基于VTK的DICOM医学图像三维重建研究，伍亚军，周正东，医学图像可视化技术利用二维医学图像序列重建出三维模型，为医生提供了直观、全面、准确的病灶和正常组织信息，给临床诊断和治疗
山国武技记文在线 http://www.paper.edu.cn 用先前创建的 vtk ShortArray为 talmage Data设置 象素数据 象素值。而 vtkImageData的其他信息如行数、列 short型 读取类 数组 数、层数等信息可以从DCOM文件中读取得到。 SetTupleo 这样就完成了Ⅴ tkImagcData数据的构建T作,为 VTK中的 Filter提供了数据源。 图像信息 vtkShortArray (3):图像削减( Image Shrinking GetPointDataO XSetScalars o DICOM图像序列数据量巨大,不便于计算 vtlImageDate 机处理。图像削减技术的原理是根据设定的参数 在原始体数据内均匀地选取象素点,用选取的象 图3构建 vtkImage Data型数据 素点代替原始图像数据,从而达到减少数据量的目的。VTK中的 vtklmageshrink3D类就实 现了图像削减的功能,其关键成员函数 Set ShrinkFactors(int,int,int)的三个参数分别表示x y、z三个方向上的削减因数。和用图像削减后,由于系统需要处理的数据大幅减少,程序 內存占有量和处理时间随之减少;同时重建后的三维图像中三角面片数量降低,增加了 维图像的可交互性。 (4):利用流( Streaming)和绥存( cache)能力提高程序效率 在处理三维数据的过程中,数据量大,內存占有量惊人。如果程序向操作系统的内存 请求失败,则程序就会出错,甚至崩溃。而ⅥTK具有良好的流和高速缓存的能力,能很 好地解决这个问题。 在TK中,数据沇( Data Streaming)技术把整个体数据分割成多个数据块,然后逐个 处理各数据块。这样内存中处理的只是整个体数据的一小部分,程序的内存占有量就大幅 下降,程序执行的速度明显加快。另外,把整个体数据分块为多处理器并行处理提供了基 础。 vtkImagcDataStrcamcr负责数据流处理任务,关键的成员函数有 SctInput和 SetNumberofStreaming Division。在利用 Marching Cube算法对512×512×100的体数据进行 表面重建时,使用 vtklmageDataStreame前内存峰值占有量达1G以上,使用 vtkImageDataStreamer并设置分块数为20后,内存峰值占有量为100M左右。可见数据流技 术的效果非常显者。 (5):三角面片削减 原始体数据经过图像削减处理,再经过重建算法重建出三维图像后,三角形数量仍然 很大,可利用三角面片削减技术进一步降低三维图像的三角形数量,以降低图像绘制时间 和内存占有量,提高交互性。VTK中执行三角形削减的类是 vtkDccimatcpro,它有两个关 键的成员函数 Setlnput和 SetTargetReduction,其中前者用于接受数据,后者用于设置削减比 例 结果与讨论 本硏究基于 DICOM医学图像序列,完成了对图像序列的正确解读,并利用VIK进行 维重建工作。在三维重建过程中,首宄深入VIK类库的内部机制,使DCOM读取模块 和三维重建模坎之间的接口问题得到解决;然后,利用数据削减、数据缓冲、三角面片削 减等技术使稈序的数据处理能丿人人提高,为重建岀精确、视觉效果良好、交互操作能力 强的三维图像提供了保障。 图4是本文重建的效果图,图4(a)和图4(b)分别是经过体积重建的头骨和面部模 型,图4(c)和图4(d)分别为经过表面重建的头骨和面部模型。从图中可以看出体积重 山国武技记文在线 http://www.paper.edu.cn 建和表面重建的区别。体积重建算法需要遍历整个体数据,对不同灰度值的象素按照预先 设定的透明显示系数进行明暗显示,因此在重建出的三维图像中,整个体数据中所有的信 息都可以显示出来。如在图4(b)中可以清楚地看到表面皮肤下的头骨和血管等组织。而 表面重建算法是寻找体数据中轮廓所在的体元,然后把轮廓和体元棱上的交点连接成三角 面片,从而完成绘制,因此表面重建的结果是一个由众多三角面片组成的封闭轮廓,而轮 廓内部和外部的所有信息仝部舍弃。如图4(c)和图4(d)中显示的都是一个轮廓,从这 个轮廓中尢法得到其他组织的信息,这也正式表面重建的缺点所在,但是表血重建对计算 杋使件要求不及体积重建算法那么苛刻,交互性能好,易于实现 (a)头骨体积重建 (b)头骨体积重建 (c)头骨表面重建 (d)皮肤表面重建 图4三维重建效果 (a)图像削减前的头骨模型 (b)图像削减后的头骨模型 图5图像削减技术消除」阶梯效应 图5(a)为未经过图像削减直接由表面重建算法绘訇的头骨模型,在外围轮廓中曲率 变化较大的颅顶岀现了比较严重的阶梯效应:图5(b)为经过图像削减后重建的三维图像, 边缘光滑,无明显的阶梯效应。