張子群，陳 淵

1．復(fù)旦大學(xué)信息化辦公室 (上海，200032)

2．復(fù)旦大學(xué)科技處 (上海，200433)

基于VTK的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)

張子群1，陳 淵2

1．復(fù)旦大學(xué)信息化辦公室 (上海，200032)

2．復(fù)旦大學(xué)科技處 (上海，200433)

醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化可以通過可視化工具包(VTK)提供的API實(shí)現(xiàn)。VTK是醫(yī)學(xué)圖像可視化的開法工具包，它把可視化的算法封裝起來，利用簡單的代碼生成所需圖形?；赩TK的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)闡述了如何借助VTK API讀入二維醫(yī)學(xué)圖像序列、操作二維圖像、重建三維圖像以及進(jìn)行三維圖像可視化的全套方案，為臨床醫(yī)生的診斷、治療提供了有益的途徑。

圖像可視化;可視化工具包;三維重建

0 引言

醫(yī)學(xué)是可視化技術(shù)最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)是醫(yī)學(xué)圖像處理的研究熱點(diǎn)，醫(yī)學(xué)可視化(Medical Visualization)就是利用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)二維斷層圖像序列的讀取，并進(jìn)行一系列的處理和轉(zhuǎn)換，把平面的二維斷層圖像進(jìn)行三維重建，使三維醫(yī)學(xué)圖像直觀立體逼真的顯示在屏幕上，而且可以對三維圖像進(jìn)行交互操作。醫(yī)學(xué)圖像可視化的應(yīng)用使傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診斷所依賴的波形圖、二維截面圖變成更加直觀并可方便操作的三維醫(yī)學(xué)模型，為醫(yī)學(xué)診斷、治療提供一個安全、可靠、準(zhǔn)確的解決途徑。［1］

可視化工具包(Visualization Toolkit，VTK)是醫(yī)學(xué)可視化領(lǐng)域中使用最廣泛的可視化開發(fā)工具，它是William Schroeder，Kenneth Martin，William Lorensen在1993年利用科學(xué)計算可視化圖形庫的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法，設(shè)計和開發(fā)用于三維計算機(jī)圖形、科學(xué)計算可視化圖像處理的C++類庫。VTK是一個源代碼開放的、跨平臺的用于科學(xué)計算可視化處理的類庫。由于VTK的開放性以及在科學(xué)計算可視化尤其是圖像三維重建方面所具有的強(qiáng)大功能，它被世界上很多的研究機(jī)構(gòu)、圖形圖像處理軟件開發(fā)商作為研究計算機(jī)圖形、圖像處理、科學(xué)計算可視化的工具，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件。［2－3］

1 VTK簡介及可視化體系

VTK的所有函數(shù)都封裝在300多個類庫中，而且還在不斷擴(kuò)充中，它把可視化的算法封裝起來，用簡單的代碼生成所需的圖形。VTK還具有很好的流(streaming)和高速緩存(cache)能力，在處理大量的數(shù)據(jù)時不必考慮內(nèi)存資源的限制，這些都使得VTK成為醫(yī)學(xué)圖像可視化開發(fā)的一個較好的選擇。［4］

VTK類庫從對象類型來分，可以分為數(shù)據(jù)對象(Data Object)和可操作對象(Processing Object)兩種。數(shù)據(jù)對象用來表示常用的圖形和圖像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)對象中，以數(shù)組的方式保存對象。其中的數(shù)據(jù)集對象，不僅保存了數(shù)據(jù)，還保存數(shù)據(jù)對象的屬性，如幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、法向量等。可操作對象主要是對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行處理后獲得所需的數(shù)據(jù)，在VTK中將圖形圖像數(shù)據(jù)處理算法封裝后形成的類一般都屬于操作對象。VTK中的可操作對象可以分為三種類型:Sources、Filter和 Mapper。Sources類作為數(shù)據(jù)處理的起始端，它的輸出為數(shù)據(jù)對象，主要功能是提供待處理的數(shù)據(jù)。Filter類對象以一種數(shù)據(jù)對象作為輸入，然后輸出相同或不同的數(shù)據(jù)對象。各種圖形圖像數(shù)據(jù)的處理類都屬于Filter類型。Mapper類對象是圖形、圖像處理的最后一步，它將各種處理結(jié)果合在一起，并對其進(jìn)行渲染顯示，它是連接可視化模型與圖像模型的紐帶，把數(shù)據(jù)對象轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)，然后圖像數(shù)據(jù)被圖像引擎繪制。經(jīng)過濾器處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)入映射器(mapper)，映射器的輸出的幾何像素映射到角色對象(vtkActor)，把角色對象加入到繪制器對象(vtkRenderer)，把繪制器對象加入到繪制窗口(vtkRenderwindow)，繪制窗口通過調(diào)用render() 函數(shù)對三維體進(jìn)行繪制和顯示。［2］、［5］

