医学图像三维可视化中任意平面切片的研究与实现

第２５卷第ｌ２期　计算机应用与软件　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．１２　２００８年１２月　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｄｅｃ．２００８　医学图像三维可视化中任意平面切片的研究与实现　叶峰吴健崔志明　王群　（苏州大学智能信息处理及应用研究所　江苏苏州２１５００６）　摘要　对医学图像的三维重建技术进行研究，利用介于面绘制和体绘制之间的切片法来实现三维体数据可视化，并针对断层图　像序列所生成三维体数据的切片方法进行了深入讨论。提出一种可操作性很强的切片方法，能较好地实现三维体数据中冠状面、矢　状面、特别是任意平面的切片。同时，该方法已经用ＶＣ　６．０结合ＶＴＫ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｏｏｌｋｉｔ）编程进行实现，效果符合医学诊断要求，　并得到了有关应用。　关键词　ＶＴＫ切片方法冠状面　矢状面任意平面切片　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＡＮＤ　ＩＭＰＬＥＭＥＮＴＡＴＩｏＮ　ｏＦ　ＡＲＢＩＴＲＡＲＹ　ＳＬＩＣＥ　ＩＮ　３－Ｄ　ⅥＳＵＡＬＩＺＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＭＥＤＩＣＡＬ　ＩＭＡＧＥＳ　Ｙｅ　Ｆｅｎｇ　Ｗｕ　Ｊｉａｎ　Ｃｕｉ　Ｚｈｉｍｉｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｑｕｎ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆｌｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｓ００　。　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓ￣ｈｏｕ，２１５００６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｉｍｓ　ａｔ　３Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ　３Ｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｄａｔａ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｌｉ—　ｃｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｈｉｃｈ　ｌｉｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ，ａｎｄ　ａ　ｔｈｏｒｏｕｇｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　３Ｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｄａｔａ　ｓｌｉｃｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｅ　ｓｔａｃｋ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｔ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　ｏｐｅｒａｂｌｅ　ｓｌｉｃｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｌｉｃｅｓ　ｉｎ　３Ｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｄａｔａ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｃｏｒｏｎａｌ　ｓｌｉｃｅ，ｓａｇｉｔｔａｌ　ｓｌｉｃｅ　ａｎｄ　ｅｓｐｅｃｉｌａｌｙ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｓｌｉｃｅ　ｗｅｌ１．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｍｅ￣ｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ＶＣ６．０　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＴＫ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｏｏｌｋｉｔ）．Ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｅｓｔｓ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｄｉａｇｎｏｓｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｒｅｌａｔｅｄ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＶＴＫ　Ｓｌｉｃｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｃｏｒｏｎａｌ　ｓｌｉｃｅ　Ｓａｇｉｔｔｌａ　ｓｌｉｃｅ　Ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｓｌｉｃｅ　体数据可视化技术，在实际绘制中，只显现用户感兴趣的观察面　０引　言　信息。　本文旨在进行医学图像三维可视化的研究中，专门针对三　ＶＴＫ是基于ＯｐｅｎＧＬ的用于３Ｄ图形学、图像处理及可视化　维体数据如何进行有效的切片进行讨论，寻求一种快捷方便的　的一种三维可视化工具包。它具有强大的三维图形功能、稳定　体数据切片方法，并得到具体实现。　的体系结构、高度的灵活性以及良好的可移植性…。ＶＴＫ是利　用了流行的面向对象技术而设计的一个目标函数库，这些目标　１　ＶＴＫ中体数据切片方法　库函数可以嵌入于应用程序中，同时也允许用户在ＶＴＫ基本函　数的基础上开发独立的库函数　。　体数据通常是由一系列连续的ＣＴ或ＭＲＩ横断面图像生　医学体数据指的是利用计算机断层图像（ＣＴ）、核磁共振成　成。因此在对体数据进行切片之前，首先要读入一系列断层图　像（ＭＲＩ）、核磁共振血管造影（ＭＲＡ）等成像设备得到的人体及　像并将其转化为三维体数据。ＶＴＫ为用户提供了两种体数据　其内部器官的断层二维图像序列或三维数据。医学体数据可视　切片方式：平面切片法，ｚ轴切片法。　化就是运用计算机图形学和图像处理技术，将医学体数据在三　１．１平面切片法　维空间上生成立体的三维图像，在显示器上形象逼真地显示人　ＶＴＫ中使用平面切片法进行切片需要先在三维空间中创　体组织内部的复杂结构，从而帮助医生作出准确的诊断和制定　建一个“切平面”，使得这个切平面穿过待处理的体数据。这样　正确的手术方案　Ｊ。　体数据中被切平面穿过的图像信息会映射到该平面上，即用切　在医疗诊断过程中，医学成像设备拍摄的通常是人体的横　片切割的方式把用户感兴趣的空间实体显示出来。ＶＴＫ使用　断面切片，这样的数据是单一的，往往不能很清楚地判断病变部　类ｖｔｋＣｕｔｔｅｒ来完成对三维体数据的平面切片。处理过程中，要　位及其大小形状，所以在诊断过程中还需要其它方向上的切片　创建一个管道流，其输入是原始的三维体数据和切平面，输出为　图像或将体数据可视化。传统的体数据可视化方法主要有面绘　三维空间中一个含有体数据信息的平面图像。平面切片法中关　制和体绘制两类　。面绘制可以有效地绘制三维体的表面，但　缺乏内部信息的表达；体绘制对所有体素进行处理，加大了计算　收稿日期：２００７—０１—０５。科研成果产业推进工程项目（ＪＨＢ０６．　开销，限制了图像的绘制速度。切片法是一种介于两者之间的　２６）。叶峰，硕士生，主研领域：医学图像及智能信息处理。　１４２　计算机应用与软件　２００８年　键在于如何合理地确定切平面，以显示用户所想要的图像信息。　平面切片法所得到的图像是体数据的相应信息在一个平面　（３）在体数据中选定一个点作为切平面必须经过的点；　（４）通过一点一法向量就能确定三维空间系统上的一个平　面，即切平面；　上的纹理映射，其数据格式为ｖｔｋＰｏｌｙＤａｔａ类型（ＶＴＫ中一种数　据类型），而不是传统意义上的图像格式数据。ｖｔｋＰｏｌｙＤａｔａ数据　类型的生成比较慢，用户通常需要一定的等待时间。　（５）切平面穿过体数据生成切片图像。　２．２　ｚ轴切片法实现任意平面切片　ｚ轴切片法的关键是如何确定体数据绕ｘ轴Ｙ轴的旋转　角度。其设计思路依然是用视点位置的变化来设定切平面，再　１．２　Ｚ轴切片法　ｚ轴切片法是先对体数据以ＸＹＺ三个坐标轴为轴线分别　旋转一定角度，然后经过一系列管道流处理得到旋转后的体数　通过观测平面的法向量计算出体数据绕ｘ轴Ｙ轴的旋转角度。　据，再对体数据设定ｚ轴坐标值进行ｚ轴方向的切片，最后得到　体数据中某一方向的系列切片图像。这种切片方法得到的切片　图像可以保存为普通图像格式，如ＢＭＰ文件、ＪＰＧ文件等。使　用ｚ轴切片法要注意以下两方面：（１）在旋转前要先将体数据　的中心位置放置于三维空间的原点上，以防止体数据偏离视角。　（２）要合理地设置体数据沿各个坐标轴旋转的角度及先后　顺序。　对ｚ轴切片法生成的图像可以进行各种滤波操作，便于对　其进行图像增强处理（ＶＴＫ为用户提供大量的图像滤波器进行　图像处理）。图像保存后可以由其它图像软件打开处理，通用　性好。　从速度方面看，ｚ轴切片法要快于平面切片法。