1绪论
1.1引言
医学图像三维可视化技术作为医学影像领域的一个重要分支，是目前医学图像处理的研究热点。它利用计算机将二维图像数据序列重建为三维图像模型，在满足人们对于医学图像进行三维可视化处理的同时，弥补医学成像设备上的不足，能够直观、逼真地显示出人体器官、组织及病变的内部结构等，有效地提高了诊断效率[1]。但由于医学数据的特殊性，对三维可视化技术提出了一个更高的要求，包括硬件平台、操作系统、数据传输、网络通信等在内的条件对重建效果也有一定的影响。为了能快速重建出清晰真实的三维图像，方便观察图像中感兴趣的部位，本文中借助图像分割和配准工具包ITK和可视化工具包VTK，成功地搭建了一个简单的用于处理医学图像和显示系统，并且使用经典的三维重建算法对二维图像序列进行三维重建，以实现对医学图像的三维可视化技术更加深入地分析和理解。
1.2研究背景及应用意义
在当今社会，可视化技术已经越来越多地应用于凡是涉及到计算机的各个领域，例如气象预报、石油勘探、航空航天、医学图像处理等。这些使用方面都帮助和改变着人们的R常生活，可视化技术在医学方向的使用也非常广泛，因此对医学图像的可视化技术和可视化系统的开发已经成为一个热点。随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对医学技术的要求也越来越高，医学图像预处理技术也就显得F1益重要。而最早的医学影像技术可以追溯到1895年，伦琴发现了 X射线。当一束具有均匀强度的X射线照射到人体上时，被吸收和散射了一部分，而另一部分透过人体沿原方向继续传播。透过人体的X射线由于人体各种器官和组织在密度、厚度等方面存在差别，强度发生了变化并携带了人体信息，再通过某种方式进行采集、转换、显示，将其强度分布转变为不同强度分布的可见光，人眼可见的X射线影像便形成了。由于X射线的出现，许多医疗诊断设备也应用而生。同时，X射线摄影随着科技的进步也经历了从早期的干板摄影到胶片/增感屏组合。再到1981年，日本富士公司出台了 X射线的数字化成像技术（Computed Radiograph, CR)，后到出现了直接数字化X射线成像技术（Digital Radiograph, DR)，数字减影血管造影和X-CT等技术的相应产生。随着计算机与微电子技术的飞速发展，医学影像领域受到了风靡全球的计算机阿络、通信技术和数字化技术广泛而深远的影响I3]。大批全新的成像技术进入了学影像领域，如CT断层成像、磁共振成像MR、超声成像、红外线成像、PET/SPECT等等。这些成像技术不仅改变了 X光胶片/屏幕成像的原始面貌，在很大程度上丰富了形态学诊断的领域和层次，而且使形态学的诊断水准也得到了提升，诊断信息的数字化目标就这样实现了。尽管这些技术提供了多种可视化的诊断方法，深刻地变革了疾病的检査和诊断，但是这些影像技术仅仅显示的是二维断层图像，不能客观、真实地显示出三维立体图像。所以对人体大脑中构造器官和组织的理解，医生只能停留在熟悉的人体解剖知识和多年的临床经验，并由此来估计病变的位置，病灶的大小、形状与日常组织结构的边界。但足这些只是医生的主观意识和临床经验，加之人体器官构造的复杂性和形态多样性，这些估计远远不够，甚至会产生误诊而造成严重的医疗事故，所以给治疗带来了很大的困难。为了客观、准确地进行病灶分析和判断，20世纪80年代末出现了医学图像的三维可视化技术。该技术主要是在计算机上将从CT、MR、超声等医疗设备上获取的二维断层图像进行三维重建。重建后的阁像具有真实的立体效果，能够直观地显示人体组织、器宫及病变体的形态和内部结构，给医务人员以直观的感觉，结合多年的临床经验，为进一步确定治疗方案和实施手术奠定了坚实的趣础。通过三维可视化和虚拟现实结合的技术，医生可以进行手术规划和手术模拟，从而使手术的成功率大大增加。综上可见对娱学图像处理和三维可视化技术的研究和可视化系统的几发具存靈要的意义和应用价值。
2相关技术介绍
