《基于 IDL 的医学图像三维可视化1.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于 IDL 的医学图像三维可视化1.doc（8页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、豆丁网精品论文基于 IDL 的医学图像三维可视化1肖强菊 1，吕英华 11 北京邮电大学继续教育学院，北京(100876)E-mai：qiangjuxiao摘 要：利用 IDL 对 PET/CT 医学图像数据进行三维可视化进行分析研究。使用表面绘制和体绘制两种绘制技术进行三维可视化，并通过结果分析比较二者的特点。深入 IDL 内部 机制，详细说明了对 PET/CT 数据的可视化过程；最后对试验结果进行讨论、比较、分析， 可以看出 IDL 作为图像处理和三维可视化工具的功能十分强大。关键词：IDLPET/CTDICOM 标准三维可视化 中图分类号：TP 274+.21.引 言从 1895 年 R
2、oentgen 发现 X 射线，科学家们就开始了对放射线的研究，在 1972 年，英 国 EMI 公司中央研究所工程师豪斯菲尔德(Housfield)研制成功诊断头颅的第一台电子计算 机 X 线断层摄影装置，被命名为电子计算机断层摄影技术（简称 CT）。到现在，电子扫描 技术已经得到了很大的发展和进步，目前已经有了同时产生 PET 和 CT 影响的 PET/CT 机， 它将 PET 和 CT 设备有机地结合在一起，使用同一个检查床和同一个图像处理工作站的现 代医疗设备1。二者的结合能很好的对病灶进行定位，满足繁多的精确放疗要求并有助于进 一步提高诊断的准确性。PET/CT 的出现被认为是医学影
3、像学的一场革命，将功能影像与解 剖影像完美结合起来，真正实现了无缝链接2。随着医学技术和计算机图形图像技术的发展，医学工具和计算机科学理论有机地结合使 得医学图像处理技术迅速发展，在临床医学上，可以利用计算机三维可视化技术将从 PET/CT 机中获得的 DICOM 格式的二维图像序列重建出三维虚拟实体，为医生提供了直观、明确、 清晰的视图。因此，医学图像的三维可视化技术对临床和科学研究都具有重大的意义。本系统使用 IDL 语言对 DICOM 格式的 PET/CT 数据进行三维可视化。2.背景知识2.1 IDL 介绍IDL(Interactive Data Language)交互式数据语言是由美
4、国 Kodak 公司的全资子公司 RSI(Research System Inc.)开发并投向市场的、面向矩阵的且用于数据可视化研究与应用开发 的第四代计算机语言3。以其面向对象和语法简单的特点，能够快速地分析数据并实现可视 化，在航天、医学、地理、天文等各个领域应用广泛。IDL 提供了可视化数据分析的解决方案，可以让科研人员通过已有的工具浏览和分析数 据，又可以通过利用其快速的程序原型进行高级编程来设计软件系统。2.2 PET/CT 简介PET 即正电子发射型计算机断层扫描显像（ Positron Emission Tomography ，简称PET ）。 CT 是计算机断层扫描显像（ Co
5、mputed Tomography ，简称 CT ）。二者都是肿1本课题得到生物医学工程国家自然基金重点项目科研基金（项目编号：60331010）的资助。瘤诊治方面的常用手段。PET 是功能显像技术，能从分子水平上反映人体组织的生理、病理、生化和代谢变化，对于肿瘤的诊断、疗效等是一种有效方法，但由于其图像对比低，分 辨率低，所以对病变区的生理解剖位置和病变区的形状诊断的不够精确。 CT 是解剖显像 技术，其分辨率高，对比高，能诊断出病变区的精确解剖位置和形状，但不能诊断出组织的 早期病变和细微病变。PET/CT 是把 PET 与 CT 两种影像诊断技术结合在一起，在同一台机器上同时进行 PET
6、 和 CT 扫描，同时得到两种技术的扫描图。由于扫描时位置固定，这样可以消除单独扫 描时因位置改变而造成的误差，扫描一次即可将两种图像通过线性叠加得到具有病变组织详 细信息（良、恶性，病变区位置和形状）的影像图。对于准确定位病灶有着重要的临床意义， 比单纯使用 PET 或 CT 检查大大提高了对疾病诊断的特异性和准确性。目前最新的 PET/CT 设备如图 1 所示4。图 1 当前的 PET/CT 设备2.3 DICOM 格式DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)即医学数字影像和通讯，由 ACR(American College
