醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的實現(xiàn)探討

徐建

摘要：醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)基于計算機圖形學(xué)，以三維模型為基礎(chǔ)，利用計算機可視化技術(shù)將醫(yī)學(xué)影像的二維圖像轉(zhuǎn)變成三維模型，應(yīng)用三維重建技術(shù)進行工作的影像檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床診斷、外科手術(shù)以及假肢制作等醫(yī)學(xué)實踐提供了重要數(shù)據(jù)，因此醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用。文章針對當(dāng)前三維重建系統(tǒng)速度慢、過度依賴硬件設(shè)備以及交互不暢的問題，系統(tǒng)提出如何實現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的工作原理、計算方法以及實現(xiàn)路徑，以此來改善現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的速度與交互性。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)影像；三維重建系統(tǒng)；建設(shè)

中圖分類號：R445 文獻標(biāo)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(yī)生的診斷要求也不斷增高，尤其是在現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷方式或醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備等遠遠無法滿足現(xiàn)代的診斷要求，因此實現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)，改進傳統(tǒng)的二維圖像具有強烈的現(xiàn)實意義。醫(yī)學(xué)影像三維重建技術(shù)主要是在二維圖像的基礎(chǔ)上，構(gòu)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(nèi)組織，醫(yī)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(yī)學(xué)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(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的質(zhì)量與效率。

2 醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)必須要按照統(tǒng)一的國際DICOM標(biāo)準進行交互設(shè)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(guān)系數(shù)，這些系數(shù)不是無作用的，在后期醫(yī)生診斷上，這些系數(shù)都要在醫(yī)學(xué)圖像的傳輸、處理中發(fā)揮作用。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的不斷發(fā)展，主要出現(xiàn)面繪制和體繪制兩種方法，該系統(tǒng)應(yīng)用多平面重建技術(shù)和體繪制技術(shù)，再輔助于CPU的圖像處理技術(shù)，才能夠全面完成影像三維重建工作。

3 醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的算法

由于醫(yī)學(xué)臨床診斷的需求量不斷增加，醫(yī)生對醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)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(xiàn)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等功能，以便于醫(yī)生從多角度進行醫(yī)學(xué)診斷，提高醫(yī)學(xué)診斷的效率和準確性。要想實現(xiàn)這一功能，就要對三維重建技術(shù)的相關(guān)算法進行了解，以重建系統(tǒng)中的體繪制技術(shù)為例展開分析，觀察最佳的體繪制算法，以便于提高繪制質(zhì)量與速度。

在體繪制技術(shù)的應(yīng)用上，從表1中觀察可知，光線投影法的繪制質(zhì)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(xiàn)圖形的高速處理。

光線投影算法主要是模擬光學(xué)模型從視點向觀察平面上發(fā)射光線，依據(jù)選定的顏色和不透明度等光學(xué)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(chǔ)，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(yīng)用GPU進行加速處理時，首先要判斷光線是否與體數(shù)據(jù)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(yōu)化運算；在光線合成過程中，將不透明度的數(shù)據(jù)與0 95進行比較，當(dāng)數(shù)值>0 95時，提前終止光線合成，以此來獲得相對應(yīng)的平面像素值，提高光線合成的計算速度。

4 醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中，應(yīng)用ITK圖像算法工具包、VTK可視化開發(fā)工具包、DCMTK DICOM通訊開發(fā)工具包和OPENCV計算機視覺庫來共同構(gòu)成重建系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多平面、立體的圖像設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

本次研究的醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)主要是由底層、中層、上層三層架構(gòu)而成，具體設(shè)計示意圖如圖3所示：

系統(tǒng)上層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層，主要功能為顯示圖像、人工交互和設(shè)置數(shù)據(jù)，這是三層中用戶可以直接參與的表層操作系統(tǒng)；中層直接連接上下兩層是數(shù)據(jù)處理層，主要是進行讀取信息，進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)揮傳輸、處理作用，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成上，進行信息數(shù)據(jù)的處理和傳輸具有重要意義，因此這一層也是架構(gòu)最重要的部分；底層主要是通過ITK、VTK、DCMTK、OPENCV開源開發(fā)工具包為中層數(shù)據(jù)處理提供方便的算法庫。

4 2 系統(tǒng)實現(xiàn)

醫(yī)學(xué)影像三維重建系統(tǒng)的實現(xiàn)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(jié)合VTK的體繪制實現(xiàn)重建系統(tǒng)，其中以二維圖像的讀取最為關(guān)鍵，應(yīng)用VTK的三維繪制方法進行模塊信息的讀取。

三維重建系統(tǒng)以二維圖像為基礎(chǔ)，因此在模塊實現(xiàn)上，也主要是實現(xiàn)二維醫(yī)學(xué)圖像序列的相關(guān)信息，并對信息進行讀取、顯示、解壓以及處理，應(yīng)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(shù)據(jù)，由此構(gòu)成三維繪制圖像。

5 結(jié)語

醫(yī)學(xué)影像三維重建技術(shù)應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)上，可發(fā)揮著重要的積極作用，進行系統(tǒng)實現(xiàn)，在體繪制算法（光線模擬算法）的計算上結(jié)合GPU編程進行數(shù)據(jù)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(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)。

參考文獻：

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