基于MC算法的CT图像三维重建

1、第35卷第4期应用科技Vol .35,.42008年4月App lied Science and Technol ogyAp r .2008文章编号:1009-671X (200804-0030-04基于MC 算法的CT 图像三维重建李金,胡战利(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:医学图像三维重建利用二维医学图像序列重建出三维模型,为医生提供直观、全面、准确的病灶和正常组织信息.采用VTK 库进行医学数据可视化,分析了VTK 可视化工具包的机制,介绍了MC 算法的机理与实现过程.基于MC 算法,使用三维可视化工具包VTK 结合VC +6.0对基于D I COM 格式的CT

2、 图像序列进行三维重建,并给出了实验结果.重建结果表明,采用VTK 进行医学图像三维重建可以帮助医生明确诊断和制定正确的手术方案.关键词:三维重建;VTK;MC 算法;CT 图像中图分类号:R319文献标识码:B 32D reconstructi on of CT image based on MC algor ith mL I J in,HU Zhan 2li(College of Aut omati on,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China Abstract:32D reconstructi on of medical i m

3、 ages fr o m 22D medical i m age sequence can p r ovide the useful and p re 2cise inf or mati on about f ocus and body tissues for doct ors .The medical data visualizati on is comp leted with VTK li 2brary .The mechanis m of VTK visualizati on t ool package was analyzed .The mechanis m and the reali

4、zati on p r ocess of the MC A lgorith m were described .I n this paper,on the basis ofMC algorithm ,a 32D reconstructi on for CT i m 2age sequence in D I COM f or mat was perfor med by using VC +6.0s oft w are and VTK t ool package .Experi m ental results show that VTK 2based 32D reconstructi on of

5、medical i m ages can hel p doct ors diagnose patients and deter m ine an app r op riate surgical p lan .Keywords:32D reconstructi on;VTK;MC algorithm;CT i m age收稿日期:2007209211.作者简介:李金(19622,女,教授,主要研究方向:图像处理,E 2mail:lijin999hot m ail .com.在目前的影像医疗诊断中,主要是通过观察一组CT 、MR I 的二维切片图像发现病变体,但这只能依赖于医生丰富的读片经验.利用

6、医学可视化技术从一系列连续的二维切片重建出三维人体器官,可以真实再现物体的本来面貌,辅助医务人员对病变体或感兴趣的区域进行定量直至定性分析,从而可以大大提高医疗诊断的准确性1.我国学者自20世纪90年代初开始进行这方面的研究,其技术水平正在从后处理向实时跟踪和交互控制发展,但目前国内尚无成熟的商用系统2.因此,开展这方面的研究具有重要意义.文中基于VTK (visualizati on t ool 2kit ,运用VC +6.0设计和实现了医学图像的三维重建与可视化.通过人机交互,临床医生可以对图像进行旋转、缩放、移动等操作,使图像能直观地显示人体组织内部的复杂结构,从而帮助医生明确诊断并指导

7、手术.1三维可视化工具VTK目前国内比较常用的三维可视化工具或多或少都存在一些如代码执行效率低,计算能力差等缺点.而文中所使用的三维可视化工具VTK 是一种基于OpenG L 的用于3D 图形学、图像处理及可视化的一种工具.VTK 的全称为V isualizati on T oolkit3,是一个用VTK 程序的显著特点就是管道(p i peline 化,即一个VTK 程序实际上就是一个完整的渲染管道.渲染管道的前段称为可视化模型(the visualizati on model 管道,由数据源(s ource 、读取器(reader 、过滤器(filter 等节点组成.渲染管道的后段为图形模

8、型管道(the graphic model ,组成节点有演员(ac 2t or 、光线(light 、照相机(ca mera 、属性(p r operty 、映射器(mapper 、绘制器(renderer 、绘制窗口(ren 2der window 等.利用渲染管道VTK 可以完成对点、线、面等数据的三维重建工作.利用VTK 实现CT 图像的三维重建,从算法和数据结构来看,就是一个读取数据和图形显示问题.对已获取的CT 图像,因为它们符合D I COM3.0标准,读取它们相对容易.编程时只要指定必须的参数,就可以实现对单张CT 图像乃至CT 图像序列的读取.VTK 中,为了有效地管理庞大的类

9、库,按照某一个类在类库中的作用,将类分成以下几部分:公共部分(common 、图形处理部分(graphics 、图像处理部分(i m aging 、文件读写部分(I/O 、绘制部分(rendering 、数据转换部分(filtering 等,每部分被编译成相应的动态连接库.各部分在类库中的层次如图1所示 .图1VTK 各部分在类库中的层次2Marching Cubes 算法Marching Cubes 算法4是W.Lorensen 等人于1987年提出来的一种三维重建方法.因为其原理简单,容易实现,因此得到了广泛的应用,被认为是至今为止最流行的面显示算法之一.MC 算法的基本原理是:在三维数据

10、场中构造等值面,找出经过该等值面的体元(cubes ,求出该体元内的等值面并计算出相关参数,便于使用常用的软件包或图形硬件绘制出等值面.在医学应用上,采用MC 算法可重建人体外轮廓、内部组织器官,使医生直接在3D 图像上就可以观察感兴趣的器官与周围组织之间的空间关系.MC 算法充分利用图形显示的硬件加速功能,重建的图像质量较高.Marching Cubes 算法的过程可以描述如下:1每次读出2张切片,形成一层(layer .22张切片上下相对应的4个点构成一个立方体(cube ,如图2所示 .图2Cubes 示意图3从左至右、从前到后的顺序处理一层中的立方体(抽取每个立方体中的等值面,然后从下

