醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)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(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157000）

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，近年來醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的成像水平與質(zhì)量穩(wěn)步提升，無論從圖像分辨率或是成像細(xì)節(jié)均有了質(zhì)的飛躍。常見的四大影像設(shè)備X線、MRI、CT與超聲穩(wěn)定清晰的二維成像技術(shù)已經(jīng)成為目前醫(yī)學(xué)診斷和臨床治療的主要手段。但二維成像技術(shù)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(dāng)然醫(yī)生可以根據(jù)多張二維圖像以及本身的臨床經(jīng)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(zhǔn)確的臨床診斷結(jié)果，這也無形中增加了進(jìn)一步診斷與治療的難度。在此背景下，并隨著近代CAD等技術(shù)的發(fā)展，三維成像逐漸成為了醫(yī)學(xué)發(fā)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(qiáng)，但目前的大型成像設(shè)備只能提供二維圖像，這就需要借助外部發(fā)展迅速的虛擬仿真軟件及計算機(jī)算法來幫助模擬實現(xiàn)三維成像。

目前在眾多圖像處理軟件當(dāng)中，尤其屬M(fèi)ATLAB應(yīng)用最為廣泛，MATLAB是一款功能強(qiáng)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(jìn)行計算、分析和設(shè)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(jìn)行三維立體的圖像構(gòu)建和還原分析，得出了一種快速,便捷,準(zhǔn)確的測量人體器官空間參量的方法。以MATLAB 這一具有強(qiáng)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(shè)計利用了MATLAB軟件GUI開發(fā)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(fā)設(shè)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(shù)及設(shè)置選項。因此開發(fā)本套三維重建系統(tǒng)可以很容易的實現(xiàn)深層次的三維重建功能，如果配合強(qiáng)大的圖像處理工作站，可以實現(xiàn)復(fù)雜的醫(yī)學(xué) 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(shè)備綁定，更加便捷化，可以更好的為影像科醫(yī)生服務(wù)。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 主要功能

1. 普通電腦安裝 MATLAB后即可使用該醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)軟件；

2. 導(dǎo)入并打開包含DICOM格式在內(nèi)的多種醫(yī)學(xué)圖像格式，同時實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換；

3. 多種形式處理醫(yī)學(xué)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(xiàn)多張醫(yī)學(xué)圖像三維重建功能；

5. 完成三維重建后醫(yī)學(xué)圖像的修飾功能。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)方法

本系統(tǒng)軟件以基于黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃和黑龍江省教育廳項目為依托，以牡丹江醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生為主要測試對象，系統(tǒng)開發(fā)中以學(xué)生開發(fā)為主老師輔助，并在開發(fā)完成后將該系統(tǒng)軟件投入到《MATLAB》及《醫(yī)學(xué)圖像處理》實驗課中測試使用。

1.3 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)概述

根據(jù)本文研究的內(nèi)容,所設(shè)計的醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)功能模塊可以用圖1所示。

圖1 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的主界面如圖2所示。

1.4 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的詳細(xì)介紹

本系統(tǒng)屬于便攜式醫(yī)學(xué)圖像三維重建處理系統(tǒng)，目前系統(tǒng)具有以下功能模塊：

（1）圖片格式轉(zhuǎn)換模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)醫(yī)學(xué)圖像格式的讀取及保存轉(zhuǎn)換工作，眾所周知，醫(yī)學(xué)圖像 DICOM格式相對比普通圖片格式如bmp、JPEG等精度更高，數(shù)據(jù)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(yī)學(xué)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(yī)學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（3）三維重建功能模塊

醫(yī)學(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的體繪制方法，又稱為直接繪制方法。

圖2 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)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(jìn)行微調(diào)，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(yī)學(xué)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，該模塊作為整個系統(tǒng)的保留模塊，在今后的版本更新中不斷的拓展使用。

2 系統(tǒng)應(yīng)用演示

現(xiàn)通過以下示例，向讀者進(jìn)行本系統(tǒng)功能的展示。

2.1 圖像讀入

該部分由一個“導(dǎo)入圖片”按鈕和一個圖片顯示坐標(biāo)軸組成，通過按鈕將要處理的目標(biāo)圖片導(dǎo)入并顯示到坐標(biāo)軸上，支持常見的格式如jpg，bmp及醫(yī)學(xué)圖像DICOM格式。如圖3所示。

2.2 醫(yī)學(xué)圖像3D疊加圖處理

打開系統(tǒng)主界面導(dǎo)入一組腦部MRI圖像后選擇3D疊加功能模塊，對導(dǎo)入 MRI第 1、12、19、27幀陣列進(jìn)行批處理，然后將它們自動配準(zhǔn)疊加重建為立體結(jié)構(gòu)后界面如圖4所示。

2.3 醫(yī)學(xué)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(shù)據(jù)場中每個體素分別進(jìn)行處理，進(jìn)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(xì)節(jié)清晰的組織，本節(jié)為了讓讀者更好的體會到本軟件系統(tǒng)的實際效果，采用體繪制方式向讀者展示其效果。導(dǎo)入50張MRI圖像進(jìn)行體繪制處理，將顏色、照明等細(xì)節(jié)設(shè)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(zhuǎn)等操作，更適合觀察。

圖3 醫(yī)學(xué)圖像讀入及顯示處理

圖4 醫(yī)學(xué)圖像3D疊加圖處理結(jié)果

圖5 醫(yī)學(xué)圖像三維體繪制處理效果

3 總結(jié)

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

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