交互式三維心臟解剖數(shù)據(jù)可視化方法研究

張雷　遲言　王寬全　蓋長清　左旺孟　陳彥軍

摘要：心臟解剖結(jié)構(gòu)的可視化對于臨床診斷以及醫(yī)學院輔助教學都具有極其重要的作用。體繪制結(jié)果評測通常都較為主觀，所以用戶的交互是影響可視化結(jié)果的重要因素。根據(jù)心臟解剖數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型，提出了傳遞函數(shù)設計準則，用于指導用戶交互，便于觀察細微組織。針對心臟解剖數(shù)據(jù)中包含的堆疊結(jié)構(gòu)提出改進的Context-Preserving模型。采用基于GPU的光線投射算法可視化平臺作為交互式可視化方法的測試環(huán)境，以美國可視人心臟數(shù)據(jù)集作為測試數(shù)據(jù)。實驗表明，文中提出的方法，能夠有效展示真實人類心臟的堆疊解剖結(jié)構(gòu)。

關鍵詞：統(tǒng)計； 傳遞函數(shù)； 體繪制； 三維心臟數(shù)據(jù)集； Context-Preserving模型

中圖分類號：TP39141 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2013）05-0039-04

0引言

心臟是人體的重要器官，以心臟搭橋、心臟移植、人工心臟為代表的心臟疾病研究使人類對心臟的認知攀升至一個前所未有的高度，但是人們對心臟更深層次上的認識以及心臟疾病的預防和治療還遠未達到理想的地步，心臟疾病如冠心病等已經(jīng)成為世界上直接威脅生命安全的、最為嚴重的致病誘因之一[1]。因而，針對心臟解剖結(jié)構(gòu)的相關醫(yī)學成像技術(shù)近年來得以迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量三維心臟的醫(yī)學切片數(shù)據(jù)。由于心臟的堆疊層次結(jié)構(gòu)，使研究人員難以了解心臟的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以迫切需要將三維心臟解剖體數(shù)據(jù)可視化，輔助心臟疾病的診斷、治療。利茲大學的Goodyer等人[2]提出了一種先進的針對高分辨率MRI（Magnetic Resonance Image）數(shù)據(jù)的可視化方法，并設計了高清多面板（multi-panel）的顯示墻。Vassilios Hurmusiadis開發(fā)了用于教育和培訓的Virtual Heart心臟仿真平臺[3]，該平臺從功能和結(jié)構(gòu)上展示了心臟的細胞、組織和器官。Yang等人[4]設計了適用于三維人類心臟數(shù)據(jù)的加速可視化算法，對羊心臟的MRI數(shù)據(jù)和美國可視人心臟切片數(shù)據(jù)進行了解剖結(jié)構(gòu)的可視化。Zhang等人[5]開發(fā)了基于GPU（Graphics Processing Unit）的心臟解剖結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng)。體繪制是體數(shù)據(jù)可視化的主要方法。由于體繪制的運算量較大所以最初體繪制需要在工作站或者并行計算機上運行，并且難于普及。隨著GPU的不斷發(fā)展和普及，讓從前只有在工作站上才能運行的體繪制方法，在普通的配有GPU的個人電腦上就能夠運行。基于GPU的體繪制算法包括光線投射算法（Ray Casting）[6]和紋理切片算法（Texture Slicing）[7] ，這兩種方法有效利用了GPU硬件構(gòu)架的特性。體數(shù)據(jù)在顯卡內(nèi)存中通常有二維紋理[8，9]和三維紋理[10]兩種表示方式。傳遞函數(shù)的作用是將組成每個體數(shù)據(jù)的體素值映射為光學屬性。傳遞函數(shù)在整個直接體繪制流程中發(fā)揮著非常重要的作用，其設計的好壞直接影響到最終的繪制效果[11]。Kniss等[12]提出了多維傳遞函數(shù)方法，利用體素密度設計體數(shù)據(jù)的光學屬性。Bruckner等[13]提出類型傳遞函數(shù)方法，融合不同渲染風格。Maciejewsk等[14]提出了基于聚類的非參數(shù)化方法設計傳遞函數(shù)。

本文結(jié)構(gòu)如下， 第1部分介紹基于統(tǒng)計的傳遞函數(shù)設計方法，第2部分介紹基于統(tǒng)計的可視化策略，第3部分提出了基于改進的Context-Preserving模型的心臟解剖結(jié)構(gòu)可視化方法。第4部分對本文進行了總結(jié)和展望。

1基于統(tǒng)計的傳遞函數(shù)設計

設計合理的傳遞函數(shù)能夠揭示體數(shù)據(jù)的重要內(nèi)部信息和空間結(jié)構(gòu)，達到增強重要信息、抑制非重要信息的視覺效果?；诮y(tǒng)計的傳遞函數(shù)設計方法，利用體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，設計傳遞函數(shù)，并對不透明度進行調(diào)整，展示多層次心臟組織可視化效果。

1.1心臟解剖數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對心臟體數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，確定各灰度值出現(xiàn)頻率。各組織的灰度值統(tǒng)計公式如下：

p（ur）=[SX（]nr[]MNL[SX）]r=0，1，2，…，K-1[JY]（1）

其中，ur表示灰度值， p（ur）表示灰度值ur出現(xiàn)的頻率， nr表示ur出現(xiàn)的頻數(shù)，MNL表示體數(shù)據(jù)的總像素數(shù)，K表示可能的最大灰度值。

1.2傳遞函數(shù)設計

不同組織具有不同的灰度值，根據(jù)灰度值分布情況，即可確定不同灰度對應的組織。參照心臟解剖模型設計不同組織的顏色，再根據(jù)組織的空間位置設計不透明度。在設置不同灰度值光學屬性時，遵循的主要原則是通過比對各組織的三維相對位置，使心臟內(nèi)部的腔隙不透明度高于心臟外部的組織，不同腔隙的連接部分區(qū)別于腔隙本身。例如灰度值30表示右心室，屬于外部組織，設計的不透明度較小。

渲染時，將灰度值映射到傳遞函數(shù)紋理，獲取其光學屬性。映射方法如公式（2）所示。

Colrgba=F（g）[JY]（2）

其中，g表示灰度值，Colrgba表示光學屬性，F(xiàn)表示映射函數(shù)。在基于GPU的可視化方法中，通常將傳遞函數(shù)設計成查找表的形式，根據(jù)數(shù)據(jù)的特征，在本文中選取體素的灰度值作為索引檢索查找表，查找表的形式是四元組（R，G，B，A）。繪制效果如圖1所示，繪制結(jié)果既保持了外部輪廓，又可以觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2可視化策略研究

心臟的內(nèi)部細微組織很難觀察到。利用統(tǒng)計信息，對不透明度值進行調(diào)整，可以很好地觀察這些組織。以心臟瓣膜結(jié)構(gòu)為例子。心臟瓣膜位于心房與心室之間，血液流過后，瓣膜合閉，防止血液回流。但心臟瓣膜很小，又位于心臟內(nèi)部，很難觀察到瓣膜。