基于GPU加速的虛擬內窺鏡漫游技術研究

郭慶斌+呂曉琪+張寶華+唐振禹

摘 要： 針對傳統虛擬內窺鏡系統中存在的繪制和交互速度較慢、漫游方式不易操作等問題，通過利用圖形處理器（GPU）的并行運算技術提高光線投射體繪制算法的繪制速度，使用可視化工具包（VTK）設計人性化的手動交互方式，并且手動交互方式可以與體繪制物體完成實時響應，然后將沿著中心路徑的自動漫游和手動交互方式結合并實現靈活的切換。實驗結果表明，利用GPU可以實現快速的體繪制和交互式漫游，提高系統運行效率，并且該文交互式漫游便于靈活操作。

關鍵詞： 虛擬內窺鏡； 圖形處理器； 光線投射體繪制； 交互式漫游

中圖分類號： TN911?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0057?04

Research on virtual endoscopy roaming technology based on GPU

GUO Qingbin， L? Xiaoqi， ZHANG Baohua， TANG Zhenyu

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： Aiming at the problems of slow volume rendering， slow interactive speed and complex roaming operating mode existing in the traditional virtual endoscopy system， the parallel computing technology of GPU （graphics processing unit） is used to improve the rendering speed of ray?casting volume rendering algorithm. The humanized manual interactive mode was designed with VTK （visualization toolkit）. The humanized manual interactive mode can realize real?time response with body of volume rendering. The automatic roaming along the centerline and the manual interactive mode are combined to achieve flexible switching. The experimental results show that the utilization of GPU can realize fast volume rendering and interactive roaming， improve operating efficiency of system. The interactive roaming designed in this paper is easy and flexible to operate.

Keywords： virtual endoscopy； graphics processing unit； ray?casting volume rendering； interactive roaming

內窺鏡是在醫療診斷中經常使用的手術工具，包括胃鏡、血管鏡、腸鏡等。它能將空腔器官內壁表面呈現給醫生以輔助檢測與診斷，然而它同時具有很多的缺點。因為內窺鏡體需要插入人體內，這會給病人帶來痛苦與不適，也可能會造成出血、穿孔、感染等不良后果；再者傳統內窺鏡檢查需要耗費高昂的費用。隨著計算機技術、虛擬現實技術、醫學影像技術的發展，虛擬內窺鏡技術[1]應用而生。

虛擬內窺鏡是指通過計算機圖形學方法對CT，MR設備產生的病人影像數據進行重建而生成的能反映空腔器官立體結構和內部表面形態的圖像。而傳統基于CPU的虛擬內窺鏡技術繪制速度慢，交互響應時間長，影響醫生的實時觀察診斷。隨著計算機技術的發展，圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）越來越強大，在圖形圖像處理能力上已超越通用CPU。GPU是圖形處理單元，它的強大浮點運算能力使光線投射算法被改進并在GPU上運行。基于GPU的光線投射算法使得虛擬內窺鏡即可以加快體數據的繪制速度，也可以實現虛擬內窺鏡的實時交互漫游，并通過調整視角、變動視距來根據用戶的意愿對空腔內表面進行檢查，以幫助醫療工作者診斷。

1 交互式虛擬內窺鏡系統組成

虛擬內窺鏡系統[2]的實現需要經過以下幾個過程：獲取原始醫學圖像數據；對原始圖像數據進行圖像分割，獲得所需的圖像目標區域；利用分割后目標區域求空腔器官中心線；對處理后的圖像數據進行三維面繪制或者對原始數據進行三維體繪制；設置虛擬相機，沿著中心線對三維空腔進行自動漫游觀察；設計交互漫游方式，對特殊地方進行交互控制檢查。

1.1 圖像分割

對原始圖像數據的分割可以得到所需要的目標器官區域的圖像，同時提高器官組織的面繪制速度，便于提取空腔器官中心路徑。本文使用的是閾值分割算法[3]，首先選定目標種子點，將與種子點具有相似灰度值的像素集歸并到種子點所在區域。設原始圖像灰度值函數為f（i，j），分割后圖像像素灰度函數為g（i，j），給定與種子點灰度值相似的合適灰度值范圍（T1，T2），并作為圖像分割的閾值，然后進行二值化處理：將圖像中所有像素點的灰度值與種子點的灰度值比較，在閾值范圍內的像素點的灰度值置為255，在閾值范圍外的像素點的灰度值置為0，即：