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今天的图形处理单元可以为普通台式电脑

提供复杂的医学影像可视化

医学成像系统，如CT，MRI和超声正变得无处不在。随着技术变得更为普遍，它还在继续成熟。每年出现的有效的影像应用都会对诊断和监测疾病有用。正是这方面的需要导致医学成像系统的发展和应用。

在过去的十年中一系列发展与日俱增，导致影像数据在规模和复杂性方面急剧增加。举例来说，最新型的CT扫描仪可以同时由64层切片生成图像。然而，256层CT 扫描仪正处于研发阶段，在未来两年内计划展开。同样，在MRI方面，新的并行阵列的成像线圈可以在扫描的过程中收集日益庞大的数据量。

解释这些大量的、复杂的医学图像数据将越来越需要强大的三维可视化工具。诊断的解释在很大程度上依然是定性的、主观的和容易随观察人员而变化的。

最近的计算及临床协作已经在一种新型软件中取得成果。这种新型软件能够在标准台式机和笔记本电脑系统中实时、高品质地体绘制医学图像数据场，利用先进的硬件控制最新的一代图形密集型电脑游戏。目标是要提供定量、客观和可靠的评估，以帮助改善现代医学影像的准确性和实用性。

体可视化

传统的体可视化是使用一种所谓的“光线投射”的数学方法来绘制一个三维数据量的二维图像。从在投影图像中的每个像素出发，发出一条射线沿视线方向穿过的三维数据场。沿着这条射线对图像数据采样，以在二维投影图像上产生最终的颜色和不透明度。

根据样本成分改动公式可以对模型产生影响，如光照和不透明度。但是，这种方法计算昂贵，要求计算机的中央处理单元执行大部分工作，以生成图像。

我们和加拿大艾伯塔(Alberta)卡尔加里(Calgary)大学计算机科学系的同事开发了一种从三维数据场绘制二维图像的技术（图1）。卡尔加里科研机构计划让由此产生的软件商品化，我们称这种商品为resolutionRD。

图1 如上所述，软件技术可以快速绘制三维图像数据场并适合用户的需要。在这幅考察血管的CT血管造影图中，该软件提供简单的纹理（左），最大密度投影（中）和具有光影效果的全彩色表面绘制（右）。

该技术应用了的最新的关于（GPU）研究进展。，现代绘图设备使用专用流水线型硬件设计和大规模并行性，可以每秒绘制百万计的纹理多边形。许多通用的算法利用现代的图形处理器巨大的浮点处理能力也得到了发展。

我们用这些新功能，以帧速率进行了高品质的三维可视化。这两三年前是难以想象的。例如，我们可以对超过一亿的体素（512×512×512分辨率）用廉价的“游戏”绘图卡在台式机和笔记本电脑系统上绘制CT，MR和其他医学图像数据场。这使临床医生和研究人员可以在一个充分的三维环境中以交互方式探索图像数据，而不是看着假想的二维投影。

多角度可视化

然而，一个新的算法的高效实现必须确保它能在临床应用中有效地应用。只有紧密地、持断地与临床应用相整合，才能使我们了解他们最根本的需要，并提供实用的解决办法。

结果是一个带有清洁及大大简化了的图形用户界面的软件（图2）。用户可以在数据窗口中点击和拖动鼠标在三维层面旋转数据场。他们通过按住Option键，然后选择并拖动，以移动弯弯曲曲的数据场。

图2 该软件被设计为简单、整齐的用户界面。

临床医生和研究人员往往需要从几个视角对图像数据场进行可视化，以获得高品质的、具体的内部结构和器官。这两项要求可以并行不悖：整个数据场的可视化通常吻合内部细节；消除模糊数据可以减少相关的重要信息。

医学插图启示了一种解决方法——一种新的实时绘制方法。医学插画往往提供与紧密联系主体的视角，以在扩大并偏移的感兴趣区域详细说明内部解剖。同时，医学插画还提供与整个数据场完全可视化绘制紧密联系的一般主体。医生是熟悉这种模式的可视化的。这种可视化模式在许多解剖教科书中出现。

我们发展了这一传统的可视化技术以进行实时的多维体绘制：一种“镜头”绘制方式——凡感兴趣的偏移区域都会提供一个与体视化相关的主体（图3）。用户可以操作镜头，在三维空间中移动镜头贯穿整个数据场，并且可以改变镜的尺寸和放大倍数。此外，用

户可以控制镜头内的视野；例如，旋转数据场。

图3 在中支气管/细支气管结构的肺部实例中，可视化软件通过使用主体“放大”镜头使模糊区域清晰显示。

为了验证该软件的实用性和用户友好性，我们安排了与在卡尔加里山麓医学中心的研究中风的团队的交流。

中风对中枢神经系统的创伤会迅速发展。当处理这个痛苦时，时间是最重要的。在治疗期间，中风神经科医师必须迅速简单地可视化脑动脉的三维结构和功能。不过，目前技术上的限制，意味着这往往是困难和费时的。

该中心的几个中风神经科医师和研究人员正使用resolutionRD对来自60个急性缺血性中风病人的CT血管造影数据场进行回顾性分析。这种造影成像测试通常用来确定血管的健康和功能。

这些神经科医师将寻找闭塞动脉。他们的诊断会与金标准诊断相比较。金标准诊断是由解释中风图像数据场具有丰富经验的神经放射学医师所提供的。研究结果将提供使

用新软件诊断的速度和准确性。

图4这个软件可能应用在帮助医师解释的临床影像数据和使研究者可视化体图像，就像图中的小鼠胚胎。

我们也正在调查其他的人体解剖的三维可视化，如心脏、肺部和腹部，以及小鼠心脏的三维结构。该软件还可以由地震数据和共焦显微镜生成的三维数据产生三维透视图

（图5）。

图5 基于临床应用，三维可视化软件在研究实验室是有帮助的，就像荧光标记的肾细胞的共焦显微镜图像的可视化。

作者简介

J. Ross Mitchell工作在加拿大艾伯塔的影像信息学实验室、山麓医学中心和卡尔加

里大学。他也是卡尔加里科学公司的创始科学家、董事会成员和股东。他的电子邮箱是：

rmitch@imagingiformatics.ca。

Sonney Chan也工作在影像信息学实验室。

Pierre Lemire是卡尔加里科学公司医疗小组的主任。

参考文献

1.M.Hadwiger et al (2002). High-quality volume graphics on consumer PC hardware. SIGGRAPH Course Notes.

2.T.Taerum et al (2006). Real-time super rosolution contextual close-up of clinical volumetric data. Proc. of the Eighth Eurographics/IEEE-VGTC Symposium on Visualization (EUROVIS), May 2006.