谈一种可扩展式三维医学可视化系统的设计与实现

1、谈一种可扩展式三维医学可视化系统的设计与实现谈一种可扩展式三维医学可视化系统的设计与实现摘要：在分析可视化系统的功能和特性的基础上，设 计并实现了一种三维医学数据场可扩展式可视化系统。首 先根据医学图像的具体特征，系统设计了一系列预处理方 法;随后提出了基于特征区域提取的分割算法和采用数据挖 掘聚类方法等对三维数据场直接分割，并提出采用了二级 排序体元块投射等体绘制算法。最后给出的实现效果图表 明系统能够在pc机上实现对三维医学数据场方便和有效地 绘制与管理。关键词：可扩展式可视化系统医学图像特征特征区域 分割数据挖掘聚类排序体元块1、引言随着ct、mri、u s、pet、spect等技术在医

2、学临床中 成功应用，使得对人体进行无创检查以及诊断成为现实， 可以使医生从二维截面方向对人体进行观察，得到人体及 其内部器官的二维数字断层图像序列。但在治疗应用中， 仅通过二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠 加，不能给出准确的三维影像，从而可能造成病变（靶区） 定位的失真与畸变。为了提高医疗诊断和治疗规划的准确 性和科学性，需要由二维断层图像序列转变为具有直观和 立体效果的三维图像，展现的三维结构与形态，从而提供 用传统手段无法获得的解剖信息，并为进一步模拟操作提 供视觉交互手段，医学可视化技术就是在这一背景下提出 的。自90年代起，借助计算机处理和分析、计算机图形 学、虚拟现实和计算

3、机网络等技术的医学影像分析与处理 一直是国内外的研究热点口。本文围绕三维医学数据场直 接分割、绘制加速和绘制质量提升等方面，对医学可视化 系统设计进行了研究，设计了一种可扩展式医学可视化系 统，使之在普通pc机平台的基本配置上即可运行。2、系统的功能和特性2. 1系统的可扩展性虽然本系统所实现的是可视化流程 中最主要的功能，但也考虑到了后续的应用研究。考虑到 系统的可扩展性本文将可视化系统分为两个主要模块设计: 绘制引擎（实现具体的绘制算法）支撑模块（包括用户 界面、图像显示、体漫游、动画生成等功能模块）当不同的 绘制引擎提供统一标准的数据接口时，支撑模块就不需要 重复开发，也就是说，虽然绘制

4、方法不同，但对绘制出来 的结果，系统所进行的可视化应用行为却是一致的。当出 现新的应用，只需要开发相应的支撑模块，然后集成到系 统中即可。用户界面体数据文件1体数据文件2体数据文件3体数据文件4支撑模块结果图形（图像）输出绘制.可扩展型的系统结构2. 2系统功能的框架结构可视化系统由输入的ct、m ri 等设备图像序列经预处理、分割后重建出三维表面模型， 进而可以对重建的几何模型进行缩放、旋转等操作以及剖 切、手术开窗等操作。(1 )图像的获取与输入二维断层序列图像由物理设备 (计算机断层扫描仪ct、核磁共振成像仪mri等)生成，经 介质传输或网络传输至系统作为原始图像序列。可视化系 统读取该

5、图像序列，经过处理断层间图像的配准、图像格 式转换、图像归一化处理等，最后转换成与设备无关的文 件或数组待以进一步处理。(2) 二维图像的预处理由医学仪器获得的原始数据一般 不能直接输入到可视化功能处理模块的，通常需要对其进 行必要的变换预处理，故模块内容是后继处理的技术基础。 利用图像处理的已有技术成果，根据医学图像的实际物理 特征，可视化系统设计了一系列合理的变换预处理方法。系统读取该图像序列时，采用dicom3 . 0协议存储数据、 中值法和保持边缘滤波处理、直方图均衡图像、二维双三 次样条切片间插值等预处理，经重采样后将二维图像序列 封装成规则数据场，此数据场亦可称之为三维医学图像，

