手术的基本要求，它首先重建人体组织 器官的三维几何模型，由几何模型加上生物、力学等方面的知识构建其物理模型、 动力学模型、变形模型、有限元模型等虚拟手术可模拟整个手术过程，从整体上 可以把握手术的过程，保持对手术过程的实施跟踪，对于医学教育、医学研究、 检验手术方案的可行性与科学性等方面有着重要意义。 5 整形与假肢外科 医学图像重建及可视化技术在整体外科及假肢设计中有着重要应用。在整形 外科中，特别是脸部整形得到重要的应用。例如，计算机辅助立体定向导航系统 应用于脸部整形外科中，三维定向导航也已经成功地应用于脸部区域的手术中， 有着很高的手术成功率。在假肢设计中，如做骸骨更换手术前，先要重建髓骨及 与之接合部位的三维模型，根据重建模型没计所需髓骨假肢的外形，使之能与病 人的个体特征相吻合，才能减少因假肢形状差异造成手术失败的概率。 6 医学诊断 在临床和医学研究中，c t 图像、核磁共振图像和超声图像的广泛应用是医 学诊断的有力手段，能获得一系列多模态的图像数据。利用可视化技术对图像进 行一些处理、构造出三维几何模型，通过对重建模型从不同的方向进行观察、剖 切，使得医生对感兴趣的部位大小、形状和空间位置不仅有定性的认识，也可获 得定量的认识，极大地方便了医生的诊断，并提高了诊断的准确程度。 1 4 课题来源及研究意义 本课题是心脏建模的一个部分，对心脏c t 数据进行可视化显示，来源于湖 6 硕士学位论文 第一章绪论 南省自然科学基金项目( 0 5 j j 4 0 1 3 0 ) “基于高效仿生类算法的左心室三维形状恢 复与运动重建技术研究”，属于该基金项目的可视化研究环节。 医学断层图像可视化显示具有重要的医学研究和应用价值。上个世纪以来， 随着计算机断层成像、核磁共振成像等新型医学成像技术在远程医疗、医疗诊断、 术前规划、手术导航、术后监测等领域的广泛应用，医学断层图像可视化已成为 目前医学处理与分析领域中发展最迅速、成果最显著的环节之一。利用计算机、 图形图像技术对医学断层图像进行处理，采用可视化技术对医学断层图像序列进 行三维可视化显示，辅助诊断，进一步提高诊断的准确率，已受到国内外许多科 研单位、公司的高度重视【8 9 】。 在这些应用中，为了便于观察分析，需要显示设备真实反映内部器官的大小、 位置以及结构关系，否则会造成误诊，因此，需要将采集到的医学断层图像做出 精确的计算，并将计算数据进行可视化显示，由于采集的医学断层数据量庞大， 不管是现在还是将来，可视化计算的发展对绘制速度与绘制质量方面的要求越来 越快，越来越高，才能逐步满足应用发展要求。由于c t 扫描设备在成像方面的 不足，所采集的医学断层数据层内外的间距差异大，不可避免的具有模糊、锯齿 状的结构等特性，这些给医学图像的分析带来了苦难，不方便医生的观察、诊断 以及做出很好的手术规划，因此，需要补充一些丢失的数据来完整的恢复真实物 体的原貌，插值计算能很好的解决这个问题。 插值计算是可视化显示的一个不可少的步骤，也是目前可视化显示中的一个 研究热点，运用插值技术对原始数据进行重新组合并补充新的数据，采用光线投 射法技术，以三维形式展示其真实形态，使医生从多角度、多层次观察和分析病 灶区域。但是，由于采集的原数据量大，一定程度上影响了插值速度，因此，一 个快速保质的插值算法是解决这个问题的关键。由于三线性插值技术在成像速度 上存在缺陷，因此，采用反距离加权插值算法来解决这个问题。 在插值过程中，由于插值计算耗时且数据量众多，造成绘制效率底下。在一 般的数据场中，存在大量空隙及不必要的数据，且这些数据不影响屏幕的显示。 因此，需要跳过这些不必要的数据以加快数据的绘制速度。本文采用一种快速插 值点跳跃策略来解决这个问题，接近运算法就是其中的一种。由于在每次插值循 环计算中耗费大量的软硬件资源，造成不必要的资源浪费，因此采用接近云算法 来处理这个问题，它可以避免插值计算中每个插值点都计算的不足，能够在一定 程度上提高了数据的绘制速度。 1 5 本文的主要工作内容和结构安排 本文主要就医学断层图像的光线投射法作了充分调研的基础上，根据医学断 7 硕士学位论文第一章绪论 层图像可视化中存在的问题，提出了快速插值计算方法和插值点间快速跳跃方 法。在全面深入的介绍了光线投射法的基本思想、技术路线基础上，将光线投射 法应用到了医学断层图像的可视化中，在屏幕上对原始数据进行三维可视化显 示。