7、of Radiology)及 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) 共同制定，是医疗影像设备厂家制定的编码和数据传输的国际标准，它统一了医学图像格式， 使各个不同厂家输出的图像可以相互传输和共享。本项目所涉及的 PET 和 CT 数据全部遵守 DICOM 格式标准。3.可视化所谓可视化（Visualization）,牛津英语词典解释为“构成头脑情景的能力或过程， 或不可直接觉察的某种东西的视觉”。此术语亦指本来不可见的东西成为可见图像的过程， X 片即为其例5。现代的数据可视化（Data Visualization）技术指的是运
8、用计算机图形学和 图像处理技术，将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和 技术。本研究中，利用计算机图形学和图像处理技术，将从 PET/CT 设备中得到的人体的二维 数字断层图像序列进行处理，在三维空间上进行重建，得到立体的三维图像，这样医生就可 以通过与计算机的交互操作对图像进行剖面显示、移动等处理，更直管地了解人体复杂的内 部结构，为正确诊断病情提供科学依据。医学数据可视化是现代医学诊断的重要手段，属于医学图像处理和分析领域，主要涉及 三维重建技术，以及其他一些功能成像技术和图像显示技术。三维可视化可分为面绘制和体绘制两种，二者都是三维可视化常用的方法。3.1 面
9、绘制面绘制是通过找出构成三维空间基本单元的所有小立方体中的等值面，然后将这些等值 面拼接即可构成立方体表面从而实现三维显示。通过改变等值面的值而获取不同层次的表 面，如皮肤、骨骼等。等值面的构造方法主要有三种：Cuberille，Marching Cube 和 Dividing Cube。其中以 Marching Cube 最常见，其基本思想就是把将三维图像相邻层上每四个像素组 成一个立方体，逐个分析，分出与等值面相交的立方体，利用插值计算出等值面与立方体边 的交点。将这些交点按一定方式连接生成一系列等值面片，最后将所有近似等值面片拼接起 来即可。3.2 体绘制体绘制通过研究光线照射物体数据场
10、的变化直接绘制，也称为直接体绘制。体绘制的图 像质量比面绘制的好，但耗时大，交互性和效率都比不上面绘制。4.三维可视化系统的设计与实现本系统利用 IDL 在可视化数据分析的快速功能以及高级的图形图像处理能力设计一个 三维可视化系统，对二维切片数据组进行分析、抽值，对数据进行表面重建，实现三维显示 和断层显示并进行断层 CT、PET 融合显示，满足用户对 PET/CT 切片数据的三维重组以及 其他处理要求，且具有良好的可扩展性。4.1 IDL 绘图机制IDL 绘图有两种方式，一种是直接绘图，一种是使用对象图形方式绘图。直接绘图可以 直接在命令行使用，图形生成后不可再更改，后面生成的在先输出的项目
11、之上。对象图形方 式是 IDL 面向对象编程的具体体现，对象类可以将数据和方法封装为一个一个的对象，对象 类可以反复使用且每个对象封装的数据都不同。对象图形系统是 IDL 内建的对象类库，可用 于创建场景。程序员也可以根据程序的需求制定特定的对象模块。对象图形在生成后可以反 复修改、使用。虽然编程难度会有所增加，但使用更加灵活，交互性强。只有面向对象方式的绘图才能实现交互图形显示，因此本系统使用对象图形方式。IDL 中有四大类对象，包括容器、模型、原子和属性。容器类有 View，Windows；模 型类有 IDLgrmodel，是容器对象的子对象；原子类是可直接显示的类，有 image，sur
12、face 等；属性类包括符号等无法直接显示的类。他们的层次关系如图 2 所示。GraphicsatomGraphicsatomGraphicsatomGraphicsatomModelModelModelViewViewScene图 2 对象关系一个对象图形的显示通常包括目的对象、显示对象以及可视化对象。终端对象包括IDLgrWindow、IDLgrPrinter 等包含显示设备的对象，显示对象则是 IDLgrScene、IDLgrView 和 IDLgrModel 等包含一个或多个模型的对象，每个模型对象都能控制其包含的可视化对象 的空间位置，可视化对象则是 IDLgrImage、IDLgr