6、系统后继的组织分割和绘制即是对此数据场在三维空间中 进行。(3) 组织或器官的分割与提取根据图像特征、待建组织 或器官的形态特征，系统实现了基于三维医学数据场过渡 特征区域、基于医学模糊边缘和数据挖掘等直接针对医学 三维数据场的分割方法。(4) 组织或器官的绘制医学可视化算法一般可以分为两 大类：基于面绘制的可视化算法和直接体绘制算法。面绘 制方法是按照给定的阈值，提取一个等值表面，然后按传 统的曲面浓淡方法绘制。直接体绘制算法是把数据场作为 整体直接投射到图像平面上，以得到数据场的全局图像。它不需要构造中间几何图元，特别适合于诸如云雾、 流体、大脑组织、气体等无固定形状的数据场集的图像生 成

7、。还有此方法可以产生高质量、有真实感的图像，而面 绘制无法胜任这些工作。直接体绘制算法的缺点是每生成 一幅图像都要重新遍历整个数据场，十分费时，所以需要 有高性能的加速算法。本系统重点实现的是直接体绘制的方法，利用医学组 织器官的组织平滑过渡的特点，采用了不影响绘制质量但 能提高绘制速度的二级排序体元块投射算法和提高边缘体 绘制的频域体绘制算法口 “。(5) 几何操作与显示基本的几何操作包括对重建模型的 缩放、旋转、平移等。系统还可以给定平面对重建模型进 行剖切，可获得剖切面的形状;对外表组织施以剖切，可以 看到内部组织;手术开窗是在外表组织上开一个窗口，从而 可以通过窗口看到内部组织；设定和

8、改变组织颜色，半透明 效果显示，组织显示与隐藏。3、系统实现效果图系统采用idl语言开发，在idl3. 0开发平台上，采用 普通pc机（基本配置为p41. 6 g的cpu, 256m内存，3d加 速卡）进行开发。轴切片效果图见图2。图3为不透明度设 置效果图，其中a图不透明度：1.0（骨组织），0 .1（软组 织），b图不透明度：0.5（骨组织），0.01（软组织）。4、结论本文利用可视化及相关领域的最新研究成果，参考相 关系统，设计了一种可扩展式的三维医学可视化系统的设 计和实现。系统从功能上划分为医学图像的获取与输入、 二维图像的预处理、待建组织的分割与提取、三维模型的 构建以及几何操作与

9、显示等几个模块，根据可视化组织的 重要度不同，设计出不同的组织分割和绘制方法。实验结 果表明系统能够在普通pc机上，真实地表达可视化组织的 各种信息，并且由于设计上的可扩展性结构，保证了本系 统在功能结构上的独立性，可以方便地增加新的功能模块, 且各模块之间相互独立，某一块出现问题时不会影响其它 模块的功能运作，实现了对三维医学数据场可视化方便和 有效地绘制与管理。参考文献1 rayh , pf i sterh , silve rd. ray-cast ingarchitec turesforvol umevisualiz ation. ieeet ransaetions onvisualiz

10、a tionandcomp utergraphic s, 1999, 5(3)： 210223.2 l0hmannk , gundelfing ere, etal.br ainview： aco mputerprogr amforrecons tructionand interactive visualizati onof3ddatas ets. journal ofneuroscie ncemethods, 1998, 84： 143一154.3 l ixinwu, haoc hongyang, fa nyangyu, mam iao, liuxiao xianganewp rojectional gorithmbase donfeaturer egionof3dme dicaldatafi eld procspi elntsocopte ng, xx, 5444： 4784830r4黎新伍，郝重阳，李书印，张先勇，樊养余。一种 提高医学数据场边缘过渡区域图像质量的算法。西北工业 大学学报，xx, (21)3： 32 9-331.5 黎新伍，马苗。一种基于医学三维数据场模糊分割 的体元投射算法。系统仿真学报，xx, (