CN109727306A - 一种基于vtk的脊柱医学图像三维可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，属于医疗领域，为弥补二维序列图像提供信息量有限，医生无法了解更多病变体的准确情况的缺点而设计，图像生成经过QT界面与VTK整合、读取数据源、图像实体化、三维重建、渲染显示等步骤。本发明方法可以实现更精确的三维重建结果，实现对脊柱三维图像的旋转、平移、缩放等交互操作，获得断面信息，便于从任意角度和层面对重建脊柱图像进行研究与分析。

Description

一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法

技术领域

本发明属于医疗技术领域，特别涉及了临床手术和科研教学中的脊柱医学图像的三维可视化方法。

背景技术

VTK(Visualization Toolkit)是一种开源的软件系统，主要用于三维计算机图形学、图像处理和可视化。

在目前的脊柱医学图像诊断中，主要是通过观察一组二维切片图像来研究脊柱病变区域，但这样的二维图像仅能提供脊柱某一切面的解剖信息，医生需要依靠个人经验根据多张二维图像综合起来估计脊柱病灶区域的大小和形状特征。

在医学辅助教学或临床诊疗中，为了获得更多更可靠更全面的人体脊柱病理信息，帮助研究人员或者医务人员观察和检测脊柱的内部信息，迫切需要对二维断层图像进行三维重建，从而形成三维立体的脊柱影像。而利用VTK对脊柱医学图像进行三维重建是目前医学图像处理的新领域，是利用计算机实现医学二维断层图像序列的读取，并进行一系列的处理和转换，把平面的二维脊柱断层图像进行三维重建，使三维医学图像直观立体逼真地呈现在屏幕上，并且可以对三维图像进行交互操作，该过程能够重建出内部结构复杂数据的三维图像，填补医学成像设备上的不足。

因此，设计出一种借助计算机可视化工具包VTK对脊柱医学图像进行快速、精准、直观的三维重建方法至关重要。

发明内容

本发明目的在于针对目前医学临床诊断中医学成像设备上的不足，提供一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，以解决上述背景技术中的问题。该重建方法能够整合多种面绘制和体绘制算法，灵活选择算法，并且利用开源库对算法进行修改，使得重建过程更加便捷，获得更加真实的图像。

本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其包括以下步骤：

(1)将QT界面与VTK整合；

(2)读取数据源

调用vtk Source读取原始二维脊柱医学图像数据，保存在VTK的总类或者子类中，再调用vtk Filter将接受的原始数据进行预处理；

(3)图像实体化

通过Mapper映射器接收从Filter处理后的数据，将其映射为图形库中的基本图元，然后将映射出的图形进行实体转化，数据由图像数据转换为图形几何数据，形成三维体数据场；

(4)三维重建

将三维体数据场调用体绘制或者面绘制算法进行处理，获得三维模型；

(5)渲染显示

再调用VTK中的Renderer绘制器和Render Window绘制窗口，将三维模型在计算机平台界面中显示，同时增设可控长方体，对三维模型进行切割，获得断面信息。

其中，QT界面与VTK整合的具体步骤是：

1)用CMakeLists.txt文件来管理QT工程与VTK工程；在CMakeLists.txt脚本里增加工程环境变量；

2)用QTVTKWidget整合QT和VTK：调用VTK提供的类QTVTKWidget来进行QT与VTK的整合；在QT Designer里集成；用vtkEventQtSlotConnect实现VTK事件与QT槽的连接。

其中，图像实体化通过Actor模式来完成。

其中，所述面绘制算法中采取了传统的Marching Cubes算法和改进的MarchingCubes算法，改进的算法是采用VTK类库中的vtk Smooth Poly Data Filter类来对三维模型进行平滑，并且在计算等值面过程中，利用黄金分割法代替传统的线性插值法，在面绘制中对等值面的提取由vtk Contour Filter类来实现。

其中，所述体绘制算法中选择Ray Casting算法，利用vtk Piecewise Function对传递函数进行设计，调用VTK中的vtk VolumeRayCast Composite Function定义的光线合成函数进行绘制。

