DICOM医学图像三维可视化系统的研究

ＤＩＣＯＭ医学图像三维可视化系统的研究Research on 3-D Visualization System for DICOM Medical Image骆建珍 林财兴 孟令旗 杨安荣（上海大学机电工程与自动化学院，上海　２０００７２）摘 要：医学图像三维可视化是当前科学计算可视化应用的重点。

通过对ＤＩＣＯＭ图像的结构、解析方法和三维可视化技术的探讨以及对系统结构和各模块功能的研究，开发了ＤＩＣＯＭ医学图像三维可视化系统。

研究表明，该系统能有效地实现ＤＩＣＯＭ医学图像三维可视化，为医务人员提供更为直观逼真立体图像，具有广泛的临床应用价值。

关键词：ＤＩＣＯＭ 可视化 ＶＴＫ 体绘制 面绘制Ａｂｓｔｒａｃｔ：　３－Ｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ａ　ｍａｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　３－Ｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＤＩＣＯＭ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ　ｖｉａ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＤＩＣＯＭ　ｆｉｌｅ　ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　３－Ｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｓ，　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　３－Ｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｍｏｒｅ　ｉｎｔｕｉｔｉｏｎｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｖｉｖｉｄ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ　ｆｏｒ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，　ａｎｄ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎ　ｃｌｉｎｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ＤＩＣＯＭ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ＶＴＫ ｖｏｌｕｍｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ０ 引　言医学图像三维可视化是可视化技术在医学领域的一个重要应用，是当前医学图像处理的研究热点。

它利用计算机将二维图像序列重建三维图像模型，弥补医学成像设备在成像上的不足，为医生提供直观、逼真、具有真实感的三维医学图像，有效地提高了诊断效率。

ＤＩＣＯＭ（ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ　ｍｅｄｉｃｉｎｅ）是医学数字成像和通信的国际标准，是目前国际上唯一为广大医疗影像设备厂家所严格遵守的规范。

如何用现有的先进图像处理软件（ＶＴＫ）和硬件设备将ＤＩＣＯＭ医学图像三维可视化成了人们普遍关注的问题。

因此，研究ＤＩＣＯＭ医学图像的三维可视化无论在临床应用方面还是在理论研究方面，都具有重大的意义。

１ ＤＩＣＯＭ的概念ＤＩＣＯＭ是由美国放射学院（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ，ＡＣＲ）和国家电气制造商协会（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｅｒｓ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＮＥＭＡ）共同制定的，它包括医学的数字成像和通信两个方面。

该标准的制定有效地解决了各种不同的成作者简介：骆建珍　硕士研究生。

主要研究领域为医学图像处理。

林财兴　博士生导师，教授。

主要研究领域为ＣＩＭＳ。

孟令旗　硕士研究生。

主要研究领域为医学图像处理。

杨安荣　博士研究生。

主要研究领域为医学图像处理。

像设备之间交换图像的障碍，促进了数字图像设备的网络化和医学影像技术的发展。

ＤＩＣＯＭ文件一般由１个ＤＩＣＯＭ文件头和１个ＤＩＣＯＭ数据集合组成。

ＤＩＣＯＭ文件头（ＤＩＣＯＭ　ｆｉｌｅ　ｍｅｔａ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）包含了标识数据集合的相关信息。

每个ＤＩＣＯＭ文件都必须包括该文件头。

文件头的最开始是文件前言，它由１２８个００Ｈ字节组成；接下来是ＤＩＣＯＭ前缀，它是一个长度为４字节的字符串“ＤＩＣＭ”，可以根据该值来判断一个文件是不是ＤＩＣＯＭ文件。

文件头中还包括其他一些非常有用的信息，如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等等。

ＤＩＣＯＭ文件主要组成部分就是数据集合。

这不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像相关的信息，如病人姓名、图像大小等。

在ＤＩＣＯＭ文件中最基本的单元就是数据元素（ｄａｔａ－ｅｌｅｍｅｎｔ），ＤＩＣＯＭ数据集合就是由ＤＩＣＯＭ数据元素按照一定的顺序排列组成的。

ＤＩＣＯＭ数据元素主要由４个部分组成——标签、ＶＲ（ｖａｌｕｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，数据描述）、数据长度和数据域。

