（计算机软件与理论专业论文）基于DICOM的医学图像三维重建的研究.pdf

基于d i c o m 的医学图像二维重建的研究 基于d ig o m 的医学图像三维重建的研究 专业名称：计算机软件与理论 申请者姓名：陈洁敏 导师姓名：鲍苏苏教授 捅姜 近年来出现的计算机辅助手术系统，仿真手术系统等为临床医学开辟了一个 新的领域将计算机图像处理与分析、计算机图形学、虚拟现实等技术应用于 医学领域，形成了一门新的交叉学科“医学影像处理与分析”。 医学图像的三维重建与可视化就是其中的研究核心之一，通过对医学序列图 像进行边界识别分割等处理，重建出被检组织器官的三维图像，为医生提供具有 真实感的三维图像，使医生可以从不同角度对病体进行观察和分析，从而提高医 疗诊断和手术的可靠性和准确性。对医学图像三维重建的研究，不仅在理论上有 重要意义，而且对于临床医学也有着重大实用价值。 本文针对计算机断层成像设备( c 1 ) 的特点，首先对基于d i c o m 标准的c t 图像进行格式和内容的解码，进行必要的图像预处理，并实现了根据c t 图片的 窗宽和窗位，将c t 图片自动转换成要求的灰度或彩色的b m p 图片。 其次研究了医学图像三维重建的两种方法一体绘制和面绘制方法，并对其 优缺点进行了对比。在体绘制中，重点研究了体绘制的透明度与颜色设置问题， 提出了结合医学图像特征，抽取其中若干关键的c t 图片，进行有针对性的直方 图统计和结合数据统计分析方法，从而自动得到适合该病人的透明度与颜色设置 方案。实验证实，效果重建良好。利用球切割体绘制的方法，实现了腹腔壁的 局部重建。在面绘制方面，提出直接对c t 数据进行先分割后重建的方法，实现 了部分组织器官重建，使得分割准确性得到提高。 基丁d i c o m 的医学图像二维重建的研究 最后在计算机上利用v c + + 6 0 环境、v t k 和i t k 开发包，采用体绘制、面 绘制和交互式体绘制技术实现交互式医学图像三维重建，实现了医学图像预处 理，为体绘制提供多种交互方式，通过将v t k 和i t k 的有机结合，让整个分割重 建的操作流程更为简洁。 关键字：三维图像可视化、d i c o m 、医学三维图像分割、三维重建、v t k 、i t k 基于d i c o m 的医学图像三维重建的研究 a b s t r a c t r e s e a r c ho ft h r e e - dim e n sio n ai r e c o n s t r u c tio no fm e dic ai im a g e sb a s e do ndic o m m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：c h e nj i e m i n s u p e r v i s o r ：b a os u - s u t h a n k st ot h ea p p e a r a n c eo ft h ec o m p u t e ra u x i l i a r ys u r g e r ys y s t e ma n d s i m u l a t i o ns u r g e r ys y s t e m , t h em e d i c i n es c i e n c eh a sb e e np u s h e dt o w a r d st oa n o t h e r n e wf i e l d 一一t h ea p p l i c a t i o n so fc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s ，c o m p u t e rg r a p h i c sa n dv i r t u a l r e a l i t yi nm e d i c i n ea n da p p e a r a n c eo f an e w i n t e r d i s c i p l i n e - - m e d i c a li m a g ep r o c e s s a n da n a l y s i s r e c e n t l y , t h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o nh a v eb e e n a r e s e a r c hh o t s p o t i tr e f e r st or e c o n s t r u c tt h et h r e e - d i m e n s i o n a li m a g eo ft h eo r g a nb y t h ee d g ed e t e c t i o na n ds e g m e n t a t i o ni nas e r i e so fm e d i c a li m a g e s w i t hv i v i d t h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n ，d o c t o r sc a no b s e r v ea n