三维交互式切割技术在医学图像处理中的应用

【作 者】孙少平，杨开泰，李斌，李元俊，梁静

玉溪市人民医院，玉溪市，653100

0 前言

目前，医学图像三维交互式切割技术的研究是医学图像领域的一个研究热点，同时它也是一个多学科交叉的研究领域。需要利用计算机图形学、图像处理、科学计算可视化和医学领域的相关知识，在医学图像后处理领域有重要的意义[1]。

利用三维可视化技术重建出医学图像的三维模型，通常只能观察到三维物体表面的形状、结构和信息，而无法观察到内部的详细信息。医生往往关心的是三维重建物体内部的医学结构信息，而内部物体往往被外部的目标遮挡住（如肾、肝等器官被皮肤和骨骼遮盖）。

基于上述原因，该文提出三维交互式切割方法，通过交互式操作，可以对任意方位的三维空间数据切片和重建后的三维物体进行交互式观察和操作，方便诊断，提高诊断的准确性。

1 任意方位的三维切片数据交互式切割

在医学图像三维可视化处理中往往涉及到最佳层面图像的显示问题，即根据感兴趣组织的位置和方向以及与周围组织结构之间的空间关系来确定最能满足临床应用需求的断层序列图像[2]。该文提出采用“三维交互式切割”方法对医学图像序列组成的三维切片数据空间进行交互式切割，提取数据场中具有诊断意义的断面，并对此断面图像进行交互式操作，方便医生观察三维空间数据的层次结构以及与各个组织、器官之间的空间关系，充分利用三维空间数据场的信息，具有较强的诊断价值。

1.1 正交平面切割原理及方法

正交平面切割方法是沿着X、Y和Z轴方向，设置某一点为参考点，用垂直于三个坐标轴的平面切割三维空间体数据，从而形成三个相互正交的断面图像，即医学上常说的具有诊断意义的横截面、冠状面、矢状面。通过人机交互方式控制三个正交面进行交互式提取和显示切面图像。

1.2 任意角度平面切割原理和方法

利用正交面对三维空间切片数据场进行交互式提取和显示，只能提取和显示三个正交面上的信息。如果需要显示非正交面的信息，则该方法不能满足实际需求。任意角度平面显示需要在三维立体空间中定义一个任意方位的平面，通过定义该平面的法向量和内点来对医学图像切片数据构建的三维立体空间进行任意角度的平面切割并获得切割面的图像信息，同时实时显示相关的图像信息[3]。这种方法只要在三维空间中给定平面上的一个点p(x0,y0,z0)以及该平面的法向量n=(a1,a2,a3)，由平面的点法式方程可知，该平面的方程满足式(1)。

因此，要获取三维空间数据场中某一角度和部位的虚拟平面，只需要确定该平面的法向量和平面上的一点即可。在三维空间中，任意平面的单位法向量均可由该平面的方向角α，β，γ确定，其中，0≤α≤ π，0 ≤ β≤π，0≤γ≤π。定义三维坐标系原点为o，则向量op的方向余弦为：cosα、cosβ、cosγ。则由式(2)可计算出法向量n=(a1,a2,a3)的值。

通过式(1)和(2)即可确定虚拟平面的法向量和内点。为了获取沿法向量的其他切面图像，只需要沿法向量方向移动初始平面即可。若设为沿法向量方向移动的距离，当取负值时表示沿n的反向移动。令p'(x',y',z' )表示平移后的虚拟切片中的p(x0,y0,z0)点，则可通过式(3)求得移动后的点p'(x',y',z')的值。同时，也可以通过人机交互方式改变所定义的平面内的法向量和内点位置来实时切割三维空间数据场并同步显示切割平面的图像信息。

1.3 实验结果与分析

本文基于可视化工具包VTK[4]进行正交平面和任意角度平面的三维切片交互式切割，并将切割面的图像实时、动态显示。实验所用数据为头部标准DICOM格式的CT图像序列。实验结果如图1所示。

实验结果分析：图1(a)为CT切片序列图像；图1(b)中左上角为1(a)中图像序列形成的三维空间数据场，右上角为横截面图，左下角为冠状面图，右下角为矢状面图；图1(c)中左上角为图像序列形成的三维空间数据场，其余三幅图像均为不同角度切割平面图像。图1(b)和1(c)均通过交互式调节窗宽和窗位的数值来突显不同的组织和器官部位，具有较强的临床诊断价值，医生可以从不同的角度对其进行交互式观察。同时，也可对上述图像进行放大、平移、旋转等交互式操作，方便医生进行定性和定量分析，提高诊断效率和准确度。