针对图像绘制慢的问题，利用快速插值方法和插值点间快速跳跃算法策略， 在一定程度上解决了图像绘制速度方面的问题。全文总共包括六个章节。 第一章绪论，主要内容包括课题的研究背景与目标、研究意义及目的，重点 介绍了国内外医学图像可视化的现状及发展水平、医学断层可视化的应用领域、 快速插值计算用于数据的重组与补充在加速方面的好处以及插值点间快速跳跃 的策略，以及目前用于医学图像可视化的主流技术：面绘制和体绘制技术。本文 采用体绘制技术。 第二章体绘制相关技术。这是本文的基础部分，系统的阐述了体绘制技术的 基本思想、一般绘制流程，介绍了用于医学可视化中的各个技术，重点介绍了光 线投射法的基本思想及特点、绘制步骤，最后对目前的主流插值技术进行了相应 的介绍。 第三章反距离加权断层图像快速插值。这是本文的主要研究内容。本章针对 传统插值方法在绘制速度方面的不足，提出了一种快速插值方法一反距离加权插 值方法，基于这种插值方法并结合光线投射法的各个步骤，实现了一种基于光线 投射法的反距离加权插值方法，在屏幕上显示了医学断层三维图像。在该算法的 设计与实现中，重点研究了采样点的取值、采样点的权值分配方式以及插值点的 值合成方式以及通过与三线性插值在速度和图像质量方面进行了比较，说明了反 距离加权在加速方面上的优势。 第四章基于接近云算法三维数据场的快速遍历。本章节在第三章的基础上提 炼出的研究点。首先提出了在插值点间快速跳跃的研究问题，然后系统的阐述了 接近云算法在解决该问题的可行性、合理性。根据体数据场中的数据特征和光线 与数据无关性特征，采用距离变换图以加快数据的遍历速度。最后设计和实现了 基于接近云算法三维数据场的快速遍历方法，通过实验与标准的光线投射法相 比，展示了该方法的优点。 第五章针对本文的研究工作，把零散的研究工作整合到一个展示平台中，该 平台整合了三线性插值算法、反距离加权插值算法、最近邻插值算法、接近云算 法等，能在该展示平台上通过导入数据以提供观察，本章节中还展示了展示平台 概览图。经多次实验，该展示平台运行基本稳定。 第六章结束语，总结和分析了研究的意义和应用成果，根据本文的不足之处， 从三个方面对本论文的进一步研究提出了一些看法。 硕士学位论文 第二章体绘制相关技术 第二章体绘制相关技术 可视化的核心问题是三维空间数据场的可视化问题。体绘制算法是三维空间 数据场可视化算法的一种。与另一种可视化算法面绘制算法不同，它放弃了传统 方法中体由面构造的约束，采用体绘制光照模型直接从三维数据中绘制各个物理 量的分布，不需要构造中间几何图元而直接由三维数据场产生屏幕上的二维图 像。其中心思想是为每个体素指定一个不透明度，并考虑每一个体素对光线的投 射、发射和发射作用。这种算法可以不必进行分割，直接产生三维数据场的整体 图像，有利于保留三维医学图像的真实细节信息，增强了整体的绘制效果，并具 有图像质量高、便于并行处理等优点。其主要问题是，需对所有体素进行处理， 计算量大，加大了内存开销，限制了图像的绘制速度，难以利用传统的图形硬件 实现实时绘制，因而计算时间较长。 2 1 体绘制技术简介 目前，体绘制方法主要有3 类：光线投射法( r a y - c a s t i n g ) 、足迹法( f o o t p r i n t ) 和错切一变形法( s h e a r - w a r p ) f l , 1 0 l 。 1 光线投射法 光线投射的最初思想是在2 0 世纪8 0 年代中期提出的，并完成了对三维物体 的直接绘制。l e v o y l 在1 9 9 0 年提出了根据图像的质量和复杂度来减少光线投 射数目，提高图像的生成效率。 光线投射算法是一种基于图像空间的经典体绘制算法。其基本原理是根据视 觉成像原理，构造出理想化的物理视觉模型，即将每个体素都看成为能够透射、 发射和反射光线的粒子，然后根据光照模型或明暗模型，依据体素的介质特性得 到它们的颜色和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在象平面上形成具有 半透明效果的图像。光线投射体绘制算法比较容易理解，采用为每个体素分配不 透明度和光强的方法来合成图像，因此有利于保留图像的细节，绘制高品质的图 像，特别适用于绘制区域特征模糊、体素特征相关性高的三维图像，但也正因为 需对每一个体素进行操作，极大地限制了绘制速度。