标签是１个４字节的无符号整数，ＤＩＣＯＭ所有的数据元素都可以用标签来唯一表示。

ＶＲ指明了该数据元素中的数据属于哪种类型，在ＤＩＣＯＭ文件中，它是一个长度为２的字符串。

例如，如果１个数据元素的ＶＲ为“ＤＡ”，则表示该数据元素中存储的数据为日期型数据。

在数据元素中，ＶＲ是可选的，它取决于协商的传输数据格式。

ＤＩＣＯＭ中规定了显式和隐式两种传输格式：在显式传输中，ＶＲ必须存在；在隐式传输时，ＶＲ必须省略。

数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度（字节数）。

数据域中包含了该数据元素的数值。

２ 三维可视化技术医学图像三维可视化就是运用计算机图形学和图像处理技术，将获得的二维医学图像序列，在三维空间上重建出立体的三维图像。

通过人机交互，临床医生可以对图像进行旋转、缩放、移动、剖面显示等操作，使图像能直观地显示人体组织的内部复杂结构，从而帮助医生明确诊断并指导手术。

ＶＴＫ（ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｋｉｔ）是近年来国际上推出并且被广泛使用的可视化工具包。

它在可视化尤其是三维重建（如面绘制和体绘制）方面具有强大的功能。

其类库的设计和实现都是基于面向对象原则。

ＶＴＫ在应用结构上采用流水线（ｐｉｐｅｌｉｎｅ）的机制，几乎可以对任何类型的数据进行处理，并提供了许多相应的类，对各种类型的数据进行转换或处理。

医学图像三维可视化技术分为面绘制和体绘制两种。

面绘制是由三维空间数据场构造出中间几何图元（如曲面、平面等），然后再由传统的计算机图像学技术实现面绘制。

面绘制处理的是整个数据场中的一小部分数据，不能保留体数据场的完整性，并且对形状不明显、亮度变化小的软组织、血管等组织的三维显示效果不尽人意。

体绘制是直接由三维数据场产生屏幕上的二维图像的方法。

它是近年来迅速发展的一种三维数据场三维可视化方法，处理的是整个数据场的数据。

体绘制的算法有很多，如光线投射法（ｒａｙ　ｃａｓｔｉｎｇ）、纹理映射法（ｔｅｘｔｕｒｅｍａｐｐｉｎｇ）等。

光线投射法是体绘制算法中的经典算法之一，具有结构简单、实现便利等特点，尤其如果利用ＯｐｅｎＧＬ提供的丰富的模型变换和图像合成功能、强大的矩阵操作功能，可以大大地简化光线投射法的实现过程。

实验表明，基于ＯｐｅｎＧＬ的可视化开发工具ＶＴＫ提供的光线投射法可以实现快速的三维重建，交互速度较快，效果理想。

因此，为了组织和器官在三维显示时具有较好的显示效果，本文主要研究体绘制技术。

３ 三维可视化系统结构的设计ＤＩＣＯＭ医学图像三维可视化是通过运用三维数据场的可视化技术，创建出能准确反映人体的视觉影像，完成为诊疗或手术模拟而提供的医学体数据场的三维显示和分析，提供动态窗宽、窗位调节、维体旋转、缩放、平移和体数据的预处理等功能。

三维可视化系统总体结构可由以下几个模块来实现，见图１。

　图１　三维可视化系统的结构图３．１ 数据输入数据输入模块主要完成从用户指定的序列文件名提取相关信息和构造体数据，分成文件的导入、文件解析和体数据的构造。

文件导入将用户指定的文件内容导入到内存中；文件解析则依据ＤＩＣＯＭ标准的规定，将文件中的有用信息逐一提取出来，并将它们保存在内存中，以提供给后续处理；体数据构造是根据文件中提供的各种信息找出符合要求的序列文件，并按照文件中提供的实际像素和切片的物理空间关系构造出空间体数据场。

由于ＤＩＣＯＭ图像的数据类型一般为Ｓｈｏｒｔ型，而ＶＴＫ中所能处理的数据类型必须是Ｕｎｓｉｇｎｅｄ　Ｓｈｏｒｔ型或者Ｕｎｓｉｇｎｅｄ　Ｃｈａｒ型，所以可以用ｖｔｋＩｍａｇｅＳｈｉｆｅＳｃａｌｅ类或者ｖｔｋＩｍａｇｅＣａｓｔ类进行转换。

