鄧惠俊

(萬(wàn)博科技職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,合肥 230031)

面向CT數(shù)據(jù)的3D分割系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧惠俊

(萬(wàn)博科技職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,合肥 230031)

分割模塊是放射治療計(jì)劃系統(tǒng)TPS的核心模塊,但目前多數(shù)TPS系統(tǒng)采用2D分割技術(shù),存在分割過(guò)程復(fù)雜、結(jié)果不精確等問(wèn)題.針對(duì)CT數(shù)據(jù),綜合運(yùn)用多風(fēng)格體繪制、智能傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)、基于筆觸繪制直觀交互等方法,使得用戶通過(guò)豐富的渲染圖像和直觀的交互手段,實(shí)現(xiàn)器官的3D分割.實(shí)驗(yàn)證明,本文方法不僅能提高分割的效率,也能獲得更好的分割效果.

CT;3D分割;體繪制;GPU;人工智能

0 引言

20世紀(jì)50年代初放射外科概念被提出,放射治療已經(jīng)成為治療惡性腫瘤的主要手段之一.放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS:Treatment Planning System)是指利用計(jì)算機(jī)模擬放射治療過(guò)程的軟件系統(tǒng),它被用來(lái)確定放射治療方案的全過(guò)程,是實(shí)現(xiàn)精確放射治療的核心技術(shù)[1].

分割模塊(也稱勾畫(huà)模塊)的作用是從三維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)(由一疊CT/MRI/PET影像切片構(gòu)成)中分割出一系列有意義的子區(qū)域[2],是TPS系統(tǒng)的核心模塊,但目前多數(shù)采用2D分割技術(shù),存在分割過(guò)程復(fù)雜、結(jié)果不精確等問(wèn)題.文獻(xiàn)[3]從市場(chǎng)和技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)3D分割技術(shù)進(jìn)行了充分分析.本系統(tǒng)使用的3D分割技術(shù)是發(fā)展快速、高效的分割系統(tǒng).為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度,本系統(tǒng)采用了GPU編程技術(shù),系統(tǒng)后臺(tái)應(yīng)用核心人工智能算法CUDA(Compute Unified Device Architecture)實(shí)現(xiàn),渲染部分采用CG(C for Graphics)實(shí)現(xiàn),得到了方便移植的渲染模塊.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)針對(duì)TPS系統(tǒng)對(duì)器官的3D 分割需求,基于方便用戶的原則,實(shí)現(xiàn)了多風(fēng)格的體繪制和基于智能技術(shù)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合的應(yīng)用平臺(tái).在對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行多風(fēng)格顯示的基礎(chǔ)上,為用戶提供方便的體數(shù)據(jù)分類功能,并對(duì)選擇后的體數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的繪制顯示.

智能傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)算法是核心算法,算法的質(zhì)量直接影響了用戶輸入處理的結(jié)果和軟件的運(yùn)行速度.為了達(dá)到理想的效果,提高系統(tǒng)的質(zhì)量和運(yùn)行速度,采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能分類算法.

為了保證良好的交互特性,體數(shù)據(jù)的渲染必須滿足實(shí)時(shí)性要求.由于體繪制采用的光線投射算法計(jì)算量大,傳統(tǒng)的CPU編程無(wú)法滿足實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染.隨著可編程GPU的出現(xiàn),GPU的并行計(jì)算能力解決了體繪制的實(shí)時(shí)渲染問(wèn)題.本文實(shí)現(xiàn)了基于GPU的體繪制算法,并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了一個(gè)易移植的體繪制顯示平臺(tái).

為了提高繪制結(jié)果的真實(shí)感,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種風(fēng)格的體繪制效果渲染——基本光照風(fēng)格、散射風(fēng)格、陰影風(fēng)格、球形紋理風(fēng)格等,并針對(duì)這些因素進(jìn)行了大量的工作.