该方法优点是图像清晰度高， 无需分割，缺点是绘制速度慢，占用内存大。可用于绘制多种组织和器官构成的 整体，表现其内部相互间的结构关系，或根据实际需要选择突出某一部分信息的 场创12 1 。 9 硕士学位论文 第二章体绘制相关技术 2 足迹法 足迹表法是由w e s t o v e r 1 3 , 1 4 】于8 0 年代末9 0 年代初正式提出来的。该算法的 基本思想是逐层、逐行、逐个地计算每一个数据点对屏幕像素的贡献，并加以合 成，形成最后的图像，因而是一种物体空间扫描的体绘制算法。与图像空间扫描 体绘制算法一样，足迹表法首先也需要对数据进行分类，根据分类结果赋以颜色 值及不透明度值，并进行明暗计算，从而得到一个离散的光强度场。采样点对屏 幕像素点贡献的范围和大小。 3 错切一变形法 错切一变形快速体绘制算法是l e v o y ! 1 和p h i l i p p ei , a c r o u n t e ”1 针对直接体绘 制技术提出的加速算法，该算法结合了基于图像空间和基于对象空间两种绘制方 法的优点：基于图像空间的绘制技术利用图像空间中的相邻像素间很高的相关 性，即两相邻像素往往具有相同或相近的颜色，这样就不必为每条像素发射一条 光线。基于对象空间的绘制技术能利用对象空间中的相邻体素间很高的相关性， 即两相邻体素往往具有相同或相近的灰度和梯度方向，这样就不必在相同性质的 体素内进行重复采样。错切一变形快速体绘制算法的优点，使得其绘制结果相对 于传统的体绘制算法，在图像质量损失很小的情况下，绘制时间得到很大的提高， 为实时医学三维可视化服务于临床奠定了很好的基础。 2 2 体绘制技术的一般过程 体绘制是一种利用图形学原理通过计算来显示二维数据场中有意义信息的 方法。体数据是空间上离散的数据点，它由二维连续的数据场经断层扫描、有限 元分析或计算机建模等采样后作插值运算获得。显示系统设备屏幕上的二维图像 则是由存放在硬件缓存中的二维离散信号由图形硬件绘制成的。因而，体绘制算 法的作用就是将离散分布的二维数据场，按照一定的规则转换为图形显示设备硬 件缓存中的二维离散信号，即生成每个像素点颜色的r 、g 、b 值，再对其进行 合成操作，生成最终显示在屏幕上的图像，其流程如图2 - 1 所示l l ，l 。 分析体绘制的流程可知，要将一个离散分布的二维数据场转换为二维离散信 号，需要进行重新采样。需要计算的不仅是每一个数据值对二维图像的贡献，还 需要将全部数据值对二维图像的贡献都合成在一起，因此尽管体绘制算法类型很 多，但其实质均为重采样与图像合成。综上所述，体绘制方法实际上是利用计算 机软硬件资源，根据观察者的需要对实际形体进行的再构造和显示。接下来的每 个小节，对体绘制流程的重点环节进行简单的介绍。 1 0 硕士学位论文第二章体绘制相关技术 采样物体( 空间连续的数据场) 采样 ， 。 形成离散体数据 1 l 传递函数 映射颜色和不透明度 i 重构 i i 1r i l重采样计算机表示的三维连续形 i 重采样 ，r 产生适合屏幕显示要求的离散化 光学模型 i _r 合成图像 一i # 魏t i l 显表 1r 显示最终图像 图2 - i 体绘制流程图 1 采样 从一个连续信号中选择有限个数值的过程叫采样。通过影像设备采集物体数 据，是从连续信号到离散信号的转变过程。 2 传递函数 通过传递函数将一个体数据映射成相应的光学特性值，如颜色、不透明度、 辐射度以及相关的光学模型参数，体绘制算法中主要用到的是颜色值和不透明度 值。使用传递函数可以实现物质的分类，使不同的物质，以不同的视觉形态呈现 在最终图像上。引入颜色值和不透明度值是体绘制重采样过程的基础，贯穿整个 体绘制流程，对最终图像的影响很大，所以高性能传递函数设计成为体绘制算法 的另一个研究热点。 3 重构 重构是由一个信号的样本重新构造该原始信号的过程，样本是离散的，而原 始信号是连续的，因此，这也是一个由离散信号重新产生连续信号的过程。 硕士学位论文第二章体绘制相关技术 4 重采样 由于三维空间物体是连续的，而数据采集设备受自身分辨率的制约，所采集 得到的数据在空间三个方向上的差异比较大，产生明显的断层结构，这样导致影 响观察，因此，为了得到同等分辨率的图像，需要进行重采样。 5 光学模型 体绘制技术将二维空间的离散数据直接转换为二维图像而不必生成中间几 何图元。