實(shí)時(shí)交互的醫(yī)學(xué)圖像可視化.pdf

1、可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬瘧?yīng)用涉及到科學(xué)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)械工程、輔助醫(yī)學(xué)診斷等多重領(lǐng)域。把醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，如CT、MRI、PET等，通過各種真實(shí)的以及非真實(shí)性渲染，表達(dá)為視覺圖像，幫助醫(yī)生分析復(fù)雜的病理情況，這就是可視化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用。
　　 本文是按照研究生期間學(xué)習(xí)與研究的進(jìn)展順序來描述的，這同時(shí)也是對可視化領(lǐng)域的一個(gè)不斷深入的過程。從

2、基本的體繪制開始。體繪制是一種直接由三維數(shù)據(jù)場產(chǎn)生屏幕上二維圖像的技術(shù)，常用的算法有光線投射法、錯(cuò)切變換法、三維紋理帖圖法、足跡表法等。近年來主要集中在光線投射算法的研究，其理論基礎(chǔ)是1988年SABELLA提出的吸收發(fā)射模型。首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，不同類別賦予不同的顏色和不透明度值，然后根據(jù)空間中視點(diǎn)和體數(shù)據(jù)的相對位置確定最終的成像效果，通過加入光照模型，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感。體繪制技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以探索物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，描述非常定型的

3、物體;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間長。因此，當(dāng)前的熱點(diǎn)是基本可編程圖形顯卡的體繪制算法和并行化的體繪制算法。這些都是真實(shí)性渲染，追求的是最大程度的還原體數(shù)據(jù)為真實(shí)的人體模型，把醫(yī)生從數(shù)據(jù)的海洋中解放出來，而賦予最直觀的視覺識別。但隨之而來的是一些問題，一些關(guān)鍵性的區(qū)域會(huì)被覆蓋在其上的組織所遮擋，當(dāng)醫(yī)生對一些病灶區(qū)域、微小的血管等進(jìn)行觀察時(shí)，真實(shí)性渲染往往無能為力，非真實(shí)性渲染應(yīng)運(yùn)而生。非真實(shí)性渲染指的是利用計(jì)算機(jī)生成不具有照片般真實(shí)感，

4、而具有藝術(shù)創(chuàng)作風(fēng)格的圖形繪制技術(shù)。有效的非真實(shí)性渲染方法用于解決遮擋問題的有培切法、光學(xué)模型方法、藝術(shù)雕塑，基于高斯模型的保留上下文繪制方法?？梢暬夹g(shù)使得醫(yī)生能夠獲取復(fù)雜的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同類型的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)往往包括不同的相信甚至互補(bǔ)的信息，如PET提供病灶詳盡的功能與代謝分子信息，而CT提供病灶的精確解剖定位。如何能把這2種甚至多種模態(tài)獲取的信息有效的結(jié)合起來？我們的目標(biāo)是找到一種好的融合方式，達(dá)到在互不干擾的情況下，同時(shí)表達(dá)不同數(shù)

5、據(jù)形式內(nèi)部信息的目標(biāo)。
　　 本文使用兩個(gè)傳遞函數(shù)分別對PET與CT的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，使用統(tǒng)計(jì)信息作為融合權(quán)重。一次渲染可獲得多種信息，具有準(zhǔn)確、靈敏及定位精確等特點(diǎn)，可清晰的了解整體狀況，達(dá)到發(fā)現(xiàn)病灶和診斷疾病的目的。相對于體繪制的復(fù)雜性，最大密度投影(Maximum intensity projection，MIP)是一種簡潔的方法用于產(chǎn)生類似于X光的圖像。沿著從視點(diǎn)到投影平面的平行光線，各個(gè)體素密度值所呈現(xiàn)的亮度將以某種方式

6、加以衰減，并且最終在投影平面上呈現(xiàn)的是亮度最大的體素。最大密度投影反映組織的密度差異，對比度較高，臨床上常用于顯示具有相對較高密度的組織結(jié)構(gòu)，如注射對比劑后顯影的血管、明顯強(qiáng)化的軟組織腫塊等，對于密度差異較小的組織結(jié)構(gòu)則難以顯示。這種方法可用于顯示細(xì)小血管及血管壁的鈣化。MIP對血管的形態(tài)、走向、分布和管壁鈣化顯示較好。類似于最大密度投影的實(shí)現(xiàn)，還有平均密度投影(Mean intensity projection，Mean MIP)以及

7、最小密度投影(Minimum intensity projection，Min MIP)。最小密度投影是在某一平面方向上對所選取的三維組織層塊中的最小密度進(jìn)行投影，主要用于氣道的顯示。偶爾也用于肝臟增強(qiáng)后肝內(nèi)擴(kuò)張膽管的顯示。體繪制用于產(chǎn)生直接的視覺效果，使用的往往是符合人眼視覺的透視投影，醫(yī)生通過體繪制成像做定性的分析。但當(dāng)醫(yī)生需要進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，或者做一些諸如統(tǒng)計(jì)平均灰度值等定量的分析時(shí)，體繪制無能無力。多平面重建可以滿足這些要求，原始

8、體數(shù)據(jù)的密度值被忠實(shí)的保持到了結(jié)果圖像上。多平面重建(Multi planar reconstruction，MPR)是將掃描范圍內(nèi)所有的軸位圖像疊加起來再對某些標(biāo)線標(biāo)定的重組線所指定的組織進(jìn)行冠狀、矢狀位、任意角度斜位圖像重組。MPR不足之處是難以像體繪制一樣表達(dá)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。更為復(fù)雜一些的是帶厚度的MPR，即把MPR與MIP結(jié)合起來。這時(shí)的MPR不是單指一層，而是多層或者有一定的厚度（往往以毫米為單位），在某一指定的層數(shù)或厚度內(nèi)使

9、用最大密度投影來成像，或者是最小密度投影和平均密度投影。這種方式往往應(yīng)用于血管的顯示上，通過把厚度調(diào)整到血管的位置上，對血管進(jìn)行精確的顯示。臨床上的厚度一般設(shè)置為100毫米到400毫米。以上從基本的體繪制，到培切顯示、保留上下文的繪制、藝術(shù)雕塑，再到融合顯示、多平面重建，以及帶厚度的多平面重建等多種繪制方法，是根據(jù)臨床的應(yīng)用而逐漸深入。在實(shí)現(xiàn)上為了滿足交互式的幀率，利用了可編程圖形顯卡(Graphic Processing Unit，G