(1)智能傳遞函數(shù)的優(yōu)化算法:本系統(tǒng)中采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks)作為智能優(yōu)化算法對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力,可以預(yù)先提供一些相互對(duì)應(yīng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,掌握兩者之間的潛在規(guī)律,最后根據(jù)這些規(guī)則,計(jì)算出新的輸入數(shù)據(jù)[4].提供交互工具可以在體數(shù)據(jù)切片上對(duì)用戶感興趣和不感興趣的特征進(jìn)行標(biāo)記,并將這些數(shù)據(jù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練.訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)作為分類器實(shí)現(xiàn)整個(gè)體數(shù)據(jù)的分類,從而實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)的自動(dòng)設(shè)計(jì).

(2)體繪制上實(shí)現(xiàn)光照效果:不同于傳統(tǒng)的面片數(shù)據(jù),體數(shù)據(jù)是一堆抽象的數(shù)字信息,其中并不直接包含面信息和法向信息,為了實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)上的光照效果,須要通過(guò)體數(shù)據(jù)的梯度信息替代法向信息計(jì)算光照.本系統(tǒng)采用的是Sobel 3D算子計(jì)算梯度信息,效果良好.在基本光照的基礎(chǔ)上,還實(shí)現(xiàn)了其他多種效果.如添加陰影效果形成陰影風(fēng)格,模擬物體周?chē)沫h(huán)境形成球形紋理風(fēng)格,提供透明風(fēng)格模擬晶瑩剔透的玻璃質(zhì)感等等,最終得到了真實(shí)感較強(qiáng)的各種體繪制效果.

(3)易擴(kuò)展的渲染平臺(tái):通過(guò)對(duì)系統(tǒng)渲染平臺(tái)的功能進(jìn)行分析,為了滿足渲染平臺(tái)的易擴(kuò)展易移植性,設(shè)計(jì)了易擴(kuò)展的平臺(tái)架構(gòu),在此架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了普通光照風(fēng)格、陰影風(fēng)格、球形紋理風(fēng)格等渲染風(fēng)格.面對(duì)我們對(duì)渲染效果的逐步增加,還可能須要添加更多的光照風(fēng)格的效果,基于這種架構(gòu),當(dāng)一種光照效果設(shè)計(jì)出來(lái)后可以根據(jù)需要方便的從渲染平臺(tái)中添加或刪除.

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

一般而言,體系結(jié)構(gòu)是指一個(gè)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,組件和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演化、原則和策略.復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì),在決定系統(tǒng)的成敗上起著非常重要的作用,通過(guò)對(duì)大型系統(tǒng)的抽象級(jí)別上的表示來(lái)提高設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)的理解,支持系統(tǒng)在不同級(jí)別的重用,揭示了系統(tǒng)有可能演化的方向[5].本系統(tǒng)的架構(gòu)數(shù)據(jù)流如圖2-1所示:

圖2-1 面向CT數(shù)據(jù)的3D分割系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

(1)交互平臺(tái):負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)和用戶的交互,它包括顯示平臺(tái)和操作平臺(tái)兩部分.顯示平臺(tái)由體數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)或者處理過(guò)的數(shù)據(jù)加上用戶所選擇的渲染效果進(jìn)行渲染,并顯示出來(lái),是整個(gè)系統(tǒng)的“窗口”.操作平臺(tái)是提供給用戶的交互模塊,用戶利用畫(huà)筆等標(biāo)記工具在顯示區(qū)域進(jìn)行選擇標(biāo)記,標(biāo)記結(jié)果轉(zhuǎn)入后臺(tái)計(jì)算模塊進(jìn)行處理.

(2)人工智能算法:屬于后臺(tái)運(yùn)作,根據(jù)用戶的輸入和數(shù)據(jù)庫(kù)中的體數(shù)據(jù),進(jìn)行用戶的標(biāo)記意圖分析,據(jù)此提取出的輸入數(shù)據(jù),進(jìn)行重新分類計(jì)算,得到新的結(jié)果輸入到渲染平臺(tái),人工智能算法是整個(gè)平臺(tái)的計(jì)算核心.

