医学图像可视化是科学计算可视化中一个重要领域,是世界各国研究的一个热点，所谓科学计算可视化,首先由美国国家科学基金会于1987年提出,研究如何把 科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计算方法。医学图像可视化,就是把由CT、MRI等数字化成像技术获得的人体信息在计算机上直观地表现为 三维效果,从而提供用传统手段无法获得的结构信息。这无论是在基础研究还是临床应用上都有很高的价值。1986年,NLM(美国国家医学图书馆)提出的 VHP(VisibleHu-manProject,可视化人体计划)就是一项医学图像可视化的开拓计划。它利用男、女两组CT、MRI数据集来进行可视 化[3]。但这仅仅适用于实验研究,因为人体之间的个体差异性很大,将这两组数据直接用于临床并不很适合。随着数字化、网络化时代的到来,医学影像技术进 入一个崭新的时代。在医学影像领域,多种新的数字化成像技术(如CT、MRI、DSA、CR、DR、PET等)的问世,全数字化放射学、图像导引及远程放 射学作为三种相互关联的技术成为新世纪的影像技术的主流。这些医学影像数字化技术使传统的医学获取和观察方式被彻底改变,同时也使图像在医学中变得越来越 重要。医学图像可视化在信息科学和医学科学的最新技术基础上,对人体从细胞组织到器官结构进行全面的研究,其技术得到了巨大的推动,临床应用范围不断扩 大。下面就医学图像可视化技术及应用进展作一介绍。
2　医学图像可视化技术算法的发展
医学图像可视化的算法经历了一个发展的时期。从傅立叶变换、卷积反投影等基本图像处理算法开始,到MPR(multi- planarreformation,多层面重组)、MIP(maximumintensityprojection,最大密度投影法),一直到真正的三 维重建算法:面绘制和体绘。
MPR是将采集到的三维数据(又称为体素,Voxel)进行重新排列以显示任意方向上的断面。而MIP是将三维数据向任意方向投影,取投影线上的最大体素 值加以显示。MPR和MIP方法的功能实现和操作都很简单,对硬件要求不是很高,通常CT、MRI设备自身的工作站完全可以满足要求。面绘制 (surfacerendering)首先从三维数据中重建出三维物体表面,即根据分割结果和轮廓线进行物体表面的重建,再利用合理的光照模型以及纹理映 射方法产生具有真实感的三维实体。在医学领域又称为SSD(shadedsurfacedisplay,表面阴影显示法)。由于面绘制处理的数据通常是整 个体数据的一小部分,并且利用了计算机图形学多边形绘制技术,还借助三维图形加速硬件,所以面绘制的速度还是比较快的。而体绘制 (volumerendering)是对体数据场中每个体素进行处理,直接把三维灰度数据投影显示到二维屏幕上,同时人机交互地调节不透明度 (opacity)、光照效果等参数,进而合成具有三维效果的图像,所以计算量大,图像生成速度慢,更多地受到硬件技术发展的限制。还有基于体素模型的直 接体绘制算法,该算法结合了面绘制及直接体绘制的优点,可以利用OpenGL图形标准及硬件加速对图像序列进行三维重建,重建效果逼真,速度快,具有算法 简单、实现容易等特点。
3　可视化技术及应用
医学图像可视化发展到现在,已不单纯局限于完成一些简单的显示功能。它的技术扩展到许多领域,尤其是在三维重建、图像配准融合中。应用范围涉及临床教学、计算机辅助外科(CAS)、放疗计划系统、仿真内窥镜甚至虚拟现实等。
3.1　三维重建其实,狭义的医学图像可视化概念就是将三维体数据进行重建,在二维屏幕上显示或以虚拟现实方式体现三维重建。计算机辅助外科 (CAS)、放疗计划和虚似内镜等是其主要的应用领域。CAS指利用CT/MRI的数据经可视化处理实现三维定位功能,对外科医生的诊断和手术提供一个交 互式的导航作用。尤其是在神经外科领域,CAS起到了很大的作用。利用采集到的数据集(CT、MRI、立体定向脑血管造影等),可以迅速完成靶点定位的计 算,建立三维模型,对手术进行规划与仿真,完成三维扫描像的实时重构。神经外科中对Parkinson综合征有很好疗效的细胞刀也是基于三维模型定位来用 微电极进行治疗的。在整形外科上,如在矫形手术时,利用可视化技术构造出骨、关节的三维图像,然后对切割部位、切割形状、移位多少以及固定方式等多种方案 进行模拟,并从各个不同角度观察效果,最后由医生选择最佳实施方案。这样可以大大提高矫形手术的质量。放疗计划是一种十分依赖于医学图像的治疗模式。在三 维适形放射治疗(3Dconformalradiothera-py,3DCRT)或三维放射治疗计划系统(3DTPS)中,首先对肿瘤组织进行三维空间 在x,y,z轴上的预定位,然后利用三维重建,将所有的剂量计算点和显示像素在三维空间内展开,使医生快速而准确地获得放疗所需丰富信息,正确区分肿瘤组 织和周围正常组织结构,并将剂量集中在肿瘤靶组织上。同时,为了保证三维空间上剂量的精确分布,对同位素安放位置、等剂量线等进行计算机模拟,确定放射剂 量和治疗方案。三维重建的结果可以利用束向视图BEV(beam'seyeview)直观显示,以此进行评估修正。此外,虚拟内镜也是利用相应数据进行的 可视化应用。采用SSD或体绘制法,根据需要得到任意视角的图像。还可以在受检器官的腔内选择好视点的行进路线,由计算机保存一系列结果图像,按电影序列 反复回放,得到与光纤内窥镜相似的图像效果。