【作 者】孫少平，楊開(kāi)泰，李斌，李元俊，梁靜

玉溪市人民醫(yī)院，玉溪市，653100

0 前言

目前，醫(yī)學(xué)圖像三維交互式切割技術(shù)的研究是醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，同時(shí)它也是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。需要利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、科學(xué)計(jì)算可視化和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，在醫(yī)學(xué)圖像后處理領(lǐng)域有重要的意義[1]。

利用三維可視化技術(shù)重建出醫(yī)學(xué)圖像的三維模型，通常只能觀察到三維物體表面的形狀、結(jié)構(gòu)和信息，而無(wú)法觀察到內(nèi)部的詳細(xì)信息。醫(yī)生往往關(guān)心的是三維重建物體內(nèi)部的醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)信息，而內(nèi)部物體往往被外部的目標(biāo)遮擋?。ㄈ缒I、肝等器官被皮膚和骨骼遮蓋）。

基于上述原因，該文提出三維交互式切割方法，通過(guò)交互式操作，可以對(duì)任意方位的三維空間數(shù)據(jù)切片和重建后的三維物體進(jìn)行交互式觀察和操作，方便診斷，提高診斷的準(zhǔn)確性。

1 任意方位的三維切片數(shù)據(jù)交互式切割

在醫(yī)學(xué)圖像三維可視化處理中往往涉及到最佳層面圖像的顯示問(wèn)題，即根據(jù)感興趣組織的位置和方向以及與周圍組織結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系來(lái)確定最能滿足臨床應(yīng)用需求的斷層序列圖像[2]。該文提出采用“三維交互式切割”方法對(duì)醫(yī)學(xué)圖像序列組成的三維切片數(shù)據(jù)空間進(jìn)行交互式切割，提取數(shù)據(jù)場(chǎng)中具有診斷意義的斷面，并對(duì)此斷面圖像進(jìn)行交互式操作，方便醫(yī)生觀察三維空間數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)以及與各個(gè)組織、器官之間的空間關(guān)系，充分利用三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的信息，具有較強(qiáng)的診斷價(jià)值。

1.1 正交平面切割原理及方法

正交平面切割方法是沿著X、Y和Z軸方向，設(shè)置某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，用垂直于三個(gè)坐標(biāo)軸的平面切割三維空間體數(shù)據(jù)，從而形成三個(gè)相互正交的斷面圖像，即醫(yī)學(xué)上常說(shuō)的具有診斷意義的橫截面、冠狀面、矢狀面。通過(guò)人機(jī)交互方式控制三個(gè)正交面進(jìn)行交互式提取和顯示切面圖像。

1.2 任意角度平面切割原理和方法

利用正交面對(duì)三維空間切片數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行交互式提取和顯示，只能提取和顯示三個(gè)正交面上的信息。如果需要顯示非正交面的信息，則該方法不能滿足實(shí)際需求。任意角度平面顯示需要在三維立體空間中定義一個(gè)任意方位的平面，通過(guò)定義該平面的法向量和內(nèi)點(diǎn)來(lái)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像切片數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維立體空間進(jìn)行任意角度的平面切割并獲得切割面的圖像信息，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示相關(guān)的圖像信息[3]。這種方法只要在三維空間中給定平面上的一個(gè)點(diǎn)p(x0,y0,z0)以及該平面的法向量n=(a1,a2,a3)，由平面的點(diǎn)法式方程可知，該平面的方程滿足式(1)。

因此，要獲取三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)中某一角度和部位的虛擬平面，只需要確定該平面的法向量和平面上的一點(diǎn)即可。在三維空間中，任意平面的單位法向量均可由該平面的方向角α，β，γ確定，其中，0≤α≤ π，0 ≤ β≤π，0≤γ≤π。定義三維坐標(biāo)系原點(diǎn)為o，則向量op的方向余弦為：cosα、cosβ、cosγ。則由式(2)可計(jì)算出法向量n=(a1,a2,a3)的值。

通過(guò)式(1)和(2)即可確定虛擬平面的法向量和內(nèi)點(diǎn)。為了獲取沿法向量的其他切面圖像，只需要沿法向量方向移動(dòng)初始平面即可。若設(shè)為沿法向量方向移動(dòng)的距離，當(dāng)取負(fù)值時(shí)表示沿n的反向移動(dòng)。令p'(x',y',z' )表示平移后的虛擬切片中的p(x0,y0,z0)點(diǎn)，則可通過(guò)式(3)求得移動(dòng)后的點(diǎn)p'(x',y',z')的值。同時(shí)，也可以通過(guò)人機(jī)交互方式改變所定義的平面內(nèi)的法向量和內(nèi)點(diǎn)位置來(lái)實(shí)時(shí)切割三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)并同步顯示切割平面的圖像信息。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文基于可視化工具包VTK[4]進(jìn)行正交平面和任意角度平面的三維切片交互式切割，并將切割面的圖像實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示。實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)為頭部標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式的CT圖像序列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：圖1(a)為CT切片序列圖像；圖1(b)中左上角為1(a)中圖像序列形成的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)，右上角為橫截面圖，左下角為冠狀面圖，右下角為矢狀面圖；圖1(c)中左上角為圖像序列形成的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)，其余三幅圖像均為不同角度切割平面圖像。圖1(b)和1(c)均通過(guò)交互式調(diào)節(jié)窗寬和窗位的數(shù)值來(lái)突顯不同的組織和器官部位，具有較強(qiáng)的臨床診斷價(jià)值，醫(yī)生可以從不同的角度對(duì)其進(jìn)行交互式觀察。同時(shí)，也可對(duì)上述圖像進(jìn)行放大、平移、旋轉(zhuǎn)等交互式操作，方便醫(yī)生進(jìn)行定性和定量分析，提高診斷效率和準(zhǔn)確度。