(3)渲染平臺(tái):負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的繪制顯示,有多種顯示效果的選擇切換功能,根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行不同效果的繪制,并輸出到交互平臺(tái),是整個(gè)系統(tǒng)的可視化“工廠”,其運(yùn)行效率和質(zhì)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的使用有著至關(guān)重要的作用.

(4)體數(shù)據(jù)庫(kù):系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù),負(fù)責(zé)存儲(chǔ)體數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)可直接輸出到渲染平臺(tái),或輸出到人工智能算法平臺(tái),經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算后,再輸出到渲染平臺(tái)進(jìn)行顯示.

圖2-2給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,分為交互模塊、人工智能算法模塊、渲染模塊三部分:

圖2-2 面向CT數(shù)據(jù)的3D分割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1交互分割模塊

交互平臺(tái)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中的交互工作,包括在對(duì)頜骨進(jìn)行骨塊分割和復(fù)位過(guò)程中的各種交互操作.交互平臺(tái)是用戶告訴系統(tǒng)進(jìn)行怎樣處理的接口,用戶通過(guò)對(duì)想要的和不想要的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記,來(lái)達(dá)到和系統(tǒng)交互并得到想要結(jié)果的目的.系統(tǒng)提供了用戶直接在體繪制的頜骨模型上進(jìn)行標(biāo)記的功能,以筆觸作為標(biāo)記方式.用戶標(biāo)記完成后,系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,把圖形上的抽象標(biāo)記轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)以便分割復(fù)位模塊進(jìn)行處理.本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的交互平臺(tái)是為了輔助用戶能夠更好地控制分割、復(fù)位過(guò)程和查看復(fù)位結(jié)果,即分割復(fù)位之前通過(guò)交互控制頜骨模型的縮放和旋轉(zhuǎn)角度,在分割過(guò)程中進(jìn)行分割骨塊面片的選擇和取消,復(fù)位之后通過(guò)縮放和旋轉(zhuǎn)查看復(fù)位細(xì)節(jié)和整體情況.

整個(gè)交互平臺(tái)是以體繪制的可視化為基礎(chǔ)的,使用簡(jiǎn)單易懂的交互方式可以增加使用方便性,本系統(tǒng)借鑒畫(huà)圖軟件的畫(huà)筆功能,交互實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單易用、方便快速,適合醫(yī)務(wù)人員使用,并不需要很高的計(jì)算機(jī)專業(yè)技能就可以上手.另一方面,由于頜骨的復(fù)位屬于醫(yī)療領(lǐng)域,通過(guò)交互地控制,可以將醫(yī)生的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)作為輸入幫助系統(tǒng)更好地分割復(fù)位.

選擇操作:選擇操作是交互操作的基礎(chǔ),利用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)選拖動(dòng)完成,判斷鼠標(biāo)軌跡經(jīng)過(guò)的點(diǎn)坐標(biāo)是否存在于三角面片的內(nèi)部,若在其內(nèi)部則選中該三角面片.

取消操作:類似地,由上述的選擇操作獲得該三角面片對(duì)應(yīng)于頜骨模型中的序號(hào),利用Alt+鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)選拖動(dòng)完成,對(duì)鼠標(biāo)軌跡經(jīng)過(guò)的三角面片進(jìn)行刪除即可.

縮放操作:縮放工作主要通過(guò)鼠標(biāo)滾輪控制頜骨模型的顯示比例,方便查看頜骨模型的細(xì)節(jié),最終根據(jù)縮放比例和面片的坐標(biāo)完成顯示.

旋轉(zhuǎn)操作:主要完成功能為對(duì)頜骨模型的旋轉(zhuǎn)顯示,方便從不同角度查看頜骨模型,通過(guò)利用鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖拽實(shí)現(xiàn)視角的改變.

拖動(dòng)操作:主要完成功能為將頜骨模型移動(dòng)到指定的位置,利用Shift+鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行拖拽實(shí)現(xiàn),利用起始點(diǎn)鼠標(biāo)坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)鼠標(biāo)坐標(biāo)確定平移向量,完成對(duì)頜骨模型的平移.

