医学数据三维交互可视化方法的研究

【摘要】： 随着医学影像学和临床医学逐步向精细化发展,对医学影像进行更直观、全面分析的要求越来越迫切。可视化技术可以在计算机上营造出直观、真实的三维治疗场景,因此可极大地提高诊断的效率和准确性。由于临床应用中,对于最终三维模型质量的要求较高,但对其可视化所需计算量通常较大,在普通微机上难以同时兼顾可视化模型的质量和交互速度;某些诊断和治疗过程中存在风险,其根本原因在于事先无法较好地观察到病人体内的组织间的三维关系;对于大数据量的医学图像序列,在目前条件下对其交互所需的硬件配置较高,一定程度上阻碍了该技术在医疗领域的普及应用。 针对上述问题,本文提出了医学图像在普通微机进行快速三维可视化交互的解决方案。文中围绕医学数据可视化中增强三维模型真实感方法、三维医学数据任意切面的定位与提取方法、医学体数据内部信息的动态分离方法以及大数据量医学数据在普通微机的交互等技术进行深入研究,实现了一个硬件配置需求低、重建质量较高、有着较好交互性的医学数据三维可视化分析平台。具体研究内容如下: 在提高成像质量方面,文中在利用硬件纹理特性完成对可视化过程加速的同时,引入了对光照效果的模拟。为了避免光照时复杂的顶点向量计算,将光照模型进行几何分解,转化为视线方向和光照方向的合成计算,并将该结果利用图形硬件的帧缓存操作和混合计算来近似模拟。该方法在提高成像三维真实感的同时,也能在一定程度上保证交互速度,使得在普通微机上能实现更具真实感的交互可视化。 在医学数据的三维交互方面,将可视化技术和切面提取方法相结合,通过分析任意切面与三维医学数据的几何关系,在完成体绘制的同时构建出实时的三维数据的交互分析场景。利用虚拟交互设备和纹理映射技术,实现了对医学数据的动态剖切和切面间空间关系的展示,从而构建了一个逼真的虚拟诊断场景。 在内部信息动态分离方面,从经典的体绘制传递函数理论出发,结合现代图形硬件的特点,推导出一种透视分离效果更好的传递函数模型。同时,在推导过程中提取出用于交互的参数接口,并用其实现了对可视化模型的实时调节,在保证交互性的同时,使得隐藏于数据间的组织得以更好地分离。 在大数据量医学数据交互方面,根据普通微机吞吐量有限以及现代显卡的特点,利用树形结构和纹理映射技术,在普通微机上实现对大数据量体数据的多精度重建。依靠八叉树结构和显卡的硬件加速功能,将体数据划分为不同精度的数据块,打破了大数据显示时显存与内存间容量和带宽的限制,通过交互策略动态遍历该树,实现对大数据量体数据快速交互。本方法可有效降低大数据量医学数据可视化对于硬件的需求,使得在较低配置下对其交互成为可能。 最后,针对本文研究内容,结合医学影像数据分析的通用功能,整合二者,构建了三维数据分析平台,在普通微机上完成对一定量医学数据的动态处理。