其中，增设可控长方体并进行控制的方法是：通过vtkBoxWidget类在屏幕生成一个长方体模型，在其六个面以及中心定义可控点来进行拉伸、缩放、平移、旋转等操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明基于VTK的脊柱医学图像三维生成方法，与传统单一的医学图像三维生成方法相比：在VTK中，整合了多种面绘制和体绘制重建算法，二维图像数据和三维体数据表示为vtkImagineData(图像数据类)，VTK将常用的重建算法封装到类中用于三维重建，可以实现算法的灵活选择，使得重建过程更加便捷，并且利用开源库可以实现对算法的修改，使三维重建结果更加符合实际研究和医学诊断需求，为医学诊断、治疗提供一个安全、可靠、准确的解决途径。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为基于VTK的脊柱医学图像三维重建方法模块图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明提供一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，是利用VTK和OpenGL借助GPU并行处理，完成对脊柱医学图像的快速、精准三维重建。注：VTK：VisualizationToolkit，可视化工具包；OpenGL：Open Graphics Library，一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，GPU：Graphics Processing Unit，图形处理器。

方法具体包括以下步骤，流程如图1所示：

1.QT界面整合VTK

QT是一个跨平台C++图形用户界面应用程序。将QT总体界面与VTK进行整合，以实现通过QT界面实现人机交互操作。

VTK的源码目录中包含有VTK与QT等工具的整合，VTK中也提供了很多针对QT的类，可以非常方便地与QT整合。具体步骤是：

(1)用CMakeLists.txt文件

1)用CMake来管理QT工程与VTK工程；

2)在CMake脚本里增加工程环境变量。

(2)用QTVTKWidget整合QT和VTK

1)调用VTK提供的类QTVTKWidget来进行QT与VTK的整合，这个类是QT里的一个Widget(窗口小部件)；

2)在QT Designer里集成，注：Designer，设计控件；

3)用vtkEventQtSlotConnect实现VTK事件与QT槽的连接，vtkEventQtSlotConnect(事件槽的连接类)可以实现VTK的事件与QT的槽函数的连接，VTK的事件主要在vtkCommand.h文件里定义，包括鼠标操作控件等。

本发明通过QT与VTK的整合，可以通过QT界面调用VTK工具包中的各种三维重建函数，在设置QT操作界面时，本发明从上到下分别设置为体绘制设置和保存界面、面绘制设置和保存界面，以及读取和保存路径设置界面，这样便于直观的对三维重建算法进行选择。

2.读取数据源(Source)

数据源的基类是vtk Source，它是整个可视化流程的开端，定义了读取数据的具体行为和接口，其子类定义了许多数据源类型。通过调用vtk Source读取原始的二维脊柱医学图像数据，并保存在VTK的总类或者其子类中，再调用vtk Filter(过滤类)，将接受的vtk Source原始数据进行各种不同的过滤处理，如直方图均衡化、中值滤波去噪、增强等常规图像预处理操作，原始二维数据经过Filter处理后便可以选择运用某一种算法进行三维重建。

3.图像实体化

Mapper映射器接收从Filter过滤后的数据，并将其映射为图形库中的基本图元，完成由数据到图形的映射；

然后将映射出的图形进行实体转化，根据不同的重建算法映射为几何数据，为原始数据与几何数据之间定义了接口，实体化过程通过Actor模式来完成；Actor，表示要绘制的对象，通过该类可以设置对象的位置、方向；

数据类型转换为算法可用的格式后，获得三维体数据场，将图像数据转换为图形数据，代表实体的几何形状。

4.三维重建

将三维体数据场调用体绘制或者面绘制函数进行处理，先进入体绘制(或面绘制)映射器，然后再执行体绘制(或面绘制)算法。

面绘制算法中集成了传统的Marching Cubes(移动立方体)算法和本发明改进的Marching Cubes算法，传统的Marching Cubes鲁棒性强，但在三维重建效果上精度不够高，表面不够光滑；本发明改进的算法采用VTK类库中的vtk Smooth Poly Data Filter类来对三维模型进行平滑，并且在计算等值面过程中，利用黄金分割法代替传统的线性插值，减少等值点的计算数量，从而显著加快重建速度，实践者可以根据实际需要选择合适的算法进行操作。在面绘制中对等值面的提取由vtk Contour Filter(轮廓提取)类来实现，面绘制整体有益效果为：脊柱重建时间快，具有实时性。