圖1為VTK的三維數(shù)據(jù)可視化流程與三維數(shù)據(jù)場的可視化流程，他們實(shí)質(zhì)上是相同的。VTK的1、2兩步實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)處理;第3步實(shí)現(xiàn)了可視化映射;第4－7步實(shí)現(xiàn)了對三位體的繪制和顯示。

VTK中包含七百多個這樣的數(shù)據(jù)和可操作對象，使用VTK開發(fā)應(yīng)用程序的關(guān)鍵就是怎樣正確的使用各種操作對象，對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行處理，得到需要的結(jié)果，最后利用合理的對象將其在窗口中繪制出來。

圖1 VTK的可視化的體系結(jié)構(gòu)Fig．1 System framework of VTK visualization

2 VTK的醫(yī)學(xué)圖像可視化實(shí)現(xiàn)

利用VTK可視化工具包開發(fā)完成的醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)，主要運(yùn)用于CT圖像，用來幫助醫(yī)生對采集到的二維圖像序列進(jìn)行三維重建和二維序列圖像的分析，具有三維重建，三維視圖的顯示以及各種基本交互操作等功能?？梢暬到y(tǒng)有數(shù)據(jù)讀取、二維圖像操作、三維重建、三維顯示等功能模塊，如圖2 所示。［6］

圖2 醫(yī)學(xué)圖像三維可視化框架Fig．2 Medical images framework of 3D visualization

2．1 CT圖像數(shù)據(jù)的讀取

此功能主要是提供對CT醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)格式的讀取和存儲，它提供了對DICOM數(shù)據(jù)的讀取和存儲。利用VTK可視化工具包實(shí)現(xiàn)的方法如下:

VTK讀取DICOM格式圖像現(xiàn)有的VTK封裝了可以直接讀取DICOM圖像的C++類VTKDICO-MImageReader，極大地簡化了使用VTK工具包讀取DICOM醫(yī)學(xué)圖像的過程［7］。以下為讀取DICOM序列圖像的代碼:

vtkDICOMImageReader*reader=vtkDICOMImageReader::New();

reader－ ＞SetDataByteOrderToLittleEndian();

reader－＞SetDirectoryName(path);//path為存放圖像的路徑

reader－ ＞Update();

2．2 二維操作

二維操作主要包括以下功能:圖像瀏覽，圖像窗寬窗位調(diào)整，圖像濾波，圖像頻域變換等等。使用者可以通過選擇各種方式閱片，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，為醫(yī)生診斷提供從定性到定量的更客觀的信息。

2．3 醫(yī)學(xué)圖像分割

圖像分割是把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程，實(shí)際上就是把圖像中具有某種特殊涵義的不同區(qū)域區(qū)分出來，這些區(qū)域是互不交互的，每個區(qū)域都滿足特定區(qū)域的一致性。分割是一種不確定問題，至今仍沒有通用的分割方法，這里使用了閾值分割方法進(jìn)行分割。［8］

2．4 三維醫(yī)學(xué)圖像的面繪制

面繪制提供了一種以真實(shí)感的三維圖形來顯示人體內(nèi)部器官的手段，它首先要經(jīng)過不同的閾值設(shè)置，將感興趣的器官提取出來，然后用三維可視化算法生成其表面，再使用圖形學(xué)的方法將其繪制出來。［9］

面繪制方法首先在三維空間數(shù)據(jù)場中構(gòu)造出中間幾何圈元，然后再用傳統(tǒng)的計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維真實(shí)感圖形繪制。在實(shí)現(xiàn)中，采用了移動立方體(Marching cube MC)算法進(jìn)行重建。通過調(diào)整閾值和不透明度的大小，選擇想要觀察的區(qū)域。通過調(diào)整閾值，可以觀察不同的組織。［10］

在VTK中，vtkMarchingCube類實(shí)現(xiàn)這一算法，代碼如下:

vtkMarchingCubes*contour=vtkMarchingCubes::New();//vtkMarchingCube類抽取等值面(生成三角面片)

contour－ ＞SetInput(Reader－ ＞GetOutput());//設(shè)置輸入圖像序列數(shù)據(jù);

contour－ ＞SetValue(0，－700);//設(shè)置抽取的組織輪廓線灰度值。

用vtkDecimate類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格中等值面(三角面片)的消減，減少了繪制的三角面片的數(shù)量，從而提高了繪制速度，增加可視化實(shí)時性;用vtkSmooth-PolyDataFilter類實(shí)現(xiàn)重建數(shù)據(jù)的平滑處理功能。

2．5 三維醫(yī)學(xué)圖像的體繪制

體繪制也是一種三維顯示的手段，但是與面繪制不同，它不需要經(jīng)過等值面提取這一步驟，而是直接將體數(shù)據(jù)里面所有的器官同時顯示出來，用傳遞函數(shù)來控制顯示的效果，它可以直觀地反映出整個數(shù)據(jù)場的全貌。本系統(tǒng)同時提供了在三維視窗中對重建結(jié)果進(jìn)行必要的三維交互操作，如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等功能，從而可以清楚地看到單個組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。［10］

