基于miminis平臺的c圖像三維重建算法研究

基于miminis平臺的c圖像三維重建算法研究

0醫(yī)學(xué)三維立體模型建立醫(yī)學(xué)ct是醫(yī)生廣泛使用的一種診斷方法。ct斷層掃描圖像反映了x線對不同組織的衰減率，密度相似軟組織的邊界分布效果不佳。為醫(yī)學(xué)二維圖像重建三維立體模型是醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)研究的一個熱點內(nèi)容。有人試圖用AutoCAD軟件,將CT圖像導(dǎo)入CAD窗口,手工建立三維模型,但建模的結(jié)果與真實情況有一定差距,很難滿足醫(yī)學(xué)要求。筆者使用C#語言以及開放的圖像處理開放包ActiViz.NET,編寫了一款基于Mimics平臺用于對器官、骨骼或組織CT影像進(jìn)行三維重建的軟件,實現(xiàn)了斷層掃描圖片的三維仿真。將CT圖片導(dǎo)入Mimics10.01窗口,對感興趣部分進(jìn)行分離并重建,重建的模型更接近于其解剖結(jié)構(gòu)。1圖像數(shù)據(jù)的采集Mimics軟件支持的格式有DIMCOM3.0標(biāo)準(zhǔn),ACR-NEMA格式,也支持BMP格式與TIFF格式的灰度圖像。需要注意的是,Mimics不支持彩色圖像和JPEG格式的圖像。DICOM格式的影像數(shù)據(jù),文件頭一般已經(jīng)包含了下列參數(shù)。1)患者名稱(patientname),可以是患者的名字,也可以是研究項目名稱,但要方便分類和管理。2)層距(slicedistance),斷層掃描圖片連續(xù)兩層的間隔。3)像素尺寸(pixelsize),圖像的像素與物體實際尺寸的比例,如同地圖的比例尺。4)掃描架傾斜度(gantrytilt),CT機(jī)掃描時的傾斜角度。實驗中使用的CT影像全部是符合DICOM格式的文件,避免了手動進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)。選擇脾臟作為研究對象,將腹部CT圖像導(dǎo)入軟件Mimics10.01中,用閾值分割、蒙版編輯和區(qū)域增長等方法,將脾臟分離出來。并對其進(jìn)行三維重建,通過平移、縮放重建的三維圖片,可以全方位、準(zhǔn)確地判斷脾臟的健康與疾患所在。以便于醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)確診斷病情,有針對性地采取下一步的治療方案。系統(tǒng)算法流程圖如圖1所示。2圖像的三維預(yù)處理運行File/ImportImages,選擇DIMCOM格式文件,導(dǎo)入成功后,讀取一組人體腹部16排螺旋CT圖像。屏幕上顯示同一幅圖片的3個視圖,其中右側(cè)的視圖為軸視圖(xy-view或axialview),左側(cè)上面的視圖為前視圖(xz-view或coronalview),左側(cè)下面的視圖為側(cè)視圖(yz-view或sagittalview)。每個視圖中均有二維坐標(biāo)系,圖2相當(dāng)于用3個二維坐標(biāo)構(gòu)成的三維坐標(biāo)系。3個視圖的使用很方便,對任意一個視圖CT圖像的任意位置,直接用鼠標(biāo)點擊想要操作的位置,交叉線的位置將會到達(dá)點擊的位置,另兩個視圖也會相應(yīng)改變,顯示出該物體的三維位置。每個窗口右側(cè)的滾動條用來旋轉(zhuǎn)對應(yīng)視圖的圖片,以尋找最清晰的觀察角度。預(yù)處理包括調(diào)整窗寬和窗位,設(shè)置方位參數(shù),把不同視圖中圖片的對比度調(diào)整到一個合適的數(shù)值。對比度越大,則越容易對人體組織中密度不同的部分進(jìn)行分割。為選擇合適的HU范圍,使用功能區(qū)contrast(灰度對比)工具。圖3為設(shè)置窗寬窗口,點擊圖3中下面的圓圈并拖動鼠標(biāo)可以調(diào)整HU的最小值,點擊上面的圓圈并拖動鼠標(biāo)可以調(diào)整HU的最大值?；螯c擊圖3中的斜線并拖動鼠標(biāo),觀察視圖區(qū)的圖像,待明顯看出脾臟輪廓時,停止拖動。窗寬HU值設(shè)置為-75~316像素后的效果如圖4所示。3閾值使用的限制合理地定義閾值取決于建模的目的,如果想得到一個好看的模型,使用較小的閾值,這樣建立的模型漏洞少;反之,若是為了建立義肢的模型服務(wù),則建議使用較大的閾值。