醫學圖像三維可視化技術研究

摘要：醫學圖像三維可視化是當前醫學圖像處理的研究熱點，它對于臨床醫學有著重大的意義和實用價值。本文簡要介紹醫學圖像三維可視化的概念和圖像三維重建的常用算法，重點論述了幾種常用體繪制算法原理。

關鍵詞：醫學圖像 三維重建 面繪制 體繪制

1、引言

圖像三維可視化也稱三維重建，是指通過對獲得的數據或二維圖像信息進行處理，生成物體的三維結構，并按照人的視覺習慣進行不同效果的顯示。在醫學成像及醫學圖像處理中，圖像三維可視化基于醫學成像設備獲得的大量二維斷層圖像，如CT、MRI等，并按照不同的診斷目的和算法進行顯示。常見的顯示可視化形式有多平面重建（Multiplanar reconstruction，MPR）、 曲面顯示(Curved multiplanar reconstruction，CMPR)、表面陰影顯示(Shaded surface Display，SSD)、最大（小）密度投影(Maximum/minimum intensity projection，MIP)、虛擬內窺鏡(Virtual endoscopy，VE)等[1] [2] [3]。

2、醫學圖像三維重建算法

三維可視化盡管顯示形式較多，但其根本算法常用的只有二類：面繪制（Surface Rendering）技術和體繪制（Volume Rendering）技術。

2.1 面繪制

面繪制實際上是顯示對三維物體在二維平面上的真實感投影，就像當視角位于某一點時，從該點對三維物體進行“照相”，相片上顯示的三維物體形象。面繪制算法由三維空間均勻數據場構造中間幾何圖元，如三角體、小曲面等，然后再用傳統的計算機圖形學技術實現繪制，加上光照模型、陰影處理，使得重建的三維圖像產生真實感。表面陰影顯示就是面繪制的一種，它能提供了更多的物體表面幾何信息，給醫生以組織整體的結構信息，并可以較好的描述不同組織建的解剖關系。但表面陰影顯示不能顯示物體內部信息和結構，三維體數據的內部數據均被完全遮蓋，因此，臨床應用時，往往對二維圖像先進行分割，對分割出的感興趣區域進行三維重建和面繪制。

面繪制算法目前有移動立方體法（Marching Cubes，MC）和Cuberille算法等，最為常用的是移動立方體法，由W.Lorensen等人于1987年提出，也被稱為“等值面提取”（Isosurface Extraction），它是面繪制算法中的經典算法，原理較簡單，易于實現[4]。

2.2 體繪制

直接由三維數據場產生屏幕上的二維圖像，稱為體繪制算法。這種方法能產生三維數據場的整體圖像，包括每一個細節，并具有圖像質量高、便于并行處理等優點。體繪制不同于面繪制，它不需要中間幾何圖元，而是以體素為基本單位，直接顯示圖像。常用體繪制算法主要研究光線在帶顏色、透明的材質中傳播的數學算法，這是實際應用尤其是醫學應用所要求的。

2.2.1 圖像空間的體繪制算法

最經典的圖像空間繪制算法稱為光線投射(Ray Casting)算法[5]，這是從圖像空間（顯示圖像的屏幕）到物體空間（三維離散數據場）的計算過程，如圖1。由顯示圖像屏幕上的每個像素點位置向物體空間發出光線，該射線與物體空間相交與許多個點－這些點即為物體空間上新的采樣點。選擇適當的重構元素，計算光的傳輸方程，對三維物體數據進行卷積，重新構建原始的圖像信號，并對重構的圖像信號進行再次采樣，得出重采樣的灰度值。最后進行圖像合成，計算出每個采樣點對像素的灰度貢獻，合成為像素的灰度，得到圖像。

圖1 圖像空間到物體空間的光線投射

2.2.2 物體空間的體繪制

同圖像空間體繪制相反，物體空間體繪制先由物體的三維體數據進行計算，逐個掃描每個三維空間網格，計算其投射到顯示矩陣中的數值，并合成他們對顯示矩陣像素的貢獻，生成圖像。典型的算法有濺射（Splatting）算法、體元投射法等。

濺射法將每一個體素的能量在圖像平面投影成一個光斑，或一個痕跡。形成一個存在有限范圍的核（如高斯核）。痕跡是該體素到圖像平面的投影貢獻，通過沿視線方向對核進行積分計算，并將結果存在二維痕跡表中。

2.2.3 最大（小）密度投影與三維體繪制

最大密度投影認為每個三維數據體的體素是一個小的光源。按照圖像空間繪制的理論，顯示矩陣的像素向外發出射線，沿觀察者的視線方向，射線穿過數據場遇到最大光強（最大密度值）時，與最大密度相關的數據值投影在對應的屏幕上的每個像素中形成最終圖像[5]。最小密度投影道理相同，但選擇最小密度值作為屏幕像素值。

最大（小）密度投影方法能提供較為直觀的圖像，顯示效果近似X線成像，且計算量小，算法簡單，能夠實時顯示，所以在醫學成像領域內被廣泛使用，如顯示血管的三維結構等。

3、結論

隨著多排螺旋CT的應用，被檢者一次檢查獲得的可用圖像數量得到爆炸性的增長。一次掃描往往獲得幾十乃至上百幅斷層圖像，這就使的使用三維形式顯示組織和器官變得可行且必要。圖像三維顯示技術可以更好的顯示數據和診斷信息，為醫生提供逼真的顯示手段和定量分析工具，在輔助醫生診斷、手術仿真、引導治療等方面發揮重要作用。同時三維顯示還可以避免醫生陷入二維圖像的數據“海洋”，防止過多瀏覽斷層圖像而造成漏診率上升。

參考文獻：

[1]羅述謙，周果宏，著.醫學圖像處理與分析[M].北京：科學出版社， 2003.

[2]李月卿，主編.醫學影像成像理論[M].北京：人民衛生出版社，2003.

[3]俎棟林，著.核磁共振成像學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]田捷著.集成化醫學影像算法平臺理論與實踐[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5]J.Hsieh.Computed tomography-principles， design， artifacts and recent advances[M].SPIE PRESS，2001.