圖1 三維切片交互式切割結(jié)果Fig.1 The results of interactive clipping for 3D cross-section images

2 三維重建體交互式切割

由于三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)具有一定的層次感，在實(shí)際觀察中三維可視化后的圖像內(nèi)部組織和器官通常會(huì)被皮膚和骨骼等外部信息所遮擋，無(wú)法看到三維重建體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息[5]。本文提出“三維交互式切割”即“六面體切割”和“任意角度切割”方法對(duì)重建后的三維圖像進(jìn)行交互式切割，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示三維重建體內(nèi)部的圖像信息。比起傳統(tǒng)的單純依靠調(diào)節(jié)皮膚和骨骼等外表面的不透明度和灰度等數(shù)值來(lái)顯示內(nèi)部信息，此方法具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和交互性[3]。

2.1 三維重建體交互式切割原理和方法

三維重建體的交互式切割，通常需要在三維空間中定義兩個(gè)模型。一種是在場(chǎng)景中用于顯示實(shí)體的Data模型，另一種是對(duì)三維物體進(jìn)行操作的Widget模型。對(duì)三維重建體進(jìn)行交互動(dòng)作必須要通過(guò)處于三維場(chǎng)景中的Widget模型作用于Data模型[6]。本文基于三維可視化工具包VTK在屏幕上創(chuàng)建一個(gè)立方體空間和可以交互式放置的任意角度平面，此立方體空間的六個(gè)表面和任意角度平面以及它們的中心點(diǎn)都能通過(guò)鼠標(biāo)或者其他操作對(duì)其進(jìn)行交互式操作。通過(guò)這個(gè)六面體和任意角度平面直接對(duì)三維空間的物體進(jìn)行交互式切割。其基本流程如圖2所示。

圖2 六面體/任意角度平面切割重建物流程Fig.2 Flow chart of hexahedron/arbitrary-orienting clipping plane for 3D reconstructed image

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文基于三維可視化工具包VTK進(jìn)行六面體和任意角度平面的三維重建體交互式切割，并同步將切割的圖像實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示。實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)為重建后的MRI三維腦部立體圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 三維重建體交互式切割結(jié)果Fig.3 The results of interactive clipping for 3D reconstructed image

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：圖3(a)為MRI腦部序列切片圖像；圖3(b)為圖3(a)切片圖像的三維重建體；圖3(c)和3(d)分別是通過(guò)“六面體切割”和“任意角度切割”方法對(duì)圖3(b)處理的結(jié)果。在圖3(c)所在的三維空間，定義六個(gè)小物體，其中每個(gè)物體都代表一個(gè)平面，通過(guò)點(diǎn)擊移動(dòng)每個(gè)平面上的小物體，此物體所在的平面也會(huì)隨著物體的移動(dòng)而移動(dòng)，從而達(dá)到六面體切割三維空間體數(shù)據(jù)的目的。通過(guò)上述方法即可觀察到重建體內(nèi)部六面方位的信息，具有較高的臨床診斷和分析價(jià)值。在圖3(d)所在的三維空間中，同樣定義一個(gè)小圓錐體和一個(gè)小球體，其中小圓錐體可以控制空間中平面的法向方向，小球體可以控制平面切割體數(shù)據(jù)的位置。通過(guò)控制小圓錐體和小球體的方位，達(dá)到任意角度平面切割空間體數(shù)據(jù)的目的。通過(guò)上述方法即可觀察到重建體內(nèi)部任意方位的信息，具有較高的臨床價(jià)值。

3 結(jié)論

本文采用“三維交互式切割”方法對(duì)醫(yī)學(xué)圖像序列組成的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行交互式切割、提取和顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表現(xiàn)出感興趣組織結(jié)構(gòu)在層間的變化，增強(qiáng)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)的視覺(jué)感知能力；同時(shí)采用“六面體和任意角度平面切割”方法對(duì)MRI圖像重建后三維立體進(jìn)行交互式切割，以便觀察重建體內(nèi)的結(jié)構(gòu)信息，解決了三維重建體繪制本身的缺陷，具有較高的臨床實(shí)用價(jià)值。

[1]胡戰(zhàn)利.基于VTK的醫(yī)學(xué)圖像三維重建及交互研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2008.

[2]嚴(yán)華剛,付璇,錢雅君,等.基于VTK的任意平面CT圖像二維交互分割初步研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2010,25(5): 21-23.

[3]周振環(huán),王安明,王京陽(yáng),等.基于VTK三維可視化編程[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,6(3): 10-14.

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[5]李嘉,胡懷中,胡軍,等.可視化三維圖形庫(kù)Visualization ToolKit3.2的原理及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,21(2):5-6,29.

[6]孫少平.醫(yī)學(xué)圖像三維可視化及交互式切割研究[D].昆明理工大學(xué),2012.