13、Volume 等包含数据和大小颜色等信息的 对象。终端对象是基础，在其中添加显示对象，显示对象中包含可视化对象，这样就可以将 对象显示在终端对象上。4.2 功能介绍1、 单个或多个 PET/CT 二维图像文件的单独、混合以及融合显示；2、 PET/CT 切片组逐帧浏览；3、 重构三维人体，显示骨骼、皮肤；4、 显示三维人体任意位置切片；5、 保存感兴趣的图片；6、 人机交互，方便操作。4.3 实现流程真实人体PET/CT 设备输出CT 二维切片数据组PET 二维切片数据组切片合成切片合成CT 体数据PET 体数据选取重建阀值图像融合PET/CT 切片融合显示选取重建阀值获取三角等值面体绘制体绘
14、制获取三角等值面拼接拼接CT 面显示CT 体显示PET 体显示PET 面显示图 3 可视化基本流程5.结果示例与分析5.1 PET/CT 匹配图图 4 PET/CT 配准图5.2 面绘制结果图 5 面绘制皮肤图 6 面绘制骨骼5.3 面绘制与交互分析图 7 面绘制与交互分析5.4 体绘制图 8 体绘制示例5.5 结论与分析本系统利用 IDL 实现了对人体 PET/CT 数据的二维图像逐帧浏览，并实现二者匹配图显 示；由一系列二维数据通过面绘制和体绘制两种方式进行三维可视化，得到三维人体并根据 交互式选取,获取三个轴向的切片图。从结果来看，体绘制的图像质量比面绘制好，但是耗 时更大，交互性稍低。
15、因此在目前的硬件平台上，面绘制优于体绘制。IDL 是面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言，利用它进行交互式二维和三维图形显 示非常方便，其面向对象的编程方式更让编程灵活且易维护。它既为科研人员提供了较完整 的交互式浏览和分析数据的环境，同时也为程序员提供快速开发可视化应用程序的编程环 境。参考文献1 韩善清PETCT 中的计算机软硬件的简单介绍J实用医技杂志，2006年2 月，5 卷（13）2 李天然，高荣光，钱根年等，PETCT 在神经系统疾病诊断中的应用J 临床军医杂志，2006 年 2月，35 卷（1）3 闫殿武IDL 可视化工具入门与提高M北京：机械工业出版社，20034 David
16、W. Townsend, PhD, Jonathan P.J. Carney, PhD, Jeffrey T. Yap, PhD, et al. PET/CT Today andTomorrow J. The Journal of Nuclear Medicine, January 2004, Vol. 45 No.1 : 6-75 和平鸽工作室OpenGL 高级编程与可视化系统开发高级编程篇M北京：中国水利水电出版社，2005Visualization of Medical Images Based on IDLXiao Qiangju1，L Yinghua11 Institute of C
17、ontinuing Education Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC, (100876)AbstractThe project studies the 3-D visualization of the medical images of DICOM format which are PET andCT slices based on IDL. Surface rendering and volume rendering are studied and realized. The principl
18、e of visualization based on IDL is studied. The visualization results are analyzed and show that as a visualization toolkit, IDL is powerful in medical image processing.Keywords: IDLPET/CTDICOM 3-D Visualization作者简介：肖强菊，女，北京邮电大学硕士研究生，主要研究方向是生物医学工程。 吕英华，男，北京邮电大学教授，博士生导师，从事电磁场理论及电磁兼容关键技术、光通信和无线接入及生物医学工程的研究。
