基于DT-MRI數據的心肌纖維可視化及分析系統研究與實現

摘 要： 核磁共振彌散張量成像（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｔｅｎｓｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ＤＴ－ＭＲＩ）是近年來提出的一項新的醫學影像技術。通過利用核磁共振技術測量細胞內多個方向上水分子彌散運動的特征，可以全面充分研究活體組織微細結構。基于犬心室的ＤＴ－ＭＲＩ數據集開展了三維心肌纖維結構的可視化方法及其可視化系統設計與實現的研究。首先利用閾值濾波、中值濾波和鄰域平均法對原始ＤＴ－ＭＲＩ數據進行去噪預處理，然后利用體繪制技術、圖元顯示法和纖維跟蹤法對犬心室的ＤＴ－ＭＲＩ數據進行可視化。最后對基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化應用進行了詳細的需求分析和系統設計，基于ＶＴＫ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌｋｉｔ）實現一個ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化和分析系統。實驗結果表明該系統具有良好的交互性，為研究心臟結構提供了一個有力可視化工具。

關鍵詞：

中圖分類號： ＴＰ３９１．９ 文獻標識碼： Ａ 文章編號：２０９５－２１６３（２０１１）０３－０００４－０５

Ｔｈｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｙｏｃａｒｄｉｕｍ Ｆｉｂｅｒ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＴ－ＭＲＩ Ｄａｔａ

ＫＯＮＧ Ｓｈｕｈａｎ ＹＵＡＮ Ｙｏｎｇｆｅｎｇ ＷＡＮＧ Ｋｕａｎｑｕａｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ: Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DT-MRI) is a new medical imaging technique recently. It uses nuclear magnetic resonance to measure multi-directions water molecules diffusion at same time， and can study the living tissue's fine structure. This paper uses the canines' myocardium fiber data based on DT-MRI to study the visualization methods and designs and implements the visualization system. First， this paper uses threshold filter， median filter and neighborhood averaging to eliminate noise from the raw DT-MRI data. Then， this paper uses volume rendering， glyph rendering and streamline tracking to visualize canine's myocardium fiber based on DT-MRI data. At last， this paper carries out a detailed requirement analysis and system design of the application of myocardium fiber visualization based on DT-MRI Data. Furthermore， it uses the VTK to implement the system of myocardium fiber visualization and analysis based on DT-MRI data. The result shows the system implements the user data exchange and provides a strong visualization tool for the research of heart structure.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:

０ 引言

心臟是人體最重要的功能器官之一。近年來，心臟疾病已成為人類健康的重要威脅。心肌纖維的收縮力與舒張力和心臟的泵血功能有著密切的聯系。心肌纖維結構的改變會導致心律失常、心力衰竭等癥狀，更加嚴重的會導致人的猝死。因此，建立精細的心肌纖維走向模型對研究心臟解剖結構以及心臟病的診斷和治療具有重大意義。

核磁共振彌散張量成像是近年來提出的一項新的醫學影像技術。通過利用核磁共振技術測量細胞內多個方向上水分子彌散運動的特征，可以全面充分研究活體組織微細結構，在活體組織精細結構研究中具有其他技術無法相比的優點。

ＤＴ－ＭＲＩ技術已經應用于腦白質神經走向的重建[１－４]，但對于心肌纖維走向重建還處于初步階段，相關文獻較少、缺少系統性研究。因此，本文基于犬心室的ＤＴ－ＭＲＩ數據集開展了三維心肌纖維結構的可視化方法及其可視化系統設計與實現的研究。首先，本文簡單介紹與心肌纖維可視化相關的技術，著重介紹了三種可視化算法：光線投射算法、圖元顯示法和纖維跟蹤法。然后，進行詳細的系統需求分析和系統設計。最后，采用ＶＴＫ技術和Ｑｔ語言實現了該系統，并應用于基于犬心室的ＤＴ－ＭＲＩ數據集的心肌纖維可視化研究中。

