CN105046739A - 一种基于vtk的医学图像三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于VTK的医学图像三维重建方法，属于医疗领域。为了解决传统的医学影像设备只能提供人体内部组织或器官断面的二维图像，不利于医生的准确判断和详细了解等问题，本发明提供一种基于VTK的医学图像三维重建方法，采用的是将Qt界面工具整合VTK后，将读取的分散数据转换成连续的数据场，然后通过VTK的合成体绘制函数进行处理，通过VTK的绘制类，在绘制对象窗口显示，即得重建后的三维结果。本发明提供的基于VTK的医学图像三维重建方法，能够实现更精确的三维重建结果，更利于重建后的三维结果进行各种物理特性和细节的综合显示。可广泛适用于医疗领域。

Description

一种基于VTK的医学图像三维重建方法

技术领域

本发明属于医疗领域，特别涉及一种基于VTK的医学图像三维重建方法。

背景技术

随着现代医学成像技术的发展，先后出现了计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、正电子发射计算机造影(PEI)，超声(Ultrasound)等。但这些医学影像设备只能提供人体内部组织或器官断面的二维图像，不能提供连续的三维形式的图像。在目前的医疗诊断中，主要是通过观察一组CT，MRI的二维切片图像去发现病灶，只能凭借医生的读片经验去估计病灶的形状和大小，缺乏直观性，难以达到准确的判断。

外科手术的不断发展，精准外科手术对计算机医学影像系统提出了更高的要求，在外科手术中，医生在术前就需要对病变区域，以及与血管的支配关系进行详细的了解。计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、正电子发射计算机造影(PEI)，超声(Ultrasound)等医学影像设备只能提供人体内部组织或器官断面的二维图像，不利于医生的准确判断和详细了解。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于VTK的、综合显示各种物理特性和细节、观察方便的医学图像三维重建方法，采用如下技术方案：

一种基于VTK的医学图像三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)Qt界面工具整合VTK：将Qt总体界面布局与VTK进行绑定，将Qt信号槽与VTK进行绑定；

(2)数据读取及转换：读取二维断层影像的数据，利用vtk图像演员(vtkImageCast)对读取的数据进行数据类型转换，得到连续的数据场；

(3)数据处理：将连续的数据场通过VTK的合成体绘制函数处理，进入体绘制映射器，然后通过VTK的体绘制容器处理后进入体绘制数据卷；

(4)三维显示：将进入体绘制数据卷的结果通过VTK的绘制类，在绘制对象窗口显示，即得重建后的三维结果。

进一步地，步骤(1)中所述的将Qt总体界面布局与VTK进行绑定包括以下内容：将VTK的设置窗口通过Qt控件容器标签窗口(TabWidget)和工具框(ToolBox)进行嵌套绑定、将体绘制设置和保存界面进行绑定、将读取保存路径设置和保存界面进行绑定。

进一步地，步骤(1)中所述的将Qt信号槽与VTK进行绑定包括以下内容：将体绘制设置与保存界面重透明度控件进行绑定、将体绘制设置与保存界面重建功能键进行绑定、将体绘制设置与保存界面保存功能键进行绑定、将读取保存路径设置与保存界面三个更新功能键进行绑定；所述的保存界面三个更新功能键是指完成实时路径和对应参数同步的三个功能键。

本发明产生的有益效果如下：

1.VTK(VisualizationToolkit)是一个可视化的C++类库，但是VTK本身都不提供图形用户接口，缺乏实用的使用界面，无法显示提供图像的数据和图形信息。本发明将QT(跨平台的C++图形用户界面库)作为系统界面的开发工具，将VTK与QT进行整合，方便完成医学图像的三维重建。

2.本发明提供的三维重建方法中，将Qt信号槽与VTK进行绑定，则程序界面面绘制设置栏里面的透明度滑条和旁边的显示框是通过信号槽同步的，拉动滑动条，右边的显示框也会改变数字，范围为0-100，在经过参数的读取和传递，良好的实现了动态设置透明度的功能，避免了繁琐的底层代码的改动带来的麻烦。其他输入框输入的诸如红(Red)，绿(Green)，蓝(Blue)参数也同样的体现了更快捷的交互能力。

3.本发明中将体绘制设置和保存界面更新功能键进行绑定，通过VTK管道的隐式执行过程，可以动态地进行体绘制的交互，也就是体绘制的更新功能，可以避免为了新绘制重新运行一遍体绘制标准流程的麻烦。

4.本发明中利用VTK提供的良好数据转换机制，合理准确地安排数据的走向，可以得到预期的三维重建后的绘制效果。本发明采用的是合成体绘制函数来对连续的数据场进行处理，体绘制容器里面可以容纳多个传递函数(如颜色传递函数、不透明度传递函数等)，加之不同的传递函数还具有很多种不同的参数设置，可以实现更精确的三维重建结果，更利于重建后的三维结果进行各种物理特性和细节的综合显示。

附图说明

图1表示体绘制数据流；

图2表示数据保存的数据流；

图3表示体绘制显示例子1；

图4表示体绘制显示例子2；

图5表示体绘制显示例子3。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行详细说明，但不限制本发明的保护范围。

一种基于VTK的医学图像三维重建方法，包括以下步骤：

(1)Qt界面工具整合VTK：

a1、Qt总体界面布局和VTK绑定关系：

Qt界面总体布局：VTk的设置窗口通过Qt控件容器标签窗口(TabWidget)和工具框(ToolBox)的互相嵌套主要分为三个设置窗口，标签1(Tab1)通过工具框(ToolBox)包含两个主要设置窗口，标签2(Tab2)无嵌套，Qt设置界面布局为：设置界面从左到右分别为面绘制设置&保存界面，体绘制设置&保存保存界面和读取保存路径设置&保存界面。具体绑定关系如下：

