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1三維系統

本世紀醫學上的重大成果之一就是計算機斷層攝像技術CT(ComputerizedTomograph),這一計算機在醫學領域的應用成果,使醫學射線學發生了革命性的變化。清晰的人體結構圖像和詳盡的病理信息為臨床醫學的診療和醫學科學的研究提供了直觀可靠的手段。自從CT問世以來,計算機科學與生物醫學工程相結合,形成了計算機醫學圖像研究的新領域,并為生命科學的研究提供了新的方法。由于該領域的研究直接造福于人類健康,極大的推動了醫學的發展,成為近年來世界科技界最活躍、最富有生機和成就的領域之一。三維醫學圖像的研究是根據從某種成像設備上采集的截片集合(astackofsectionalslices),經計算機合成后而形成的三維體視圖像數據,通過對該體數據的計算機可視化處理,可方便地顯示出人體組織內在的物理屬性和空間關系。由于三維醫學圖像含有豐富的信息和逼真的視覺效果,可直接應用于診斷放射學(diagnosticradiology)、矯形學(orthopaedics)、放射腫瘤學(radiationoncology)、心臟病學(cardiology)和外科上。對計算機輔助治療方案的制定,利用三維系統可以進行預演手術,可以使治療安全可靠;利用三維系統進行腫瘤檢測,提供全方位方式觀察更細小的部位,提高早期病變的查出率。三維醫學可視化分析平臺是西北大學可視化研究所在微機上實現的一套軟件系統,和已有的醫療器械相結合,可成為新型的智能醫療器械。其研制目的是根據CT機或核磁共振機所形成的影像數據,利用目前計算機圖像處理、圖形學研究的新技術、新成就,在計算機上對醫學圖像數據進行各種處理,以達到一般成像設備所不能完成的許多功能,使其功能更強,信息更豐富,操作更方便。

2項目研制概況

本項目是自1995年11月開始研制的,目前已完成了微機上的“三維醫學可視化分析平臺”,包括CT機和MRI圖像數據分析瀏覽器、醫學圖像的器官分割(Seg-mentaion)、三維醫學圖像的建模和彩色分層繪制等子系統。所有功能模塊集成在3個應用程序中:•CT機和MRI圖像數據分析瀏覽器IMAVIEW可直接對來自CT機或MRI的成像數據解碼、顯示、處理和分析。其功能包括預處理模塊,直方圖調整、卷積濾波、圖像修正、斷層插值等處理及生成正則數據場。•醫學圖像的器官分割可對醫學圖像數據進行按不同的屬性(灰度、色彩、紋理等)給出交互式手工分割或基于數學形態學的半自動分割,以獲得體數據的不同層次結構。圖像分割模塊包括圖像分割、設定屬性、數學形態的操作(腐蝕,膨脹)等處理。•三維醫學圖像的建模和彩色分層繪制該技術可實現對二維和三維圖形的繪制、軸切面顯示、三維空間切面顯示。體繪制模塊包括XYZ剖面瀏覽、任意角度剖面瀏覽、比例調整、包圍盒、靜態Rendering、視點運動、動態Rendering,實現了著色、光照、明暗處理、隱面消除等高級圖像處理功能。系統設計采用面向對象的分析與設計方法,用Vi-sualC++5.0,充分利用了MFC多文檔多視結構。所有數據及其操作用類進行有效封裝。在交互式界面方面,采用復雜的單文檔多視結構,圖形三維空間定位采用OpenGL技術,顯示清晰直觀。這些系統的數據來自于第四軍醫大學西京醫院的工作實體采集。本系統為醫院的教學作為不用開刀的實例解剖系統,也在臨床的手術上成為與國外進口軟件可相比較的一個輔助系統。

3系統特點

比較國際國內所進行的研制工作,該項目具有如下特點:(1)醫學體數據可視化交互式處理的集成環境,在統一的界面下完成對體數據的各項處理和各種操作。(2)多分層色彩的三維動態效果和透視效果。(3)對截片圖像數據的三維重構。(4)三維數據體上的任意角度視窗變化觀察。(5)醫學對象的真實化顯示方法。(6)數據輸出的標準化,其系統輸出結果對Open-GL/3DS等流行的圖形系統兼容。(7)良好的性能價格比。國外的可視化軟件一般都在高檔圖形工作站上開發,本系統是基于微機系統的三維可視化軟件,在系統的設計中,充分利用了微機硬軟件的各方面結合而形成較快的運算速度、逼真的顯示圖像,而系統價格僅是國外工作站系統的1/10。