１ 基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化及分析系

統實現的關鍵技術

１．１ 數據預處理

本文所采用的原始心肌纖維數據帶有噪聲，如果采用原始數據進行心肌纖維可視化會導致心肌纖維走向嚴重偏離原始走向，因此首先需要對原始心肌纖維數據集進行噪聲濾除處理。從原始數據集的強度值分布情況進行分析：噪聲數據的強度值普遍比非噪聲數據的強度值低。根據這一特點，本文首先采用計算量小而且效果明顯的閾值濾波方法，對強度值進行二值化，生成０－１二值噪聲數據，然后采用中值濾波和鄰域平均法對０－１二值噪聲數據進行進一步去噪處理。

中值濾波就是用一個含有奇數個像素的窗口在０－１二值噪聲數據中進行滑動，用窗口內的各個像素的中值代替窗口中心點的值。中值濾波器的主要功能是消除閾值濾波時由于閾值取值過小而導致的孤立噪聲點，而對于邊緣數據點則予以保留。

鄰域平均法是對原始數據中的每個像素點（ｘ，ｙ）取一個鄰域Ｒ，計算Ｒ中所有像素和該點的灰度平均值，將其賦給輸出圖像中的對應點。本文所采用的鄰域平均法共有四種模板，如圖１所示。

１．２ 可視化算法

１．２．１ 光線投射算法

１９８８年，Ｌｅｖｏｙ[５]提出的光線投射算法是體繪制技術中的經典算法。該算法得到的圖像質量較高，效果較好[６]。該算法屬于以圖像空間為序的體繪制算法，所以該算法是對屏幕上的每個像素點進行遍歷。圖２為光線投射算法的示意圖。從該圖可知，光線投射算法的基本原理是：沿著設定的視點的方向，從屏幕上的每個像素點發出一條穿過整個三維數據場的射線。按照一定的原則在射線上選取若干個采樣點。每個采樣點的光學信息是由距離該采樣點最近的八個體素的光學信息做三線性插值計算得到。然后對同一射線上的每個采樣的光學信息進行合成，進而計算出屏幕上的像素點的顏色值。

１．２．２ 圖元顯示法

圖元顯示就是利用離散的圖元表達擴散張量的大小、方向等信息。本文利用橢球體、立方體和箭頭三種圖元對基于ＤＴ－ＭＲＩ的心肌纖維水平切面數據進行可視化。將該切片上每一個體素的擴散張量的三個特征值映射到橢球體的三個主半徑上，而橢球體的三個主軸方向則由擴散張量的三個特征向量決定。立方體的映射機制和橢球體相同，所以立方體也能很好地表現張量數據的內部信息。箭頭作為圖元只反應擴散張量的主特征向量方向，效果清晰、直觀，而且采用箭頭作為圖元進行張量信息可視化時，運行速度較橢球體或立方體快，實時性好。所以采用箭頭作為圖元對于僅對擴散的主特征向量方向感興趣的學者提供了方便。

橢球體和立方體的形狀都能表示擴散的各向異性程度，但是由于視角的關系，圖元形狀很難進行直觀地判斷，因此每個體素的各向異性程度同樣也不能很好地分辨出來。為了解決這一問題，本文采用顏色編碼法將各向異性測度映射為圖元的顏色，通過顏色來表達各向異性信息。將相對各向異性（ＲＡ）、部分各向異性（ＦＡ）、各向異性重心空間測度（Ｃｌ、Ｃｐ、Ｃｓ）三種各向異性測度作為顏色映射的索引。

１．２．３ 流線跟蹤法

流線跟蹤法（Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ＳＴＴ）認為擴散張量的最大特征值所對應的最大特征向量方向為水分子的主擴散方向，即纖維束走行方向。流線跟蹤法須手動選取初始體素作為纖維的初始點。假定ｔ＝０時，水分子位于初始點，經過ｄｔ時間后，水分子的位移可由公式（１）表示：

則經過較長時間后，水分子的運動軌跡可由公式（２）表示：

由于擴散張量場是離散的，因此可用一階歐拉方法對公式（２）進行求解，如公式（３）所示：

這樣就定義了自起始點以后水分子的運動軌跡，即纖維的運動軌跡。圖３為流線跟蹤算法示意圖[７]。其中，短箭頭表示各個體素的最大特征向量，細長箭頭表示從某一個特定的初始體素開始跟蹤的纖維結果。

