醫學影像三維重建系統的實現探討

徐建

摘要：醫學影像三維重建系統基于計算機圖形學，以三維模型為基礎，利用計算機可視化技術將醫學影像的二維圖像轉變成三維模型，應用三維重建技術進行工作的影像檢查系統，該系統為現代醫學的臨床診斷、外科手術以及假肢制作等醫學實踐提供了重要數據，因此醫學影像三維重建系統已經在醫學上廣泛應用。文章針對當前三維重建系統速度慢、過度依賴硬件設備以及交互不暢的問題，系統提出如何實現醫學影像三維重建系統的工作原理、計算方法以及實現路徑，以此來改善現代醫學影像三維重建系統的速度與交互性。

關鍵詞：醫學影像；三維重建系統；建設

中圖分類號：R445 文獻標識碼：B DOI：10 3969/j.issn.1001-0270.2017.04.28

Implementation of 3D Reconstruction System of Medical Images

XU Jian

（China Petroleum Pipeline Bureau， Langfang 065000， China）

Abstract： Based on computer graphics， 3D medical image reconstruction system based on 3D model， by using the computer visualization technique， the two-dimensional image transformation of medical images into three-dimensional model， imaging system using three-dimensional reconstruction technique to work， the system provides important data for modern medicine clinical diagnosis， surgical and prosthetic production practice， therefore medical image 3D reconstruction system has been widely used in medicine In view of the current 3D reconstruction system of slow speed， excessive dependence on hardware and interaction problems， calculation method of system working principle， put forward to realize the 3D reconstruction system of medical image and the realization of the path， so as to improve the modern medical image 3D reconstruction system with interactive speed

Key Words： Medical Image； 3D Reconstruction System； Construction

1 前言

隨著人們對自身健康水平意識以及健康安全意識的提升，人們對醫生的診斷要求也不斷增高，尤其是在現代信息技術高速發展的時代，傳統的醫學診斷方式或醫學診斷設備等遠遠無法滿足現代的診斷要求，因此實現醫學影像三維重建系統，改進傳統的二維圖像具有強烈的現實意義。醫學影像三維重建技術主要是在二維圖像的基礎上，構建三維立體圖像，通過立體圖像更加全面、準確的顯示人們的體內組織，醫生利用三維圖像可以分析人體組織的病變程度，從而進行醫學診斷，這種診斷模式極大降低了臨床診斷的誤診、漏診率，大大提高了現代醫學診斷的質量與效率。

2 醫學影像三維重建系統的相關技術

醫學影像三維重建系統必須要按照統一的國際DICOM標準進行交互設計，保持交互的相通性，這一DICOM圖像格式與比較常見的圖形格式（GIF、IPEG）不同，除了基本的圖像要素外，還存在有患者的病歷信息、檢查信息以及影像檢查的相關系數，這些系數不是無作用的，在后期醫生診斷上，這些系數都要在醫學圖像的傳輸、處理中發揮作用。

隨著現代醫學影像三維重建系統的不斷發展，主要出現面繪制和體繪制兩種方法，該系統應用多平面重建技術和體繪制技術，再輔助于CPU的圖像處理技術，才能夠全面完成影像三維重建工作。

3 醫學影像三維重建系統的算法

由于醫學臨床診斷的需求量不斷增加，醫生對醫學影像三維重建系統的要求不在是僅僅重建三維圖像，還要求三維圖像能夠通過交互作用，實現放大、縮小、旋轉等功能，以便于醫生從多角度進行醫學診斷，提高醫學診斷的效率和準確性。要想實現這一功能，就要對三維重建技術的相關算法進行了解，以重建系統中的體繪制技術為例展開分析，觀察最佳的體繪制算法，以便于提高繪制質量與速度。

在體繪制技術的應用上，從表1中觀察可知，光線投影法的繪制質量最高，以這種算法為例，以GPU編程為輔助條件，全面提高繪制速度，實現圖形的高速處理。

光線投影算法主要是模擬光學模型從視點向觀察平面上發射光線，依據選定的顏色和不透明度等光學屬性，采集樣點，最終合成圖像。具體模擬過程如圖1所示：

光線投影算法以GPU編程為基礎，進行投影算法，具體運算過程如下圖2所示：

從圖2中可以看到，光線投影算法在應用GPU進行加速處理時，首先要判斷光線是否與體數據包圍盒相交，只有，滿足“是”的條件，才能夠沿著光線的方向進行優化運算；在光線合成過程中，將不透明度的數據與0 95進行比較，當數值>0 95時，提前終止光線合成，以此來獲得相對應的平面像素值，提高光線合成的計算速度。

4 醫學影像三維重建系統的設計與實現

醫學影像三維重建系統的設計與實現過程中，應用ITK圖像算法工具包、VTK可視化開發工具包、DCMTK DICOM通訊開發工具包和OPENCV計算機視覺庫來共同構成重建系統，該系統通過多平面、立體的圖像設計，來展示出人體組織的三維繪制圖像，以此來提高診斷的效率。

4 1 系統結構

本次研究的醫學影像三維重建系統主要是由底層、中層、上層三層架構而成，具體設計示意圖如圖3所示：

系統上層為數據應用層，主要功能為顯示圖像、人工交互和設置數據，這是三層中用戶可以直接參與的表層操作系統；中層直接連接上下兩層是數據處理層，主要是進行讀取信息，進行數據處理，發揮傳輸、處理作用，在系統結構的構成上，進行信息數據的處理和傳輸具有重要意義，因此這一層也是架構最重要的部分；底層主要是通過ITK、VTK、DCMTK、OPENCV開源開發工具包為中層數據處理提供方便的算法庫。

4 2 系統實現

醫學影像三維重建系統的實現主要是通過二維序列讀取模塊、特定組織提取模塊、面繪制模塊、體繪制模塊結合VTK的體繪制實現重建系統，其中以二維圖像的讀取最為關鍵，應用VTK的三維繪制方法進行模塊信息的讀取。

三維重建系統以二維圖像為基礎，因此在模塊實現上，也主要是實現二維醫學圖像序列的相關信息，并對信息進行讀取、顯示、解壓以及處理，應用DICOM序列圖像進行信息壓縮，并將病人的儲存信息傳輸下來，得到完整的像素數據，由此構成三維繪制圖像。

5 結語

醫學影像三維重建技術應用在臨床醫學上，可發揮著重要的積極作用，進行系統實現，在體繪制算法（光線模擬算法）的計算上結合GPU編程進行數據信息的處理，可以加快算法速度，提高三維重建圖像繪制的速度，以此來高效進行三維重建系統的設計與功能實現。

參考文獻：

[1]楊海濤 醫學影像三維重建系統的研究與實現[D] 廣東工[1]業大學，2013

[2]翟爭峯 醫學影像三維重建系統的研究與實現[D] 電子科[1]技大學，2015

[3]盧開文 醫學影像三維重建系統的研究與實現[D] 電子科[1]技大學，2016

[4]姜強，張麗群 醫學影像三維重建系統的研究與實現[J] [1]健康之路，2014（9）