侯書(shū)鵬　劉崢

摘要：針對(duì)血管內(nèi)超聲圖像數(shù)據(jù)，對(duì)血管內(nèi)腔進(jìn)行三維重構(gòu)和可視化處理。建立基于Visualization Toolkit（VTK）和Insight Segmentation and Registration Toolkit（ITK）的三維重構(gòu)系統(tǒng)，在重建過(guò)程中主要采用水平集分割獲取目標(biāo)區(qū)域，利用體繪制方法重構(gòu)三維模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效的生成血管模型，并可以對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，便于對(duì)模型的觀察。

關(guān)鍵詞：三維重構(gòu)；VTK；ITK；分割；體繪制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0099-02

冠心病作為一種常見(jiàn)的心臟病，嚴(yán)重危害著患者的身體健康，因此人們對(duì)冠心病的研究沒(méi)有停止過(guò)。冠心病影像學(xué)CAG于1970年代發(fā)展起來(lái)。CAG被認(rèn)為是冠心病診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的方法和手段具有局限性，臨床醫(yī)學(xué)十分需要血管內(nèi)超聲技術(shù)來(lái)檢測(cè)病變特性并指導(dǎo)介入治療。血管內(nèi)超聲IVUS作為血管內(nèi)影像學(xué)檢測(cè)技術(shù)，可以幫助醫(yī)生更好的診斷病人癥狀。

IVUS通過(guò)導(dǎo)管將高頻微型超聲探頭導(dǎo)入血管內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)電子成像系統(tǒng)顯示血管的截面圖像，但圖像受到聲波的振蕩，血管內(nèi)雜質(zhì)的干擾，使得醫(yī)生對(duì)于圖像的識(shí)別，尤其是對(duì)于病灶部分的識(shí)別變得十分困難。因此本文的目標(biāo)是利用ITK的圖像處理能力以及VTK的圖像可視化功能，通過(guò)VS2010開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)將二者集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)冠心病患者血管內(nèi)腔的三維重構(gòu)。

1 ITK功能實(shí)現(xiàn)

ITK是一個(gè)開(kāi)源的平臺(tái)，且具有很好的移植，它以C++為基礎(chǔ)，封裝了大量前沿算法，能夠很好的處理圖像的配準(zhǔn)分割等問(wèn)題。通過(guò)CMake編譯軟件，將ITK集成在VS2010所搭建的系統(tǒng)框架平臺(tái)，對(duì)圖像進(jìn)行處理。

1.1 圖像濾波

圖像濾波的方法有很多[1]，如閾值、邊緣檢測(cè)、投射和亮度映射、梯度、領(lǐng)域?yàn)V波等。其中領(lǐng)域?yàn)V波是相對(duì)成熟的濾波技術(shù)，領(lǐng)域?yàn)V波又包含均值濾波，中值濾波等。

本文采用的是均值濾波方法。ITK均值濾波器調(diào)用itkMean ImageFilter來(lái)消除噪聲干擾。其原理是以當(dāng)前像素點(diǎn)作為中心點(diǎn)設(shè)置一個(gè)窗口，濾波器則在該像素點(diǎn)的若干個(gè)臨近的單位輸入像素值，計(jì)算出用該窗口的均值，來(lái)代替原來(lái)像素值，算法的優(yōu)點(diǎn)在于可以有效的除去圖像奇異點(diǎn)，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度。原理公式如（1）式所示。

（1）

式（1）中Smn表示中心為（x，y），M表示m×n的值，尺寸是m×n的某矩形窗口，工程上一般采用3×3的矩形窗口。

1.2 圖像分割

圖像分割一般依據(jù)灰度、顏色、紋理等特征，可以將圖像劃分不同的子區(qū)域，提取所需要的區(qū)域做針對(duì)性研究。圖像分割方法主要有區(qū)域生長(zhǎng)、水平集分割和基于分水嶺的圖像分割等。

水平集分割方法最初應(yīng)用于流體力學(xué)領(lǐng)域，后逐漸應(yīng)用到圖像科學(xué)領(lǐng)域，開(kāi)始了水平集方法處理圖像的研究。水平集的基本思想是通過(guò)設(shè)置一個(gè)高緯函數(shù)，稱(chēng)為水平集函數(shù)，用該函數(shù)的零水平集來(lái)表示所要提取的輪廓，通過(guò)對(duì)水平集函數(shù)的微分，獲得零水平集的輪廓，完成圖像的分割[2]。在ITK的庫(kù)類(lèi)中，運(yùn)用FastMarching ImageFilter完成了水平集分割方法的封裝，通過(guò)調(diào)用該函數(shù)完成了圖像分割。

2 VTK功能實(shí)現(xiàn)

VTK在三維庫(kù)函數(shù)OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法發(fā)展起來(lái)，內(nèi)核由C++構(gòu)成，具有眾多的翻譯接口，擁有良好的移植性，且由于其強(qiáng)大的圖像顯示功能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、航天航空等領(lǐng)域。

三維重構(gòu)：VTK主要的特點(diǎn)就是其強(qiáng)大的三維圖形顯示功能，它既支持面繪制，又支持體繪制。面繪制是一種對(duì)物體表面進(jìn)行建模的繪制方式，但它忽略了物體內(nèi)部的具體信息，而體繪制更加注重對(duì)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述，由于重構(gòu)的對(duì)象是血管內(nèi)腔，所以采用體繪制，有利于模型建立后的觀察。

體繪制的基本原理是將體素作為數(shù)據(jù)處理的基本單位，根據(jù)已有三維體數(shù)據(jù)，將其所有體細(xì)節(jié)通過(guò)二維圖片形式展現(xiàn)出來(lái)。體繪制的主要算法有光線投影算法，錯(cuò)切變形算法，頻域體繪制算法，泡學(xué)球算法等[3]。光線投影法作為一種經(jīng)典的體繪制算法，它是基于圖像序列的算法，從圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)，沿固定方向發(fā)射一道光線，對(duì)圖像序列進(jìn)行顏色信息進(jìn)行采集，依據(jù)不同顏色光線的吸收不同，分析不同顏色的吸收率，然后將采集到的顏色值進(jìn)行不斷疊加，最后完成圖像的繪制。VTK中的vtkVolumeRayCast IsosurfaceFunction類(lèi)庫(kù)封裝了光線投影法的相關(guān)算法，通過(guò)該函數(shù)的調(diào)用，完成血管內(nèi)腔的三維重構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于VS2010提供的系統(tǒng)框架，憑借ITK和VTK良好的移植性，有機(jī)的將兩個(gè)功能結(jié)合，完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。對(duì)于圖像處理，利用ITK封裝的分割及濾波算法，對(duì)血管病灶部位圖像進(jìn)行處理；依靠VTK的體繪制算法重構(gòu)三維模型，并將重構(gòu)的模型顯示在窗口上，可以為后續(xù)的支架植入仿真研究提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1]何石，潘曉璐，李一民.一種均值濾波的優(yōu)化算法[J].信息技術(shù)，2012，（3）：133-134.

[2]王曉峰.水平集方法及其在圖像分割中的應(yīng)用研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[3]孫薇薇，張樺.三種體繪制算法的比較[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（4）：9-11.