２ 系統需求分析

２．１ 系統需求概述

基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化及分析系統為用戶提供一個信息交互與可視化成果展示的平臺。該系統基于犬心室的心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據，利用可視化技術重建心肌纖維三維結構。當用戶提供給系統ＤＴ－ＭＲＩ數據時，用戶要求系統首先對數據進行預處理，去除噪聲。然后利用可視化算法對ＤＴ－ＭＲＩ數據進行可視化，通過用戶交互界面，用戶向系統傳遞可視化算法的參數，通過參數的改變來實時改變可視化的效果。最后對用戶自定義的感興趣區域中的多根纖維進行繪制，并且分析結果。

２．２ 功能性需求分析

通過對可視化系統的業務流程的分析，將本系統劃分為噪聲濾除、體繪制、圖元顯示、纖維跟蹤和纖維跟蹤結果分析這五個功能模塊，如圖４所示。

（１）噪聲濾除模塊：利用閾值濾波產生０－１二值噪聲數據，采用中值濾波和鄰域平均法進一步對０－１二值噪聲數據去噪。最后利用０－１二值噪聲數據對原始數據集進行去噪，消除由噪聲數據引起的可視化結果的偏差。

（２）體繪制模塊：采用光線投射算法對心肌纖維數據的強度值進行可視化，從而預覽整體三維數據。用戶通過改變顏色傳遞函數和不透明度傳遞函數來實時改變體繪制效果。系統對強度值進行統計，為用戶設定傳遞函數提供依據。在體繪制模塊中，用戶還可觀察二維切片數據，包括冠狀位視圖、矢狀位視圖和軸狀位視圖。

（３）圖元顯示模塊：根據用戶指定的切片數據，采用圖元顯示法對犬心室心肌纖維切片數據的張量值進行可視化，展現切片數據中的擴散張量所包含的信息，并利用顏色信息表示各向異性程度。圖元的類型包括橢球體、立方體和箭頭，通過設置其各自的參數改變圖元形狀。用戶通過設定圖元參數以改變繪制結果。將各向異性測度，包括部分各向異性（ＦＡ）、相對各向異性（ＲＡ）和各向異性重心空間測度作為索引，映射到ＲＧＢ顏色模型中，通過顏色展現各向異性信息。

（４）纖維跟蹤模塊：根據用戶提供的參數對整體心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據采用流線跟蹤法進行可視化。該模塊可以再現完整的心肌纖維走向。在該模塊中，用戶通過改變流線積分時的積分參數，包括積分步長、最大流線長度和積分停止條件等改變纖維跟蹤結果，再將跟蹤到的體素連接起來，利用流線的形式展現纖維走向。用戶可以通過該模塊觀察、分析心肌纖維的整體走向趨勢。

（５）纖維跟蹤結果分析模塊：結合圖元顯示法和纖維跟蹤法，在用戶自定義的感興趣區對多根纖維進行繪制。該模塊彌補了纖維跟蹤模塊中只能對整體纖維走向趨勢進行觀察分析的缺點，用戶可將系統反饋的纖維初始點的最大特征向量和各向異性測度等數據以及纖維跟蹤結果進行比較、分析，以判斷纖維方向和纖維跟蹤結果。

３ 系統設計及應用

基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化及分析系統主要針對犬心室心肌纖維的ＤＴ－ＭＲＩ數據，包括心肌纖維的強度值和擴散張量進行可視化。該系統的實現涉及數據預處理方法，包括閾值濾波、中值濾波和鄰域平均法；ＤＴ－ＭＲＩ可視化技術，包括對心肌纖維強度值進行可視化的光線投射算法和對擴散張量進行可視化的圖元顯示法和纖維跟蹤法，系統示意圖如圖５所示。

３．１ 系統總體架構

將基于ＤＴ－ＭＲ數據的心肌纖維可視化及分析系統分為四層，可以更好地理解其內部邏輯。圖６為基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化及分析系統的總體架構圖。

最底層為數據層。數據層提供本系統所需要的數據，包括原始犬心室心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據和心肌纖維０－１二值噪聲數據。

第二層為數據處理層，包括對心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據的去噪處理和心肌纖維數據的標量設置。由于原始犬心室心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據帶有噪聲，因此需要對其進行噪聲濾除，消除由于噪聲數據導致的可視化結果的偏差。

