CT图像三维重建系统的设计与实现_韩成虎

（3）支持海量数据快速分析计算 ，快 速 实 现 CT 图 像三维医学体数据场的可视化， 包括面绘制和体绘制 重建技术，提供动态窗宽、窗位调节等功能。
2 开发工具及开发原理
2.1 开发平台 本系统采用的开发平台是 Visual C++和 VTK（Vi-
sualization Toolkit）， 系统采用 C++进行系统界面设计、 核心算法编程和系统集成，用 VTK 编程实现三维可视 化。
测量等功能。
3.3 三维绘制技术
经过图像分割等二维处理， 把图像中感兴趣的区 域提取出来后，需要对这些数据进行三维绘制，本系统 三维绘制模块中使用面绘制和体绘制技术进行重建。
面绘制处理的是整个体数据场中的小部分数据， 速度较快， 可以快速灵活地对图像进行变换和旋转等 操作。 面绘制重建的只是物体表面，内部丰富信息无法 表现，不能保留数据的完整性，适合于绘制表面特征分 明的组织和器官。 面绘制对表面分割的依赖性比较大， 对分割精确程度的要求很高。 系统测试表明，如果物体 形状不明显，或者亮度变化小的软组织，例如血管等组 织，显示出来的三维效果会比较差。
图 1 CT 图像三维可视化系统功能框架图
3.2 二维预处理 （1）图像滤波 受环境影响，从 CT 机获取的二维序列图像有很多
噪音，可以通过滤波操作进行降噪，滤波算法在于设计 一个匹配的滤波器和恰当的阈值 ， 而 CT 图像里面 的 CT 值提供了相关的参数。 本文主要研究通过中值滤波 进行降噪， 并提取图像中有用的部位为后续三维重建
（2）图像分割 通过滤波处理消除噪声可以以提高图像质量，但 用户更加关心的是病灶区域， 需要对图像进行分割处 理， 图像分割是图像配准、 三维显示等后续操作的基 础，对三维重建结果的准确性影响很大。 本文重点研究 了分割算法里面的经典算法— ——分水岭算法， 分水岭 算法是一种基于形态学的图像处理方法， 它可以满足 系统 CT 图像分割功能的要求。 分割算法中用到 VTK 类的示例如下： vtkRegionGrowImageFilter: 它 的 输 入 是 一 个 Volume，输出也是一个 Volume， 这个 Filter 类主要提供接 口，主要有:
VTK 视觉化工具函式库是由 美 国 Kitware 公 司 研 究的一种用于图像处理及可视化的软件开发包， 是一 个开放源码、 跨平台、 支援平行处理的图形应用函式 库。 VTK 类库由计算机图像处理、显示和可视化处理三
* 基金项目：湛江市 2010 年度科技攻关项目(No.2010C3111012) 收稿日期：2012-11-30 修稿日期：2012-12-25 作者简介：韩成虎，男， 广东廉江人，硕士，研究方向为医学信息化
关键词： CT 图像； 三维重建； 面绘制； 体绘制
0 引言
医学图像三维重建技术， 是指利用计算机技术对 二维医学图像进行分析处理，把图像中感兴趣的器官、 病变体等区域通过分割技术提取出来， 然后进行三维 图像模型重建显示，并进行定性、定量分析的技术。 三 维医学图像提供比二维切片图像更加丰富的机体内部 信息，得到立体逼真的人体组织、器官显示，为医生临 床实践提供可视化和模拟手术信息， 可以大大提高医 疗诊断的准确性， 在医学诊断治疗等许多临床领域具 有特殊应用价值。 自 20 世纪 90 年代起，医学图像三维 重建技术越来越受到人们的重视， 并成为近年图像学 术界的研究热点之一[1]。
图形模式主要用来将数据集的几何形状展示为直 观的三维图形，利用实体、光照、照相机、绘制窗口等类 库属性进行设置和操作， 完成图像生成和用户交互的 功能，包括实现图像的旋转、平移、滚动、亮度、角度、颜 色、方向、位置、缩放、纹理、ห้องสมุดไป่ตู้光等功能。
可视化模式可将图像信息转换成图形数据， 构建 图形的几何表示， 再利用图像管线将这种表示绘制在 渲染窗口中。 医学 CT 图像数据属于结构化点阵数据， VTK 使 用 了 数 据 流 的 方 式 将 图 像 信 息 转 换 成 图 形 数 据，可以方便实现结构化点阵数据的图像处理。 映射器 是连接可视化模型与图像模型的路径， 原始数据经过 各种过滤器的处理后，把数据对象转换成图像数据，然 后把对象加入到绘制器，在电脑上显示图像，实现使用 者与图像的交互，通过设置相关参数，实现旋转图像以 便用户可以从各个角度观看图像[4]。
VoidSetMaxDifferentValue（double v）; VoidSetSeedPoint（int x，int y，int z）; VoidSetMaxChangeValue（double v）;
这个 Filter 的最终结果是，将图像中分割区域内的 灰度保持与输入相等， 而分割区域外的灰度值被置背 景色。
现代计算机 2013.01 中 趨趶
开发案例
做好准备。 中值滤波是常用的非线性滤波方法，也是图 像处理技术中最常用的预处理技术， 它的基本思想是 将滤波窗口内的最大值和最小值均视为噪声， 用滤波 窗口内的中值代替窗口中心像素点的灰度， 在一定程 度上抑制了噪声。 它是基于图像滤波器包围的图像区 域中像素的排序，在平滑脉冲噪声方面非常有效，能有 效地去除随机噪声，而且对边缘的模糊程度较小。
