医学影像三维重建系统的实现探讨

徐建

摘要：医学影像三维重建系统基于计算机图形学，以三维模型为基础，利用计算机可视化技术将医学影像的二维图像转变成三维模型，应用三维重建技术进行工作的影像检查系统，该系统为现代医学的临床诊断、外科手术以及假肢制作等医学实践提供了重要数据，因此医学影像三维重建系统已经在医学上广泛应用。文章针对当前三维重建系统速度慢、过度依赖硬件设备以及交互不畅的问题，系统提出如何实现医学影像三维重建系统的工作原理、计算方法以及实现路径，以此来改善现代医学影像三维重建系统的速度与交互性。

关键词：医学影像；三维重建系统；建设

中图分类号：R445 文献标识码：B DOI：10 3969/j.issn.1001-0270.2017.04.28

Implementation of 3D Reconstruction System of Medical Images

XU Jian

（China Petroleum Pipeline Bureau， Langfang 065000， China）

Abstract： Based on computer graphics， 3D medical image reconstruction system based on 3D model， by using the computer visualization technique， the two-dimensional image transformation of medical images into three-dimensional model， imaging system using three-dimensional reconstruction technique to work， the system provides important data for modern medicine clinical diagnosis， surgical and prosthetic production practice， therefore medical image 3D reconstruction system has been widely used in medicine In view of the current 3D reconstruction system of slow speed， excessive dependence on hardware and interaction problems， calculation method of system working principle， put forward to realize the 3D reconstruction system of medical image and the realization of the path， so as to improve the modern medical image 3D reconstruction system with interactive speed

Key Words： Medical Image； 3D Reconstruction System； Construction

1 前言

隨着人们对自身健康水平意识以及健康安全意识的提升，人们对医生的诊断要求也不断增高，尤其是在现代信息技术高速发展的时代，传统的医学诊断方式或医学诊断设备等远远无法满足现代的诊断要求，因此实现医学影像三维重建系统，改进传统的二维图像具有强烈的现实意义。医学影像三维重建技术主要是在二维图像的基础上，构建三维立体图像，通过立体图像更加全面、准确的显示人们的体内组织，医生利用三维图像可以分析人体组织的病变程度，从而进行医学诊断，这种诊断模式极大降低了临床诊断的误诊、漏诊率，大大提高了现代医学诊断的质量与效率。

2 医学影像三维重建系统的相关技术

医学影像三维重建系统必须要按照统一的国际DICOM标准进行交互设计，保持交互的相通性，这一DICOM图像格式与比较常见的图形格式（GIF、IPEG）不同，除了基本的图像要素外，还存在有患者的病历信息、检查信息以及影像检查的相关系数，这些系数不是无作用的，在后期医生诊断上，这些系数都要在医学图像的传输、处理中发挥作用。

随着现代医学影像三维重建系统的不断发展，主要出现面绘制和体绘制两种方法，该系统应用多平面重建技术和体绘制技术，再辅助于CPU的图像处理技术，才能够全面完成影像三维重建工作。

3 医学影像三维重建系统的算法

由于医学临床诊断的需求量不断增加，医生对医学影像三维重建系统的要求不在是仅仅重建三维图像，还要求三维图像能够通过交互作用，实现放大、缩小、旋转等功能，以便于医生从多角度进行医学诊断，提高医学诊断的效率和准确性。要想实现这一功能，就要对三维重建技术的相关算法进行了解，以重建系统中的体绘制技术为例展开分析，观察最佳的体绘制算法，以便于提高绘制质量与速度。

在体绘制技术的应用上，从表1中观察可知，光线投影法的绘制质量最高，以这种算法为例，以GPU编程为辅助条件，全面提高绘制速度，实现图形的高速处理。

光线投影算法主要是模拟光学模型从视点向观察平面上发射光线，依据选定的颜色和不透明度等光学属性，采集样点，最终合成图像。具体模拟过程如图1所示：

光线投影算法以GPU编程为基础，进行投影算法，具体运算过程如下图2所示：

从图2中可以看到，光线投影算法在应用GPU进行加速处理时，首先要判断光线是否与体数据包围盒相交，只有，满足“是”的条件，才能够沿着光线的方向进行优化运算；在光线合成过程中，将不透明度的数据与0 95进行比较，当数值>0 95时，提前终止光线合成，以此来获得相对应的平面像素值，提高光线合成的计算速度。

4 医学影像三维重建系统的设计与实现

医学影像三维重建系统的设计与实现过程中，应用ITK图像算法工具包、VTK可视化开发工具包、DCMTK DICOM通讯开发工具包和OPENCV计算机视觉库来共同构成重建系统，该系统通过多平面、立体的图像设计，来展示出人体组织的三维绘制图像，以此来提高诊断的效率。

4 1 系统结构

本次研究的医学影像三维重建系统主要是由底层、中层、上层三层架构而成，具体设计示意图如图3所示：

系统上层为数据应用层，主要功能为显示图像、人工交互和设置数据，这是三层中用户可以直接参与的表层操作系统；中层直接连接上下两层是数据处理层，主要是进行读取信息，进行数据处理，发挥传输、处理作用，在系统结构的构成上，进行信息数据的处理和传输具有重要意义，因此这一层也是架构最重要的部分；底层主要是通过ITK、VTK、DCMTK、OPENCV开源开发工具包为中层数据处理提供方便的算法库。

4 2 系统实现

医学影像三维重建系统的实现主要是通过二维序列读取模块、特定组织提取模块、面绘制模块、体绘制模块结合VTK的体绘制实现重建系统，其中以二维图像的读取最为关键，应用VTK的三维绘制方法进行模块信息的读取。

三维重建系统以二维图像为基础，因此在模块实现上，也主要是实现二维医学图像序列的相关信息，并对信息进行读取、显示、解压以及处理，应用DICOM序列图像进行信息压缩，并将病人的储存信息传输下来，得到完整的像素数据，由此构成三维绘制图像。

5 结语

医学影像三维重建技术应用在临床医学上，可发挥着重要的积极作用，进行系统实现，在体绘制算法（光线模拟算法）的计算上结合GPU编程进行数据信息的处理，可以加快算法速度，提高三维重建图像绘制的速度，以此来高效进行三维重建系统的设计与功能实现。

参考文献：

[1]杨海涛 医学影像三维重建系统的研究与实现[D] 广东工[1]业大学，2013

[2]翟争峯 医学影像三维重建系统的研究与实现[D] 电子科[1]技大学，2015

[3]卢开文 医学影像三维重建系统的研究与实现[D] 电子科[1]技大学，2016

[4]姜強，张丽群 医学影像三维重建系统的研究与实现[J] [1]健康之路，2014（9）