da n a l y z et h el e s i o nf r o m d i f f e r e n td i r e c t i o n s c o n s e q u e n t l y , t h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yi nd i a g n o s i si s i m p r o v e dg r e a t l y i ti sv i t a lt or e s e a r c ht h et h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o ni nt h e t h e o r yp a r ta n dt h ea p p l i c a t i o np a r t f i r s t l y , t h ep a t t e r na n dc o n t e n ta b o u tc ti m a g e sw h i c ha r eb a s e do nt h ed i c o m m a n d a r da n dt h en e c e s s a r yi m a g ep r e t r e a t m e n t st oc ti m a g e sa r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ow i n d o w w i d t ha n dw i n d o wc e n t e r , t h et r a n s f o r mf r o mc ti m a g e s t ot h eb m p i m a g e sa u t o m a t i c a l l yi sr e a l i z e d s e c o n d l y ，t w om e t h o d sa b o u tt h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n - 一v o l u m e i l l 基丁d i c o m 的医学图像三维重建的研究 r e n d e r i n ga n ds u r f a c er e n d e r i n ga r es u m m a r i z e di n t h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa b o u t t h em e t h o d sa r ec o m p a r e d i nt h es t u d yo ft h e v o l u m er e n d e r i n g ，t h es e t t i n go ft r a n s p a r e n c ya n dc o l o rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i n o r d e rt oo f f e rt h es e t t i n ga u t o m a t i c a l l y , s o m ek e yc td a t aa r ee x t r a c t e df r o ma s e r i e so fc td a t aa n da n a l y z e db yt h eh i s t o g r a ma n ds t a t i s t i c so nt h eb a s i so ft h e t r a i t so fm e d i c i n ei m a g e s ，t h e nas u i t a b l es e t t i n go ft r a n s p a r e n c ya n dc o l o rc a nb e a c h i e v e df r o mt h ea n a l y z e a f t e rt h ee x p e r i m e n t s ，ag o o dr e c o n s t r u c t i o ni s o b t a i n e d a d d i t i o n a l l y , t h es p h e r ei s u s e dt oi n c i s et h er e c o n s t r u c t i o no ft h e v o l u m er e n d e r i n gf o rr e c o n s t r u c t i n ga b d o m i n a lc a v i t y i nt h es u r f a c er e n d e r i n g ，a m e t h o di sa d o p t e d ，w h i c hi sd i r e c t l ys e g m e n ti nas e r i e so fc td a t aa n dt h e n r e b u i l d ss o m eo r g a n sq u i c k l y a tl a s t ，ar e c o