一种基于VTK的医学图像三维重建

摘要：随着近年来高新技术的迅速发展，对医学图像处理的需求日益增加，尤其是医学图像三维重建技术，表明其在诊断中的重要性。在当前软件当中，成本和计算能力都没有显示出好的效果。针对这种情况，提出了一种基于VTK的三维重建方法，它是对DICOM源图像进行灰度插值、光线投射和体绘制等一系列操作实现的。该方法对CT、MRI和超声图像进行体绘制，可以提供更多可视的信息帮助医疗工作者做出准确的诊断。

关键词：三维重建；VTK；体绘制

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)07-1592-03

A Method of Medical Image 3D Reconstruction Using VTK

HU Heng-wu1, ZHANG Jun-lan1, LI Min2

(1.School of Information Engineering, Guangdong Medical College , Dongguan 523808, China; 2.Center of Network and Information, University of South China , Hengyang 421000, China)

Abstract: With the advanced technology in recent years, the increasing demand for an effective medical imaging system, especially the three-dimensional medical image reconstruction, has addressed its significance in diagnosis. None of the existing software show efficiency in terms of cost and computational performance. Owing to this fact, a method of 3D reconstruction using VTK has been discussed in this paper, which has been achieved through a series of processes including DICOM source data, gray interpolations, ray casting and volume rendering. The method shows its future utilities in CT, MRI and Ultrasound image volume rendering, and provides a more informative view in order to assist the medical worker.

Key words: 3D reconstruction ; VTK; volume rendering

随着当前健康医疗技术的快速发展，对诊断的要求也越来越高。特别是用于医疗的CT、MRI及其他大型设备[1~3]，以它们生成的图像进行处理为基础的诊断技术的快速发展，从X光成像的传统二维图像到三维图像处理技术。由美国放射学会(American College of Radiology, ACR)和美国电子制造商协会(National Electrical Manufactures Association, NEMA)提出了医学图像信息转换标准DICOM3.0[4]，解决了不同图像生成设备给图像转换所带来的障碍和困难，用标准的格式进行了规范化。

当前，许多大型医院把DICOM图像嵌入到三维重建软件，近似于一种大型图像处理工作站。这种工作站的一个主要缺点是消耗大量计算资源，需要高性能硬件来完成任务。通常，建这种工作站的成本很高，小型医院没有实力搭建。显然，这种软件在成本上是不可行的，并且仅仅开发此软件的公司才可以实施维护，这就带来了诸多困难和不便。因此，更小且有效的DICOM标准医学图像重建系统的开发有利于克服上述提到的限制[5]，与此同时，小型医院也能拥有自己的三维重建系统。这种系统能够增强诊断的准确性，为病人提供更加可靠的治疗。

1方法

1.1 DICOM资源

DICOM专用于医学数字成像和通信。DICOM标准由ACR和NEMA联合，DICOM超声数据的多个帧被用于体绘制三维重建。收集到的DICOM文件以8字节方式存储，其灰度值范围是0~255。可存储的最大帧数是256帧，如图1所示。

1.2体绘制

在图像预处理中，用于体绘制的源数据是DICOM格式的[6]，体绘制的基本流程（如图2所示），比面绘制更加难实施。其主要的难点是如何为图像体素的不同灰度值设置不同的透明度和颜色值。VTK使用类vtkPiecewiseFunction设置透明度值。这种方法仅需要对透明度的离散灰度值进行少许设置，其值在灰度值范围内连续地变换。但是，想知道不同结构的灰度值是件不容易的事，这就要求我们用反复的尝试和错误来找到合适的灰度值范围。

使用类vtkColorTransferFunction设置颜色值，实际上是提供一个灰度值给map的GRB值。用它来添加不同灰度值给体素，为的是增强可视效果。VTK用类vtkVolumeRayCastFunction实现体绘制，它包含三个子类：vtkVolumeRayCastMIPFunction，vtkVolumeRayCastCompositeFunction，vtkVolumeRayCastIsosurFunction。图2 VTK三维体绘制流程

1.2.1体素

体素是三维中的基本单元，它是由两张邻近切片的各四个点组成的一个立方体[7]。在体素上依次定义了8个不同点；体素在坐标轴的每一边都有一个六面形状，如图3所示。图3体素结构

1.2.2图像插值

通常，来源于医学图像设备生成的图像数据总是含有空间上的间隔，这种间隔比像素间的间隙还要大的多。例如，CT切片的图层内像距一般为0.5~2mm，而空间距离则达到1~15mm。因此，当我们做三维重建时，需要用图层间的插值生成新的切片层。当前的超声图像，间隔值设置为3.57mm。

插值方法主要分成两类：一类是基于图像灰度值插值法，例如邻近、线性[8]和曲线插值法[9]等；另一类是基于匹配（拼接）插值法。这些方法实际上都是针对间隔而设计的。基于灰度插值的图像插值法是最普通也是最简单的插值法。

1.2.3灰度插值法

灰度插值法是在原断层图像序列中插入一定数量的缺失切片图像[10]。现有插值法主要是灰度邻近插值法、线性插值法和高次非线性插值法。线性插值常常被假定为Z轴方向的两邻接域线性变换的灰度值，相当于估算相应点的新的间隔灰度值，其值的确定需要数个灰度层相应点的信息。

假定在已知断层图像V()

2结果

二维图像依赖于感兴趣区域的物理特征。但是，对于多数现存的医学图像成像系统而言，直接生成最佳空间定位的二维图像非常困难。这是因为位置和扫描定向取决于本身的结构及其它的物理限制。因此，三维图像处理在诊断应用中具有较高的价值。

图4 a为未经插值的体绘制结果，b为调整参数的体绘制结果

图4a显示了未经插值的三维体绘制结果。显而易见，重建结果比较粗糙，尤其是在Z轴方向的像素。在这种情况下，感兴趣的颈动脉从三维模型中很难分辨。但是，用vtkOpacityTransferFunction和vtkColorTransferFunction适当调整参数，改善体绘制算法，颈动脉的内部区域都能清晰可辨，如图4b所示。

3结束语

该文提出了一种基于VTK的三维重建体绘制方法。这种方法适用于CT、MRI或超声图像的多种器官组织重建，有利于立体观察损害和正常的器官组织，对于实际临床应用具有重要意义。

参考文献：

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