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医学图像三维观察系统的研发

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1软件三维交互技术

很多专家和学者认为,使用三维跟踪球,三维鼠标器是实现三维交互的根本手段和方法,它比利用软件方法实现交互有很大的优越性,但是另一些专家则持相反意见。他们曾做过统计,发现使用“真实三维交互设备”的用户并没有在操作时使用过多的自由度,尽管这些设备提供了这些功能。而是更多的使用了单个x,y,z轴进行旋转,沿x,y轴方向平移。这证明人们对于三维空间的感知、想象及操作能力远不如二维强,而且大多数用户是没有受过严格的三维空间想象力训练的,他们需要的并不是具有完整三维自由度的产品,而是真正符合他们的感知规律、使用方便、具有代表性操作的三维交互手段。软件方法则满足了这种需求,这也使得用软件方法来模拟三维交互有了可行之处。尤其是软件方法能够利用现有的二维交互设备,更使它成为了目前普遍采用的方法。Sutherland在1974年提出了利用数字化仪输入三维数据的方法,Nielson等在1986年提出了用鼠标器进行三维交互的方法。在这些工作中普遍采用了在二维显示屏上显示光标及控制点,用二维的交互设备输入三维变换参数的方法。

1.1三维观察

利用OpenGL图形库函数对绘制生成的三维模型进行一定的坐标变换,将其从世界坐标系变换到设备坐标系,映射到输出设备(即计算机二维屏幕)上。在实现三维交互技术之前,应当先来研究一下世界坐标系下的点是如何转化到设备坐标系下的,这个过程在图形学中被称为三维观察。三维交互算法的核心是将设备屏幕坐标系下的二维点转换为物体在世界坐标系下的三维点,其实这个过程就是计算机图像学中三维察的逆过程。下面就来研究一下,在三维观察中,世界坐标系下的点是如何一步步转化到设备坐标系下的。

1.1观察流程图

三维观察的过程类似于拍摄一张照片。为了拍摄一张照片,首先需要在场景中给照相机定位。然后需要确定相机的方向:相机朝哪个方向照以及如何绕视线旋转相机以确定相片的向上方向。如图1所示。最后,按下相机快门时,景物按相机“窗口”(镜头)的大小被修剪,光线从可视表面投影到相机胶片上。然而,与相机相比,用计算机生成的景物视图有更大的灵活性和更多的选择。图2给出了将物体三维模型的世界坐标描述变换到设备坐标的一般处理步骤。

2医学图像三维交互处理系统的实现

该系统主要研究在三维重建基础上交互处理的实现,加入了读取遵循医学DICOM3.0标准的二维医学图像格式dcm图像和Jpeg,Bmp,Raw,Imo等其它图像格式的功能。将二维医学图像序列重建成三维实体(头颅的表皮和骨骼重建),帮助医生进行诊断和手术模拟。

本系统采用VC++6.0开发平台,首先是读取CT(MRI)图像序列(格式可以任选),分配内存,接下来是图像组织的分割,即组织轮廓线的提取,因为人体各组织的灰度级是不同的,倘若要重建表皮组织,就要分出表皮的灰度轮廓(取500灰度级),倘若要重建骨组织,就要分割出骨组织的灰度轮廓(取1150灰度级),完成医学图像三维重建,然后就是图形的绘制和光线的处理,接着对处理后的三维图形进行交互处理,包括三维测量(直线,角度),三维裁剪等。最后分配内存的释放。下面对具体的实现过程及使用的类和其关键函数加以介绍:

(1)mitkWidgetModel是所有Widget的基类,这个类规定了交互中统一的接口;Pick(&names)实现对一个Widget的基本部件进行拣选的功能;Release()作用与Pick()相反,将选中部件设置为“unknown”,表示无部件被选中;Select()功能是检测本WidgetModel是否被选中,对选中的Model进行绘制;OnMouseDown(),OnMouseUp()OnMouseMove()实现鼠标的交互功能,还可以搭配键盘上的Sshift,Ctrl键作为组合键使用。以实现测量距离的Widget为例,首先在OnMouseDown()触发时记录当前线段两个端点的坐标,然后鼠标移动时在OnMouseMove()中根据当时的鼠标位置及时更新鼠标所选中的端点部件在三维空间中的坐标;上面介绍的类和函数是本系统实现的关键。

MITK是一个不错的医学影像算法平台,也是面向对象编程设计的,所以对面向对象的编程语言与工程应用都有着广泛的实用价值,可以对相关医疗领域及相关研究单位意义深远。图3为三维交互系统的软件实现界面;图4为切片重组功能;图5为切片重组输出功能。

3结论

本文主要针对在医学图像三维重建基础上的交互算法,以及模拟手术或相关单位对医学图像处理功能的需要,运用VC++6.0设计和实现了一个医学图像三维交互处理系统。该系统主要研究三维交互算法的实现和优化功能。尤其重要的一点是它能够提供医学图像可视化和三维交互的功能,将二维医学图像序列重建成三维实体(头颅的表皮和骨骼重建),在这个基础上进行三维交互处理。在帮助医生进行诊断和手术模拟方面具有重要的价值和意义。

作者:姜宝华董迎红单位:长春大学旅游学院长春大学计算机科学技术学院

医学图像三维观察系统的研发责任编辑:陈老师    阅读:人次