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1系統的體系結構

系統的數據輸入共有兩種來源一是通過網絡光盤磁帶等直接輸入的CTMRI多斷層原始數據二是BMP或TIF圖象文件這些文件是通過掃描儀或數字化儀得到的原始CT或MRI片子的圖象文件一般系統得到的CT或MRI數據都是一組圖象序列這些圖象序列會在切片照相過程中因位移旋轉比例變化等因素而存在一定程度形變的可能因此需對圖象進行噪聲消除幾何矯正定位點檢測和配準使得圖象中的象素點與它們實際的位置一致,這樣輸入的斷層圖象才能加以使用校正配準后的圖象序列經過壓縮可以存入計算機中對每一幅經配準與校正后的圖象進行交互式人工分割或半自動分割分離出圖象中的興趣區并對這些區域進行邊緣提取并生成矢量化的輪廓線然后對這些輪廓線進行拼接利用這些輪廓線重建出物體的表面通過重建獲得的三維體數據系統可以完成三維圖形的繪制軸切面顯示三維空間切面顯示透視顯示等功能以上的輪廓線和重建獲得的三維體數據經壓縮后均可以存入計算機中。

2系統的實現

三維醫學可視化系統直接應用了計算機圖形圖象技術的最新成果采用Windows98或WindowsNT3D加速卡和OpenGL三維圖形庫作為解決方案實現了三維圖形的繪制以及旋轉平移改變視角放大縮小表面半透明和網格顯示等顯示方式并提供了多種可視化理解手段。

2.1系統的實現原理

通過對CT機或MRI成象數據的直接解碼或通過TWAIN接口從掃描儀獲得影象數據生成DIB圖象對輸入計算機的圖象進行直方圖調整卷積濾波后開始圖象配準對于含有定位標識點的斷層圖象可以利用這些點信息來進行定位典型的定位器幾何結構共有9根定位棒其中有3根是對角定位棒在斷層圖象中表現為9個標識點由于這些標識點在三維空間中的坐標是已知的利用這些信息不難求出每個斷層圖象到三維空間的變換矩陣通過該線性映射關系就可以將所有斷層圖象在三維坐標空間中配準配準后的圖象可以用來提取組織形態信息由用戶先選定目標組織的邊緣任一點然后按二值圖法進行輪廓的自動搜索采用左手觸摸跟蹤法的修正方法對圖象進行輪廓跟蹤將圖象邊界線用鏈碼加以表示對于不同組織相互連接或相距較近時產生的相互糾纏的輪廓線或灰度落差較大產生的中斷與扭曲的輪廓線采用人機對話的方式進行分離斷層圖象在三維空間的z方向的分辨率較低為此需要對各層與層之間的斷層圖象進行插值補充出若干層新的三維數據對于相鄰層間距不太大的情況采用線性插值算法當體部掃描的層間距較大時采用高階插值樣條函數插值算法從而達到良好的效果在三維重建方面系統提供了基于體元和基于表面的兩種重建方式基于表面的重建采用了Lorensen等人提出的"MarchingCube"算法這是一種基于體素的表面重建方法該方法先確定一個表面閾值計算每一體素內的梯度值并與表面閾值進行比較判斷找出那些含有表面的立方體再利用插值的方法求出這些表面基于體元的重建采用了光線跟蹤算法其實質是在給定視點視線方向的條件下有效地估計每一個象素的光亮度從每一體素出發根據設定的方向反射一條光線對該射線通過的象素沿深度方向進行光亮度積分依據光照模型求出各采樣點的光亮度值從而得到三維數據圖象。完成三維重建后通過OpenGL庫可以將數據以三維的方式顯示出來并產生旋轉移動等效果用戶可以在三維數據體上以任意角度進行觀察并可以對三維體任意角度進行切割觀察剖面情況對切割后剖面中的數據空洞采用三線性插值的方法進行填充在三維數據體的基礎上系統還可以完成數字化重建放射透視圖象(DigitallyReconstructedRadiographs-DRR)DRR可實現對患者在任意空間角度下的透視模擬由于DRR是模擬常規放射透視圖象成象過程圖象是由射線在透射體中沿其路徑衰減后形成的"疊加"結果所以系統利用輻射線模擬跟蹤算法以及對不同組織器官密度采用加窗處理來獲得了解剖組織的多層次形態圖象圖34分別顯示了系統的三維重建和DRR效果圖為了有效地存儲上述的斷層序列圖象和生成的三維體數據以及適應網絡傳輸的要求需要對數據進行壓縮系統利用三維小波變換的思想根據人眼的視覺特性來達到數據壓縮存儲的目的對斷層序列圖象和生成的三維體數據多幅成組圖象進行三維小波變換后對低頻子帶采取不帶量化器的無失真差值脈沖預測編碼對高頻進行量化最后對變換系數進行熵編碼應用在網絡系統中需要對這些數據進行傳輸。

2.2系統的特點與應用

三維醫學可視化系統行之有效地完成對人體器官軟組織和病變體的三維重建和三維顯示為醫生的醫療診斷提供了輔助工具系統的主要特點與應用如下：

(1)提供了器官和組織的三維結構信息并可以從任意角度觀察人體結構從而提供給醫生病變體確切的空間位置大小幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關系等信息協助醫生正確診斷出病變范圍位置及程度。

(2)作為醫學研究和教學的工具能在外科手術的計劃和模擬中發揮很大作用讓醫生在虛擬環境中參予對人體三維影象的操作和改造活動進行手術規劃和手術過程模擬比較不同的手術方案和結果以幫助制定出最佳手術方案和提高手術的安全性。

(3)放射治療計劃的制定也是三維醫學可視化系統的一個重要應用領域通過三維密度場可以計算得到三維劑量場使計劃設計者定量把握劑量場空間在患者體內的分布情況從而使得在靶區獲得均勻的劑量分布同時最大限度地減少正常組織和要害的受量。

(4)根據三維重建所得到的幾何描述對用計算機輔助制造系統設計與制造人體的假肢都有很大的意義。

3結束語

三維醫學可視化是近年來計算機圖形學和圖象處理技術研究和應用的重要方面我們開發的三維醫學可視化系統通過實際投入使用和北京醫療器械所的醫療設備相結合在計算機上對醫學圖象數據進行各種處理達到一般成象設備所不能完成的許多功能為醫生在診斷治療方面提供了有力的工具。