醫(yī)學(xué)圖像快速標(biāo)準(zhǔn)化繪制技術(shù)研究.pdf

1、目前,我國(guó)醫(yī)學(xué)影像診斷正逐步進(jìn)入一個(gè)全面數(shù)字化的時(shí)代。各種數(shù)字化影像設(shè)備在各級(jí)醫(yī)院得到裝配及使用。醫(yī)學(xué)影像歸檔與通訊系統(tǒng)(PictureArchiving and Communication System,PACS)系統(tǒng)也在逐漸普及,并出現(xiàn)了區(qū)域性的影像綜合平臺(tái)。這意味著海量的數(shù)字影像將在不同地域、不同設(shè)備上顯示,為不同的從業(yè)人員所使用,從而使得以下問(wèn)題日益明顯:1)由于不同顯示設(shè)備電氣特性,以及周?chē)h(huán)境等因素的差異,相同的數(shù)字影像并不

2、能獲得一致性的顯示,這就給影像診斷帶來(lái)挑戰(zhàn),更不利于閱片的交流；2)單項(xiàng)影像檢查產(chǎn)生的影像數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,診斷醫(yī)生對(duì)于圖像快速準(zhǔn)確繪制的要求越來(lái)越高；3)新式影像應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn),尤其是基于斷層影像的三維診斷及手術(shù)導(dǎo)航,對(duì)于圖像繪制的實(shí)時(shí)性要求更加苛刻。
　　 本文從以上問(wèn)題出發(fā),以醫(yī)學(xué)圖像快速標(biāo)準(zhǔn)化繪制為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)研究,主要內(nèi)容如下:
　　 1)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)灰階顯示函數(shù)(Grayscale Standard Display

3、 Function,GSDF)解決標(biāo)準(zhǔn)灰階圖像一致性顯示問(wèn)題。本文以醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和通訊標(biāo)準(zhǔn)(DigitalImaging and Communications in Medicine,DICOM)中對(duì)于一致性顯示的相關(guān)規(guī)范為基礎(chǔ),通過(guò)改善圖像表現(xiàn)值(P-Values)與人眼視覺(jué)感知間的線性關(guān)系,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)灰階圖像一致性顯示的目的。具體方法如下:
　　 以DICOM PS3.14標(biāo)準(zhǔn)灰階顯示函數(shù)相關(guān)規(guī)范為基礎(chǔ),提出了一種快速GSDF

4、實(shí)現(xiàn)算法。首先,利用精密亮度測(cè)量裝置,獲得數(shù)字驅(qū)動(dòng)等級(jí)(Digital DrivingLevel,DDL)值與亮度值之間的映射關(guān)系；然后,依照Barten模型,通過(guò)三次樣條插值獲取表現(xiàn)值與數(shù)字驅(qū)動(dòng)等級(jí)值對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后,借助調(diào)窗運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)由存儲(chǔ)值(Stored Value)直接得到符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的顯示效果。
　　 本方法可快速實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)灰階顯示函數(shù),獲得圖像表現(xiàn)值與人眼視覺(jué)感知良好線性關(guān)系,取得較大的細(xì)節(jié)方差與背景方差比值(DV

5、/BV)。通過(guò)集成應(yīng)用,可彌補(bǔ)多數(shù)商用顯示設(shè)備不具備內(nèi)置DICOM P14校正的不足,也可對(duì)本身具有P14校準(zhǔn)功能的醫(yī)學(xué)專(zhuān)用顯示設(shè)備進(jìn)行校正或質(zhì)量檢驗(yàn)。
　　 2)基于圖形硬件加速技術(shù),融合灰階軟拷貝顯示狀態(tài)(Grayscale SoftcopyPresentation Sate,GSPS)及標(biāo)準(zhǔn)灰階顯示函數(shù)(GSDF),實(shí)現(xiàn)DICOM灰階圖像的快速標(biāo)準(zhǔn)化繪制,具體方法如下:
　　 首先將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)值(Stored V

6、alues)經(jīng)由設(shè)備查找表或重調(diào)節(jié)的輸出設(shè)備值(Modality Values)制作成紋理數(shù)據(jù),加載至圖形硬件；然后,若顯示過(guò)程配置了VOI查找表,則將VOI查找表制作成一維紋理加載到圖形硬件；否則,將調(diào)窗操作轉(zhuǎn)換成查找表并加載；將顯示使用的表現(xiàn)值查找表制作成一維紋理并加載；將標(biāo)準(zhǔn)灰階顯示函數(shù)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)為查找表制作成一維紋理加載到圖形硬件中；基于圖形硬件加速技術(shù),在片斷著色階段按照?qǐng)D0-2所示轉(zhuǎn)換流程,依次查找對(duì)應(yīng)表得到最終數(shù)字驅(qū)動(dòng)等級(jí)值,