由此可见图像削减技术可有效消除阶稊效应的。 这里需要讨论的是体积重建算法。由于体积重建算法本身的特点,重建岀的图像数据 量巨大,只利用软件处理很难达到令人满意的交互速度。但相比表面重建,体积重建具有 信息量全面的优点。目前,随着计算速度的提高和专业体绘制芯片的开发弥补了体积重 建的不足,体积重建的优点日益显露岀来,国际国内对三维重建算法的研究逐渐从表面重 建算法转向体积重建算法,体积重建算法日益成熟,会很快走进手术室 山国武技记文在线 http://www.paper.edu.cn 近几年来,医学图像可视化技术发展迅速,相关算法和优化算法层出不穷,使得研究人 员的研究起点大大提高,开发难度越米越大。因此,借助国际上一些开放源代码的工具包进 行二次开发是一个捷径。研究人员不必编写一些成熟而繁琐的基础算法代码,把时间和精力 集中在高层算法和程序的研发上。本文借助可视化工具包VTK,成功的实现了DCOM医学 图像序列的体积重建和表面重建,并且根据ⅤTK的架构和特点,对重建算法进行多方面优 化,达到了令人满意的效果。 参考文献 1 ACR-NEMA. Digital Imaging and Communications in Mcdicinc ( DICOM). PS3 1-2004, PS3 2-2004, PS3.3-2004,PS34-2004.PS3.5-2004.PS3.6-2004 [2 William Schroeder, Lisa Avila, William Hoffman. Visualizing with VTK: A Tutorial[J]. IEEE Computer Graphic and Applications, 2000, 15(11): 20-27 [3] William Schroeder. The VTK User's Guide, Kitware, US, 2002 [4]胡阳秋,高小榕,高上凯.医学图像 DICOM格式转换软件的设计与实现[.北京生物医学工程,2000, 19(4):193-197 [S]王光飞,刘杰,刘文.DCOM医学图像的调窗技术及DB显示叮医疗装备,2005,18(8):223-226 3D Reconstruction of DicoM Medical Image based on VTK Wu Yajun, Zhou Zhengdong, Dai Yaodong Department of Medical Physics Nanjing University of Aeronautics Astronautics, Nanjing China(210016) Abstract Medical image visualization technologics build 3D models with 2D medical image scrics to provide useful and precise information for doctors. It is one of the crucial technologies in CAS system, Image Guide Surgery and minimal Invasive Surgery. VTK (Visualization Tool Kit)is an advanced toolkit for 3D visualization. In this paper, firstly, diCOM standard is analyzed to load the medical image series Secondly, the data interface of DICOM loading module and visualization module is build; Thirdly, to deal with the problems of huge memory and time consumption and poor interaction, some Keywords: DICOM Standard; VTK. 3D Reconstruction; Optimization e feas be the results of this optimizations such as Data Preprocessing, Image Shrinking are proposed. Finally research are analyzed, and that demonstrate the methods and algorithms and efficient 作者简介: 伍亚军,男,硕士研究生, Email: wikki@163com; 周止东,男,副教授,南京航空航天大学材料科学与技术学院医学物理系, Email: d msc(nuaa. edu.cn