将体数据　旋转后，可以实时地设定ｚ轴坐标以得到同一方向不同位置的　切片图像。因此可以利用一个循环语句把体数据的某一方向上　的系列切片图像保存到磁盘中，比如由系列连续断层图像得到　系列连续冠状面图像或矢状面图像。　２任意平面切片　在平面切片法中，通过一个平面法向量、一个坐标点来确定　切平面，然后用该切平面切割体数据得出切片图像。在ｚ轴切　片法中，合理地调节ｘ轴、Ｙ轴旋转的角度以及ｚ轴上的坐标　点也能得到一个切片图像。问题的关键在于如何选定这一平面　法向量以及如何确定ｘ轴Ｙ轴旋转的角度。　对体数据任意平面切片的操作设计要求简单直观，用户只　要通过鼠标操作来确定对体数据的切平面，就可得到切片图像。　在三维空间中要做到合理地控制切平面，必须对可视化图像数　据与用户间的交互功能进行研究。　２．１　平面切片法实现任意平面切片　在ｖＴＫ可视化图形窗体中，用户可以任意地调节窗体内图　形的位置、大小，也可以让图形以指定轴为轴线旋转。实际上在　调节过程中图形数据并没有发生变化，是观测的视点在移动。　视点中有两个基本属性：焦点和视点位置，在可视化系统中通常　把焦点设在观测对象的中心位置，视点位置则随着鼠标的操作　而变化，通过改变视点位置就可以从不同的角度来观测可视化　数据。焦点到视点的方向向量被称之为观测平面的法向量。在　平面切片法中可以用观测平面法向量作为切平面的法向量，以　此得到体数据中任意角度的切片。本方案操作实现过程为：　（１）生成体数据的面绘制图形（直接体绘制图像亦可，但　数据量较大）；　（２）利用图形交互方式调节视点位置以得到当前观测平面　的法向量；　比如假设观测平面的法向量为（ａ，ｂ，Ｃ），那么体数据旋转后要　使该向量转到与ｚ轴平行的位置。旋转方式有两种：　（１）如果先旋转ｘ轴的话，先将体数据绕ｘ轴以顺时针方　向旋转ａｒｃｔａｎ（ｂ／ｃ）度角（如果角度为负数则逆时针旋转）；　然后将体数据绕Ｙ轴顺时针方向旋转ａｒｃｔａｎ（—＝　兰＝＝；＝＝＝）　４ｃ　Ｃ＋ｂ　ｂ　度角。　（２）如果先旋转Ｙ轴的话，先将体数据绕Ｙ轴以顺时针方　向旋转ａｒｃｔａｎ（ａ／Ｃ）度角；然后将体数据绕Ｙ轴以顺时针方向　Ｌ　旋转ａｒｃｔａｎ（—＝＝＝＝兰二＝）度角。　ｃ术ｃ＋ａ木ａ　两种旋转方式实现相同的功能。　对体数据的ｘ轴Ｙ轴进行旋转后，其ｚ轴（水平方向）上的　图像数据即是所要求的法向量上的切片图像。但是这些图像显　示出来可能是偏转的，所以还需要对体数据在ｚ轴方向进行旋　转一定角度。　本方案操作实现过程为：　（１）将体数据的中心位置放置于三维空间的原点上；　（２）生成体数据的面绘制图形；　（３）调节视点位置得到当前观测平面的法向量；　（４）由法向量计算体数据绕ｘ轴Ｙ轴的旋转角度；　（５）将体数据进行旋转，本方案中采用绕ｘ轴旋转，再绕Ｙ　轴旋转；　（６）计算体数据旋转后的ｚ轴切片个数，并将所有系列与　ｚ轴垂直的切片保存至磁盘。　２．３冠／矢状面切片　在医学三维可视化系统中，通常会为用户提供冠／状面切片　来辅助诊断。冠状面图像即冠状截面（Ｙ０Ｚ平面），在医学图像　中通常指与人脸方向（左右方向）平行的平面。矢状面图像即　矢状截面（Ｘ０Ｚ平面），通常是与人体前后方向平行的平面。　平面切片法中求冠状面图像是设置一个与Ｙ０Ｚ平面平行　的切平面来切割体数据，其平面的法向量为（Ｏ，１，Ｏ）或（０，一ｌ，　０）；求矢状面图像是设置一个与Ｘ０Ｚ平面平行的切平茴来切割　体数据，其平面的法向量为（１，０，０）或（一１，０，Ｏ）。　ｚ轴切片法中求冠状面图像是将体数据以Ｙ轴为中心顺时　针／逆时针旋转９Ｏ度，求矢状面图像是将体数据以ｘ轴为中心　顺时针／逆时针旋转９０度。　。　３实验结果　本课题中所采用的原始数据是由苏州大学第一附属医院提　供的５７幅ｃＴ人脑系列断层图像，图像格式为符合ＤＩＣＯＭ３．０　标准的医学图像。系统实现是在Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００／ＸＰ平台下，采　用ＶＣ＋＋６．０和ＶＴＫ混合编程。　第１２期　叶峰等：医学图像三维可视化中任意平面切片的研究与实现　１４３　３．１平面切片法效果分析　图６为三维重建系统中任意平面切片的模块显示。用户首　先打开一系列ＣＴ断层图像，并将其三维重建，如图６中右侧所　示。然后调节三维图形的视点位置，当前视点观测平面的法向　量为（Ｏ．４５１３２３，０．７０１８７６，０．５５１０６９），由此求得体数据绕ｘ轴　以顺时针方向旋转５１．８６度，绕Ｙ轴以逆时针方向旋转２６．８３　度。最后对体数据进行旋转，做ｚ轴切片处理即可以得到一组　该方向上的切片图像。用户可以通过滑块控件选择具体的某一　图１冠状面切片　图２矢状面切片　幅切片图像进行显示。　图１、图２分别为用平面切片法得出的冠状面切片和矢状　面切片。其中半透明的部分是对三维体数据的面绘制图像，一　４结论　个切平面穿过体数据，使得体数据的图像信息映射到该平面上。　