7、完成片斷著色,進(jìn)而完成圖像繪制。
　　 利用上述方法,采用硬件加速技術(shù),可大幅提高GSPS操作的實(shí)時(shí)性,與傳統(tǒng)調(diào)窗操作具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。并且該方法不局限于目前的256級(jí)DDL應(yīng)用,可根據(jù)硬件設(shè)備DDL實(shí)際帶寬調(diào)整GSDF查找表?xiàng)l目數(shù)據(jù),從而越過(guò)多數(shù)操作系統(tǒng)中對(duì)灰度圖像位寬的限制,發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備最佳效用。
　　 3)利用OpenGL標(biāo)準(zhǔn)著色語(yǔ)言(OpenGL Shader Language,GLSL)實(shí)現(xiàn)具有良好移植性

8、的紋理映射體繪制算法,并通過(guò)經(jīng)典光照模型,解決通用圖形硬件下的高效高質(zhì)量體繪制問(wèn)題,具體方法如下:
　　 通過(guò)改進(jìn)常規(guī)紋理映射體繪制算法,實(shí)現(xiàn)了具有良好光照效果三維顯示,并在此基礎(chǔ)上,針對(duì)傳統(tǒng)紋理映射體繪制物理空間的限制,提出一種基于GLSL(OpenGL著色語(yǔ)言)可在普通PC一般圖形硬件上進(jìn)行醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)高質(zhì)量體繪制的有效方法。利用GPGPU中的片段著色器(Fragment Shader)的可編程性,將傳統(tǒng)方法四倍于體數(shù)據(jù)場(chǎng)的紋

9、理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為一個(gè)一維的傳遞函數(shù)紋理和一個(gè)等同于源數(shù)據(jù)規(guī)模的三維紋理,有效節(jié)省物理顯存。通過(guò)使用頂點(diǎn)著色器(VertexShader)動(dòng)態(tài)完成光照模型所需計(jì)算,得到較高質(zhì)量的繪制效果。
　　 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析,本方法可在普通圖形硬件上得到具有較好實(shí)時(shí)性和較高質(zhì)量的體繪制效果。
　　 4)基于滿二叉樹(shù)(Full Binary Tree)分塊策略,保證紋理生成及銷(xiāo)毀所產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)最小,實(shí)現(xiàn)通用圖形硬件的大規(guī)模體數(shù)據(jù)場(chǎng)快速繪制問(wèn)題,

10、并解決分塊紋理體繪制在塊邊界產(chǎn)生的偽影問(wèn)題,具體方法如下:
　　 首先,采用滿二叉樹(shù)實(shí)現(xiàn)分塊紋理機(jī)制,并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的數(shù)學(xué)描述,降低紋理更新頻率；其次,采用具有繼承關(guān)系的抽象分塊策略,推導(dǎo)出通用的數(shù)學(xué)求解方法,降低邊界計(jì)算的復(fù)雜度；最后,通過(guò)使用GLSL,將傳遞函數(shù)制作成一維紋理,并采用大小等同于體數(shù)據(jù)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)紋理工作集,在著色階段通過(guò)片斷著色器動(dòng)態(tài)查找并實(shí)現(xiàn)了光照計(jì)算,再次降低紋理內(nèi)存的占有量,有效提高大規(guī)模數(shù)據(jù)場(chǎng)體繪制實(shí)時(shí)性

11、。
　　 實(shí)驗(yàn)表明,動(dòng)態(tài)紋理工作集使用抽象分塊與繼承關(guān)系管理邊界,通過(guò)計(jì)算層次化的方式降低了分塊繪制時(shí)的計(jì)算及動(dòng)態(tài)紋理控制復(fù)雜度。運(yùn)用該算法可在普通PC上對(duì)遠(yuǎn)超過(guò)紋理內(nèi)存的大規(guī)模體數(shù)據(jù)完成具有較好實(shí)時(shí)性和較高質(zhì)量的體繪制。
　　 5)通過(guò)對(duì)象封裝,利用OpenGL的跨平臺(tái)特性,將上述算法按照4個(gè)層次編碼成庫(kù),實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)系統(tǒng)上的軟件系統(tǒng)集成與應(yīng)用。
　　 經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撜撟C及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,上述技術(shù)與算法已應(yīng)用于作者單