n s t r u c t i o no fc ti m a g e sw i t hi n t e r a c t i o n si si m p l e m e n t e db y t h et e c h n o l o g yo fv t ka n di t ki nv c + + 6 0s u r r o u n d i n g s t h ep r e t r e a t m e n t so f m e d i c i n ei m a g e sa r er e a l i z e da n dd i f f e r e n ti n t e r a c t i o n sa r eo f f e r e dt ot h ev o l u m e r e n d e r i n g t h em a n i p u l a t i o nf r o ms e g m e n t a t i o nt or e c o n s t r u c t i o nb e c o m e sm o r e c o m p a c t e rv i at h eo r g a n i cc o m b i n a t i o nb e t w e e nv t k a n di t k k e yw o r d s ：3 dv i s u a l i z a t i o n ，d i c o m ，m e d i c a li m a g e ss e g m e n t a t i o n ，3 d r e c o n s t r u c t i o n ，v t k ，i t k i v 华南师范大学学位论文原创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。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研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：1 麟及 日期：妒7 年夕石月砖日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论：丈工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权二抒。非保密论文注释：本学位沦文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：偶盔彳l 导师签名： 日期：伽7 年易月厂日e t 期：尹年衫月s 日 基t - d i c o m 的医学图像二维重建的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 科学计算机可视化 科学计算可视化【1 】( 简称可视化，英文是v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ， 简称v i s c ) 是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果 的数据转换为图形及图像在屏幕上实现出来并进行交互处理的理论、方法和技 术。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户 界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。 图1 1 科学计算可视化学科分类图 图1 1 中上部圆圈表示符号和结构信息，它可以用交互手段输入，也可以从 存储介质中取出。图1 1 中下部圆圈表示图像和信号，它可以用摄像机或摄像头 录入，也可以由其它的传感器输入，并以多种硬、软拷贝的形式输出。符号和结 构信息通过计算机图形学转换为图像；另一方面，图像和信号也可以通过计算机 视觉转换为符号和结构。 基t - d i c o m 的医学图像三维重建的研究 可视化的过程可进一步细化为以下四个步骤： 1 过滤：对原始数据进行预处理，可以转换数据形式、滤掉噪声、抽取感兴 趣的数据等；： 2 映射：将过滤得到的数据映射为几何元素，常见的几何元素有：点、线、 面图元、三维体图元和更高维的特征图标等； 3 绘制：几何元素绘制，得到结果图像； 4 反馈：显示图像，并分析得到的可视结果。 可视化的上述四个步骤是一个周而复始的循环迭代的过程。 1 1 2 医学图像可视化 医学图像可视化 2 1 是科学计算可视化中一个重要的应用领域，就是把由c t 、 m r i 等数字化成像技术获得的人体信息在计算机上直观地表现为三维图像模型， 从而提供用传统手段无法获得的结构信息，并进行定性、定量分析的技术。这无 论是在基础研究还是临床应用上都有很高的价值。 三维重建是医学图像可视化中最为关键的部分之一，就是指通过计算机对 二维断层序列数据形成的三维体数据进行处理，将其变换为直观的三维立体效果 的图像来展示人体组织的三维形态。医学三维重建技术【3 】通常可以分为面绘制 ( s u r f a c er e n d e r i n g ) 和体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 两种方法。