11、到上顺序处理到n -1层,算法就结束,故名为Marching Cubes .对于每一个立方体而言,它的8个顶点的灰度值可以直接从输入数据中得到,要抽取的等值面的阈值由用户指定,也就是所希望提取出来的物质的密度值,比如要提取出骨骼,阈值就要相对大一些,然后根据体数据的信息就可以提取出等值面的三角网格表达.如果一个顶点的灰度值大于阈值,则将它标记为黑色(marked vertex ,而小于阈值的不标(un 2marked vertex ,如图3所示.13第4期李金,等:基于MC 算法的CT 图像三维重建图3M arked Vertex与Un marked Vertex3CT图像三维重建的实现3.1

12、CT图像来源读取的数据为基于D I COM标准的人体头部CT 图像(512×512×175,其中空间分辨率为512×512,扫描间隔1mm,共175张连续的CT图片.D I COM(digital i m aging and communicati on in medicine是美国放射学会(ACR和美国国家电器制造协会(NE MA在参考了其他相关国际标准的基础上,于20世纪90年代中期指定的医学数字元影像存盘和传输标准5.D I COM为不同厂家生产的各种医疗影像设备(如CT、MR I、超声波等提供了接口标准和交互协议,它已经逐渐发展成为医学影像学领域的国际通用

13、标准6.3.2应用VTK编程实现CT图像三维重建在三维重建的实现中,采用移动立方体(marc2 hing cube算法,在VTK中,vtk MarchingCubes类实现了这一算法.关键步骤如下:1用vtkRenderer类创建一个绘制对象.2用vtkRender W indow类创建一个绘制窗口,函数AddRenderer(将绘制对象加入绘制窗口.3用vtk D I C O M I m ageReader读取CT图像序列,函数Set D irect ory Na me(设置读取图像序列的路径.4用vtk MarchingCubes类抽取等值面,根据灰度的不同,分别从切片数据中提取出皮肤和骨

14、骼.函数SetI nput Connecti on(设置输入图像序列数据; Set V alue(设置抽取的组织轮廓线灰度值.5用vtkStri pper类和vtkPoly Data Mapper类来建立三角带对象和数据映射对象.6用vtk Act or类来实现图形的绘制,函数set2 Mapper(接收几何数据的属性,并分别对骨骼和皮肤设置不同的颜色和透明度.7用vtkCa mera类来设置视角位置,观察对象位置和焦点.8用vtkRender W indow I nteract or对绘制结果进行交互.3.3VTK与W indows窗口的绑定由于VTK是一个跨平台的系统,不是专门针对MFC平

15、台设计的,因此,要将VTK的渲染窗口嵌入MFC的单文档框架,还需要进行额外的工作.VTK与W indo ws窗口绑定代码如下:vtkRenderer3aRenderer=vtkRenderer:Ne w(;vtkRender W indow3ren W in=vtkRender W indow:Ne w(;ren W in2 >AddRenderer(aRenderer;vtkRender W indow I nteract or3iren=vtkRender W indow I nteract or:Ne w(;iren2>Set Render W indow(ren W in;

16、ren W in2>SetParentI d(this2>m_h W nd;通过以上的绑定设置,即将VTK渲染窗口对应的可视化输出嵌入MFC的单文档框架对应的输出窗口.3.4三维体的动态显示控制在VTK中,应用vtkRender W indow I nteract or可以实现对重建后三维体的动态显示:如平移、缩放、旋转等.V tkRender W indow I nteract or响应预先定义的一系列行为动作.它允许你控制相机和角色,并提供2种交互风格:位置敏感型以及动作敏感型.可以通过键盘上的J(位置敏感键和K(动作敏感键进行风格转换.在位置敏感模式下,只要鼠标被按下,那么动

17、作就会连续发生.而在动作敏感模式下,只有当鼠标按钮被按下并且指针移动时,才会发生相应的动作.另外按键C与按键A会产生相机(ca mera模式和角色(act or模式的转换.在相机模式下,鼠标行为影响相机的位置和焦点的位置;在角色模式下,鼠标行为影响处在鼠标指针下的角色.鼠标左键一按下时,则在相机模式下会发生相机围绕者它的焦点旋转;如果是角色模式,角色绕其坐标原点进行旋转.23应用科技第35卷 < shift >+左键一按下时,如果是相机模式,则平移相机;如果是角色模式则移动角色.鼠标右键一按下时,如果是相机模式则是前后移动相机,如果是角色模式,则角色按比例进行缩放.当鼠标位置在视口

18、的上半部分,则对物体进行放大,反之,则缩小.3三维重建结果运行程序的电脑配置如下:处理器:AMD A thl on (t m 64Pr ocess or 3500+,CP U:2.21GHz,内存:512MB显示卡:MSINX7600GS 的.基于Marching Cubes 算法,使用三维可视化工具VTK,运用VC +6.0对基于dicom 格式的一系列连续CT 图像进行三维重建.图47展示了三维重建的结果 .图4 表皮重建图5骨组织重建: 正面图6骨组织重建: 俯视图7皮肤、骨骼二重重建4结束语设计程序实现了从一系列连续的二维切片重建出三维人体器官,可以真实再现物体的三维面貌,通过人机交互,临床医生可以对图像进行旋转、缩放、移动等操作,使图像能直观地显示人体组织的复杂结构,从而帮助医生明确诊断并指导手术.参考文献:1田捷,包尚联,周明全.医学影像处理与分析M .北京:电子工业出版社,2003.2罗述谦,周果宏.医学图像处理与分析M .北京:科学出版社,2003.3SCHROE DER W J.The VTK U sers Guide:4th ed M .Ne w York:Kit w are,I nc,20