三维医学影像诊断工作站—3dmed

中国体视学与图像分析年月第卷第期2001662・・73 CHINESE JOURNA LOFSTEREOLOGYANDIMAGEANALYSISVol. 6No.2Jun.2001()文章编号:1007-1482200102-0073-05三维医学影像诊断工作站—3dmed何晖光田捷杨骅葛行飞,,,()中科院自动化所人工智能实验室北京,100080摘要本文介绍了一个我们自主开发的三维医学影像诊断工作站。

系统运行于:WindowsNT/环境主要包括数据接口、图像预处理、切片重组、三维重建、三维显示、虚拟内窥镜等功能。

2000/98,可广泛用于、等医学图像的处理与分析辅助医生进行临床诊断具有很好的应用前景。

CTMRI,,关键词医学图像预处理三维重建三维显示:;;;中图分类号文献标识码:TP391.41:A—3DMEDICALIMAGEDIAGNOSISWORKSTATION3dmed HE Hui-guang,TIANJie,YANGHua,GEXing-
fei()AILab,InstituteofAutomation,CAS,Beijing100080Abstr act:Inthispaper,wepresenta3Dmedicalimageclinicalwor kstation.ThesystemrunsunderwindowsNT/2000/98,Itha spowerfulfunctionssuchasdata interface,imagepreprocess ing,reslice,3Dreconstruction,3Drendering,surgerymanip ulationandvirtualendoscope.Thesystemcanbewidely appl ied tomedicalimageprocessingandanalyzingforCT,MRI,an
ditcanalsohelpthedoctorinclinic diagnosis.KeyWords:Med icalImage,Preprocess,3Dreconstruct,3Ddisplay取、三维重建和三维显示可以辅助医生对病变体及,前言1其他感兴趣的区域进行定性直至准确的定量分析,使医生看得更好看得更准从而可以大大提高医疗,,年代技术在医学临床中的成功应用开70,CT,诊断的准确性和正确性。

创了影像医学的新纪元使得对人体进行无创检查,中科院自动化所人工智能实验室结合国家自然以及诊断成为现实。

年代、、等先80,MRIPETSPECT科学基金项目的研究成果成功开发出“医学影像,进的影像技术在医学临床上的成功应用更使得影像诊断工作台”。

它以微机作为设备平台能够接收和,医学得以迅速发展。

自年代起随着计算机技90,发送、、等主要影像设备的数据它不仅具CTMRCR,术、通信技术以及的高速发展医学影像分Internet,有完善的二维和三维图像处理分析功能同时还具,析与处理和在临床诊断、远程医疗以及医疗PACS有网络传输与存储等功能。

考虑到系统与设备的通教学中发挥着越来越重要的作用。

讯、对病人信息管理等问题从某种意义上讲本系,,在目前的影像医疗诊断中医生主要是通过观,(统与设备的结合就是一个小型的系统,PACSMini察、的二维切片图像去发
现病变体但这往CTMRI,)如图中虚线所标出的部分。

同时本系-PACS,1,往依赖于医生的阅片经验。

而通过医学影像诊断工统还可以作为系统的诊断工作台。

它的使用PACS作站可以的对二维切片图像进行二维或三维分析,对象是放射科医生也可以作为临床医生和其他科,和处理如对人体器官、软组织和病变体的分割提,室医生的辅助诊断工具。

系统采用全中文用户图形界面使用极其方便很适合中国医生的使用习惯。

,,收稿日期:2001-04-09基金项目国家自然科学基金项目以及国家计划项目资助接下来我们对系统进行详细的介绍其中第二:863,()作者简介何晖光—博士生研究方向图像处理与虚:,1973,,:部分介绍系统的模块结构以及运行环境第三部分;拟内窥镜・・74中国体视学与图像分析年第卷第期200162介绍系统所用到的主要算法最后在第四部分对本文进行总结。

;图医学影像诊断工作站与、医疗设备的关系图医学影像诊断工作站硬件结构1PACS2字信息在计算机间的传送有了一个统一的标准它,系统功能模块2可以解决不同厂商的医疗设备之间的通讯问题。