医学图像三维重 建在医疗中的应用主要在医疗诊断，手术规划及放射治疗规划，整形与假肢外科， 虚拟手术及解剖教育等方面。图1 2 描述了可视化实现的流程 图像获 取、滤波 插 图1 - 2 可视化实现流程 2 埔rd i f 0 i * 学目雠= m t 硅的酬究 1 1 3 二者区别 比较这两种一叮视化技术，科学训算川视化只体指的是运用计算机图形学的理 论和方法，将隐含在复杂物理现象和自然规律中的人量数据转化为直艇的图形、 图像的方式表达出来，并允许汁算和交互，从而使研究人员更直观、更有效地进 行科学分析p j 。医学图像町桃化则主要是通过可视化技术，把一维医学切片幽像 重构成- 维罔像模型，从而得到能牡本准确反映人体组织器官的视觉影像，获取 其中的三维结构信息，以便能使医生柏效地参与数据的处耻分析过程，较好的进 行定陛、定角分析。 1 2 医学图像可视化的研究现状及发展趋势 在国内外，医学罔像的可视化的发展经历了l 多f f ，而且山此产生出了很多 的国际著名的科研机构，他们都致力于这方而的研究，丌发出了很多的软件系统， 甚至有的已经产品化了。 田际上医学二维重建的槲关研究，l 展得比较r l ，涉及的器官种类也比较多， 早在1 9 8 3 年，m a r s h 和v a n n i e r 根据连续c t 扫描重建颅而缺损病人骨骼和肌 肉的表面形态。肝脏重建中比较出名的有德国汉堡大学开发的虚拟肝脏模型f 如 罔1 3 ( a ) 所示) ，它综合考虑了肝脏的形态和物理特性，可用r 模拟手术和手术计 划：澳大利亚西澳大利亚大学构造的虚拟腹部模型模拟了整个腹腔壁及其内部 各个重要脏器的形态、物理属性和它们之问的相互关系，以及它们在受到外力作 用条件下的彤变特性；西班牙的v a l i d h e b r o n b a r c e l o n a 大学提出了一种基于c t 图像的腹腔气体体积测量的分析系统f 如罔i 一3 ( b ) 所示) 。 ( a ) 德田汉翠大学面建的虚拟人( b ) 腹腔气体体彤 测量分析系统 j rd i c o i e 学* l 像r m $ 撞日f r 图l 一3i 词外研究状况 h 前【视化疗的戟什柏很多种，例如o s i r i s ，v o w i e w ，v o l v i s ，v t k 和 3 d s i i c e 等，这些系统都是l l 幽阿、l j , 1 1 名的研究所，大学平u 公司等组织外发研究 的。除此还有性能优越的商业系统，例如m i m i c s 和v o l u m e p r o 。但夫部分系 统都需要i | _ 算速度很高，存储容量很人的计算机系统或削形工作站，甚至还需要 有譬用的硬件进 t ) j l l 速，其价格非常昂贵。 d 国内有清华人学外发的人体断层解剖图像三维蓖构系统，西北大学可视化 研究所研制的三维医学n ，视化分析甲台，而中科院自动化所存研发m i t k 软什包 ”j 基础之上，用六年时问丌发了三维医学图像处理与分析系统3 d m e d ( 如图1 4 所示) ，它足食功能) t 备的影像医学系统，可使研究人员自山获耿c t 、m r 等 设备产生的数掘，馥系统川以进行数摒的多角度、多方面的二维重建和町视化， 充分利用影像设备获取的临眯数掘为临床医学积累更多的紊利。浙江工业人学外 发的交互式三维医学图像可视化系统m e d v i s ，主要包括荫个拔心绘制算法：结 合i 维硬件纹理映射和剪 刀一变形( s h e a r - w a r p ) 变换的体绘制算法，它主要足通过 提高硬什来加快重建的速度，凶此埘硬件要求高。然而随着微机优越的性价比及 其友薄的操作界面，在基r 微机的基础上丌发医学图像三维处理与分析系统不仅 具有医学临床应j ；【j 的意义，也只有重要市场价值。 2 幽1 4 三维医学图像处理与分析系统3 d m e d 一一鲥一槲一 基于d i c o m 的医学图像三维蕈建的研究 1 3 本课题的研究目的及其意义 本课题来源于华南师范大学计算机学院鲍苏苏教授与南方医科大学附属珠 江医院方驰华教授合作的国家8 6 3 项目基于6 4 排螺旋c t 的腹部脏器的虚 拟手术研究项目。基于c t 数据的三维重建是虚拟手术系统的重要组成部分，它 对相关组织的重建，决定了虚拟手术仿真的真实性效果。 本项目在降低肝病手术风险、提高手术成功率，提供更为先进的临床教学手 段有着广阔的前景，对解决医患关系上有着重要的意义。 本论文在项目中要完成的任务是对d i c o m 标准的进行解读，获取必要信 息、实现图像预处理和格式转换；通过多种体绘制方法实现腹部器官及腹腔壁 的三维重建，为验证图像分割的正确性提供参考；结合i t k 开发包，实现直接 在c t 图片上进行分割，让整个系统的操作流程更为简洁。体绘制和面绘制方法 的有机结合，让重建的结果更准确和具有比较性，为医生提供了一个更具有真实 感的虚拟手术平台，也为将来实现虚拟内窥镜打下数据基础。 1 4 本论文的主要工作和结构安排 本论文的主要工作包括： ( 1 ) 深入研究了d i c o m 标准，获取c t 图片中的病人和图像信息，并对 图像进行预处理及格式转换。 ( 2 ) 对体绘制技术的实现原理和实现过程进行了详细探讨，包括体绘制的 光学模型、透明度和颜色设置以及图像合成；并对体绘制中几种常用算法进 行了描述，最后利用可视化开发包v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 实现这些算法， 并对各种方法的实验结果进行了对比与分析。对透明度与颜色设置提出有效的 解决方法，对腹腔壁实现局部重建。 ( 3 ) 主要是将v t k 和i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o l k i t ) 有 机结合，利用i t k 中的分割算法和v t k 中的移动立方体算法，实现部分组织器 官重建，重建速度快而且具有针对性。 各章节的内容简介如下： 第一章简要介绍了课题研究的背景及意义，医学三维重建国内外研究的现 5 基于d i c o m 的医学图像二维歪建的研究 状及本文的框架。 第二章对d i c o m 文件格式及其数据结构进行分析；从体系特点、使用机 制、框架结构以及二者如何结合使用等方面，对可视化工具包v t k 和图像处理 工具包i t k 进行介绍。 第三章研究和实现了多种体绘制方法，讨论了各种方法的优缺点和应用 场合。通过对整套c t 数据进行局部直方图分析，并采用加权平均值的统计方法， 得到适合该套数据的透明度和颜色设置方案。最后利用球切割体绘制的思想进行 了腹腔壁重建。 第四章研究和实现了多种面绘制方法，讨论了各种方法的优缺点。利用 i t k 开发包的分割算法，实现图像分割，再利用v t k 中提供的面绘制算法进 行三维重建。 第五章基于d i c o m 标准解读、整合v t k 与i t k 开发包的优势，实现了对 c t 图片的预处理和格式转换，利用体绘制进行了腹腔壁及与肝脏相关联的其他 器官的三维重建。并根据医生使用的需要，实现了冠矢状面切片显示和动态局 部直方图统计。 第六章对前面工作进行简要总结，指出工作中取得的成绩和存在的不足， 并对以后的研究工作进行展望。 6 基丁d i c o m 的医学图像二维重建的研究 第二章d i c o m 标准、v t k 和i t k 开发包 随着多种医疗设备在临床上广泛使用，需要对各生产厂家制定统一标准，而 d i c o m 标准【5 】就是医学图像及其相关信息在计算机问传输的国际统一标准和工 业标准，同时c t 图像也是遵循该标准。v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ( 简称v t k ) 是一 个利用面向对象技术的三维可视化开源工具包，它将图形图像的可视化领域内的 常用算法封装成类库；i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o l k i t ) 则是 一个提供医学影像的分割与配准功能开源工具包；它们为整个项目的三维重建提 供底层支持和良好的编程平台。 2 1c t 图像及c t 值 c t 图像是利用不同的灰度来表示，反映器官和组织对x 线的吸收程度，通 过数学方法对c t 原始数据进行重建，得到图像矩阵；计算机把重建图像矩阵中 的各个像素转变为不同明暗的相应光点，通过显示设备显示出来。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，如含气体多的肺 部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。 c t 值采用的标准是根据各种组织对x 射线的吸收系数p 来决定的。 h o u n s f i e l d l 2 1 将线性衰减系数划分为2 0 0 0 个单位，由于在物理过程中，物质的密 度是由物质对x 射线的衰减系数来体现的，在研究图像时，能提供诊断信息的 是组织之间的密度差异，而不是绝对密度，所以一般定义值如公式( 2 1 ) ： 某物质的c t 值h ( p ) = 1 0 0 0 木( p p h 2 0 ) p h 2 0 公式( 2 1 ) 即特定物质的c t 值等于该物质的衰减系数与水的吸收系数之差再与水的吸 收系数相比，然后乘以1 0 0 0 。物质的值越高，表明其密度越大。另外，值的大 小还与射线的能量有关，射线的能量越低则相同物质的值就越大。从图2 1 中可 7 笨丁d i c o m 的医学图像三维重建的研究 以看到，各种组织的密度是不一样的，而且部分组织密度之间还存在交集。 图2 1 组织及其对应c t 值 在一张影像中所见到的c t 值范围称为“窗宽”( w i n d o ww i d t h ) ，而图像显 示所指的c t 值范围的中心则称为“窗位”( w i n d o wl e v e l ) 或“窗中心”( w i n d o w c e n t r e ) 。例如观察脑组织常用窗位为+ 3 5 h u ，窗宽用1 0 0 ，而观察骨质则用+ 3 0 卜+ 6 0 0 h u ，窗宽用1 0 0 0 。这样，同一层面的图像数据，通过调节窗位和窗 宽，便可分别得到适于不同组织的密度图像。 