2.2人工智能算法模塊

人工智能算法模塊是系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的核心模塊,其運(yùn)行效率代表著系統(tǒng)的“智能”程度.本系統(tǒng)選用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能優(yōu)化算法對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì).算法根據(jù)交互模塊得到用戶感興趣和不感興趣的特征數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練.訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)作為分類器實(shí)現(xiàn)整個(gè)體數(shù)據(jù)的分類,從而實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)的自動(dòng)設(shè)計(jì).

由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于計(jì)算密集型算法,計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)影響用戶體驗(yàn).為提高人工智能算法模塊的運(yùn)行速率,本系統(tǒng)采用CUDA在GPU上實(shí)現(xiàn)人工智能算法模塊,利用GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算能力對(duì)該模塊進(jìn)行加速.

2.3渲染模塊

渲染模塊是系統(tǒng)顯示功能的中心,是整個(gè)智能體繪制平臺(tái)的繪制窗口.出于對(duì)真實(shí)感效果的追求,經(jīng)常會(huì)有新的顯示效果出現(xiàn),需要增加到顯示模塊中,因此易添加、易移除、易移植是顯示模塊框架設(shè)計(jì)的核心思想.

渲染模塊的設(shè)計(jì)框架采用面向?qū)ο蟮乃枷?應(yīng)用多態(tài)和抽象基類,在抽象基類中定義了虛方法,各個(gè)子類繼承抽象父類實(shí)現(xiàn)虛方法.在程序架構(gòu)中,只需定義父類的指針,根據(jù)用戶的選擇動(dòng)態(tài)調(diào)用子類方法.如圖2-3的UML類設(shè)計(jì)圖,渲染模塊包含一個(gè)基礎(chǔ)父類RayCasting,RayCasting中包含了光線投射過(guò)程必不可少的成員以及虛方法init()和execute().這里列舉了RayCasting的四個(gè)子類.四個(gè)子類分別實(shí)現(xiàn)四種不同的光照效果.子類們公有繼承父類.并根據(jù)各自要實(shí)現(xiàn)的效果進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛方法init()和execute().

圖2-3 渲染模塊類UML圖

基于這種多態(tài)實(shí)現(xiàn)的框架,當(dāng)有新效果需要加入時(shí),只需加入新效果對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)子類,并給新效果增加編號(hào)即可,基本不需要修改原有代碼.當(dāng)需要?jiǎng)h除某種效果時(shí),只需刪除效果的編號(hào)即可.

3 系統(tǒng)運(yùn)行軟硬件環(huán)境

Windows 10操作系統(tǒng),VS 2005編譯器,機(jī)器配置為Intel E5300 2.6G CPU、2.0G內(nèi)存、NVIDIA GeForce GTS 250顯卡.

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行實(shí)例介紹

4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能體繪制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)后,系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖4-1所示.系統(tǒng)主界面由四部分組成,分別為:菜單欄、常用工具欄、體繪制顯示區(qū)、CT切片顯示區(qū).

圖4-1 系統(tǒng)運(yùn)行界面

體繪制顯示區(qū)如圖4-1所示,場(chǎng)景中是頭顱的三維圖像,此圖像是根據(jù)實(shí)物采樣得到的數(shù)據(jù)重構(gòu)出的,CT切片顯示區(qū)是分別從X、Y、Z三個(gè)方向觀察到的CT切片圖.切片圖是根據(jù)重構(gòu)的數(shù)據(jù)繪制出的灰度圖,通過(guò)CT切片圖下方的滑動(dòng)條可以調(diào)節(jié)當(dāng)前觀察的CT片,如圖4-2所示:

圖4-2 切片圖

常用工具欄中有可供用戶選擇使用的筆觸屬性,如圖4-3從左到右依次是紅筆、藍(lán)筆、橡皮和筆粗,紅筆標(biāo)記代表“需要的部分”,藍(lán)筆標(biāo)記代表“剔除的部分”.

