基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统研究与实现

摘 要： 核磁共振弥散张量成像（Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging DT－MRI）是近年来提出的一项新的医学影像技术。通过利用核磁共振技术测量细胞内多个方向上水分子弥散运动的特征，可以全面充分研究活体组织微细结构。基于犬心室的DT－MRI数据集开展了三维心肌纤维结构的可视化方法及其可视化系统设计与实现的研究。首先利用阈值滤波、中值滤波和邻域平均法对原始DT－MRI数据进行去噪预处理，然后利用体绘制技术、图元显示法和纤维跟踪法对犬心室的DT－MRI数据进行可视化。最后对基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化应用进行了详细的需求分析和系统设计，基于VTK（Visualization Toolkit）实现一个DT－MRI数据的心肌纤维可视化和分析系统。实验结果表明该系统具有良好的交互性，为研究心脏结构提供了一个有力可视化工具。

关键词：

中图分类号： TP391．9 文献标识码： A 文章编号：2095－2163（2011）03－0004－05

The System of Myocardium Fiber Visualization and Analysis based on DT－MRI Data

KONG Shuhan YUAN Yongfeng WANG Kuanquan

Abstract: Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DT-MRI) is a new medical imaging technique recently. It uses nuclear magnetic resonance to measure multi-directions water molecules diffusion at same time, and can study the living tissue's fine structure. This paper uses the canines' myocardium fiber data based on DT-MRI to study the visualization methods and designs and implements the visualization system. First, this paper uses threshold filter, median filter and neighborhood averaging to eliminate noise from the raw DT-MRI data. Then, this paper uses volume rendering, glyph rendering and streamline tracking to visualize canine's myocardium fiber based on DT-MRI data. At last, this paper carries out a detailed requirement analysis and system design of the application of myocardium fiber visualization based on DT-MRI Data. Furthermore, it uses the VTK to implement the system of myocardium fiber visualization and analysis based on DT-MRI data. The result shows the system implements the user data exchange and provides a strong visualization tool for the research of heart structure.

Key words:

0 引言

心脏是人体最重要的功能器官之一。近年来，心脏疾病已成为人类健康的重要威胁。心肌纤维的收缩力与舒张力和心脏的泵血功能有着密切的联系。心肌纤维结构的改变会导致心律失常、心力衰竭等症状，更加严重的会导致人的猝死。因此，建立精细的心肌纤维走向模型对研究心脏解剖结构以及心脏病的诊断和治疗具有重大意义。

核磁共振弥散张量成像是近年来提出的一项新的医学影像技术。通过利用核磁共振技术测量细胞内多个方向上水分子弥散运动的特征，可以全面充分研究活体组织微细结构，在活体组织精细结构研究中具有其他技术无法相比的优点。

DT－MRI技术已经应用于脑白质神经走向的重建[1－4]，但对于心肌纤维走向重建还处于初步阶段，相关文献较少、缺少系统性研究。因此，本文基于犬心室的DT－MRI数据集开展了三维心肌纤维结构的可视化方法及其可视化系统设计与实现的研究。首先，本文简单介绍与心肌纤维可视化相关的技术，着重介绍了三种可视化算法：光线投射算法、图元显示法和纤维跟踪法。然后，进行详细的系统需求分析和系统设计。最后，采用VTK技术和Qt语言实现了该系统，并应用于基于犬心室的DT－MRI数据集的心肌纤维可视化研究中。

1 基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化及分析系

统实现的关键技术

1．1 数据预处理

本文所采用的原始心肌纤维数据带有噪声，如果采用原始数据进行心肌纤维可视化会导致心肌纤维走向严重偏离原始走向，因此首先需要对原始心肌纤维数据集进行噪声滤除处理。从原始数据集的强度值分布情况进行分析：噪声数据的强度值普遍比非噪声数据的强度值低。根据这一特点，本文首先采用计算量小而且效果明显的阈值滤波方法，对强度值进行二值化，生成0－1二值噪声数据，然后采用中值滤波和邻域平均法对0－1二值噪声数据进行进一步去噪处理。

中值滤波就是用一个含有奇数个像素的窗口在0－1二值噪声数据中进行滑动，用窗口内的各个像素的中值代替窗口中心点的值。中值滤波器的主要功能是消除阈值滤波时由于阈值取值过小而导致的孤立噪声点，而对于边缘数据点则予以保留。

邻域平均法是对原始数据中的每个像素点（x，y）取一个邻域R，计算R中所有像素和该点的灰度平均值，将其赋给输出图像中的对应点。本文所采用的邻域平均法共有四种模板，如图1所示。

1．2 可视化算法

1．2．1 光线投射算法

1988年，Levoy[5]提出的光线投射算法是体绘制技术中的经典算法。该算法得到的图像质量较高，效果较好[6]。该算法属于以图像空间为序的体绘制算法，所以该算法是对屏幕上的每个像素点进行遍历。图2为光线投射算法的示意图。从该图可知，光线投射算法的基本原理是：沿着设定的视点的方向，从屏幕上的每个像素点发出一条穿过整个三维数据场的射线。按照一定的原则在射线上选取若干个采样点。每个采样点的光学信息是由距离该采样点最近的八个体素的光学信息做三线性插值计算得到。然后对同一射线上的每个采样的光学信息进行合成，进而计算出屏幕上的像素点的颜色值。