2 2d i c o m 标准 2 2 1d i c o m 标准 d i c o m 标准是由美国放射学院( a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y ，a c r ) 和国家 电气制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ，n e m a ) 共同制定 的，是医学图像及其相关信息在计算机间传输的国际统一标准，包括医学数字成 像与通信( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ) 标准，简称d i c o m 3 0 标准【5 】。有效地解决了各种不同的成像设备之间交换图像的障碍，促进了数 字图像设备的网络化和医学影像技术的发展同时也成为了工业标准，绝大多数医 疗设备生产商( 如p h i l i p s 、s i e m e n s 等公司) 的产品都遵循d i c o m3 0 标准，c t 8 基y - d i c o m 的医学图像二维重建的研究 医学图像也是符合d i c o m3 0 标准的。 本课题需要对符合d i c o m3 0 标准的文件的结构和文件信息的组织形式做 系统的了解和分析，从中提取出图像的像素信息、图像信息及病人的相关信息。 2 2 2d i c o m 文件结构 d i c o m 文件1 6 】一般由1 个d i c o m 文件头和1 个d i c o m 数据集合组成。 d i c o m 文件头( d i c o mf i l em e t ai n f o r m a t i o n ) 包含了标识数据集合的相关信息， 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前言，它由12 8 个o o h 字节组成；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 o m 文件。文件头中还包 括非常有用的信息，例如窗宽、窗位、病人姓名、c t 开始时间等。d i c o m 文 件结构如图2 2 所示： d i c o m 文件 d i c o m 文件头 +1“2甄8dicml 鬯 个空字符 l i + “ ”前缀l d i c o m 数据集 图像相关信息li 图像数据集合 如：病人姓名等i l 一 图2 - 2d i c o m 文件结构 在d i c o m 文件中最基本的单元就是数据元素( d a t a e 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的。d i c o m 数据元素主 要由4 个部分组成标签、v r ( v a l u er e p r e s e n t a t i o n ，数据描述) 、数据长度和 数据域。标签是1 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。d i c o m 数据元如图2 3 所示： 9 基于d i c o m 的医学图像三维重建的研究 - 传输顺序， 数据元i 数据元 数据升1 据元 l 签t a g 叨2 值域长度 数据域 可选，根据协商的传输语法决定 图2 3d i c o m 数据元 v r 指明了该数据元素中的数据属于哪种类型，在d i c o m 文件中，它是一 个长度为2 的字符串。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 o m 标准规定了显式和隐式两种传输格式。 0 0 0 2 ，0 0 0 0 。f i l em e t ae l e m e n t sg r o u pl e n = 15 4 0 0 0 2 ，0 0 01 ，f i l em e t ai n f ov e r s i o n = 2 5 6 0 0 0 8 0 0 2 0 s t u d yd a t e = 2 0 0 6 0 817 0 0 0 8 0 0 8 0 i n s t i t u t i o nn a m e = z h uj i a n gh o s p l l a l 0 0 0 8 ，10 4 0 ，i n s t i t u t i o n a ld e p t n a m e = r a d i o l o g y 0 010 ，0 0 4 0 ，p a t i e n ts e x = f 0 0 2 0 0 0l1 s e r i e sn u m b e r = 7 0 0 2 0 ，0 012 ，a c q u i s i t i o nn u m b e r = 0 0 2 8 ，10 5 0 ，w i n d o wc e n t e r = 0 0 0 6 00 0 0 6 0 0 0 2 8 10 51 ，w i n d o ww i d t h = 0 0 3 6 00 0 3 6 0 0 0 2 8 10 5 2 ，r e s c a l ei n t e r c e p t = - 一10 2 4 0 0 2 8 10 5 3 r e s c a l es l o p e = l 7 f e 0 0 010 p i x e ld a t a = 5 2 4 2 8 8 图2 - 4d i c o m 头文件解读 从图2 - 4 可以看到常用的c t 图像标签并且通过这些标签可以获取各种信息， 例女n ( o 0 0 8 ，0 0 2 0 ) 为研究信息获得开始的日期，( 0 0 2 8 ，1 0 5 0 ) 为窗位，( 0 0 2 8 ，1 0 5 1 ) 为 窗宽，( 0 0 1 0 ，0 0 4 0 ) 为病人性别等。 