在VTK中，三維重建體繪制實(shí)現(xiàn)主要是指定顏色值、透明度和像素值的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)主要有兩類:透明度傳遞函數(shù)VTKPieceWiseFunction，設(shè)置透明度和像素值的映射;顏色傳遞函數(shù)VTKColor-TransferFunction，設(shè)置顏色值和像素值的映射。將這兩個函數(shù)作為屬性加到體數(shù)據(jù)中，使用光線追蹤方法進(jìn)行重建，代碼如下:

VTKPiecewiseFunction*opacity=VTK

PiecewiseFunction::New();

opacity－ ＞AddPoint(195，0);

opacity－ ＞AddPoint(200，0．2);

VTKColorTransferFunction*color=VTKColor

TransferFunction::NewO;

color一 ＞ AddRGBPoint(0．0，0．5，0．0，0．0);

color一 ＞ AddRGBPoint(200，1．0，0．5，0．5);

vtkVolumeProperty*property=vtkVolume

Property::New();

property一＞SetOpacity(opacity);

property一＞SetColor(color);

vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction*function

=vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction::New();

function一＞SetIsoValue(20);

3 VTK三維可視化的結(jié)果

圖3是讀入二維圖像，對二維圖像瀏覽可以通過選擇各種方式閱片，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，為醫(yī)生診斷提供更客觀的幫助信息。

圖4是對二維圖像的三維重建，并實(shí)現(xiàn)三維圖像的可視化，使三維醫(yī)學(xué)圖像直觀立體逼真的顯示在屏幕上，利用三維醫(yī)學(xué)模型，為醫(yī)學(xué)診斷、治療提供一個更為直觀的解決方法。

圖3 頭顱骨的二維顯示Fig．3 Visualization of 2D skull

圖4 頭顱骨的三維重建及顯示Fig．4 3D reconstruction and visualization of skull

4 結(jié)束語

醫(yī)學(xué)圖像三維可視化，為醫(yī)生提供了一個直觀、精確的模型?；谶@個模型，醫(yī)生不僅可以精確地獲取骨骼的空間位置、大小、形狀等信息，還可以進(jìn)行手術(shù)計劃和手術(shù)模擬，提高醫(yī)生的診斷效率，減少誤診漏診。因此，醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化技術(shù)無論在臨床應(yīng)用方面還是在理論研究方都具有重大的意義。

［1］B．H ．McCormick，T．A ．DeFanti，M ．D ．Brown．Visualization in scientific computing．ACM SIGGRAPH［C］．New York，USA．1987:1 －14．

［2］ Lisa Avila，Kenneth Martin，William Schroeder，ere．The VTK User＇s Guide［M］．Kitware Inc，2003:3 －32．

［3］ Ackerman，M．J．The visible human project，medicine meets virtual reality II［C］．interactive technology and healthcare:5－7

［4］VTK Website［EB/OL］．http://www．vtk．org

［5］William Schroeder，Kenneth Martin，Bill Lorensen．The Visualization Toolkit－An Object－oriented To 3D Graphics(Third Edition)［M］．Kitware Inc，2002:37 －135

［6］鐘海波，余偉巍，喜平，等．基于VTK的醫(yī)學(xué)三維圖像模型構(gòu)建與切割［J］．工程圖學(xué)學(xué)報，2010，4:94 －98．

［7］杜俊俐，黃心漢，郭清宇．醫(yī)學(xué)圖像三維重建及實(shí)時性研究［J］．計算機(jī)工程于應(yīng)用，2006，43(19):206 －209．

［8］羅火靈，許永忠，陳世仲．基于VTK和MFC的醫(yī)學(xué)圖像三維重建研究與實(shí)現(xiàn)［J］．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2010，31(1):23－28．

［9］周振環(huán)，伍云智，趙明．醫(yī)學(xué)圖像編程技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010:185－204．

［10］陳家新．醫(yī)學(xué)圖像處理及三維重建技術(shù)研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2010:157 －188．

3D Visualization System of Medical Images Based on VTK

Zhang Ziqun1，Chen Yuan2
1．Informatization Office of Fudan University Shanghai 200032
2．Division of Science ＆ Technology，F(xiàn)udan University Shanghai 200433)

3D visualization of medical images can be implemented by VTK(Visualization Toolkit)．VTK encapsulates algorithm for visualization，enabling simple program code to generate required image．VTK －based medical image visualization system includes protocols for reading of 2－D medical image arrays，manipulation of 2－D images，reconstruction of 3－D images and visualization of 3－D images，facilitating clinical diagnosis and treatment．

visualization images，VTK，3－D reconstruction

TP37

A

1674－1242(2011)03－0130－04

10．3969/j．issn．1674 －1242．2011．03．002

2008年下一代互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)試商用及設(shè)備產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)教育科研基礎(chǔ)設(shè)施IPv6技術(shù)升級和應(yīng)用示范項(xiàng)目(編號:CNGI2008－123)

張子群(1971－)，男，博士研究生，工程師，主要從事醫(yī)學(xué)三維重建方面的研究。E－mail:zhangziqun@fudan．edu．cn

2011－06－02)