图1 三维切片交互式切割结果Fig.1 The results of interactive clipping for 3D cross-section images

2 三维重建体交互式切割

由于三维空间数据场具有一定的层次感，在实际观察中三维可视化后的图像内部组织和器官通常会被皮肤和骨骼等外部信息所遮挡，无法看到三维重建体内部的组织结构和相关信息[5]。本文提出“三维交互式切割”即“六面体切割”和“任意角度切割”方法对重建后的三维图像进行交互式切割，可以实时动态的显示三维重建体内部的图像信息。比起传统的单纯依靠调节皮肤和骨骼等外表面的不透明度和灰度等数值来显示内部信息，此方法具有较强的实时性和交互性[3]。

2.1 三维重建体交互式切割原理和方法

三维重建体的交互式切割，通常需要在三维空间中定义两个模型。一种是在场景中用于显示实体的Data模型，另一种是对三维物体进行操作的Widget模型。对三维重建体进行交互动作必须要通过处于三维场景中的Widget模型作用于Data模型[6]。本文基于三维可视化工具包VTK在屏幕上创建一个立方体空间和可以交互式放置的任意角度平面，此立方体空间的六个表面和任意角度平面以及它们的中心点都能通过鼠标或者其他操作对其进行交互式操作。通过这个六面体和任意角度平面直接对三维空间的物体进行交互式切割。其基本流程如图2所示。

图2 六面体/任意角度平面切割重建物流程Fig.2 Flow chart of hexahedron/arbitrary-orienting clipping plane for 3D reconstructed image

2.2 实验结果与分析

本文基于三维可视化工具包VTK进行六面体和任意角度平面的三维重建体交互式切割，并同步将切割的图像实时、动态显示。实验所用数据为重建后的MRI三维脑部立体图像。实验结果如图3所示。

图3 三维重建体交互式切割结果Fig.3 The results of interactive clipping for 3D reconstructed image

实验结果分析：图3(a)为MRI脑部序列切片图像；图3(b)为图3(a)切片图像的三维重建体；图3(c)和3(d)分别是通过“六面体切割”和“任意角度切割”方法对图3(b)处理的结果。在图3(c)所在的三维空间，定义六个小物体，其中每个物体都代表一个平面，通过点击移动每个平面上的小物体，此物体所在的平面也会随着物体的移动而移动，从而达到六面体切割三维空间体数据的目的。通过上述方法即可观察到重建体内部六面方位的信息，具有较高的临床诊断和分析价值。在图3(d)所在的三维空间中，同样定义一个小圆锥体和一个小球体，其中小圆锥体可以控制空间中平面的法向方向，小球体可以控制平面切割体数据的位置。通过控制小圆锥体和小球体的方位，达到任意角度平面切割空间体数据的目的。通过上述方法即可观察到重建体内部任意方位的信息，具有较高的临床价值。

3 结论

本文采用“三维交互式切割”方法对医学图像序列组成的三维空间数据场进行交互式切割、提取和显示，实验结果清晰地表现出感兴趣组织结构在层间的变化，增强了对三维结构的视觉感知能力；同时采用“六面体和任意角度平面切割”方法对MRI图像重建后三维立体进行交互式切割，以便观察重建体内的结构信息，解决了三维重建体绘制本身的缺陷，具有较高的临床实用价值。

[1]胡战利.基于VTK的医学图像三维重建及交互研究[D].哈尔滨工程大学,2008.

[2]严华刚,付璇,钱雅君,等.基于VTK的任意平面CT图像二维交互分割初步研究[J].中国医疗设备,2010,25(5): 21-23.

[3]周振环,王安明,王京阳,等.基于VTK三维可视化编程[J].深圳职业技术学院学报,2007,6(3): 10-14.

[4]Hu Z,Li J.Study on 3D CT image reconstruction and interactive clipping[C].ITAB,2008: 101-104.

[5]李嘉,胡怀中,胡军,等.可视化三维图形库Visualization ToolKit3.2的原理及应用[J].计算机应用与软件,2004,21(2):5-6,29.

[6]孙少平.医学图像三维可视化及交互式切割研究[D].昆明理工大学,2012.