較小的閾值選擇病人的軟組織較容易,閾值較大,則只會保留較稠密的部分,定義上下界閾值,選擇神經(jīng)部分比較容易,把感興趣的部分粗略地分出來。實驗中,當(dāng)設(shè)置閾值Min為54,Max為176時,脾臟的輪廓比較清楚。分割結(jié)果如圖5所示。3個視圖都有二維坐標(biāo),同時可以看出3個視圖的對應(yīng)關(guān)系。例如,當(dāng)前的3個視圖坐標(biāo)原點的位置,就是同一個位置從3個角度觀察的效果。改變?nèi)我庖粋€坐標(biāo),其他兩個也隨之相應(yīng)改變。4缺失0和1Mimics10.01軟件中分割的結(jié)果保存為Mimics的一個對象蒙板(mask)。蒙板是與原始圖像一一對應(yīng)的二值蒙板,也組合成一個三維體數(shù)據(jù)。它與體數(shù)據(jù)集的不同就是其體素的值只有0和1(見圖6)。Mimics10.01提供多種蒙板編輯功能。先使用裁剪蒙板(cropmask)按鈕,拉伸白色邊框,選定脾臟所在區(qū)域,在選擇脾臟區(qū)域時,注意觀察3個視圖同步變化,避免剪切掉脾臟的任何一部分,裁剪后的蒙板如圖6所示。圖6中基本剩下脾臟部分的影像。裁剪后的蒙板會有一些多余部分,點擊編輯蒙板工具(editmasks),用手動方式編輯蒙板,剪掉多余部分。某些多余部分可能從一個視圖的一個角度觀察不到。為了避免此種情況發(fā)生,分別選擇某一視圖后,調(diào)整視圖右側(cè)的滾動條改變觀察角度,進(jìn)行多角度裁剪。5mimcs10.0的系統(tǒng)仿真采用MC算法。假定原始數(shù)據(jù)是離散的三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場,每一單元內(nèi)等值面抽取的兩個主要計算:1)體素中由三角面片逼近的等值面計算;2)三角面片各頂點法向量計算。三維重建流程圖如圖8所示。重建后的三維圖像會殘留部分腎臟和與脾臟距離很近的肋骨,可先用手工方法粗略去掉,再用蒙板三維編輯(editmaskin3D)進(jìn)一步去除(見圖9)。圖9中重建的脾臟周圍有一個正方體,作為三維坐標(biāo),便于精準(zhǔn)定位,對編輯后的蒙板再次進(jìn)行三維重建并進(jìn)行光順處理。光滑處理后的脾臟三維重建效果如圖10所示。三維視圖可以平移、縮放和旋轉(zhuǎn),便于觀察,還可裁剪三維模型。三維仿真的難點在于圖像分割。而大部分圖像分割都可以利用Mimics提供的蒙板編輯(editmasks)或多層蒙板編輯(multiplesliceedit)去掉與目標(biāo)連接的像素,然后再進(jìn)行區(qū)域增長完成。但對于肝臟等與周圍組織灰度相近的臟器,這種方法工作量龐大,過程繁瑣,要求對目標(biāo)臟器的形狀較為熟悉。在這種情況下,可以使用造影劑。但若造影劑過多,則容易誘發(fā)腎病。所以對造影劑的使用應(yīng)該慎重。普通的CT,或X射線雖然在診斷過程中使用較為方便簡單,費用也相對較低,但對情況較復(fù)雜的患者,普通的CT影像資料無法全方位準(zhǔn)確地反映患者的實際病情,導(dǎo)致不能進(jìn)行最為有效地治療。以往通過CAD等三維軟件手工建模,模型簡單且單元和節(jié)點少,雖然計算量少、速度快,但其結(jié)果往往和真實的情況有很大的出入,仿真效果不理想。而Mimics10.01可以解決這方面的難題,它可對腹部復(fù)雜的影像資料進(jìn)行有效分析。通過閾值分割,將無效的資料進(jìn)行剔除,選擇感興趣的部分(脾臟)。對脾臟進(jìn)行三維重建,通過平移、縮放和旋轉(zhuǎn),使醫(yī)護(hù)人員能更加直觀、準(zhǔn)確地了解病情,為患者制定最優(yōu)的治療方案。6臨床使用的價值基于Mimics軟件的三維重建,可以快速將CT圖像數(shù)據(jù)重建成三維仿真模型,把醫(yī)學(xué)圖像信息以三維方式顯示,可以全方位得出病癥部位的有效數(shù)據(jù),然后對三維模型進(jìn)行模擬手術(shù)。從而做到以最小的創(chuàng)傷準(zhǔn)確地清除病灶。為進(jìn)一步實體手術(shù)提供理論基礎(chǔ),提高治愈幾率。重建的模型,接近真實的脾臟,為以后脾臟的進(jìn)一步研究提供了更為豐富的分析數(shù)據(jù)。此項技術(shù)具有很好的臨床推廣應(yīng)用價值。為了去掉像素中的