VTK提供了图像处理和可视化的能力，在VTK中二维的图像数据和三维的体数掘都表示为vtk丨mageData对象，像素映射和位图都是二维图像数据的例子，体数据是三维的图像数据对象。VTK在医学图像上的应用，主要是对医学图像进行三维重建。VTK将常用的医学图像三维重建算法封装成类，因此使对医学图像的三维重建变得简单。例如，VTK类库屮提供了而绘制和体绘制的一些基本算法库，面绘制算法包括MarchingCubes、轮廓线表而重建法等；体绘制算法包括Ray-Casting、2D纹理映射法和雄于硬件的 VoluniePro 等。对医学图像进行面绘制中，VTK提供的类是vtkMarchingCubes,大致的步骤是读入医学图像，设置等值面的值，再经过映射器映射，然后通过這染器濱染后显示。而绘制算法的主要特点是绘制速度快，绘制效果逼真，通过交互可以实现对面绘制结果的平移、缩放、旋转等操作。对医学图像进行体绘制中，VTK提供三个类实现Ray-Casting算法，分别是合成体绘制函数、等值面绘制和最大密度射影函数。在Ray-Casting算法屮有三个重要的传递函数来实现体绘制的效果，分别是颜色传递函数（vtkColorTransferFunction)、+透明度传递函数和梯度传递函数，其中颜色传递函数可以通过函数来实现，通过AddSegmeiitO或AddPointO可以设置不透明度传递函数和梯度传递函数，通过这些传递函数来设置体数掘的属性（VolumeProperty)。然后通过绘制器、绘制窗口和交互方式完整地显示出医学图像的体绘制结架。
3系统需求分析和设计........13
3.1系统需求概述........13
3.1.1系统设计目标........14
3.1.2系统环境集成........14
3.2系统总体设计........16
3.2.1医学数据读取模块设计........17
3.2.2三维重建设计........18
3.2.3切割模块设计........23
3.2.4图片格式转换模块设计........25
3.2.5三个标准交面显示模块设计........25
3.2.6 DICOM图像信息浏览模块设计........27
3.3本章总结........27
4医学图像三维重建算法........28
4.1三维重建技术简介........28
4.2面绘制........28
4.3体绘制........32
4.3.1体绘制........33
4.3.2光线投射算法........33
4.4本章小结........35
5系统运行与测试........36
5.1系统界面........36
5.2系统运行结果测试........37
5.3 本章小结........45
结论
本系统使用Qt、ITK和VTK联合编程，实现了一个简单的医学图像三维可视化平台的幵发，完成了 DICOM图像的三维重建，现将系统主要实现的功能总结如下：
(1)介绍了医学图像三维可视化的研究背景、应用意义和系统中三维可视化的实现方法。
(2)阐述了系统设计和幵发中所使用的一些核心技术，包括Qt程序设计编程机制、VTK类库及编程模式、ITK类库及编程模式等。分析了 DICOM医学数据，包括DICOM文件的基本概念和专业术语、文件格式、内部信息等。
(3)对系统进行了需求分析和总体设计，根据目前三维可视化在医学处理方面的重要作用，确定了系统主要的实现目标和集成方法，详细介绍了系统总体的需求分析以及系统实现功能的总体设计，指导系统的开发和设计。
(4)分析、总结并实现了目前比较经典的医学图像三维可视化技术，包括面绘制中的移动立方体算法和体绘制中的光线投射法等，重点阐述了这些绘制算法的实现原理和特点，并对体绘制中的相关算法进行算法评价。
(5)主要是对系统实现结果的测试，并对显示结果进行了说明。主要包括图像转换模块；三维重建模块：体绘制和面绘制结果显示；切割模块：调整杆的方向实现任意方向图像的切割；三个正交面显示模块:滑动滑块实现DICOM图像三个正交面不同slice的显示；DICOM图像部分信息显示等。
参考文献
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