要在d i c o m 图像数据中获取真正的c t 值，还必须进行一次线性的变换， 这关系到图像分割的准确性以及d i c o m 图像格式的转换。如公式2 2 所示： c t 值h ( p ) = c t 图像数据木f r e s c a l e s l o p e + f r e s c a l e i n t e r c e p t 公式( 2 - 2 ) 其中f r e s c a l e s l o p e 是标签( 0 0 2 8 ，1 0 5 3 ) r e s c a l es l o p e 的值，而f r e s c a l e i n t e r c e p t 是标签( 0 0 2 8 1 0 5 2 ) r e s c a l ei n t e r c e p t 的值。 l o * 十d i c 0 t u 的医学图像- 雏t 建的究 2 2 3 d i c o m 的格式转换 傲的微口【如果不配备相应的查看软件是尤法显示c t 图片的，闲此希型通 过解读d i c o m 医学图像文件格式，将c t 数掘转换为常用的b m p 图像，方便医生 订一己的微机r 进彳：j ：盘看和分析。格式转换的主要流程m 如r ： 1 ) 读耿d 1 c o m 头文件r 1 i 的芙键数掘元获得重要参数。读取数据儿( 0 0 0 2 ， 0 0 1 0 ) ，确定后续数据元的传输语法；数据元( 0 0 2 8 ，1 0 5 0 ) 获耿衡化；数据 ，e r0 0 2 8 ，1 0 5 1 1 ，获墩窗宽： 2 ) 定位到像素数掘元( 7 f e 0 ，0 0 1 0 ) ，由其”始存放的是图像像素数据，需 要根据公式( 2 - 3 ) ，通过凋楚宙宽、窗位将原始数据转换成8 位灰度数据或彩 色数据。 rn f 一”2 。 yr 叫= j2 5 5 ，c + w 2 x公式( 2 - 3 ) 【x r c w 2 ) ，2 5 5 w , 其它 其中y 表不显示的位图狄度值，x 表示图像的数据，w 表示宙宽，c 表示 窗位。 转换为彩色b m p 图片时首先根据图2 2 中组织和c t 值的对应笑系，对 数掘进行分类和编码，例直肝脏的c t 值为4 0 7 0 ，将其编码为5 ，然后参考中 田数字人c t 图片( 如图2 - 6 ( a ) ) 中的颜色柬建立对应的颜色转换衷，肝脏的 颜色为偏向朱扎色，冈此其r g b ( 2 2 2 ，2 4 9 ，2 4 0 ) ，图2 - 6 所显示是将一张符 合d i c o m 标准的c t 图片分别转换为灰色和彩色的b m p 格式的图片。 ( a ) 中国数宁人的c t i f ：1 ) ( b ) 8 何的扶度b m p 图片( c ) 8 他的彩色b m p h 片 图2 - 5d i c o m 的格式转换 基于d i c 0 m 的医学图像三维蕈建的研究 2 3v t k 开发包 v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o lk i t ) 【8 】是一套基于o p e n g l 的三维图形学、图像处 理及可视化的开发工具包，该包最初是针对医疗领域的应用而设计的，所以对于 医疗的可视化方面，如c t 的扫描数据、m r i 等，都具有强大的图像处理功能。 v t k 最早在1 9 9 3 年1 2 月首次发布，目前已经发行到5 2 0 版本。它采用面向 对象的设计思想，支持跨平台开发，如w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等多种平台， 并且可以直接用c + + 、t c l 、j a v a 和p y t h o n 编写代码。 2 3 1v t k 管道化机制 v t k 采用管道化( p i p e l i n e ) 机制【8 】，即在可视化过程中，将上一模块的输 出作为下一模块的输入，其整个可视化流程如图2 6 所示。 s o u r c e 是整个可视化流程的开始，定义了具体的行为和接口，也是数据输入 的总类，保存各种输入的数据；f i l t e r 是将输入的数据进行各种处理，例如转换 成适合某种算法的数据类型；m a p p e r 是对经过f i l t e r 转换后的数据对象进行映射， 指定其对应的数据映射过程；a c t o r 是将绘制场景中的一个实体对象表达出来； r e n d e r 是通过设定适合的光照、视口、原点等信息，将绘制场景中的a c t o r 渲染 出来。 