三维可视化医学探究
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1三维系统
本世纪医学上的重大成果之一就是计算机断层摄像技术CT(ComputerizedTomograph),这一计算机在医学领域的应用成果,使医学射线学发生了革命性的变化。清晰的人体结构图像和详尽的病理信息为临床医学的诊疗和医学科学的研究提供了直观可靠的手段。自从CT问世以来,计算机科学与生物医学工程相结合,形成了计算机医学图像研究的新领域,并为生命科学的研究提供了新的方法。由于该领域的研究直接造福于人类健康,极大的推动了医学的发展,成为近年来世界科技界最活跃、最富有生机和成就的领域之一。三维医学图像的研究是根据从某种成像设备上采集的截片集合(astackofsectionalslices),经计算机合成后而形成的三维体视图像数据,通过对该体数据的计算机可视化处理,可方便地显示出人体组织内在的物理属性和空间关系。由于三维医学图像含有丰富的信息和逼真的视觉效果,可直接应用于诊断放射学(diagnosticradiology)、矫形学(orthopaedics)、放射肿瘤学(radiationoncology)、心脏病学(cardiology)和外科上。对计算机辅助治疗方案的制定,利用三维系统可以进行预演手术,可以使治疗安全可靠;利用三维系统进行肿瘤检测,提供全方位方式观察更细小的部位,提高早期病变的查出率。三维医学可视化分析平台是西北大学可视化研究所在微机上实现的一套软件系统,和已有的医疗器械相结合,可成为新型的智能医疗器械。其研制目的是根据CT机或核磁共振机所形成的影像数据,利用目前计算机图像处理、图形学研究的新技术、新成就,在计算机上对医学图像数据进行各种处理,以达到一般成像设备所不能完成的许多功能,使其功能更强,信息更丰富,操作更方便。
2项目研制概况
本项目是自1995年11月开始研制的,目前已完成了微机上的“三维医学可视化分析平台”,包括CT机和MRI图像数据分析浏览器、医学图像的器官分割(Seg-mentaion)、三维医学图像的建模和彩色分层绘制等子系统。所有功能模块集成在3个应用程序中:•CT机和MRI图像数据分析浏览器IMAVIEW可直接对来自CT机或MRI的成像数据解码、显示、处理和分析。其功能包括预处理模块,直方图调整、卷积滤波、图像修正、断层插值等处理及生成正则数据场。•医学图像的器官分割可对医学图像数据进行按不同的属性(灰度、色彩、纹理等)给出交互式手工分割或基于数学形态学的半自动分割,以获得体数据的不同层次结构。图像分割模块包括图像分割、设定属性、数学形态的操作(腐蚀,膨胀)等处理。•三维医学图像的建模和彩色分层绘制该技术可实现对二维和三维图形的绘制、轴切面显示、三维空间切面显示。体绘制模块包括XYZ剖面浏览、任意角度剖面浏览、比例调整、包围盒、静态Rendering、视点运动、动态Rendering,实现了着色、光照、明暗处理、隐面消除等高级图像处理功能。系统设计采用面向对象的分析与设计方法,用Vi-sualC++5.0,充分利用了MFC多文档多视结构。所有数据及其操作用类进行有效封装。在交互式界面方面,采用复杂的单文档多视结构,图形三维空间定位采用OpenGL技术,显示清晰直观。这些系统的数据来自于第四军医大学西京医院的工作实体采集。本系统为医院的教学作为不用开刀的实例解剖系统,也在临床的手术上成为与国外进口软件可相比较的一个辅助系统。
3系统特点
