基于ITK和OpenGL的醫(yī)學(xué)圖像三維表面重建系統(tǒng)研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)圖像三維重建（ThreeDimensionsReconstruction）是指通過計(jì)算機(jī)斷層掃描（ComputerizedTomography）、核磁共振成像（MagneticResonanceImaging）和超聲波掃描（Uhrasonography）等成像設(shè)備按某種物理學(xué)原理從人體器官采樣得到的單張或序列圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，以從中恢復(fù)器官的三維表面形狀。并進(jìn)一步通過人機(jī)交互，對重構(gòu)出的物體進(jìn)行各種模擬仿真的操作，如旋轉(zhuǎn)、縮放、切

2、割等。研究快速而有效的三維成像技術(shù)，是具有相當(dāng)價(jià)值的。醫(yī)學(xué)圖像的三維重建是近10年發(fā)展起來的，是借助計(jì)算機(jī)對生物組織結(jié)構(gòu)影像的連續(xù)圖像進(jìn)行處理、獲得三維圖像并能進(jìn)行定量測量的一項(xiàng)形態(tài)學(xué)研究的新技術(shù)與新方法。
　　ITK（InsightSegmentationandRegistrationToolkit）具有強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)圖像分割和配準(zhǔn)功能，目前采用開源的形式支持發(fā)行，因此深受開發(fā)人員的青睞，它已經(jīng)并將繼續(xù)成為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域研究人員的一個(gè)

3、分割和配準(zhǔn)算法的倉庫和基礎(chǔ)[1]。但是由于ITK不具備可視化功能，所以一般要與可視化開發(fā)工具包VTK（VisualizationToolkit）聯(lián)合起來使用才能構(gòu)成一個(gè)比較完整的醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)。而VTK雖然提供了可視功能，但缺乏靈活、實(shí)用的用戶界面。
　　OpenGL是一套獨(dú)立于操作系統(tǒng)的三維圖像庫，具有良好的跨平臺移植能力。隨著圖形顯示硬件的發(fā)展，OpenGL已經(jīng)被絕大多的顯卡生產(chǎn)商作為標(biāo)準(zhǔn)，廣泛的應(yīng)用于圖像可視化技術(shù)。

4、為了利用VC++6.0的強(qiáng)大功能來實(shí)現(xiàn)對三維圖形的繪制，Windows提供了OpenGL32.DLL和GLU32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫，開發(fā)者可以在多種硬件平臺及操作系統(tǒng)下利用圖形庫方便地編程，快速地生成美觀、復(fù)雜的三維彩色圖形。
　　本課題實(shí)現(xiàn)了一種基于ITK和OpenGL開發(fā)醫(yī)學(xué)圖像處理平臺的新模式，在目前流行的編程環(huán)境VC++6.0下，利用ITK進(jìn)行序列DICOM圖像的輸入、分割及三維重建，利用OpenGL渲染及輸出。不僅解決了

5、ITK不提供可視化的問題，而且可以根據(jù)需要定制方便實(shí)用的用戶界面。
　　本論文的主要工作如下：
　　1.ITK中等值面的提取。
　　ITK醫(yī)學(xué)圖像分割和配準(zhǔn)算法豐富，但是對于三維重建目前只提供面繪制算法。MarchingCubes算法被認(rèn)為是至今為止最流行的面繪制算法之一，它的本質(zhì)是從一個(gè)三維數(shù)據(jù)場中抽取一個(gè)等值面，所以也被稱為“等值面提取”算法。ITK等值面算法由itkBinaryMask3DMeshSource實(shí)現(xiàn)

6、。本課題將閾值分割的輸出作為等值面提取的輸入，通過SetObjectValue()設(shè)置一個(gè)value值，灰度值與之相等的像素將被直接提取，生成為一個(gè)Cell類型為三角形的ITK數(shù)據(jù)類型Mesh。
　　2.ITK和OpenGL的接口
　　OpenGL可以繪制復(fù)雜多樣的形體，但是這些復(fù)雜形體都是由一些基本圖元構(gòu)成。這些基本圖元包括點(diǎn)、線和多邊形。由于ITK等值面提取的結(jié)果為一個(gè)Cell類型為三角形的Mesh，這就為OpenGL留

7、了一個(gè)接口。因此要繪制整個(gè)Mesh，最簡單的方法就是利用OpenGL逐個(gè)繪制所有的三角形。然后再利用OpenGL強(qiáng)大的渲染功能添加材質(zhì)和光照，使得三維場景更加逼真。
　　3.OpenGL的繪制
　　Mesh可以看成一個(gè)三維的點(diǎn)集，同時(shí)這些點(diǎn)也可以組成線段、三角形等Cell做為Mesh的基本單元。這些Cells以一個(gè)鏈表的形式存在內(nèi)存中，可以通過游標(biāo)（Iterator）進(jìn)行訪問。由于OpenGL中所有的幾何圖元都是根據(jù)他們的定