1．2．2 图元显示法

图元显示就是利用离散的图元表达扩散张量的大小、方向等信息。本文利用椭球体、立方体和箭头三种图元对基于DT－MRI的心肌纤维水平切面数据进行可视化。将该切片上每一个体素的扩散张量的三个特征值映射到椭球体的三个主半径上，而椭球体的三个主轴方向则由扩散张量的三个特征向量决定。立方体的映射机制和椭球体相同，所以立方体也能很好地表现张量数据的内部信息。箭头作为图元只反应扩散张量的主特征向量方向，效果清晰、直观，而且采用箭头作为图元进行张量信息可视化时，运行速度较椭球体或立方体快，实时性好。所以采用箭头作为图元对于仅对扩散的主特征向量方向感兴趣的学者提供了方便。

椭球体和立方体的形状都能表示扩散的各向异性程度，但是由于视角的关系，图元形状很难进行直观地判断，因此每个体素的各向异性程度同样也不能很好地分辨出来。为了解决这一问题，本文采用颜色编码法将各向异性测度映射为图元的颜色，通过颜色来表达各向异性信息。将相对各向异性（RA）、部分各向异性（FA）、各向异性重心空间测度（Cl、Cp、Cs）三种各向异性测度作为颜色映射的索引。

1．2．3 流线跟踪法

流线跟踪法（Streamline Tracking STT）认为扩散张量的最大特征值所对应的最大特征向量方向为水分子的主扩散方向，即纤维束走行方向。流线跟踪法须手动选取初始体素作为纤维的初始点。假定t＝0时，水分子位于初始点，经过dt时间后，水分子的位移可由公式（1）表示：

则经过较长时间后，水分子的运动轨迹可由公式（2）表示：

由于扩散张量场是离散的，因此可用一阶欧拉方法对公式（2）进行求解，如公式（3）所示：

这样就定义了自起始点以后水分子的运动轨迹，即纤维的运动轨迹。图3为流线跟踪算法示意图[7]。其中，短箭头表示各个体素的最大特征向量，细长箭头表示从某一个特定的初始体素开始跟踪的纤维结果。

2 系统需求分析

2．1 系统需求概述

基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统为用户提供一个信息交互与可视化成果展示的平台。该系统基于犬心室的心肌纤维DT－MRI数据，利用可视化技术重建心肌纤维三维结构。当用户提供给系统DT－MRI数据时，用户要求系统首先对数据进行预处理，去除噪声。然后利用可视化算法对DT－MRI数据进行可视化，通过用户交互界面，用户向系统传递可视化算法的参数，通过参数的改变来实时改变可视化的效果。最后对用户自定义的感兴趣区域中的多根纤维进行绘制，并且分析结果。

2．2 功能性需求分析

通过对可视化系统的业务流程的分析，将本系统划分为噪声滤除、体绘制、图元显示、纤维跟踪和纤维跟踪结果分析这五个功能模块，如图4所示。

（1）噪声滤除模块：利用阈值滤波产生0－1二值噪声数据，采用中值滤波和邻域平均法进一步对0－1二值噪声数据去噪。最后利用0－1二值噪声数据对原始数据集进行去噪，消除由噪声数据引起的可视化结果的偏差。

（2）体绘制模块：采用光线投射算法对心肌纤维数据的强度值进行可视化，从而预览整体三维数据。用户通过改变颜色传递函数和不透明度传递函数来实时改变体绘制效果。系统对强度值进行统计，为用户设定传递函数提供依据。在体绘制模块中，用户还可观察二维切片数据，包括冠状位视图、矢状位视图和轴状位视图。

（3）图元显示模块：根据用户指定的切片数据，采用图元显示法对犬心室心肌纤维切片数据的张量值进行可视化，展现切片数据中的扩散张量所包含的信息，并利用颜色信息表示各向异性程度。图元的类型包括椭球体、立方体和箭头，通过设置其各自的参数改变图元形状。用户通过设定图元参数以改变绘制结果。将各向异性测度，包括部分各向异性（FA）、相对各向异性（RA）和各向异性重心空间测度作为索引，映射到RGB颜色模型中，通过颜色展现各向异性信息。

（4）纤维跟踪模块：根据用户提供的参数对整体心肌纤维DT－MRI数据采用流线跟踪法进行可视化。该模块可以再现完整的心肌纤维走向。在该模块中，用户通过改变流线积分时的积分参数，包括积分步长、最大流线长度和积分停止条件等改变纤维跟踪结果，再将跟踪到的体素连接起来，利用流线的形式展现纤维走向。用户可以通过该模块观察、分析心肌纤维的整体走向趋势。