体绘制设置&保存界面绑定关系见下表：

读取保存路径设置&保存界面绑定关系见下表：

由于控件类型和VTK接受参数不一定初始一致，需要手动设置转换一部分参数的类型。比如所有的保存路径编辑框得到的数据是QString类，需要转换为char*才能被VTK的读取函数所匹配。其他设置类似，只需要保持需要调用参数的函数和参数的一一对应，参数的类型，参数的取值范围上下限设置满足相应函数形参的取值范围，就能得出正确的重建效果。

a2、Qt信号槽和VTK绑定关系

体绘制设置&保存界面重建功能键(完成绘制和中间数据保存)，具体如下表：

体绘制设置&保存界面更新功能键，具体如下表：

得益于VTK管道的隐式执行过程，可以动态地进行体绘制的交互，也就是体绘制的更新功能。不必为了新绘制重新运行一遍体绘制标准流程。

体绘制设置&保存界面保存功能键(完成保存功能，和体绘制重建功能配合使用)，具体如下表：

读取保存路径设置&保存界面三个更新功能键(这三个功能键完成实时路径和对应参数的同步)具体如下表：

(2)通过体绘制法进行三维重建

b1、体绘制的数据流如图1所示。

如图1所示，由于体绘制不能直接处理离散数据，所以有一个数据转换的步骤。体绘制有很多种方式，此处选取的是合成体绘制函数来进行处理，体绘制容器里面可以容纳多个传递函数，加之不同的传递函数还具有很多种不同的参数设置，所以体绘制的传递参数选取和组合，可以实现更精确的三维重建结果，更利于重建后的三维结果进行各种物理特性和细节的综合显示。

除了不透明度传递函数和颜色函数，还可以加入梯度函数深化显示效果。

b2、体绘制可视化模型参数表如下：

上面的表格中，除了不透明度传递函数(vtkPiecewiseFunction)和颜色传递函数(vtkColorTransferFunction)以外都可以直观地理解。VTK中体绘制中的参数设置也要设置颜色和透明度，但是由于体绘制是将三维的离散数据场转换为连续的来映射，并且体绘制可以综合显示各种物理特性和细节，所以体绘制的颜色和透明度设置都是线性的。

其中，vtkPiecewiseFunction类用来设置图像中不同灰度的透明度。透明度是一个分段的一次线性函数。灰度的范围是0-255，其中0到50的不透明度是0.2,50到200灰度的不透明度是一个线性函数分布，渐变到200的不透明度为1后，200到255的灰度透明度都是1，即完全不透明。而体绘制的颜色设置也是采用类似的设置，vtkColorTransferFunction类用来设置图像中不同会所对应的伪彩值,并可以定义多个分段。

b3、体绘制图形模型参数表

vtkVolume对象可以容纳体绘制映射器和体绘制容器，这是根据体绘制的绘画机制和面绘制的不同决定的，具体的参数如下表：

(3)体绘制的数据保存数据流

为了提高效率，不每次都从适当的DICOM文件序列的读取这一步开始重建，我们可以把一些中间数据加以保存，格式为XXX.vtk。XXX.vtk文件是原始数据经过一些过滤器处理过的数据，统一的格式加上合理的命名可以缩短前期准备工作并能更好地传输交流。图2是保存数据功能的数据流程图：

其中，体绘制的数据保存参数见下表

(4)三维重建结果

通过上面的处理方法，得到三维重建后的结果，其中图3为默认参数的体绘制结果。

在图3的基础上改变透明度2参数从0.8到0.5的效果，可以看色彩没那么鲜艳了，总体更加偏灰色，具体结果见图4所示。

在图4的基础上改变透明度2参数从0.5到0.2,并改变相关颜色，透明度灰度参数设置的综合改变显示效果，具体结果见图5所示。

相对于图3和图4，图5更能清晰观察头骨。并且会展示更多的细节：比如头骨上的牙齿，眼框凹槽这些都展示出更好的细节。

Claims (3)

1.一种基于VTK的医学图像三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)Qt界面工具整合VTK：将Qt总体界面布局与VTK进行绑定，将Qt信号槽与VTK进行绑定；

(2)数据读取及转换：读取二维断层影像的数据，利用vtkImageCast对读取的数据进行数据类型转换，得到连续的数据场；

(3)数据处理：将连续的数据场通过VTK的合成体绘制函数处理，进入体绘制映射器，然后通过VTK的体绘制容器处理后进入体绘制数据卷；

(4)三维显示：将进入体绘制数据卷的结果通过VTK的绘制类，在绘制对象窗口显示，即得重建后的三维结果。

2.根据权利要求1所述的基于VTK的医学图像三维重建方法，其特征在于，步骤(1)中所述的将Qt总体界面布局与VTK进行绑定包括以下内容：将VTK的设置窗口通过Qt控件容器TabWidget和ToolBox进行嵌套绑定、将体绘制设置和保存界面进行绑定、将读取保存路径设置和保存界面进行绑定。

3.根据权利要求1所述的基于VTK的医学图像三维重建方法，其特征在于，步骤(1)中所述的将Qt信号槽与VTK进行绑定包括以下内容：将体绘制设置与保存界面重透明度控件进行绑定、将体绘制设置与保存界面重建功能键进行绑定、将体绘制设置与保存界面保存功能键进行绑定、将读取保存路径设置与保存界面三个更新功能键进行绑定；所述的保存界面三个更新功能键是指完成实时路径和对应参数同步的三个功能键。