DICOM医学图像三维可视化系统的研究

    0  引言

    医学图像三维可视化是可视化技术在医学领域的一个重要应用，是当前医学图像处理的研究热点。它利用计算机将二维图像序列重建三维图像模型，弥补医学成像设备在成像上的不足，为医生提供直观、逼真、具有真实感的三维医学图像，有效地提高了诊断效率。DICOM（digital imaging and communicationsin medicine）是医学数字成像和通信的国际标准，是目前国际上唯一为广大医疗影像设备厂家所严格遵守的规范。如何用现有的先进图像处理软件（VTK）和硬件设备将DICOM医学图像三维可视化成了人们普遍关注的问题。因此，研究DICOM医学图像的三维可视化无论在临床应用方面还是在理论研究方面,都具有重大的意义。

    1  DICOM的概念

    DICOM是由美国放射学院(American College of Radiology，ACR)和国家电气制造商协会(National Electrical Manufactur-ers Association，NEMA)共同制定的，它包括医学的数字成像和通信两个方面。该标准的制定有效地解决了各种不同的成像设备之间交换图像的障碍，促进了数字图像设备的网络化和医学影像技术的发展.DICOM文件一般由1个DICOM文件头和1个DICOM数据集合组成。DICOM文件头（DICOM file meta information）包含了标识数据集合的相关信息。每个DICOM文件都必须包括该文件头。文件头的最开始是文件前言，它由128个00H字节组成；接下来是DICOM前缀，它是一个长度为4字节的字“DICM”，可以根据该值来判断一个文件是不是DICOM文件。文件头中还包括其他一些非常有用的信息，如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等等。DICOM文件主要组成部分就是数据集合。这不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像相关的信息，如病人姓名、图像大小等。在DICOM文件中最基本的单元就是数据元素（data-element），DICOM数据集合就是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的。DICOM数据元素主要由4个部分组成——标签、VR（valuerepresentation，数据描述）、数据长度和数据域。标签是1个4字节的无符号整数，DICOM所有的数据元素都可以用标签来唯一表示。VR指明了该数据元素中的数据属于哪种类型，在DICOM文件中，它是一个长度为2的字符串。例如，如果1个数据元素的VR为“DA”，则表示该数据元素中存储的数据为日期型数据。在数据元素中，VR是可选的，它取决于协商的传输数据格式。DICOM中规定了显式和隐式两种传输格式：在显式传输中，VR必须存在；在隐式传输时，VR必须省略。数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度（字节数）。数据域中包含了该数据元素的数值。

    2  三维可视化技术

    医学图像三维可视化就是运用计算机图形学和图像处理技术，将获得的二维医学图像序列，在三维空间上重建出立体的三维图像。通过人机交互，临床医生可以对图像进行旋转、缩放、移动、剖面显示等操作，使图像能直观地显示人体组织的内部复杂结构，从而帮助医生明确诊断并指导手术。VTK(visualization toolkit)是近年来国际上推出并且被广泛使用的可视化工具包。它在可视化尤其是三维重建（如面绘制和体绘制）方面具有强大的功能。其类库的设计和实现都是基于面向对象原则。VTK在应用结构上采用流水线（pipeline）的机制，几乎可以对任何类型的数据进行处理，并提供了许多相应的类，对各种类型的数据进行转换或处理。医学图像三维可视化技术分为面绘制和体绘制两种。面绘制是由三维空间数据场构造出中间几何图元（如曲面、平面等），然后再由传统的计算机图像学技术实现面绘制。面绘制处理的是整个数据场中的一小部分数据，不能保留体数据场的完整性，并且对形状不明显、亮度变化小的软组织、血管等组织的三维显示效果不尽人意。体绘制是直接由三维数据场产生屏幕上的二维图像的方法。它是近年来迅速发展的一种三维数据场三维可视化方法，处理的是整个数据场的数据。体绘制的算法有很多，如光线投射法（ray casting）、纹理映射法（texturemapping）等。光线投射法是体绘制算法中的经典算法之一，具有结构简单、实现便利等特点，尤其如果利用OpenGL提供的丰富的模型变换和图像合成功能、强大的矩阵操作功能，可以大大地简化光线投射法的实现过程。实验表明，基于OpenGL的可视化开发工具VTK提供的光线投射法可以实现快速的三维重建，交互速度较快，效果理想。因此，为了组织和器官在三维显示时具有较好的显示效果，本文主要研究体绘制技术。