比较国际国内所进行的研制工作,该项目具有如下特点:(1)医学体数据可视化交互式处理的集成环境,在统一的界面下完成对体数据的各项处理和各种操作。(2)多分层色彩的三维动态效果和透视效果。(3)对截片图像数据的三维重构。(4)三维数据体上的任意角度视窗变化观察。(5)医学对象的真实化显示方法。(6)数据输出的标准化,其系统输出结果对Open-GL/3DS等流行的图形系统兼容。(7)良好的性能价格比。国外的可视化软件一般都在高档图形工作站上开发,本系统是基于微机系统的三维可视化软件,在系统的设计中,充分利用了微机硬软件的各方面结合而形成较快的运算速度、逼真的显示图像,而系统价格仅是国外工作站系统的1/10。
4系统应用分析
做为计算机图像处理在医学上应用的成功范例,CT为放射医学带来了革命性的变化。然而,随着计算机技术的发展,CT机的技术也有一个发展和更新问题。我国CT机技术主要依赖进口,但目前是低水平的重复进口,导致CT机功能落后。
总体上讲,国际上CT技术要落后于计算机图形技术一步,而我们进口技术又落后国际先进技术一步。目前CT的更新换代,重要的部分是计算机图形技术的改进。直接应用计算机图形技术的最新成果,提高CT的功能,是对旧CT的更新换代、扩大新CT的功能、赶超国际先进水平的捷径。当前,国际新型成像设备切片间距可达到1mm,这也为三维成像提供了可行的物质基础。此项研究的成果,作为医学影像数据库,可直接应用于临床医学。通过系统网络的终端机,本系统可直接应用于门诊、病房、甚至家庭,通过一般的微机而直接观看到比常规CT更丰富的三维医学图像,并且,这些图像是做完CT后即可看到,一个传送命令即可调出查阅。此项研究成果也可用于医学研究工作,清晰的人体解剖结构和详尽的病理信息为医学研究者提供了直观可靠的可视化工具。医学研究工作者通过该系统可完成比较研究和医学病例的查询和学习。这种可视化工具可广泛地应用于诊断医学、整形与假肢外科中的手术规划等分支。其核心技术是将过去看不见的人体器官以二维图像的方式显示出来或重建它们的三维模型。在诊断医学的临床和研究中,CT图像、核磁共振图像和超声图像的广泛应用是诊断的有利工具。应用先进的可视化技术对这些图像进行处理、构造三维实体模型以及对其进行剖切显示有助于理解复杂解剖特征的空间定位和随时间所发生的变化。计算机在诊断医学中所发挥的作用越来越大,因为多重图像和多模图像信息的处理与综合离不开计算机和可视化技术。整形外科中,应用可视化技术完成假肢造型设计。例如,在做髋骨更换手术以前,需要根据病人的个体特征正确的设计所需髋骨假肢的外形才能减少因假肢形状差异造成的手术失败的概率。利用可视化技术,首先根据CT和MRI的图像重构假肢精确的三维模型,交工厂生产后再进行手术替换。在χ刀和γ刀的辐射治疗中,需要预先做出仔细的规划,包括剂量的计算和照射点精确定位。利用可视化技术,根据医学图像重建病人病灶区的解剖结构,做出精确定位和剂量的计算已成为实际可行。医学图像成像设备已是医院的必备设备(包括CT、核磁共振机,X光机、B超等)。
从医学成像、图像处理到高级医学图像处理,是一个从低级到高级的发展过程,更新换代在所难免。三维交互式医学图像处理系统是对现有CT、核磁共振机功能的扩充,又为进一步的生命科学研究提供了软件开发平台。其应用方向有:•医学影像数据库做为现有CT机的功能扩充,在线实现三维观察,及时的图像数据库查询。可用于一般医院CT室或门诊直接使用。•手术计划系统作为放射医学的辅助治疗系统,可实现对χ刀、γ刀的手术定位和手术计划系统。•医学CAI(计算机辅助教学系统)对生命科学的教学研究,可作为解剖实习演示系统,为现有医学、生物学研究提供虚拟解剖的工具。•医学会议系统与现有CT机联网后构成医院的图形数据库系统,并可进一步加入Internet网,形成远程会诊系统或国际会诊系统。三维医学计算机可视化系统的研究工作是一个领域而不仅是一个研究课题。以此为起步,可望展开今后在这一领域的研究工作,并与国际研究同步,取得一系列生命科学领域和计算机图形学领域的新成就。