4系統應用分析

做為計算機圖像處理在醫學上應用的成功范例,CT為放射醫學帶來了革命性的變化。然而,隨著計算機技術的發展,CT機的技術也有一個發展和更新問題。我國CT機技術主要依賴進口,但目前是低水平的重復進口,導致CT機功能落后。

總體上講,國際上CT技術要落后于計算機圖形技術一步,而我們進口技術又落后國際先進技術一步。目前CT的更新換代,重要的部分是計算機圖形技術的改進。直接應用計算機圖形技術的最新成果,提高CT的功能,是對舊CT的更新換代、擴大新CT的功能、趕超國際先進水平的捷徑。當前,國際新型成像設備切片間距可達到1mm,這也為三維成像提供了可行的物質基礎。此項研究的成果,作為醫學影像數據庫,可直接應用于臨床醫學。通過系統網絡的終端機,本系統可直接應用于門診、病房、甚至家庭,通過一般的微機而直接觀看到比常規CT更豐富的三維醫學圖像,并且,這些圖像是做完CT后即可看到,一個傳送命令即可調出查閱。此項研究成果也可用于醫學研究工作,清晰的人體解剖結構和詳盡的病理信息為醫學研究者提供了直觀可靠的可視化工具。醫學研究工作者通過該系統可完成比較研究和醫學病例的查詢和學習。這種可視化工具可廣泛地應用于診斷醫學、整形與假肢外科中的手術規劃等分支。其核心技術是將過去看不見的人體器官以二維圖像的方式顯示出來或重建它們的三維模型。在診斷醫學的臨床和研究中,CT圖像、核磁共振圖像和超聲圖像的廣泛應用是診斷的有利工具。應用先進的可視化技術對這些圖像進行處理、構造三維實體模型以及對其進行剖切顯示有助于理解復雜解剖特征的空間定位和隨時間所發生的變化。計算機在診斷醫學中所發揮的作用越來越大,因為多重圖像和多模圖像信息的處理與綜合離不開計算機和可視化技術。整形外科中,應用可視化技術完成假肢造型設計。例如,在做髖骨更換手術以前,需要根據病人的個體特征正確的設計所需髖骨假肢的外形才能減少因假肢形狀差異造成的手術失敗的概率。利用可視化技術,首先根據CT和MRI的圖像重構假肢精確的三維模型,交工廠生產后再進行手術替換。在χ刀和γ刀的輻射治療中,需要預先做出仔細的規劃,包括劑量的計算和照射點精確定位。利用可視化技術,根據醫學圖像重建病人病灶區的解剖結構,做出精確定位和劑量的計算已成為實際可行。醫學圖像成像設備已是醫院的必備設備(包括CT、核磁共振機,X光機、B超等)。

從醫學成像、圖像處理到高級醫學圖像處理,是一個從低級到高級的發展過程,更新換代在所難免。三維交互式醫學圖像處理系統是對現有CT、核磁共振機功能的擴充,又為進一步的生命科學研究提供了軟件開發平臺。其應用方向有:•醫學影像數據庫做為現有CT機的功能擴充,在線實現三維觀察,及時的圖像數據庫查詢。可用于一般醫院CT室或門診直接使用。•手術計劃系統作為放射醫學的輔助治療系統,可實現對χ刀、γ刀的手術定位和手術計劃系統。•醫學CAI(計算機輔助教學系統)對生命科學的教學研究,可作為解剖實習演示系統,為現有醫學、生物學研究提供虛擬解剖的工具。•醫學會議系統與現有CT機聯網后構成醫院的圖形數據庫系統,并可進一步加入Internet網,形成遠程會診系統或國際會診系統。三維醫學計算機可視化系統的研究工作是一個領域而不僅是一個研究課題。以此為起步,可望展開今后在這一領域的研究工作,并與國際研究同步,取得一系列生命科學領域和計算機圖形學領域的新成就。