心肌纖維數據中標量值在本系統中起著至關重要的作用。體繪制時須采用強度值進行顏色傳遞函數和不透明度傳遞函數的設置；圖元顯示時，需要將各向異性測度值映射到ＲＧＢ顏色模型，通過顏色表達擴散張量的各向異性程度；纖維跟蹤時需要將體素的最大特征向量映射為顏色，通過顏色表達流線方向。數據處理層中的心肌纖維標量設置就是指在強度值和表現各向異性程度的標量測度及最大特征向量之間的轉換。

第三層為本系統最關鍵的技術：體繪制、圖元顯示和纖維跟蹤三種可視化方法。該層使用底層數據進行可視化，將可視化結果顯示在系統界面中供用戶觀察分析。該層還和上層系統界面進行交互，從系統界面中得到用戶提供的可視化參數改變可視化結果。

第四層為系統界面。用戶可以通過系統界面觀察分析可視化結果，也可以手動設置可視化參數，以觀察各個參數對可視化結果的影響。

３．２ 系統應用

本文采用規模為２５６×２５６×１０７的三維犬心室心肌纖維數據。圖７（ａ）為此數據集的第５３層切片數據的圖元可視化結果，表明該數據中包含大量非心肌纖維數據，即噪聲數據。為了防止該噪聲數據導致心肌纖維走向嚴重偏離原始走向，因此需要對原始心肌纖維數據集進行噪聲濾除處理。圖７（ｂ）為閾值濾波處理后的５３層切片數據的可視化結果，表明閾值濾波方法能夠簡單有效地濾除大量噪聲，只剩下少量孤立噪聲數據。因此繼續采用中值濾波和鄰域平均法對纖維進行去噪處理。圖７（ｃ）、圖７（ｄ）為中值濾波和鄰域平均法處理后的結果。圖７（ｃ）、圖７（ｄ）表明經過上述三種濾波處理后，噪聲數據基本被濾除。

對心肌纖維數據進行預處理后，采用體繪制技術對該數據中的強度值進行可視化，從而預覽整體三維體數據。通過不透明度傳遞函數和顏色傳遞函數的改變，實時改變體繪制結果。

圖８為體繪制模塊用戶交互界面，該界面包括體繪制控制界面和體繪制結果顯示界面。其中，控制界面提供對傳遞函數的設置和數據統計信息的顯示。對強度值進行統計是為了給用戶提供設置傳遞函數的依據，通過對傳遞函數進行設置，則可以改變體繪制結果。在繪制窗口中除了顯示體繪制結果，還可以對二維切片數據進行選擇并顯示。

體繪制技術對心肌纖維數據中的強度值進行可視化，圖元顯示法和纖維跟蹤法對ＤＴ－ＭＲＩ數據進行可視化。

圖９為圖元繪制模塊用戶交互界面，該界面為用戶提供切片數據選擇功能和圖元參數信息的設置功能。圖元顏色映射方式通過單選框選擇，圖元類型通過屬性頁的方式設置。每種圖元類型都對應各自的參數，在屬性頁中設置每種類型的參數。界面右側為圖元繪制結果。

圖１０和圖１１為纖維跟蹤和纖維跟蹤結果分析模塊用戶交互界面。纖維跟蹤模塊用戶交互界面可對纖維跟蹤時的流線積分算法進行設置，包括積分步長、流線最大長度和積分停止條件。纖維跟蹤結果分析模塊用戶界面可提供切片數據選擇功能，并通過繪制窗口的鼠標點擊事件選擇特定體素，返回該體素的最大特征向量和各向異性標量測度并顯示，還可通過按鈕觸發事件以添加或刪除該體素為初始點的流線。

４ 結束語

針對心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據的可視化問題，本文利用體繪制技術、圖元顯示法和纖維跟蹤法，設計并實現基于ＤＴ－ＭＲＩ數據的心肌纖維可視化及分析系統。該系統提供一個友好的用戶交互界面，用戶可以根據需求設定可視化參數，并對可視化結果進行觀察分析。實驗結果表明，該系統可以根據參數的變化實時改變可視化結果，并對纖維跟蹤結果進行分析。該系統為分析、研究心肌纖維ＤＴ－ＭＲＩ數據提供了一個交互式可視化平臺。

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