３．２ 数据预处理数据预处理模块主要完成对体数据的平滑、滤波、配准、除噪、插值、窗宽窗位的调节等。

系统输入的ＤＩＣＯＭ图像是１组图像序列，这些图像序列在切片、照相过程中，因位移、旋转、比例变化等因素而存在一定程度变形的可能；因此需对图像进行噪声消除、几何矫正、定位点检测和配准等一系列的处理，使得图像中的像素点与它们实际的位置一致，这样输入的断层图像才能加以使用。

由于ＤＩＣＯＭ图像切片间的距离与切片图像像素尺寸相比要大得多，而切片重组要求体数据为等分辨率，所以在切片重组过程中还需要对图像进行插值处理。

３．３ 三维可视化三维可视化模块主要实现对输入数据场的体绘制。

在体绘制技术中，光线投射法是目前使用最广泛的一种体绘制算法。

光线投射法的基本思想是：从显示图像上的每一个像素发出１条光线，穿过体数据空间；在光线与体空间的交点之间等距地进行采样，对每个采样点通过三线性或更高次插值计算求出其数据，再计算在给定的光学模型中的光强，并与前面采样点结果合成；对每一个像素进行如上计算，最终得到整幅图像。

该算法可分为光线生成、光强组合计算和图像生成３个部分，体绘制的流程图见图２。

在ＶＴＫ中，类ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＦｕｎｃｔｉｏｎ实现了这一算法，其重建的过程如下：／／ＤＩＣＯＭ数据的读取　图２　体绘制流程图ｖｔｋＤＩＣＯＭＩｍａｇｅＲｅａｄｅｒ　＊ｖ１６　＝ｖｔｋＤＩＣＯＭＩｍａｇｅＲｅａｄｅｒ：：Ｎｅｗ（）；ｖ１６－＞ＳｅｔＤｉｒｅｃｔｏｒｙＮａｍｅ（＂Ｅ：＼＼ｖｔｋｉｔｋ＼＼ｄａｔａ＼＼ｆｏｏｔ＂）；ｖ１６－＞ＵｐＤａｔｅ（）；／／数据格式转换ｖｔｋＩｍａｇｅＳｈｉｆｔＳｃａｌｅ　＊ｓｈｉｆｔＳｃａｌｅ＝ｖｔｋＩｍａｇｅＳｈｉｆｔＳｃａｌｅ：：Ｎｅｗ（）；ｓｈｉｆｔＳｃａｌｅ－＞ＳｅｔＩｎｐｕｔＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ（ｖ１６－＞ＧｅｔＯｕｔｐｕｔＰｏｒｔ（））；ｓｈｉｆｔＳｃａｌｅ－＞ＳｅｔＳｃａｌｅ（０．２）；ｓｈｉｆｔＳｃａｌｅ－＞ＳｅｔＯｕｔｐｕｔＳｃａｌａｒＴｙｐｅＴｏＵｎｓｉｇｎｅｄＣｈａｒ（）；／／透明度属性设置ｖｔｋＰｉｅｃｅｗｉｓｅＦｕｎｃｔｉｏｎ＊ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ＝ｖｔｋＰｉｅｃｅｗｉｓｅＦｕｎｃｔｉｏｎ：：Ｎｅｗ（）；ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＰｏｉｎｔ（８０，　０．０）；ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＰｏｉｎｔ（１１０，　０．９）；ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＰｏｉｎｔ（１３０，　０．３）；ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＰｏｉｎｔ（１５０，　０．５）；／／颜色属性设置ｖｔｋＣｏｌｏｒＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ＊ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ＝ｖｔｋＣｏｌｏｒＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ：：Ｎｅｗ（）；ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＲＧＢＰｏｉｎｔ（８０．０，　０．０，　０．０，　０．０）；ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＲＧＢＰｏｉｎｔ（１１０．０，０．９７６，　０．９６１，　１．０）；ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＲＧＢＰｏｉｎｔ（１３０．０，　０．９８４，　０．３２２，　０．３２２）；ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ－＞ＡｄｄＲＧＢＰｏｉｎｔ（１５０．０，　０．９８４，　０．３２２，　０．