醫學圖像三維重建系統設計與應用

董 默，趙若晗，周志尊，陳廣新，周鴻鎖，郭 璇，彭鈺欣，吳 丹

（牡丹江醫學院 醫學影像學院，黑龍江 牡丹江 157000）

0 引言

隨著醫學影像技術與計算機技術的高速發展，近年來醫學影像設備的成像水平與質量穩步提升，無論從圖像分辨率或是成像細節均有了質的飛躍。常見的四大影像設備X線、MRI、CT與超聲穩定清晰的二維成像技術已經成為目前醫學診斷和臨床治療的主要手段。但二維成像技術雖已成熟，但也存在其弊端，諸如二維成像只能提供某一界面的平面信息，如某界面解剖信息等，當然醫生可以根據多張二維圖像以及本身的臨床經驗去推斷實際病灶的情況，以及病灶及周圍組織的情況，但往往不能得到十分準確的臨床診斷結果，這也無形中增加了進一步診斷與治療的難度。在此背景下，并隨著近代CAD等技術的發展，三維成像逐漸成為了醫學發展的熱點，三維圖形可以清晰觀察到病灶形狀大小及病灶周圍組織的情況，對三維成像的需求與日增強，但目前的大型成像設備只能提供二維圖像，這就需要借助外部發展迅速的虛擬仿真軟件及計算機算法來幫助模擬實現三維成像。

目前在眾多圖像處理軟件當中，尤其屬MATLAB應用最為廣泛，MATLAB是一款功能強大的軟件，它包含許多工具包，用于解決各類問題[1]，用戶可以通過使用這些工具包，非常便捷地進行計算、分析和設計工作，而MATLAB圖像處理工具箱就是其工具包之一[1-3]。采用 MATLAB的圖像處理功能進行三維立體的圖像構建和還原分析，得出了一種快速,便捷,準確的測量人體器官空間參量的方法。以MATLAB 這一具有強勁的圖像信號分析和圖像處理功能的軟件操作平臺為工具，為CT、MRI圖片的觀察與研究提供了一種新方法。

本次軟件設計利用了MATLAB軟件GUI開發工具庫及圖像處理工具庫，其中GUI工具滿足了軟件界面開發設計的需求，而圖像處理工具箱中提供了多種算法，尤其在三維重建方面，面繪制體繪制等具有完備的參數及設置選項。因此開發本套三維重建系統可以很容易的實現深層次的三維重建功能，如果配合強大的圖像處理工作站，可以實現復雜的醫學 DICOM圖像疊加重建等功能。而且其使用操作方便，不需與大型影像設備綁定，更加便捷化，可以更好的為影像科醫生服務。

1 系統簡介

1.1 主要功能

1. 普通電腦安裝 MATLAB后即可使用該醫學圖像三維重建系統軟件；

2. 導入并打開包含DICOM格式在內的多種醫學圖像格式，同時實現格式轉換；

3. 多種形式處理醫學圖像，如地形圖顯示、3D地形疊加圖處理等；

4. 采用面、體繪制重建方法，實現多張醫學圖像三維重建功能；

5. 完成三維重建后醫學圖像的修飾功能。

1.2 系統開發方法

本系統軟件以基于黑龍江省大學生創新創業計劃和黑龍江省教育廳項目為依托，以牡丹江醫學院生物醫學工程專業學生為主要測試對象，系統開發中以學生開發為主老師輔助，并在開發完成后將該系統軟件投入到《MATLAB》及《醫學圖像處理》實驗課中測試使用。

1.3 醫學圖像三維重建系統概述

根據本文研究的內容,所設計的醫學圖像三維重建系統功能模塊可以用圖1所示。

圖1 醫學圖像三維重建系統結構功能圖

醫學圖像三維重建系統的主界面如圖2所示。

1.4 醫學圖像三維重建系統的詳細介紹

本系統屬于便攜式醫學圖像三維重建處理系統，目前系統具有以下功能模塊：

（1）圖片格式轉換模塊

該模塊主要負責醫學圖像格式的讀取及保存轉換工作，眾所周知，醫學圖像 DICOM格式相對比普通圖片格式如bmp、JPEG等精度更高，數據量更大，尤其不支持在普通電腦讀取，本模塊利用MATLAB圖像處理工具箱中的DICOM圖片處理功能，可以很好的支持醫學圖像的讀取。除此之前，支持將 DICOM圖像保存成多種其他格式，方便患者在普通電腦讀取。

