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基于医学ＣＴ图像的三维重建研究
[论文关键词] 可视化；图像；体绘制；面绘制
[论文摘要] 本文探讨了DICOM文件系统的结构和解析方法、医学CT图像窗宽/窗位调节技术及其三维可视化算法，描述了系统的结构和各功能模块的实现方法。有效地实现了符合DICOM标准的医学CT图像的三维可视化，为影像诊断提供了形象直观的技术方法。
随着可视化技术的发展，现代的许多医学图像设备都是向提供三维图像发展，目前三维CT、三维超声均可提供三维影像，如通用电气、西门子等成像设备制造商均生产三维CT产品，但是这些设备价格相当昂贵。通过图像图形学技术和可视化技术，对二维CT图像进行后处理，根据输入的各图像参数直接在PC机上实现三维影像重建具有十分现实的意义。
1 三维可视化系统技术研究
符合DICOM标准的CT图像的三维可视化系统必须具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的数据场和空间信息。针对医学CT图像的特殊性，必须具有窗宽/窗位的调节功能，还必须具有体数据场的三维可视化功能。
1.1 DICOM文件的解析功能
DICOM标准的提出使得医学图像及各种数字信息在计算机之间的传递有了一个统一的规范，DICOM标准不但规定了通讯的标准，也规定了医学图像特定的存储格式。DICOM文件一般由一个DICOM文件头和一个DICOM数据集构成，在DICOM文件头中包含了标识数据集合的相关信息，DICOM文件的信息主要集中在数据集部分。DICOM数据集又由数据元素组成，数据元素主要由4个部分组成：标签、数据长度VL、数据域和数据描述VR。不同的标签规定了后续数据域中数据对应实体的内容，数据元素按标签的升序排列构成数据集。DICOM文件解析目的是通过分析符合DICOM标准的CT图像的文件中各数据元素，从给定的序列文件中按标签号逐个提取出重建中需要用到的信息，分析判断各图片之间的空间关系，构造数据场，作为可视化系统的原始输入数据。
1.2 窗宽/窗位调节功能
通过DICOM文件解析获得的CT图像各象素比特深度一般为12位，存储位为16位，目前计算机能够显示的灰度级只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度级的映射功能，这在CT图像的处理中称为窗宽/窗位的调节。
目前常用窗宽/窗位的调节算法有Linear算法、Gamma算法、Logarithmic算法等。Gamma算法和Logarithmic算法都是非线性的，可以补偿人眼对灰度反应的非线性，但是它们的运算量非常大，对于二维图像处理采用可以产生较为理想的效果，如果直接将其运用到三维数据场，则巨大的计算量将影响实时窗宽/窗位的调节。为了有效地进行窗宽／窗位的调节，笔者采用了计算速度快、可以实时交互的Linear算法，效果理想。
1.3 可视化技术
规则数据场的可视化方法一般分为两类：一类是表面绘制法，一类是体绘制法。
通过软件开发，实际比较了表面绘制和体绘制的优劣。发现了表面绘制处理的是整个体数据场中的一小部分数据，具有较快的速度，并且可以快速灵活地进行旋转和变换光照效果，它适合于绘制表面特征分明的组织和器官。但是，由于表面重建对表面分割的依赖较大，对分割的精确程度要求很高，所以对形状不明显、亮度变化小的软组织，以及血管等组织的三维显示，效果不尽如人意。体绘制对于形状特征模糊不清的组织和器官进行三维显示时具有较好的效果。但是由于在原始的体绘制过程中，一般要遍历体数据场中的每一个体素，因而计算量较大，图像成像的速度较慢。当改变光照和视点时，要重新进行投影运算，所以交互的速度较慢。因此，为适应不同的应用要求，系统同时实现了两种重建方法。
2 系统结构设计和功能
根据系统的功能构想和实现目标，笔者将系统结构设计为4个模块：
DICOM文件解析模块：完成由符合DICOM标准的CT图像输入序列到体数据的组织和相关信息获取的功能。该模块首先逐个解析单个的文件，提取出了关键数据，再判断输入的图片是否为同一序列，在空间位置上是否满足重建的要求，然后将删去不符合要求的图片而将符合要求的图片组成列表，提取逐个列表中各文件的象素和空间信息，将各切片数据组织为空间体数据场。
体数据预处理模块：完成窗宽/窗位调节和体数据增强等功能。窗宽／窗位调节采用Linear算法；体数据增强主要是为了消除CT图片中可能存在的噪声而采用的可选的预处理功能，一般的中值滤波器具有消除噪声同时对图像边缘等信息影响不大的优点，在系统中选用该算法实现图像滤波。
可视化模块：设计了表面绘制和体绘制两种算法。表面绘制使用MC算法提取等值面；体绘制算法采用Ray Casting算法。为了加快开发速度，笔者通过比较分析：作为可视化开发工具，VTK是一个开放式的软件，具有强大的三维功能，它提供目标函数库，用户可以利用面向对象的技术和方法对它进行二次开发。
交互显示模块：交互显示模块主要完成对重建后的三维影像实现旋转、缩放，获取冠状面、矢状面和实时窗宽/窗位调节的功能。
3 结论
CT图像三维可视化系统实现了符合DICOM标准的CT图像的三维显示，为医务人员提供了形象、直观的诊断技术，具有广泛的应用价值。系统实现了：DICOM文件的解析；交互式Linear算法窗宽/窗位调节；MC表面绘制法和光线投射法重建医学CT图像；通过软件开发，比较了两种重建方法的优劣；直方图指示，冠状面、矢状面的获得及其旋转、缩放等功能。
[参考文献]
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