本模块通过对通信协议以及文件格式DICOMDICOM医学影像诊断工作站的硬件如图所示包含2,的解析研制出了网关目前我们的数据接,DICOM,以下几个部分:口模块可以读出公司、公司、东芝公司GESIMENSE)主机配有Ⅲ中央处理器
1:Pentium450MHz,以及东大阿尔派等多家公司的医学影像数据。

(以上内存如果包含虚拟内窥镜子系统则128MB,二维处理模块 2.2)需要内存大容量硬盘256MB,IDE;二维系统功能包括图像显示和图像处理测量:,)显示系统一台英寸3分辨率2:1712801024和标注图像的几何变换滤波处理等。

用户可以选,,以上的显示器以及配套的显卡,OpenGL;择各种方式阅片并能够通过滤波处理消除噪声,,,)网络设备使用自适应以太网卡与3:10/100M提高图像质量。

还能方便的得到值对图像的像网络连接CT,;它的软件系统包括操作系素点进行分析、计算、处理得出相关的完整数据为:WindowsNT/2000,,统、类库、类库、基于的通医学诊断提供更客观的信息使得医学诊断不依赖MFCVCLTCPAPWinSock,信支持等。

系统的功能从模块结构上归纳为以下几于传统的肉眼观察和主观判断。

()部分数据接口通讯和文件接口模块、二维:DICOM三维数据处理模块 2.3显示模块、三维数据处理模块、三维显示模块和虚拟本工作站的三维医学图像处理模块主要包括分内窥镜模块。

如下图所示:割和切片重组。

通过分割可以将原始数据分成物,体、背景或者背景、骨骼、软组织等多种类型并将用,户感兴趣的区域提取出来。

通过切片重组首先将,三维图像模型构造出采使得用户可以根据一组切,片数据得到任意方位的多组切片图像。

用户可以对该三维图像模型以任意角度、任意位置进行切割操作得到新的切片图像进而从新的角度对被检测部,,位进行观察。

该功能在辅助医
生诊断、手术仿真、引导治疗等方面都可以发挥重要的作用。

三维显示模块 2.4该系统的三维显示功能打破传统平面观察方图系统功能模块3式由原始数据重建得到三维图像以三维立体的方,,数据接口模块2.1式再现原始数据更加生动、形象、逼真。

三维重建技标准的制定使得医学图像及各种数DICOM3.0术能够以逼真的三维方式再现原始影像数据。

而且
・・75年第卷第期何晖光等三维医学影像诊断工作站———200162:3dmed三维模型可任意角度旋转任意方向平移实现了以行材料质地选择、背景色彩设置、镜面反射、灯光投,,三维方式进行任意角度任意层次的观察原始数据射角度、透射度、散射度、环境光设置进行交互式设,,得到更加丰富的诊断信息。

用户还可对三维模型进定以达到最佳、最真实的显示效果。

,图原始图像图分割后的肿瘤图像图重建后的图像456图三维显示效果图图手术模拟示意图78手术模拟模块虚拟内窥镜模块2.52.6本系统的手术模拟包括切片获取、测量以及切医学影像技术的发展使得人类更精确、更形象割几个部分。

它可以为外科医生在没有实际进行手地了解自身的情况成为可能。

虚拟内窥镜使用三维术的情况下预先模拟手术的过程见到一些在实际重建得到模型空间数据分析该空间数据找出可以,,,手术中可能会遇到的问题从而事先考虑好补救方行进的空间即为漫游路径。

在漫游路径的导引下,,()法采取预防措施并可以通过不同手术方案的模拟或由用
户交互输入即可进行虚拟漫游。

利用虚拟,,比较各种方案的优劣找出最好的方案来进行实际内窥镜系统可以无创伤地、任意重复地观察了解人,的手术这无论是对外科医生还是对病人都有重大体器官内腔。

图是一个结肠虚拟内窥的示意图。

,5意义。

图主界面示意图图虚拟内窥镜示意图910
・・76中国体视学与图像分析年第卷第期200162(分割后的数据集来判断该立方体的构型该构型在系统实现的主要算法描述3)到之间以此来确定该立方体上哪条地上有0255,交点并将交点以及法向量计算出来加入三角面片,分割算法 3.1数组。