（2）圖像顯示功能模塊

不同于常用的圖像讀取顯示功能，本模塊主要擁有兩部分功能，第一，顯示一幅二維圖像的地形圖，第二，將幾張醫學圖像顯示 3D地形圖的疊加圖，通過二維及三維圖像的顯示處理，可以使用戶在三維建模前更好的了解其原理和內部結構。

（3）三維重建功能模塊

醫學本模塊集成了比較流行的三維重建方法：一類是通過幾何單元拼接擬合物體表面來描述物體三維結構的，稱為基于表面的三維面繪制方法，又稱為間接繪制方法；另一類是直接將體素投影到顯示平面的方法，稱為基于體數據的體繪制方法，又稱為直接繪制方法。

圖2 醫學圖像三維重建系統主界面

（4）圖像修飾功能模塊

目前本模塊主要用于在三維重建后對圖像的重建效果進行微調，比如顏色、亮度、觀察角度等等，更好的為三維重建效果提供各種有效手段。

（5）保留模塊

隨著醫學技術及圖像處理技術的不斷發展，該模塊作為整個系統的保留模塊，在今后的版本更新中不斷的拓展使用。

2 系統應用演示

現通過以下示例，向讀者進行本系統功能的展示。

2.1 圖像讀入

該部分由一個“導入圖片”按鈕和一個圖片顯示坐標軸組成，通過按鈕將要處理的目標圖片導入并顯示到坐標軸上，支持常見的格式如jpg，bmp及醫學圖像DICOM格式。如圖3所示。

2.2 醫學圖像3D疊加圖處理

打開系統主界面導入一組腦部MRI圖像后選擇3D疊加功能模塊，對導入 MRI第 1、12、19、27幀陣列進行批處理，然后將它們自動配準疊加重建為立體結構后界面如圖4所示。

2.3 醫學圖像三維體繪制處理

體繪制方法通常不要求對被顯示物做精確的分割，而是對體數據場中每個體素分別進行處理，進而合成具有三維效果的圖像。常見的體繪制操作更適合于表面信息不清晰的組織及器官，面繪制更加適合于由于其算法速度快，更加適合于表面細節清晰的組織，本節為了讓讀者更好的體會到本軟件系統的實際效果，采用體繪制方式向讀者展示其效果。導入50張MRI圖像進行體繪制處理，將顏色、照明等細節設置后的效果，如圖5所示。我們可以清晰的看到頸動脈的實際情況，同時該圖像支持三維旋轉等操作，更適合觀察。

圖3 醫學圖像讀入及顯示處理

圖4 醫學圖像3D疊加圖處理結果

圖5 醫學圖像三維體繪制處理效果

3 總結

本軟件開發完成后實現了便攜式醫學圖像三維重建的功能。同時在開發和測試當中從學生的實驗反饋情況看效果良好。在接下來得開發計劃中，除了體繪制、面繪制等功能，預計還會加入混合繪制算法，實現更加復雜的功能。在未來隨著計算機軟硬件的不斷高速發展，三維重建算法必然會有新的發展，而無論哪種發展都離不開計算機軟件的模擬，利用 MATLAB這一有效工具結合不斷發展的三維重建技術，勢必將極大地提高醫療診斷的準確性和科學性，從而提高醫療診斷水平[8]，為影像及臨床學科的發展提供強大的幫助。

[1] 閆秋孟, 董默等. 基于MATLAB的醫學圖像處理系統設計與應用[J]. 軟件, 2017, 38(2): 51-55.

[2] 鄧華. 淺談Matlab在數字圖像處理中的應用[J]. 科技資訊.,2006(8): 128-129.

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[4] 孫亦博, 朱玲利. DIOCM醫學圖像與BMP格式的轉換研究[J]. 現代計算機, 2010, 8: 121-124.

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[6] 王娟, 周金芝. 基于Matlab的形態學圖像處理研究[J]. 現代交際, 2010, (4): 135-136.

[7] 康曉東. 醫學影像圖像處理[M]. 北京: 人民衛生出版社,2009.

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[9] 董默, 蘇奎, 周志尊, 周鴻鎖. 生物醫學工程專業《醫學圖像處理》實踐教學改革[J]. 軟件, 2017, 38(2): 37-41.