醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)研究

摘要：醫(yī)學(xué)圖像三維可視化是當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像處理的研究熱點(diǎn)，它對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)有著重大的意義和實(shí)用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要介紹醫(yī)學(xué)圖像三維可視化的概念和圖像三維重建的常用算法，重點(diǎn)論述了幾種常用體繪制算法原理。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像 三維重建 面繪制 體繪制

1、引言

圖像三維可視化也稱三維重建，是指通過(guò)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)或二維圖像信息進(jìn)行處理，生成物體的三維結(jié)構(gòu)，并按照人的視覺(jué)習(xí)慣進(jìn)行不同效果的顯示。在醫(yī)學(xué)成像及醫(yī)學(xué)圖像處理中，圖像三維可視化基于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲得的大量二維斷層圖像，如CT、MRI等，并按照不同的診斷目的和算法進(jìn)行顯示。常見(jiàn)的顯示可視化形式有多平面重建（Multiplanar reconstruction，MPR）、 曲面顯示(Curved multiplanar reconstruction，CMPR)、表面陰影顯示(Shaded surface Display，SSD)、最大（小）密度投影(Maximum/minimum intensity projection，MIP)、虛擬內(nèi)窺鏡(Virtual endoscopy，VE)等[1] [2] [3]。

2、醫(yī)學(xué)圖像三維重建算法

三維可視化盡管顯示形式較多，但其根本算法常用的只有二類(lèi)：面繪制（Surface Rendering）技術(shù)和體繪制（Volume Rendering）技術(shù)。

2.1 面繪制

面繪制實(shí)際上是顯示對(duì)三維物體在二維平面上的真實(shí)感投影，就像當(dāng)視角位于某一點(diǎn)時(shí)，從該點(diǎn)對(duì)三維物體進(jìn)行“照相”，相片上顯示的三維物體形象。面繪制算法由三維空間均勻數(shù)據(jù)場(chǎng)構(gòu)造中間幾何圖元，如三角體、小曲面等，然后再用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)繪制，加上光照模型、陰影處理，使得重建的三維圖像產(chǎn)生真實(shí)感。表面陰影顯示就是面繪制的一種，它能提供了更多的物體表面幾何信息，給醫(yī)生以組織整體的結(jié)構(gòu)信息，并可以較好的描述不同組織建的解剖關(guān)系。但表面陰影顯示不能顯示物體內(nèi)部信息和結(jié)構(gòu)，三維體數(shù)據(jù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)均被完全遮蓋，因此，臨床應(yīng)用時(shí)，往往對(duì)二維圖像先進(jìn)行分割，對(duì)分割出的感興趣區(qū)域進(jìn)行三維重建和面繪制。

面繪制算法目前有移動(dòng)立方體法（Marching Cubes，MC）和Cuberille算法等，最為常用的是移動(dòng)立方體法，由W.Lorensen等人于1987年提出，也被稱為“等值面提取”（Isosurface Extraction），它是面繪制算法中的經(jīng)典算法，原理較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)[4]。

2.2 體繪制

直接由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)產(chǎn)生屏幕上的二維圖像，稱為體繪制算法。這種方法能產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的整體圖像，包括每一個(gè)細(xì)節(jié)，并具有圖像質(zhì)量高、便于并行處理等優(yōu)點(diǎn)。體繪制不同于面繪制，它不需要中間幾何圖元，而是以體素為基本單位，直接顯示圖像。常用體繪制算法主要研究光線在帶顏色、透明的材質(zhì)中傳播的數(shù)學(xué)算法，這是實(shí)際應(yīng)用尤其是醫(yī)學(xué)應(yīng)用所要求的。

2.2.1 圖像空間的體繪制算法

最經(jīng)典的圖像空間繪制算法稱為光線投射(Ray Casting)算法[5]，這是從圖像空間（顯示圖像的屏幕）到物體空間（三維離散數(shù)據(jù)場(chǎng)）的計(jì)算過(guò)程，如圖1。由顯示圖像屏幕上的每個(gè)像素點(diǎn)位置向物體空間發(fā)出光線，該射線與物體空間相交與許多個(gè)點(diǎn)－這些點(diǎn)即為物體空間上新的采樣點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)元素，計(jì)算光的傳輸方程，對(duì)三維物體數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積，重新構(gòu)建原始的圖像信號(hào)，并對(duì)重構(gòu)的圖像信號(hào)進(jìn)行再次采樣，得出重采樣的灰度值。最后進(jìn)行圖像合成，計(jì)算出每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)像素的灰度貢獻(xiàn)，合成為像素的灰度，得到圖像。

圖1 圖像空間到物體空間的光線投射

2.2.2 物體空間的體繪制

同圖像空間體繪制相反，物體空間體繪制先由物體的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，逐個(gè)掃描每個(gè)三維空間網(wǎng)格，計(jì)算其投射到顯示矩陣中的數(shù)值，并合成他們對(duì)顯示矩陣像素的貢獻(xiàn)，生成圖像。典型的算法有濺射（Splatting）算法、體元投射法等。

濺射法將每一個(gè)體素的能量在圖像平面投影成一個(gè)光斑，或一個(gè)痕跡。形成一個(gè)存在有限范圍的核（如高斯核）。痕跡是該體素到圖像平面的投影貢獻(xiàn)，通過(guò)沿視線方向?qū)诉M(jìn)行積分計(jì)算，并將結(jié)果存在二維痕跡表中。

2.2.3 最大（小）密度投影與三維體繪制

最大密度投影認(rèn)為每個(gè)三維數(shù)據(jù)體的體素是一個(gè)小的光源。按照?qǐng)D像空間繪制的理論，顯示矩陣的像素向外發(fā)出射線，沿觀察者的視線方向，射線穿過(guò)數(shù)據(jù)場(chǎng)遇到最大光強(qiáng)（最大密度值）時(shí)，與最大密度相關(guān)的數(shù)據(jù)值投影在對(duì)應(yīng)的屏幕上的每個(gè)像素中形成最終圖像[5]。最小密度投影道理相同，但選擇最小密度值作為屏幕像素值。

最大（小）密度投影方法能提供較為直觀的圖像，顯示效果近似X線成像，且計(jì)算量小，算法簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)顯示，所以在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用，如顯示血管的三維結(jié)構(gòu)等。

3、結(jié)論

隨著多排螺旋CT的應(yīng)用，被檢者一次檢查獲得的可用圖像數(shù)量得到爆炸性的增長(zhǎng)。一次掃描往往獲得幾十乃至上百幅斷層圖像，這就使的使用三維形式顯示組織和器官變得可行且必要。圖像三維顯示技術(shù)可以更好的顯示數(shù)據(jù)和診斷信息，為醫(yī)生提供逼真的顯示手段和定量分析工具，在輔助醫(yī)生診斷、手術(shù)仿真、引導(dǎo)治療等方面發(fā)揮重要作用。同時(shí)三維顯示還可以避免醫(yī)生陷入二維圖像的數(shù)據(jù)“海洋”，防止過(guò)多瀏覽斷層圖像而造成漏診率上升。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅述謙，周果宏，著.醫(yī)學(xué)圖像處理與分析[M].北京：科學(xué)出版社， 2003.

[2]李月卿，主編.醫(yī)學(xué)影像成像理論[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2003.

[3]俎棟林，著.核磁共振成像學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]田捷著.集成化醫(yī)學(xué)影像算法平臺(tái)理論與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]J.Hsieh.Computed tomography-principles， design， artifacts and recent advances[M].SPIE PRESS，2001.