数据流方向 ( d a t ag e n e r a t e dv i ap r o c e s so b j e c te x e c u t e d a t a ( ) m e t h o d 图2 - 6v t k 的管道化机制 2 3 2 v t k 三维重建框架结构 用v t k 来产生图形和进行可视化应用是非常方便的，它主要包括两个基本 1 2 基于d i c o m 的医学图像二维重建的研究 部分，其框架结构【3 】如图2 7 所示。v t k o b j e c t 是v t k 的基类，它为整个可 视化流程提供基本的方法。v t k s o u r c e 是整个可视化流程的开始( 比如读取数据 等) ，定义具体的行为和接口。v t k f i l t e r 是对数据进行各种处理，将原始数据经 过各种f i l t e r 的处理后，转换为可以直接用某种算法模块对其进行处理。 v t k m a p p e r 是将经过各种f i l t e r 处理后的应用数据映射为几何数据，为原始数 据与图像数据之间定义了接口。v t k a c t o r 类表示要绘制的对象，通过映射器、 属性和变换等对象进行定义，例如映射器描述了角色的几何形状，属性控制角色 的绘制效果。v t k r e n d e r e r 类负责协调光源、摄像机和角色的绘制过程，与绘制 窗口共同管理图形图像引擎与计算机窗口系统之间的接口。 图2 7 对象模型的框架结构 2 4i t k 开发包 i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o l k i t ) 【9 】主要是提供医学影像的 分割与配准功能，是专门针对医学影像领域开发的。采用开放源码的形式，由 k i t w a r e 公司负责维护，i t k 目前的稳定版本是2 4 0 ，几乎包括当前主流的分割 和配准算法。 i t k 基于c * 实现，具有跨平台的特性，并且可以生成供其它解释型编程语 言( 如t e l ，j a v a ，p y t h o n ) 所使用的接口。i t k 在用c + + 实现过程中广泛使用了 泛型编程( g e n e r i cp r o g r a m m i n g ) 技术，提高了程序的性能。 与v t k 的数据流程类似，由于涉及大量算法和多种不同类型数据，i t k 也 采用管道模型来管理数据流程。即以数据对象为中心，将数据对象与处理对象结 合起来就形成了管道模型( 如图2 8 所示) 。处理对象直接操作一个或多个数据 1 3 基于d i c o m 的医学图像三维重建的研究 对象，管道的最后一个处理对象调用u p d a t e 方法，就能使管道运行起来。同样， 数据的生成是从管道的起点向终点进行，但对数据生成的需求则是从管道的终点 向起点传送。 图2 8i t k 数据管道 2 5v t k 与i t k 的结合 v t k 是一套专注予数据可视化的开发工具包，它提供了庞大的c + + 类库， 直接支持各种先进的三维可视化技术，而i t k 不提供图形用户接口( g u i ) 和 可视化机制，在用户实际使用时需要借助其他的开发平台。v t k 与i t k 具有很 多共同点，如两者都是开源软件，基于c + + ，支持跨平台开发，可以应用于 w m d o w s ，u n i x ，l i n u x 等系统等。因此一般都将v t k 和i t k 结合使用，如图 2 9 所示。 图2 - 9v t k 与i t k 的结合 1 4 基于d i c o i l 的医学图像二维重建的研究 首先由i t k 的数据管道读取图像数据，并根据需要用i t k 处理对象( 裁 减、分割、配准等方法) 对图像进行必要的处理，输出i t k 图像数据。但是由 于i t k 与v t k 具有不同的数据格式，因此在i t k 读入图像数据或处理数据 之后，就需要在i t k 和v t k 之间建立一个数据连接和转换的桥梁叫t k 、 v t ki m a g ef i l t e r ，将i t k 输出的数据转换为v t k 支持的数据类型( 如结构化 点数据) 。将得到的符合v t k 图像格式的数据，用v t k 的可视化管道进行必 要的图像处理，并保存数据。最后由v t k 的图形学模型来显示图像。 2 6小结 由于本项目合作单位广州珠江医院所提供的是符合d i c o m 标准的6 4 排 c t 图片，因此需要对d i c o m 文件格式及其数据结构进行研究，才能正确地进 行图像分割以及三维重建，同时有助于病人信息数据库的建立。本章还对可视化 工具包v t k 和图像处理工具包i t k 进行了介绍，结合项目实际应用，本章主 要从体系特点、使用机制、框架结构以及二者如何结合使用等方面进行介绍，通 过把v t k 和i t k 有机结合，为实现图像处理和可视化算法打下基础。 1 5 基于d i c o m 的医学图像三维重建的研究 第三章体绘制原理及应用 体绘制的研究始于上个世纪8 0 年代，是可视化中非常重要的一种技术，体 绘制基本分为三大类：图像空间扫描的绘制技术、物体空间扫描的绘制技术以及 图像和物体空问混合的绘制技术。 图3 1 体绘制技术分类 体绘制方法技术是依据视觉成像原理，基于光线在有色、半透明的介