３２２）；／／设置体的各种不同的属性ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ　＊ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ＝ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ：：Ｎｅｗ（）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＣｏｌｏｒ（ｃｏｌｏｒＴＦｕｎｃ）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＳｃａｌａｒＯｐａｃｉｔｙ（ｏｐａｃｉｔｙＴＦｕｎｃ）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎＴｙｐｅＴｏＬｉｎｅａｒ（）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＡｍｂｉｅｎｔ（０．１）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＤｉｆｆｕｓｅ（０．９）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＳｐｅｃｕｌａｒ（０．２）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｅｔＳｐｅｃｕｌａｒＰｏｗｅｒ（１０）；ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ－＞ＳｈａｄｅＯｎ（）；／／采样和合成ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎ＊ｃｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎ＝ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎ：：Ｎｅｗ（）；　建立合成功能对象ｃｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎ－＞ＳｅｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭｅｔｈｏｄＴｏＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｅＦｉｒｓｔ（）；ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＭａｐｐｅｒ＊ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ＝ｖｔｋＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＭａｐｐｅｒ：：Ｎｅｗ（）；　建立光线投射映射对象ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ－＞ＳｅｔＩｎｐｕｔＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ（ｃｌｉｐＶｏｌｕｍｅ－＞ＧｅｔＯｕｔｐｕｔＰｏｒｔ（））；ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ－＞ＳｅｔＶｏｌｕｍｅＲａｙＣａｓｔＦｕｎｃｔｉｏｎ（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎ）；ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ－＞ＳｅｔＳａｍｐｌｅＤｉｓｔａｎｃｅ（０．１）；数值越小重建效果越好，但是重建速度会相对慢些ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ－＞ＳｅｔＮｕｍｂｅｒＯｆＴｈｒｅａｄｓ（１）；ｖｔｋＶｏｌｕｍｅ　＊ｖｏｌｕｍｅ＝ｖｔｋＶｏｌｕｍｅ：：Ｎｅｗ（）；　建立体对象ｖｏｌｕｍｅ－＞ＳｅｔＭａｐｐｅｒ（ｖｏｌｕｍｅＭａｐｐｅｒ）；ｖｏｌｕｍｅ－＞ＳｅｔＰｒｏｐｅｒｔｙ（ｖｏｌｕｍｅＰｒｏｐｅｒｔｙ）；／／图像显示ｖｔｋＲｅｎｄｅｒｅｒ　＊ａＲｅｎｄｅｒｅｒ　＝　ｖｔｋＲｅｎｄｅｒｅｒ：：Ｎｅｗ（）；ｖｔｋＲｅｎｄｅｒＷｉｎｄｏｗ　＊ｒｅｎＷｉｎ　＝　ｖｔｋＲｅｎｄｅｒＷｉｎｄｏｗ：：Ｎｅｗ（）；ｒｅｎＷｉｎ－＞ＡｄｄＲｅｎｄｅｒｅｒ（ａＲｅｎｄｅｒｅｒ）；ｖｔｋＲｅｎｄｅｒＷｉｎｄｏｗＩｎｔｅｒａｃｔｏｒ　＊ｉｒｅｎ　＝　ｖｔｋＲｅｎｄｅｒＷｉｎｄｏｗＩｎｔｅｒａｃｔｏｒ：：Ｎｅｗ（）；ｉｒｅｎ－＞ＳｅｔＲｅｎｄｅｒＷｉｎｄｏｗ（ｒｅｎＷｉｎ）；ａＲｅｎｄｅｒｅｒ－＞ＡｄｄＶｏｌｕｍｅ（ｖｏｌｕｍｅ）；ａＲｅｎｄｅｒｅｒ－＞ＳｅｔＢａｃｋｇｒｏｕｎｄ（０，０，０）；ｒｅｎＷｉｎ－＞ＳｅｔＳｉｚｅ（４８０，　４８０）；ｒｅｎＷｉｎ－＞Ｒｅｎｄｅｒ（）；ｉｒｅｎ－＞Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ（）；ｉｒｅｎ－＞Ｓｔａｒｔ（）。