基于VTK的虛擬心臟切面交互式可視化方法

賈延延，楊 飛，左旺孟，王寬全

(哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院，哈爾濱 150001，wangkq@hit.edu.cn)

基于VTK的虛擬心臟切面交互式可視化方法

賈延延，楊 飛，左旺孟，王寬全

(哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院，哈爾濱 150001，wangkq@hit.edu.cn)

為解決傳統醫學影像技術方向性單一的問題，滿足臨床醫學從不同方位從整體或切面等多角度對器官組織進行觀察分析的需求，提出了心臟核磁共振成像(MRI)數據的體可視化和任意角度切面的可視化方法.基于可視化工具包VTK，在VC6.0開發環境中，運用光線投射算法設計并實現了MRI羊心臟切片數據的三維體繪制，橫斷、冠狀、矢狀位置的標準切片、切面以及任意角度、任意位置切面的繪制技術.通過簡單的鼠標操作就可以實時的對切面進行移動、旋轉、縮放等交互操作.實驗結果表明:該方法有助于醫生從多個方位觀察整體器官組織和切面形態.在疾病預防、醫療診斷、手術方案制定以及術后評價中具有較大的實用價值.

三維可視化;體繪制;光線投射算法;VTK;切面

體繪制(Volume Rendering)［1－2］的探索始于20世紀70年代中期，隨著斷層投影、核磁共振、超聲波等醫學影像技術的產生，體繪制技術在繪制算法、繪制速度和應用等方面都得以長足發展.目前，體繪制領域中的經典算法主要有:Levoy M［3］提 出 的 光 線 投 射 法 (ray casting)，Westover L［4］提出的足跡表法(footprint)，Cameron G、Lacroute P［5］提出的錯切 － 變形法(shearwarp)，以及基于硬件的3D紋理映射法(hardware-assisted 3D texture-mapping)，基于頻域的體繪制法(frequency domain volume rendering)等［6］.本文在核磁共振成像(MRI)的基礎上，運用體繪制算法對羊心臟切片數據進行處理，借助可視化工具包VTK(visualization toolkit)［7］實現心臟數據的三維可視化.直觀地還原了羊心臟原貌，克服了原始MRI影像序列難以從整體角度展現組織器官層次信息和結構特點的弊端，擴展了原有切片數據的方向性，使醫生不僅可以通過鼠標交互觀察任意位置的橫斷、冠狀、矢狀3個標準切面［8］，還可以觀察任意角度、任意部位的虛擬切面.并能對切面進行移動、縮放、旋轉等交互操作，從而幫助醫生做出更加準確的診斷和制定正確的手術方案.

1 體繪制理論與VTK技術

體繪制技術可分為兩類:間接體繪制(Indirect Volume Rendering)和直接體繪制(Direct Volume Rendering).間接體繪制又稱為面繪制(Surface Rendering)［9］，是從三維數據場中抽取有用信息的一種重要手段.該方法通過構造中間幾何圖元，將體數據轉換為一種逼近面表示，進而利用計算機圖形學技術顯示感興趣區域的表面信息.本文所采用的直接體繪制方法無須中間轉換過程，直接對體數據進行明暗處理，合成具有立體感的繪制結果.具有無須進行轉換即可直接進行繪制，保留三維數據場的細節信息，整體繪制質量高的優點.

在體繪制理論的基礎上，借助可視化工具包VTK技術實現羊心臟切片數據的三維可視化.VTK是Kitware公司推出的一個支持多平臺的類庫，它是在三維函數庫OpenGL的基礎上發展起來的，并且具有更強的方便性和靈活性.主要特點為:1)VTK構建在OpenGL圖形類庫的基礎之上，可用于三維圖像處理、計算機圖形學和可視化等領域.2)支持和處理多種格式的數據，如點陣、圖像、體元數據等.3)構造在C++語言之上，支持多種腳本語言如 Java、TCL＆Tk、Python等.4)面向對象的可視化類庫，包含了大量的對象模型(Object Models)，如圖形模型對象(Graphics Models)和可視化模型對象(Visualization Models).5)開源類庫，封裝了圖形圖像和可視化領域內的上百種常用算法，具有強大的生命力.6)采用流水線機制，程序的執行過程可以用流水線清晰的描繪出來.

