[发明专利]一种基于GPU的腹部脏器三维可视化方法

说明书

技术领域

本发明属于医学图像处理技术领域，具体涉及一种基于GPU的腹部脏器三维可视化方法。

背景技术

医学影像三维可视化技术是指基于科学计算可视化技术，从一系列二维断层医学图像中重建出三维图像，利用计算机显示并完成三维图像操作的技术。首先，对CT、MRI等医学体数据进行三维重建得到三维模型，对体数据的绘制结果从各个方向进行投影显示，便于医生从不同方向对人体内部结构进行观察，能辅助医生对感兴趣区域或感兴趣器官的大小形状和空间位置获得定量描述，帮助医生了解复杂的解剖细节，提供直观的视觉印象。在此基础上结合实际临床应用，实现计算机与用户的交互，对可视化结果进行任意平面切割，可以帮助实现手术模拟、手术规划和虚拟内窥镜等辅助诊断操作。提高医生诊断的准确率和医院的工作效率。人体内部结构十分复杂，通常医生无法观察到手术进行的实际情况，而且手术具有高危险性，不能预先在人体上进行模拟，利用可视化技术，在重构出的三维图像基础上进行计算机模拟，可以设计、选择最佳手术方案。还可以在手术过程中对手术进行情况在屏幕上予以监视，使医生们做到心中有数，从而提高手术的成功率。其次，目前国内多数医院仍采用传统的胶片形式帮助医生诊断，大量的胶片不但存储是很大问题，也是不小的开支。实现医院数字化，不但方便医生诊断、医院管理，更能节约开支。因而医学图像三维可视化技术对于促进图像处理和可视化技术的发展和应用将起到积极的推动作用，研究并实现二维医学图像的三维可视化，具有重要的价值。

医学数据可视化算法分为两大类，基于构造中间几何图元的面绘制算法和体绘制算法。面绘制需要先从体数据中重建物体的表面模型，然后利用传统图形学技术及硬件实现表面的绘制与显示；而体绘制则直接以体素为基本单元，应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。

面绘制是从3D数据场中抽取有意义和直观信息的一种重要手段。它实际上是把体数据转换成一种逼近面表示，从而可以进一步利用计算机图形学技术，甚至已有的硬件加速技术完成感兴趣信息的提取。由于它借助于面表示这样一个中间转换过程，而不是直接把体数据投向屏幕进行绘制，有时我们又称之为间接体绘制。这种三维几何表达的模型最常用的就是表面模型，一般以平面片特别是三角面片来逼近表示。面绘制重建的方法可分为基于轮廓的表面重建和基于体素的表面重建，基于体素的表面重建最具代表性的是Cuberille算法，Marching Cubes算法和Dividing Cubes算法。

体绘制是以某种方式将整个数据场半透明地投影到2D 屏幕上，并不借助中间几何图形。直接由三维数据场产生屏幕上的二维图像。这种算法能产生三维数据场的整体图像，包括每一个细节，并具有图像质量高、便于并行处理等优点。其主要问题是，计算量很大，且难以利用传统的图形硬件实现绘制，因而计算时间较长。目前应用于医学体数据的体绘制算法主要有基于图像空间的光线投射（Raycasting）算法，基于物体空间扫描的溅射（Splatting）算法，错切-变形(shear-warp)算法，硬件辅助的三维纹理映射(hardware-assisted 3D texture mapping)算法。

体绘制方法都可以通过积分函数来进行计算，光线投射算法是一种以图像为序的直接体绘制方法，最早由M.Levoy于1988年提出，也是体绘制中最基本和最灵活的算法。其基本思想及特点是：首先对于图像中要绘制的像素，根据视点方向，发射出一条射线，穿过像素中心向物体投射一单束光线，沿着射线，从遇到体数据开始，计算并整合遇到的体数据的光学属性。光线投射算法采用为每个体素分配透明度和颜色值的方法来合成图像，因此有利于保留图像的细节，绘制高品质的图像，特别适用于绘制区域特征模糊，体素特征相关性高的图像。但因为需要遍历每个体素，而且当观察方向发生变化时，数据中的采样点之间的前后关系也发生变化，这样就需要进行重新采样和计算，因此计算量较大。

随着医学影像技术的发展，成像分辨率日益提升。光线投射法的每一次绘制都需要对整个体数据进行计算和处理，处理数据量巨大，而传统的腹部脏器三维可视化系统主要由基于CPU的编程语言（如C/C++等）实现，运行时间较慢，缺乏可以用于医学诊断的实时性，使得该系统在实际应用中有一定的限制。因此系统中可视化算法性能上的提升，对于整个医学诊断工作和计算机图形图像处理工作都有着极为重要的价值。