第二次通过来确定哪个领域将被NeiborCase本系统对于不同医学成像设备的成像特点采,(继续访问并将需要处理的相邻立方体如果没有被,用不同的分割方式。

对于图像来说由于它对骨CT,)访问过加到队列中。

执行过程中该立方体被标记,骼的显示比较清楚我们用阈值分割就能得到较好,为访问过的。

该算法执行直到队列为空。

这时等值的效果。

于人体内部结构复杂、生物组织的蠕动和面已经抽取出来。

成像的特点造成医学图像中目标物体不可避MRI,该算法在本平台上进行了测试对于百万数量,免的受到其它物体甚至是噪声的干扰使得物体局,级的三角面片重建时间少于秒而标准的算,5,MC部边缘特征模糊用阈值分割难以做出准确的分割。

,〔〕4法以及算法重建时间均大于几十秒充分Cuberllie,〔〕2基于此我们采用了基于模糊连接度的分割
模糊,,说明了我们算法的有效性。

连接度的定义为参见,:三维显示算法3.32μ()()--fcfd11()-本系统采用灰度梯度加权的分类函数对体数据??()=+uc,deδ221k〔〕6进行提取即提取出目标物体边界及其附近的体,1μ()()+2-fcfd/12??()-eδ2数据然后用光线投射法进行体绘制这样可大大减,,22μδμδ其中??分别为??()|-+=1fcf,,,,少光线求交的计算量。

121122和特征值的样本统计均值和方差。

()()|dfc首先指定一个阻光度阈值仅当体素的阻光O,1基于模糊连接的图像分割首先在图像待分割,()度≥时才对该体素进行光线投射计算。

颜OvO1的目标物体区域指定一个初始点然后进行变换0,()色和阻光度的积累运算采用从前至后法进行FTB,得到图像模糊场从图像模糊场中求初始点M,M0()3C=1-O+CCaccaccnewaccooΓΓ的模糊连接对象模糊连接对象中表()()PP,()3O=1-O+OOμμaccaccnewacc示的是每个象素与初始点的模糊连接程度最0,P其中和是当前积累的阻光度和颜色OC,accaccτ后通过设置相应的阈值将模糊连接对象中大于,和和是当前体素的阻光度和颜色。

由于该OOnewnewτ()或小于指定阈值的象素提取出来得到目标物,方法所需的计算量小因而比较容易改变视点进行,,体。

图即是用模糊连接度分割出肿瘤的结果。

5多方位的快速显示。

显示效果如图所示。

7三维重建算法3.2基于的动态模型化简算法3.4PM〔〕〔〕35我们对标准的算法进行了改进传统的MC,由于医学图像数据量大提取出来的三角面片,算法有很多时间浪费在对空单元的检测上。

我MC数
目多因此需要对面片进行化简以便能够对三维,,们采用基于区域增长的立方体检测算法将大大提高〔〕7模型进行实时绘制。

微软研究的在年Hoppe1993等值面生成的计算效率。

提出了以边折叠、点发裂为基础的三角面片简化的我们首先建立两个查找表和2CubeCaseNeibor单位操作于年又提出了以此为出发点的渐进,1996〔〕包括立方体的种构型索引及其所
8Case,CubeCase256()网格的网格模型和简化。

但ProgressiveMeshes对应的三角剖分形式包括每种构型索引,NeiborCase是由于的算法是一种通用算法没有考虑到Hoppe,及其所对应的相邻立方体的情况。