二维空间的离散采样点原本是不具有色彩属性的，也不具有灰度值，所 以采样点的色彩是在物质分类的基础上人为赋予的，因而是伪色彩。体绘制技术 要实现这一功能就是在重采样地基础上，计算全部采样点对屏幕像素的贡献，也 就是每一个像素的光强度值。为了实现这一目的，需要给出光学模型，用来描述 二维数据场是如何产生、反射、阻挡以及散射光线的，计算出全部采样点对屏幕 像素的贡献。 6 计算机显示 把图像合成后的颜色值通过图像重构硬件显示出来，通过图像显示界面并提 供人机交互，方便观察者直观的进行分析。 2 3c t 图像特征 c t 图像有别于其他模态的图像，是电子计算机断层摄影的简称，是近十年 来发展迅速的电子计算机和x 线相结合的一项新型的诊断新技术。其主要特点是 具有高密度分辨率，比普通x 线照片高出一二十倍。能准确测出某一平面各种不 同组织之间的放射衰减特性的微小差异，以图像或数字将其显示，极其精细地分 辨出各种软组织的不同密度，从而形成对比。如头颅x 线平面不能区分脑组织及 脑脊液，而c t 不仅能显示出脑室系统，还能分辨脑实质的灰质与白质。如再引 入造影剂以增强对比度，故而拓宽了疾病的诊断范畴，还提高了诊断正确率。 c t 是用x 线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的 x 线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换器转为数 字，输入计算机处理。 c t 图像是由黑到白不同灰度的象素按矩阵排列所构成的。这些象素反映的 是相应体素的x 线吸收系数。象素越小，数目越多，构成图像越紧凑，即空间分 辨力高。c t 图像是以不同的灰度来表示，反映器官和组织对x 线的吸收程度。因 此，与x 线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如肺部； 白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。因此，人体软组织的密度差别虽小， 1 2 硕士学位论文第二章体绘制相关技术 吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是c t 的突出优点。因此，c t 可以更好的显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、盆部器官等，能在图像背景 上显示出病变的区域。 图像一般是二维的矩阵，矩阵中的元素值是层面中该处组织衰减系数相对 于水的衰减系数肌，之比，c t 图像不仅以不同灰度显示其密度的高低，还可用组 织对x 线的吸收系数说明其密度高低的程度，具有一个量的概念。 2 4 光线投射法概述 传统光线投射法是一种基于光学映射的方法，这种方法模拟光线在现实物体 内部穿行时产生的一系列光学现象，形成光学模型，使得到的体绘制图像更具真 实立体感，便于分析与想象【1 6 】。根据一定的光绘制模型，n e l s o nm a x 在“直接 体绘制中的光学模型”一文中假定连续分布的三维数据场中充满着小粒子，由于 这些小粒子的发光、吸收、反射等功能，当光线传播进入物体时，物体所包含的 粒子对于照射本身的光会发生投射、吸收、反射等作用。其中，反射的表现为： 物体内部的粒子使入射光线沿着某个方向返回外部空间，反射光线的方向由表面 向量决定。投射过程表现为：入射光线沿着直线方向穿透物体，并从物体的另端 射出。吸收的过程表现为：物体吸收入射光能量，并将其转化为其他形式的能量。 根据以上可知，物体对光的作用是一个复杂的过程l l6 ，1 7 1 。 2 4 1 基本思想及特点 光线投射法是一种基于图像空间扫描的，能生成高质量图像的典型的体绘制 算法n 。其基本思想是从屏幕上的每一个像素点出发，沿设定的视点方向，发出 一条射线，这条射线穿过三维数据场【1 8 j ，沿着这条射线选择若干个等距采样点， 由距离某一采样点最近的八个数据点颜色值和不透明度值作三次线性插值，求出 该采样点的不透明度值和颜色值。在求出该条射线上所有采样点的颜色值和不透 明度值后，可以采用由前到前或由前到后的两种不同的方法将每一采样点的颜色 及不透明度进行组合，从而计算出发出该射线的像素点处的颜色值，为屏幕上的 像素点的光强值作出贡献【1 9 1 ，如图2 2 所示。 光线投射算法是绘制质量最高的一种体绘制算法。它模