可視化領域常用的工具包還包括:分割與配準平臺ITK(Insight Segmentation and Registration Toolkit)、醫學影像工具包MITK(Medical Imaging ToolKit)［10］等.ITK僅是一個圖像處理工具包，包括圖像的讀寫、分割、配準、濾波等功能，但不能進行數據的顯示與可視化，也不具備圖像用戶接口.因此，ITK一般要與可視化工具包VTK及MFC、QT等工具配合使用.為集成醫學影像的分割，配準與可視化功能，中國科學院自動化研究所開發了集成化的醫學影像處理與分析類庫MITK，它具有較強的可移植性和代碼優化能力，雖然其三維重建及可視化功能強大但提供的算法不夠豐富.相比之下，VTK具有強大的三維可視化功能和豐富的圖像處理算法，使其在可視化領域得到了廣泛的應用.

2 心臟數據三維可視化及切面顯示

本文所使用實驗數據為352×352×256的Sheep Heart系列羊心臟MRI組織切片數據(http://www9.informatik.uni-erlangen.de/External/vollib/)，該數據集中存在少量由于心臟局部循環阻塞造成的壞死組織，MRI切片圖像示例如圖1所示.實驗開發平臺為Microsoft Visual C++6. 0，VTK版本為 VTK5.0.2.計算機配置為 Pentium(R)4 CPU 3.00 GHz，1.00 GB 內存.

圖1 部分原始羊心臟MRI切片數據

2.1 心臟數據三維可視化

采用體繪制中經典的光線投射算法(Ray Casting)進行心臟數據的三維可視化，基本原理為:從圖像空間的每一像素出發，按視線方向發射一條射線.這條射線穿過三維數據場，沿著這條射線選擇K個等距的采樣點，并由距離某一采樣點最近的8數據點的顏色值和不透明度值作三線性插值，求出該采樣點的顏色值和不透明度值.再將每條射線上各采樣點的顏色值和不透明度值由前向后或由后向前加以合成，即可得到發出該射線的像素點的顏色值［11］.

在VTK中用vtkVolumeRayCastComposite-Function類進行光線投射算法采樣點的累計，算法實現的偽代碼為:

運用光線投射算法進行羊心臟數據的三維可視化，實驗結果如圖2所示，通過鼠標交互可實現心臟的旋轉、縮放和平移等操作.該方法直觀的將系列原始羊心臟MRI二維切片數據還原為三維心臟體，將灰度圖像變換為具有真實感的彩色圖像.從而，不僅提高了人眼對圖像的敏感度和分辨能力，還便于從多方位直觀地觀察心臟的整體形態特征.

圖2 心臟數據三維可視化結果

2.2 切面顯示

2.2.1 心臟標準切面顯示

利用vtkImageReslice類實現心臟數據標準切片的顯示，提取結果如圖3所示，其中圖3(a)～圖3(c)分別顯示了切片方向垂直于x軸、垂直于y軸和垂直于z軸的羊心臟標準方向切片，從而擴展了原始MRI羊心臟切片序列的方向性.

利用vtkPlaneWidget類定義法向量分別沿著x、y、z 3個坐標軸的標準切面，相應顯示橫斷、冠狀、矢狀3個具有重要醫學價值的切面.可以通過鼠標交互控制切平面位置和大小.在切面的平移過程中，被切掉的部分心臟會消失，從而在光線投射算法重建的剩余部分心臟體基礎上，將心臟剖面內部的層次細節和組織結構特征展現出來.該功能實現的偽代碼為:

通過上述方法進行心臟數據標準方向切面的提取，實驗結果如圖4、圖5所示，圖4(a)～圖4(c)和圖5(a)～圖5(c)分別顯示了切面剩余數據的可視化效果和切面的位置.相對于圖3中的切片信息，可以看出圖4中的心臟切面不僅可以體現心臟剖面的表面特征，更能突出心臟剖面內部的層次細節和整體組織形態，真實的還原組織器官原貌，有利于從整體角度觀察心臟內部的組織結構和病變區域，使病灶的觀察和診斷更為直觀和準確.