圖4-3 筆觸屬性工具欄 圖4-4 人工智能算法工具欄

選擇了筆的種類和筆粗后用戶就可以在CT切片區(qū)進(jìn)行標(biāo)記了,X、Y、Z三個(gè)方向的切片上均可選擇標(biāo)記,如圖4-5所示,代表剔除皮膚,只顯示頭骨.

圖4-5 標(biāo)記示例圖

4.2運(yùn)行實(shí)例

常用工具欄中的“BP”按鈕代表按照用戶當(dāng)前的標(biāo)記進(jìn)行人工智能算法計(jì)算,如圖4-4所示,“RE”按鈕代表還原.按下圖的BP按鈕后系統(tǒng)人工智能算法平臺(tái)開(kāi)始運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)束后,在顯示區(qū)就會(huì)得到用戶想要的分類后的體繪制效果圖,如圖4-6所示:

圖4-6 頭部標(biāo)記運(yùn)行結(jié)果

圖4-7是三層球形的測(cè)試體數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇后的顯示結(jié)果,可以看出系統(tǒng)的智能傳遞函數(shù)分類的結(jié)果符合用戶需求的正確性和方便性.

(a)測(cè)試數(shù)據(jù)初始圖 (b)只顯示中間一層

(c)剔除中間一層 (b)顯示外面兩層圖4-7 三層球形測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)記運(yùn)算結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

面向CT數(shù)據(jù)的3D分割系統(tǒng)通過(guò)良好的渲染圖像和直觀地交互手段,實(shí)現(xiàn)器官的3D分割.該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括:(1)多風(fēng)格光照的體繪制方法,為用戶提供多種可視化方案選擇,滿足不同領(lǐng)域的可視化需求.(2)智能傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)方法,簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程,將用戶從繁瑣的手動(dòng)調(diào)整過(guò)程中解脫出來(lái),輕松地獲得需要的可視化結(jié)果.(3)GPU實(shí)現(xiàn)體繪制方法以及人工智能算法,利用GPU的并行計(jì)算能力,減少體繪制等復(fù)雜算法的運(yùn)算時(shí)間,提高用戶體驗(yàn).(4)本系統(tǒng)采用了基于筆觸繪制的交互分割方法來(lái)進(jìn)行骨塊分割.系統(tǒng)通過(guò)半自動(dòng)交互的方式克服了全手工分割和全自動(dòng)分割的缺點(diǎn),采用基于筆觸的繪制方式進(jìn)行交互,方便非專業(yè)用戶的使用.本系統(tǒng)采用形狀直徑函數(shù)值作為骨塊分割的依據(jù),利用圖割算法進(jìn)行分割,從而達(dá)到提高骨塊分割的速度和良好分割效果的目的.

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DesignandImplementationof3DSegmentingSystemforCTdata

DENG Hui-jun

(Department of Computer Science and Technology, Wanbo Institute of Sci.& Tech., Hefei 230031, China)

Segmentation module is the core module of TPS (Treatment Planning System).At present, most TPSs make use of 2D segmenting method, which may result in complicated process and inaccurate results.As for CT data, by comprehensively applying various relevant technologies, such as the multi-style volume rendering, design of intelligent transferring function, painting-based interaction, the current research realized intuitive 3D segmentation based on resourceful rendering image and intuitive interaction.The experiment result demonstrated that both segmenting efficiency and effects are improved.

CT; 3D segmentation; Volume rendering; GPU; AI

格式：鄧惠俊.面向CT數(shù)據(jù)的3D分割系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海南熱帶海洋學(xué)院報(bào),2017,24(5):69-75.

2017-04-16

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目 ( KJ2016A751)

鄧惠俊(1978-),女,安徽無(wú)為人, 萬(wàn)博科技職業(yè)學(xué)院副教授,碩士,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)可視化、網(wǎng)絡(luò)安全.

TP391

A

2096-3122(2017) 05-0069-07

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.12

(編校曾福庚)