算法维护一个队医学图像的特殊性并且它使用了基于能量的边叠,列用来记录处理过的体方体。

同时建立一个标志,选择算法虽然压缩简化的效果好但是计算时间太,,(数组用来记录该立方体是否被处理表示已经处,1长了。

对于具有百万级数量的三维模型算法往,PM)理过表示没有。

开始所有的标志数组都标记为,0往需要数十个小时才能完成这对于医学诊断是不,〔〕9用户在三维数据集上确定一个种子立方体种子0,,可忍受的。

我们对此进行了改进并应用于本系,立方体中含有所要抽取等值面的一部分。

先找出一统的虚拟内窥镜模块中。

个种子点加到队列并将其标志设为。

执行从队考虑到一般三维医学模型数据量大面片属性,,1,列中的第一个立方体开始从队列中取出一个立方单一。

对于简化的开始阶段大部分的图元的简化,,体。

每个立方体进行两次判断第一次判断是通过代
价都是很相似的。

因此我们在第一次计算完所有,,
・・77年第卷第期何晖光等三维医学影像诊断工作站———200162:3dmed 图元的代价值后只比较本次折叠前后面片属性改进。

,变的代价这样避免代价的重复计算由于在漫游过,;参考文献:程中一般都是在管道内部很小的范围内进行的所,以可以将大量视锥外的面片和不可见的面片简化〔〕“21JieTian,NingningLiu,YingZhuge,AWindowsNTBased3DI mag掉同时我们的化简过程分成三个阶段第一个阶”;:ingandAnalysisSystem,ProceedingofFirstEuor-ChinaConferenceontheInformationSociety,Beijing,1997.段设定一个长度的阈值将所有的小于这个阈值的,,〔〕2J.K.Udupa,andS.Samarasekera,FuzzyConnectednessandO bject边进行折叠直到面的数目小于万或者是没有长,202Definition:Theory,Algorithms,AndApplicationsinIma geSegmenta度小于该阈值的边第二个阶段将面片简化到用于;,tion,GraphicalModelandImageProcessing,Vol.58,No.3. PP.246漫游的面片数目在这个过程中我们使用很简单的,～261,1995.代价计算函数来简化采用边的长度与边的两个端,〔〕3LorensenW.E,ClineH.E.Marchingcubes:ahighresolution3D(
)puterGroaphics,1987,2 14:163点的的差别的加权和然后使用改进的堆排Normal,～169.序的算法进行排序第三个阶段是建立多尺度模型:〔〕4G.T.Herman,H.K.Liu,Three-DimensionalDisplayofHuman的阶段在这个过程中我们采用复杂的代价函数对,,2OrgansformComputedTomography,ComputerGraphics &ImagePro面片进行精细的简化。

～cessing,1979,Vol.9,pp.129.该算法在本平台上得到了测试结果表明在处,〔〕何晖光田捷赵明昌杨骅基于分割的等值面生成快速算法5,,,,,计划智能计算机主题学术会议论文集～863,pp.362367,2000,理百万数量级的三维医学模型时我们的算法比,北京.原始的算法快了倍。

HoppePM237〔〕诸葛婴田捷罗希平一种基于体制的三维数据场多表面显示6,,,方法电子学报～,,2001,Vol.29,No.1,140142.总结4〔〕7HuguesHoppe,TonyDeRose,TomDuchamp,JohnMcDonald, Werner“”’～Stuetzle,MeshOptimization,Proc.OfSIGGRAPH93,pp1926本文介绍了一个我们自主开发的三维医学影像〔〕“”’～8HuguesHope,ProgressiveMesh,Proc.ofSIGGRAPH96,pp97诊断工作站。

主要讨论了系统的总体设计及系统实108
现所采用的主要方法。

系统功能强大使用方便。

,〔〕曹勇田捷张晓鹏邱峰递进网格算法在虚拟内窥镜中的应9,,,,目前已经有多家用户使用效果良好。

以后的工作,用研究软件学报已录用待发表,,,将集中于图像分割、面片减化、实时绘制等算法的改()上接第页72()毒的初步研究中国地方病学杂志.,1988;75:297参考文献:〔〕梁子东急性硒化物中毒例中华劳动卫生职业病杂志5,10.,()1994;6:364〔〕1CombsGFJr.Chemopreventivemechanismsofselenium.Me dKlin〔〕曹晓哲邢传平高自芳等急性硒中毒后肝损伤的电镜观电6,,..～1999Oct15;94suppl3:1824.()子显微学报～,1998;174:395396〔〕曹晓哲钱震哈英娣等硒中毒的研究概况微量元素与健康2,,..〔〕曹晓哲卜积康钱震体视学分析小鼠肝细胞的时间形态学研7,;.()研究,1995;125:71()究中华物理医学杂志.,1994;162:65〔〕3WeiYaming,Caoxiaozhe,OuYinxian,etal.SeO2InducesApop tosis〔〕二氧化硒中毒死亡国外学者来访报告8BeyerKH..,1987;2:38withDown-RegulationofBcl-2andUp-regulationExpressionof〔〕郑淑芳张瑞祥郑纪宁等慢性氟中毒大鼠肝细胞超微结构改9,,.—2P53inImmortalHumanHepatoCelllineHL7702andHumanH ep()变的体视学研究中国地方病防治杂
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