圖3 心臟數據橫斷、冠狀、矢狀標準切片

圖4 心臟數據橫斷、冠狀、矢狀標準切面

圖5 心臟數據橫斷、冠狀、矢狀標準切面位置

2.2.2 心臟任意切面顯示

橫斷、冠狀、失狀標準切面的顯示為醫生觀察心臟內部組織結構和層次細節提供了方便.然而在實際的診斷中，為了更加準確詳細的觀察患處，任意方位的切面也具有極大的研究價值.本文即在傳統的單方向MRI切片序列基礎之上成功提取了3個標準方向的心臟切片以及切面序列.不僅如此，更進一步利用光線投射算法獲取了任意方位的心臟切面，使得醫生從任意方位對病變組織進行觀察、診治成為現實，從而大幅度提高了診斷的準確性，在最大程度上再次利用了圖像信息.

圖6 心臟數據任意切面

根據上述提出的獲取任意方位虛擬切面的方法進行心臟任意切面顯示實驗.實驗結果如圖6所示.對比圖4、圖5可以看出圖6中顯示了不同位置、不同方向處的心臟切面.可以通過平移、旋轉和縮放等鼠標交互操作，觀察心臟內部任意感興趣區域不同方位的形態特征，全方位的了解病灶區域特點，突破了傳統的醫學影像技術只能從標準方向觀察組織形態的局限性，在標準切面顯示的基礎上進一步擴展觀察方向，全方位剖析心臟組織結構，在最大程度上利用了原始圖像信息，進而更有效的輔助醫學診斷與治療.

3 結論

1)實現了系列羊心臟MRI切片數據的三維可視化，直觀還原了心臟原貌，便于整體觀察心臟形態.

2)實現了心臟標準方向切片及切面的顯示，擴展了原始MRI切片序列的方向性并通過切面及對剩余數據集的可視化從整體角度剖析心臟內部層次信息和組織結構.

3)實現了任意方位切面的顯示，通過對虛擬切面和剩余部分心臟數據進行縮放、平移、旋轉等實時交互操作，使觀察感興趣區域的任意方向、任意位置形態特征成為可能，突破了傳統的醫學影像技術方向性的局限，更有效的輔助醫學診斷，對疾病的防范與治療具有一定積極意義.

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［4］WESTOVER L.Footprint evaluation for volume rendering［C］//Proceedings of the 17th ACM SIGGRAPH International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.Dallas:ACM，1990:367－376.

［5］LACROUTE P，LEVOY M.Fast volume rendering using a shear-warp factorization of the viewing transformation［C］//Proceedings of the 21st ACM SIGGRAPH International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.Florida:ACM，1994:451－458.

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VTK based interactive visualization of virtual heart

JIA Yan-yan，YANG Fei，ZUO Wang-meng，WANG Kuan-quan

(School of Computer Science and Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，wangkq@hit.edu.cn)

To solve the fixed direction problemin traditional medical imaging technologies and satisfy the clinical medicine requirement of observing the organ in term of the whole or sections from different viewpoints，a three dimensional visualization method of the cardiac MRI data to display the whole heart volume and the arbitrary-cut sections is proposed.Using VC6.0 and VTK，the ray casting method is adopted to realize the threedimensional visualization of total and partial cardiac MRI data and the virtual sections from arbitrary viewpoint.Simple interactive operations such as scaling，translation and rotation can be realized in real time.The experimental results show that the presented method can assist doctors to observe the organ tissue and sections from different viewpoints，which is valuable in disease prevention，medical diagnosis，surgical planning and postoperative evaluation.

three-dimensional visualization;volume rendering;Ray-casting;VTK;section

TP391

A

0367－6234(2010)05－0770－05

2009－11－24.

國家自然科學基金資助項目(60872099);國家高技術研究與發展計劃資助項目(2006AA01Z308).

賈延延(1983—)，女，博士研究生;

王寬全(1964—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 張 紅)