基于Web的醫學圖像三維重構與可視化方法

趙聰聰++王進科

摘 要 隨著Web技術的快速發展與醫學成像水平的不斷提高，基于Web的醫學圖像三維可視化逐漸在生物醫學領域中占有主導地位。三維重構后的可視化圖像能清晰地顯示人體器官的解剖結構。本文提出了基于AJAX與X3D結合的場景交互框架，實現X3D標準的API和ECMA交互腳本的應用，通過三個二維平面來確定待顯示的三維目標，實現三維目標的交互式應用Web醫療圖像三維重構可視化應用。

【關鍵詞】Web三維重建 GPU重構 X3D MVC可視化

1 引言

基于Web的三維可視化系統充分融合了現代網絡技術、醫學成像技術以及圖像處理技術，使得處于不同地域的醫生參與遠程會診；它能幫助生物醫學工作者提高解剖結構的理解力，提高學習與交流的便利性，以及促進現代醫學與人類社會的健康發展。本文開發出基于Web的醫學圖像三維可視化系統技術，使得這些技術具有良好的魯棒性、精確性和實用性，在網絡數字化醫療診斷、教育中發揮實際作用

2 GPU并行重構

三維重構的方式主要分為面繪制與體繪制兩種。體繪制需要將數據場中每個體元的值映射為顏色與阻光度，這一映射過程通過傳輸函數實現，轉換后的RGBA值通過合成投影到幀緩沖區相應的像素位置上，合成的方式可以通過多種算法實現。面繪制，是指在三維數據場中構造并顯示等值面的過程，是從三維數據場中還原物體三維信息的主要手段之一。基于多核GPU并行技術方式的MC算法，將2D橫斷面分割成多個獨立的片段，通過重構合并多線程進而形成3D等值面模型。

3 X3D模型轉換與紋理映射

本文中提出了重構模型的X3D的模型轉換技術及相應模型的紋理映射，形成Web兼容的3D格式。等值面中的坐標將被轉換到X3D中指定的索引面集合節點中。該索引面集被用于表示X3D重構模型中的一個多邊形網格的形狀和表面。為了將紋理映射到這樣一個模型上，我們創建了一個和模型同樣大小的模板立方體。將輸入的2D橫斷面生成的紋理圖像，根據其坐標被映射到立方體里模型上，然后合并紋理立方體和重構模型的索引面集節點。我們使用了完整的分辨率圖像切片，并且計算是運行在GPU平臺上，從而產生適用于Web的X3D模型，最終使得本文獲得的重構模型更加靈活，更加容易被擴展，并且被一般的3D瀏覽器支持。

4 集成X3D的MVC可視化

本文在提出了MVC的框架設計模式的過程中，設計了一個可視化的流水線系統，從而來有效地提高系統的靈活性與擴展性。在可視化框架設計中，我們根據MVC設計原則將系統劃分為模型層、視圖層、控制器三層。

4.1 模型層

主要是提供操作的數據，如等值面模型、紋理模型、可繪制點等。

4.2 視圖層

為了使得生成的等值面被OpenGL可視化，在處理層我們需要重點提出了等值面模型轉化技術，即將等值面轉化為多邊形模型。

4.3 控制器

分派請求和控制流程，主要是將ECMA腳本等添加到視圖模型中，從而提高可視化系統在Web頁面上的交互性。

5 AJAX與X3D結合的場景交互

Web3D技術提供多種方式來實現可視化的場景交互。本文對于三維可視化過程中場景交互僅僅聚焦在三維目標的平移、旋轉、放縮等基本交互操作，從而滿足Web實時性的要求。本文為三維可視化的Web模式提出了提供了兩種交互式框架：一個基于傳感器節點的場景更新框架，另一個基于Ajax3D（Ajax，Asynchronous JavaScript and XML）的框架。

5.1 基于傳感器節點的場景更新框架

基于傳感器節點的場景更新框架使用Web3D技術中預先定義的傳感器節點來增強場景交互和更新。該場景中的傳感器節點被動感應，并響應用戶的存在和交互。Web3D允許開發者針對特定的用途，集成定制的腳本，并為內部和外部的ECMA腳本或者Java代碼提供計算服務來實現相應的功能。使用這個框架，一旦場景從一個服務區載入到一個客戶端，用戶能夠通過他們內部的傳感器節點進行場景交互。

5.2 基于Ajax3D的框架

本文使用2D圖像導航來阻止這樣的不必要的模型重載，低分辨率圖像的集合會比3D模型小很多。該2D導航器可以通過頁面的Java script，使用Ajax3D技術，將指令消息轉發給Web瀏覽器。該指令消息被推送到場景訪問界面，來恰當地重新建模或者重新配置模型。使用這種方式，模型的2D導航器不會立即出發一個模型的重載，而是，3D模型會在用戶提交選擇好的位置和平面后進行重載。頁面不需要重新載入。帶著這樣的結果，用戶仍可以無縫地通過2D導航器實現3D導航，而不用不必須的模型重載。

6 總結

基于Web模式醫學圖像三維重構與可視化渲染方式，可以在異步條件下改變三維場景中的內容 ，給客戶帶來更加具有交互性的三維體驗。醫學圖像可視化是圖像處理在生物醫學工程上的重要應用，三維重構后的圖像提高了醫療診斷的準確性與科學性，有利于制定最優的治療方案及放射手術規劃，并可進行手術模擬，在解剖教育及醫學提出了中具有重要意義。

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作者簡介

趙聰聰（1996-），女，大學本科學歷。研究方向為軟件工程。

王進科（1983-），男，博士學歷。研究方向為醫學圖像分析。

作者單位

哈爾濱理工大學榮成學院 山東省榮成市 264300