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基于醫學(xué)ＣＴ圖像的三維重建研究
[論文關(guān)鍵詞] 可視化；圖像；體繪制；面繪制
[論文摘要] 本文探討了DICOM文件系統的結構和解析方法、醫學(xué)CT圖像窗寬/窗位調節技術(shù)及其三維可視化算法，描述了系統的結構和各功能模塊的實(shí)現方法。有效地實(shí)現了符合DICOM標準的醫學(xué)CT圖像的三維可視化，為影像診斷提供了形象直觀(guān)的技術(shù)方法。
隨著(zhù)可視化技術(shù)的發(fā)展，現代的許多醫學(xué)圖像設備都是向提供三維圖像發(fā)展，目前三維CT、三維超聲均可提供三維影像，如通用電氣、西門(mén)子等成像設備制造商均生產(chǎn)三維CT產(chǎn)品，但是這些設備價(jià)格相當昂貴。通過(guò)圖像圖形學(xué)技術(shù)和可視化技術(shù)，對二維CT圖像進(jìn)行后處理，根據輸入的各圖像參數直接在PC機上實(shí)現三維影像重建具有十分現實(shí)的意義。
1 三維可視化系統技術(shù)研究
符合DICOM標準的CT圖像的三維可視化系統必須具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的數據場(chǎng)和空間信息。針對醫學(xué)CT圖像的特殊性，必須具有窗寬/窗位的調節功能，還必須具有體數據場(chǎng)的三維可視化功能。
1.1 DICOM文件的解析功能
DICOM標準的提出使得醫學(xué)圖像及各種數字信息在計算機之間的傳遞有了一個(gè)統一的規范，DICOM標準不但規定了通訊的標準，也規定了醫學(xué)圖像特定的存儲格式。DICOM文件一般由一個(gè)DICOM文件頭和一個(gè)DICOM數據集構成，在DICOM文件頭中包含了標識數據集合的相關(guān)信息，DICOM文件的信息主要集中在數據集部分。DICOM數據集又由數據元素組成，數據元素主要由4個(gè)部分組成：標簽、數據長(cháng)度VL、數據域和數據描述VR。不同的標簽規定了后續數據域中數據對應實(shí)體的內容，數據元素按標簽的升序排列構成數據集。DICOM文件解析目的是通過(guò)分析符合DICOM標準的CT圖像的文件中各數據元素，從給定的序列文件中按標簽號逐個(gè)提取出重建中需要用到的信息，分析判斷各圖片之間的空間關(guān)系，構造數據場(chǎng)，作為可視化系統的原始輸入數據。
1.2 窗寬/窗位調節功能
通過(guò)DICOM文件解析獲得的CT圖像各象素比特深度一般為12位，存儲位為16位，目前計算機能夠顯示的灰度級只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度級的映射功能，這在CT圖像的處理中稱(chēng)為窗寬/窗位的調節。
目前常用窗寬/窗位的調節算法有Linear算法、Gamma算法、Logarithmic算法等。Gamma算法和Logarithmic算法都是非線(xiàn)性的，可以補償人眼對灰度反應的非線(xiàn)性，但是它們的運算量非常大，對于二維圖像處理采用可以產(chǎn)生較為理想的效果，如果直接將其運用到三維數據場(chǎng)，則巨大的計算量將影響實(shí)時(shí)窗寬/窗位的調節。為了有效地進(jìn)行窗寬／窗位的調節，筆者采用了計算速度快、可以實(shí)時(shí)交互的Linear算法，效果理想。
1.3 可視化技術(shù)
規則數據場(chǎng)的可視化方法一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是表面繪制法，一類(lèi)是體繪制法。
通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)際比較了表面繪制和體繪制的優(yōu)劣。發(fā)現了表面繪制處理的是整個(gè)體數據場(chǎng)中的一小部分數據，具有較快的速度，并且可以快速靈活地進(jìn)行旋轉和變換光照效果，它適合于繪制表面特征分明的組織和器官。但是，由于表面重建對表面分割的依賴(lài)較大，對分割的精確程度要求很高，所以對形狀不明顯、亮度變化小的軟組織，以及血管等組織的三維顯示，效果不盡如人意。體繪制對于形狀特征模糊不清的組織和器官進(jìn)行三維顯示時(shí)具有較好的效果。但是由于在原始的體繪制過(guò)程中，一般要遍歷體數據場(chǎng)中的每一個(gè)體素，因而計算量較大，圖像成像的速度較慢。當改變光照和視點(diǎn)時(shí)，要重新進(jìn)行投影運算，所以交互的速度較慢。因此，為適應不同的應用要求，系統同時(shí)實(shí)現了兩種重建方法。
2 系統結構設計和功能
根據系統的功能構想和實(shí)現目標，筆者將系統結構設計為4個(gè)模塊：
DICOM文件解析模塊：完成由符合DICOM標準的CT圖像輸入序列到體數據的組織和相關(guān)信息獲取的功能。該模塊首先逐個(gè)解析單個(gè)的文件，提取出了關(guān)鍵數據，再判斷輸入的圖片是否為同一序列，在空間位置上是否滿(mǎn)足重建的要求，然后將刪去不符合要求的圖片而將符合要求的圖片組成列表，提取逐個(gè)列表中各文件的象素和空間信息，將各切片數據組織為空間體數據場(chǎng)。
體數據預處理模塊：完成窗寬/窗位調節和體數據增強等功能。窗寬／窗位調節采用Linear算法；體數據增強主要是為了消除CT圖片中可能存在的噪聲而采用的可選的預處理功能，一般的中值濾波器具有消除噪聲同時(shí)對圖像邊緣等信息影響不大的優(yōu)點(diǎn)，在系統中選用該算法實(shí)現圖像濾波。
可視化模塊：設計了表面繪制和體繪制兩種算法。表面繪制使用MC算法提取等值面；體繪制算法采用Ray Casting算法。為了加快開(kāi)發(fā)速度，筆者通過(guò)比較分析：作為可視化開(kāi)發(fā)工具，VTK是一個(gè)開(kāi)放式的軟件，具有強大的三維功能，它提供目標函數庫，用戶(hù)可以利用面向對象的技術(shù)和方法對它進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
交互顯示模塊：交互顯示模塊主要完成對重建后的三維影像實(shí)現旋轉、縮放，獲取冠狀面、矢狀面和實(shí)時(shí)窗寬/窗位調節的功能。
3 結論
CT圖像三維可視化系統實(shí)現了符合DICOM標準的CT圖像的三維顯示，為醫務(wù)人員提供了形象、直觀(guān)的診斷技術(shù)，具有廣泛的應用價(jià)值。系統實(shí)現了：DICOM文件的解析；交互式Linear算法窗寬/窗位調節；MC表面繪制法和光線(xiàn)投射法重建醫學(xué)CT圖像；通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，比較了兩種重建方法的優(yōu)劣；直方圖指示，冠狀面、矢狀面的獲得及其旋轉、縮放等功能。
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