当前面绘制和体绘制的算法很多， 本系统着重研 究了具有代表性的 Marching Cubes 算法，并加以改进。
Marching Cubes 算法的过程描述如下： （1）将 三 维 离 散 规 则 数 据 场 分 层 读 入 内 存 ； （2）每次扫 描 两 层 数 据 ，读 取 两 张 切 片 ，形 成 一 个 结构体； （3）两张切片的 8 个角点构建成一个立方体； （4）将 体 素 每 个 角 点 的 函 数 值 和 给 定 的 等 值 面 值 做比较，从左至右、从前到后的顺序处理每一层中的立 方体，抽取每个立方体中的等值面； （5）然 后 从 下 到 上 顺 序 处 理 到 n-1 层 ， 至 算 法 结 束，根据各三角面片上各顶点的坐标绘制等值面。 数据流结构为：读取器-提取等值面-数据处理-映 射器-实例化角色-绘制器-绘制窗口-交互器-交换方 式。 VTK 提供了两种提取等值面的类：滤波器 vtkContourFilter 和 封 装 了 Marching Cubes 算 法 的 vtkMarchingCubes。 数据处理方面，通过 vtkPolyDataNormals 类可 在等值面上产生法向量， 然后通过 vtkStripper 类在等 值 面 上 产 生 纹 理 或 三 角 面 片 [6]。 通过结合 VTK 和 C++编程开发，本系统实现了采
体绘制面向的是全部体数据， 直接将三维数据场 中各体素进行处理，进而合成具有三维效果的图像。 系 统测试表明， 体绘制对于一些形状特征模糊不清的组 织、器官进行三维显示时具有很好的效果，在体绘制各 步骤设定了相应的参数供用户选择， 以实现图像重建 的最佳效果。 三维显示部分包括获取冠状面、矢状面和 任意割面的等功能。
1 医学图像三维重建系统的功能分析
通过对当前各种三维重建系统的调研， 以及针对 医生的实际需求进行统计分析，CT 图像三维重建系统 主要包括以下业务功能：
（1）可 以 对 三 维 图 像 进 行 任 意 角 度 的 旋 转 、 任 意 方 向的平移以及剖切、手术开窗等操作，从而得到更加丰 富的诊断信息；可以选择多种方式阅片，可以调整图像
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开发案例
部分组成， 通过 C++语言来调用 VTK 的类库函数，可 以实现 CT 图像的三维重建[3]。 2.2 VTK 的可视化研究
VTK 采用管道机制实现数据和图像 的 可 视 化 ，根 据所获得的原始数据类型以及所要显示的结果， 通过 各种滤波器对管道中的数据进行处理， 选择适当的算 法构建起可视化流程。 管道机制主要包含图形、可视化 两种图像处理模式。
CT 图像三维重建系统功能框架图如图 1 所示。 从功能流程来看，CT 图像三维重建系统主要分为 图像导入显示、二维预处理、三维绘制三大模块。 3.1 图像导入 图像导入显示模块主要是提供对多种医学图像数 据格式的支持， 能提供对 DICOM3.0 标准规定的数 据 进行读取、存储、转换等功能。 CT 图像遵从 DICOM 格 式，在 DICOM 标准中详细定义了图像及其相关信息的
组成格式和传输方法， 利用这个标准， 我们可以通过 C++语言和 VTK 在系统内建立一个接口来完成影像数 据的输入、输出工作。
现有的 VTK 封装了可以直接读取 DICOM 图像的 C++类 vtkDICOMImageReader，极大地简化了使用 VTK 工具包读取 DICOM 医学图像的过程。 首先读取切片数 据，将其转换为开发工具 VTK 所支持的一种数据表达 形式， 然后根据其文件物理结构建立起相应的数据模 型。 数据模型属于结构点阵数据，其拓扑和几何都是隐 含知道的，只需知道数据的维数、数据源和数据空间， 利 用 Visualization Tool2kit 类 库 中 的 vtkVolumeReader 函数可以很方便地读取切片数据， 只需要设置切片间 距、切片起始段（例如从第 1 个切片到 45 个切片）等参 数便可读取数据对象。
的显示比例，例如图像的整体或局部缩放、多幅图像同 时显示、分屏显示等；可以对图像进行标注、测量，以便 在阅片的同时记录获取的信息。
（2）提供预处理功 能 ，可 以 进 行 增 强 、滤 波 、切 割 、 配准等操作，可将原始数据分成物体、背景、骨骼、软组 织 等 多 种 类 型 ，并 将 感 兴 趣 的 区 域 提 取 出 来 [2]。
摘 要： 医学图像三维重建能够为用户提供真实立体感的三维医学图像，在诊断治疗、虚拟手术等 方面具有重要的研究和应用价值。 通过对医学图像三维重建的相关技术进行研究， 得出 CT 图像 三 维重 建 系 统功 能 框 架 ，分 析 可 视化 工 具 VTK 实现 三 维 可视 化 的 原理 ，并 就 数据 导入、滤波、分割、配准、三维绘制等功能进行研究开发，实现 CT 图像的三维重建。