（5）纤维跟踪结果分析模块：结合图元显示法和纤维跟踪法，在用户自定义的感兴趣区对多根纤维进行绘制。该模块弥补了纤维跟踪模块中只能对整体纤维走向趋势进行观察分析的缺点，用户可将系统反馈的纤维初始点的最大特征向量和各向异性测度等数据以及纤维跟踪结果进行比较、分析，以判断纤维方向和纤维跟踪结果。

3 系统设计及应用

基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统主要针对犬心室心肌纤维的DT－MRI数据，包括心肌纤维的强度值和扩散张量进行可视化。该系统的实现涉及数据预处理方法，包括阈值滤波、中值滤波和邻域平均法；DT－MRI可视化技术，包括对心肌纤维强度值进行可视化的光线投射算法和对扩散张量进行可视化的图元显示法和纤维跟踪法，系统示意图如图5所示。

3．1 系统总体架构

将基于DT－MR数据的心肌纤维可视化及分析系统分为四层，可以更好地理解其内部逻辑。图6为基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统的总体架构图。

最底层为数据层。数据层提供本系统所需要的数据，包括原始犬心室心肌纤维DT－MRI数据和心肌纤维0－1二值噪声数据。

第二层为数据处理层，包括对心肌纤维DT－MRI数据的去噪处理和心肌纤维数据的标量设置。由于原始犬心室心肌纤维DT－MRI数据带有噪声，因此需要对其进行噪声滤除，消除由于噪声数据导致的可视化结果的偏差。

心肌纤维数据中标量值在本系统中起着至关重要的作用。体绘制时须采用强度值进行颜色传递函数和不透明度传递函数的设置；图元显示时，需要将各向异性测度值映射到RGB颜色模型，通过颜色表达扩散张量的各向异性程度；纤维跟踪时需要将体素的最大特征向量映射为颜色，通过颜色表达流线方向。数据处理层中的心肌纤维标量设置就是指在强度值和表现各向异性程度的标量测度及最大特征向量之间的转换。

第三层为本系统最关键的技术：体绘制、图元显示和纤维跟踪三种可视化方法。该层使用底层数据进行可视化，将可视化结果显示在系统界面中供用户观察分析。该层还和上层系统界面进行交互，从系统界面中得到用户提供的可视化参数改变可视化结果。

第四层为系统界面。用户可以通过系统界面观察分析可视化结果，也可以手动设置可视化参数，以观察各个参数对可视化结果的影响。

3．2 系统应用

本文采用规模为256×256×107的三维犬心室心肌纤维数据。图7（a）为此数据集的第53层切片数据的图元可视化结果，表明该数据中包含大量非心肌纤维数据，即噪声数据。为了防止该噪声数据导致心肌纤维走向严重偏离原始走向，因此需要对原始心肌纤维数据集进行噪声滤除处理。图7（b）为阈值滤波处理后的53层切片数据的可视化结果，表明阈值滤波方法能够简单有效地滤除大量噪声，只剩下少量孤立噪声数据。因此继续采用中值滤波和邻域平均法对纤维进行去噪处理。图7（c）、图7（d）为中值滤波和邻域平均法处理后的结果。图7（c）、图7（d）表明经过上述三种滤波处理后，噪声数据基本被滤除。

对心肌纤维数据进行预处理后，采用体绘制技术对该数据中的强度值进行可视化，从而预览整体三维体数据。通过不透明度传递函数和颜色传递函数的改变，实时改变体绘制结果。

图8为体绘制模块用户交互界面，该界面包括体绘制控制界面和体绘制结果显示界面。其中，控制界面提供对传递函数的设置和数据统计信息的显示。对强度值进行统计是为了给用户提供设置传递函数的依据，通过对传递函数进行设置，则可以改变体绘制结果。在绘制窗口中除了显示体绘制结果，还可以对二维切片数据进行选择并显示。

体绘制技术对心肌纤维数据中的强度值进行可视化，图元显示法和纤维跟踪法对DT－MRI数据进行可视化。

图9为图元绘制模块用户交互界面，该界面为用户提供切片数据选择功能和图元参数信息的设置功能。图元颜色映射方式通过单选框选择，图元类型通过属性页的方式设置。每种图元类型都对应各自的参数，在属性页中设置每种类型的参数。界面右侧为图元绘制结果。

图10和图11为纤维跟踪和纤维跟踪结果分析模块用户交互界面。纤维跟踪模块用户交互界面可对纤维跟踪时的流线积分算法进行设置，包括积分步长、流线最大长度和积分停止条件。纤维跟踪结果分析模块用户界面可提供切片数据选择功能，并通过绘制窗口的鼠标点击事件选择特定体素，返回该体素的最大特征向量和各向异性标量测度并显示，还可通过按钮触发事件以添加或删除该体素为初始点的流线。

4 结束语

针对心肌纤维DT－MRI数据的可视化问题，本文利用体绘制技术、图元显示法和纤维跟踪法，设计并实现基于DT－MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统。该系统提供一个友好的用户交互界面，用户可以根据需求设定可视化参数，并对可视化结果进行观察分析。实验结果表明，该系统可以根据参数的变化实时改变可视化结果，并对纤维跟踪结果进行分析。该系统为分析、研究心肌纤维DT－MRI数据提供了一个交互式可视化平台。

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