图形绘制后，可以对其进行旋转、缩放等简单的图形操作，但并　本文就三维体数据可视化技术中的切片处理方法进行了详　不能动态地调节切片图像的明暗度、对比度或调节切片图像的　细描述，具体讨论了如何使用ＶＴＫ这一可视化工具包实现冠状　窗位、窗宽。图１中的切片图像绘制时间约为５秒左右。　面、矢状面和任意平面切片。难点在于如何设计一种便于用户　操作的方法得到切平面的法向量，以及如何确定Ｘ轴、Ｙ轴旋　转的角度。此外，三维体数据切片处理中另一个重要的研究方　向是对切片图像进行插值处理。本文中所生成的切片图像均采　用线性插值，如何设计出一个合理的插值算法以得到更精确的　切片图像是下一步需要解决的问题。　图３面绘制图形４对体数据任意平面切片　参考文献　图３、图４显示的是对图像任意平面切片的操作处理过程。图　３中为一组体数据的面绘制图形，用鼠标左键改变其视点位置，当　ｆ　１］Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｊ　Ｓｅｈｒｏｅｄｅｒ，Ｋｅｎｎｅｔｈ　Ｍ　Ｍａｒｔｉｎ，Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｅ　Ｌｏｒｅｎｓｅｎ．Ｔｈｅ　Ｄｅ．　ｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ａｎ　Ｏｂｊｅｃｔ・－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ　Ｔｏｏｌｋｉｔ　Ｆｏｒ　３Ｄ　Ｇｒａｐｈ－－　前视点的观测平面法向量为（一０．８５５１１２，０．４５５７９６，０．０９４１３９）。图　ｉｃｓ　Ａｎｄ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ．　４为以该法向量作为切平面法向量，并过体数据中心位置坐标　ｆ　２］Ｓｅｈｒｏｅｄｅｒ　Ｗ，Ｍａｒｔｉｎ　Ｋ，Ｌｏｒｅｎｓｅｎ　Ｂ．Ｔｈｅ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｋｉｔ：Ａｎ　ｏｂ—　点的切片图像。从图３、图４中可见，通过变化视点位置，用观　ｊｅｃｔ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　３Ｄ　ｇｒａｐｈｉｃｓ［Ｍ］．３ｒｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ．ＮｅｗＹｏｒｋ　Ｋｉｔ－　测平面法向量作为切平面法向量的方法可以得到与当视点观测　ｗａｒｅ，Ｉｎｃ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ．２００３．　平面相平行的切片，也就可以得到任意平面的切片图像。　［３］廖琪梅，杭洽时，钱宗才，等．三维医学图像重建的方法与应用．现　３．２　Ｚ轴切片法效果分析　代电子技术，１９９７，３：４１—４２．　［４］唐泽圣．三维数据场可视化［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９９．　（上接第１２６页）　次模糊的供应商综合评估的应用系统，不仅可以帮助企业完成一年　一度的供应商评估使企业可以掌握供应商的实时绩效情况，而且可　以对在册供应商反馈实时信息，并对其进行监控和协同管理。　参考文献　［１］赵晓军，等．供应链绩效评估体系研究现状分析［Ｊ］．商业研究，　图５冠／矢状面图像　２００５（２０）：５９—６３．　图５中显示一组连续的断层ＣＴ图像，并且分别为用ｚ轴　［２］冯晖．供应链系统中供应商的选择和评估［Ｊ］．现代管理科学，　２００４（４）：７５—７６．　切片法得出的冠状面图像和矢状面图像。图中左上角显示的是　原始的断层图像，右上角是冠状面图像，左下角是矢状面图像。　［３］牟锐，等．ＳＣＭ和ＥＲＰ结合下的供应商评估与选择决策模型［Ｊ］．　计算机应用研究，２００４（４）：２３—２５，５７．　图右下角为用户操作控件，可以通过滑块来选择显示序列中的　［４］刘小平，等．供应链绩效评估策略及其指标体系［Ｊ］．管理现代化，　任意一幅切片图像。在图像绘制后也可以用鼠标操作来调节其　２００２（８）：２６—２８，３５．　窗位窗宽，相当于调节图像的明暗度对比度。　［５］林勇，等．供应链管理环境下供应商的综合评价选择研究［Ｊ］．物　流技术，２０００（５）：３０—３２．　［６］章文波．实用数据统计分析及应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版　社，２００６．　［７］章雁．供应商绩效评价指标体系的构建［Ｊ］．商场现代化，２００７　（１１）：３２—３３．　；０　～…一…　ｌｌ　ｌ…　［８］陈春明．供应商选择评价指标体系研究［Ｊ］．学习与探索，２００５　一　：■　（３）：１９７—２０１．　～　、　［９］邱碉．基于供应链的供应商绩效评价［Ｊ］．辽宁石油化工大学学　图６任意平面切片　报，２００７（２７）．　’