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医学断层图像的三维重建系统
张锡英孟繁平
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(东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨150040)
摘要：在医疗诊断方面，针对帮助医生快速、准确的诊断病情这一情况，需要对医学断层图像进行三维重建，在集成开发环境Mi-crosoftVisualStudio2003下，并结合OpenGL图形函数库，采用面绘制MarchingCubes算法以及体绘制RayCasting算法，实现三维图形的开发。结果表明，该三维重建系统实现了图像输入榆出、预处理、三维重建以及人工交互等功能，为医生提供有力帮助。
关键调：医学断层图像；三维重建系统；医疗诊断
近些年，借助于计算机图形学等技术的医学图像三维重建应用
过某种拓扑形式将三角面片连接起来形成的，最终得到由各个体素
日益广泛，医学诊断与治疗的手段也在不断进步叫，例如：虚拟外科
手术系统、计算机辅助外科手术系统等。通过这些手段，外科医生手术时可以精准定位，手术创伤被减少，成功率得到提升。如果只是通过医生自己措述，护士、患者等其他人有时会很难理解医生手术关键点。因此，在正式手术前，借助计算机进行模拟手术，有利于医生、护士以及患者的沟通。除了这方面，在学校教学上也有很多好处，比如没有临床经验的学生、刚刚人职经验不丰富的医生使用虚拟手术系统，都可以为他们自已带来很多益处。
医学断层图像的三维重建系统的前提和基础是三维重建。二维切片和三维医学图像相比较，三维医学图像具有更丰富的机体内部信息，可以立体逼真的显示出人体器官以及人体组织，在临床实践中给医生实现信息可视化以及信息信息化，并且在医疗诊断以及治疗等许多方面的应用具有很高价值。本文详细介绍了开发的医学断层图像三维重建系统的设计思想以及实现。
1三维重建方法
1.1医学断层图像的获取
医学图像是通过使用CT扫描仪器、核磁共振仪等医疗影像设备对人体进行扫描得到的。现如今，常见的DICOM、BMP、TIFF等许多种数据的格式普遍适用于医疗影像设备的存储。目前基于DI-COM协议上的标准格式是医学图像领域中较为通用的数据格式。 DICOM医学图像的读取即将其读人到VTK是对医学图像进行三维重建至关重要的步骤，也是首要解决的问题。VTK类库目前存在的版本中，存在专门读取DICOM医学图像的类。vtklmageSource 类的很多子类，例如vtkDICOMImageReader(），vtkVolumeReader(）都可以完成读取DICOM医学图像这项工作，其可以读取一张或者多张图片。VTK中还有vtkJPECReader，vtkBMPReader、vtkTIFFReader 等多种图像格式的读取类.方便读取JPEG、BMP、TIFF格式的图像。
1.2三维重建原理
三维重建系统的关键是三维重建技术，三维重建方法主要分为两种：一种是面绘制方法；另一种是体绘制方法。第一种，顾名思义面绘制就是对表面进行重建，利用计算机图形学这一技术将物体表面构建出的几何模型显示出来。另一种，体绘制则是不需要构建结合模型，它是使用三维数据场将三维图像产生显示在屏幕上，
比较面绘制和体绘制两种方法，它们都是显示三维数据场。在绘制效果、算法时间上、交互性能等方面的结果因为基本方法不同而存在着很大不同
面绘制最大的特点是从三维数据场中构造三角面片，采用曲面造型技术，生成等值面。虽然全部的数据场细节不能由面绘制构造的三维可视化图形表现出来，但是该方法可以抽取一个或者多个等值面，成像比较清晰，可以通过利用图形硬件实现加速绘制，因此有利于实时交互。
体绘制最大的特点是采用光照模型将三维空间的离散数据直接转换为最后的立体图像。因此，保留了三维数据场中的许多细小结构，效果更接近实物。体绘制目前最大问题是计算量大，以至于计算时间长、实时性差。只是在成像质量方面体绘制会好于面绘制。
1.2.1面绘制-移动立方体法
本文使用面绘制方法中经典的移动立方体法（MarchingCubes)。MC算法的基本原理是将二维图像数据当作是一个三维的数据场，将数据场中的体素换个处理，将其各个顶点的值同指定的阅值相比较，使这个体素内部等值面的构建形式筛选出，拟合曲面是通
的等值面连接起来形成的整体等值面，即是物体的表面。MC算法流程图如图1所示。
开始
读入数据构造体素
+
通过等值面阅值构造体素的状态表，确定剖分模式
求交点 t 求法向里
绘制 + 结束
图1MC算法流程图
1.2.2体绘制-光线投射法
体绘制的原理是通过分类给每个体素的不透明度和颜色属性赋予相应的值，然后在三维数据场中，模拟体素对光线的反射、发射以及投射作用，最后将图像合成。目前常用的体绘制算法有光线投射（RayCasting）算法、溅射法（Splatting）、错切变形（Shear-Warp）、基于纹理映射算法，其中以光线投射算法最为经典：
光线投射算法是基于图像空间为序的经典体绘制算法，其基本思想是从视线处发出一条射线，它经过2D的图像平面投影到3D 的体数据上。射线经过2D图像的像素值由累加这条射线经过的每个体单元的颜色值和不透明度所决定。该算法原理图如图2所示，对颜色值和不透明度进行合成，合成方式可以是由前到后以及由后到前间。
体数据场
平面图像
图2光线投射法原理图
设第i个体素的额色值是C，不透明度值是α，进人第个体素的颜色值是Ci，不透明度值是α，经过第个体素后的颜色值是 Com，不透明度值是αaum。那么由后向前的图像合成公式：
作者简介：张锡英(1971-)女，黑龙江哈尔滨人,副教投,主要研究方向：现代信息技术及网络应用、图像处理，万方数据