体绘制中选择Ray Casting(光线投射)算法，利用vtk Piecewise Function(分段函数类)对传递函数进行设计。进行体绘制时，调用VTK中的vtk VolumeRayCast CompositeFunction(体绘制合成函数类)定义的光线合成函数进行绘制。体绘制整体有益效果为：脊柱重建精度很高。

5.渲染显示

再调用VTK中的Renderer和Render Window建立渲染器和渲染窗口，将三维重建结果在计算机平台界面中显示，并管理用户与图像的交互。同时，本发明增设可控长方体，用鼠标控制长方体及共六个面进行拉伸、缩放、平移、旋转等操作来对三维重建后的脊柱进行切割，并获得断面信息，达到实时交切割的目的。

具体实现：通过vtkBoxWidget类(包围盒窗口控件)在屏幕生成一个长方体模型，并在其六个面以及中心定义可以控制的点来进行缩放、平移、旋转等操作，从而可以很直观地对三维重建后的物体进行切割。使用这个类，首先要指定一个继承于vtkCommand(命令)的类来处理交互事件，随后的工作就是定义vtkBoxWidget类的初始位置以及表面属性等。

注：Renderer，绘制器，控制对象在绘制窗口的绘制过程，一个Renderer可以演示多个Actor。Render Window，绘制窗口，实现绘制输出的计算机窗口。

上述描述清楚的说明了本发明的技术方案、流程及优势，本领域的技术人员显然理解，本发明不因上述实施例而受到限制，上述描述的实施例与说明书只是本发明的技术方案及原理并不代表全部，在不背弃本发明精神和内容的前提下，本发明进行相应算法的改进，都在本发明要求保护的范围之内，以特有的形式实现本发明的实验结果，本发明所保护的范围由所附的权利要求书及等同要件限定。

Claims (6)

1.一种基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将QT界面与VTK整合；

(2)读取数据源

调用vtk Source读取原始二维脊柱医学图像数据，保存在VTK的总类或者子类中，再调用vtk Filter将接受的原始数据进行预处理；

(3)图像实体化

通过Mapper映射器接收从Filter处理后的数据，将其映射为图形库中的基本图元，然后将映射出的图形进行实体转化，数据由图像数据转换为图形几何数据，形成三维体数据场；

(4)三维重建

将三维体数据场调用体绘制或者面绘制算法进行处理，获得三维模型；

(5)渲染显示

再调用VTK中的Renderer绘制器和Render Window绘制窗口，将三维模型在计算机平台界面中显示，同时增设可控长方体，对三维模型进行切割，获得断面信息。

2.根据权利要求1所述的基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，

在QT界面与VTK整合的过程中，具体步骤是：

1)用CMakeLists.txt文件来管理QT工程与VTK工程；在CMakeLists.txt脚本里增加工程环境变量；

2)用QTVTKWidget整合QT和VTK：调用VTK提供的类QTVTKWidget来进行QT与VTK的整合；在QT Designer里集成；用vtkEventQtSlotConnect实现VTK事件与QT槽的连接。

3.根据权利要求1所述的基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，图像实体化通过Actor模式来完成。

4.根据权利要求1所述的基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，所述面绘制算法中采取了改进的Marching Cubes算法，是采用VTK类库中的vtk Smooth PolyData Filter类来对三维模型进行平滑，并且在计算等值面过程中，利用黄金分割法代替传统的线性插值法，在面绘制中对等值面的提取由vtk Contour Filter类来实现。

5.根据权利要求1所述的基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，所述体绘制算法中选择Ray Casting算法，利用vtk Piecewise Function对传递函数进行设计，调用VTK中的vtk VolumeRayCast Composite Function定义的光线合成函数进行绘制。

6.根据权利要求1所述的基于VTK的脊柱医学图像三维可视化方法，其特征在于，增设可控长方体并进行控制的方法是：通过vtkBoxWidget类在屏幕生成一个长方体模型，在其六个面以及中心定义可控点来进行拉伸、缩放、平移、旋转等操作。