基于IDL的医学图像三维可视化1
肖强菊1，吕英华1
1北京邮电大学继续教育学院，北京(100876)
E-mai：qiangjuxiao@163
摘要：利用IDL对PET/CT医学图像数据进行三维可视化进行分析研究。使用表面绘制和体绘制两种绘制技术进行三维可视化，并通过结果分析比较二者的特点。深入IDL内部机制，详细说明了对PET/CT数据的可视化过程；最后对试验结果进行讨论、比较、分析，可以看出IDL作为图像处理和三维可视化工具的功能十分强大。
关键词：IDL  PET/CT DICOM标准 三维可视化
中图分类号：TP 274+.2
1.引言
从1895年Roentgen发现X射线，科学家们就开始了对放射线的研究，在1972年，英国EMI公司中央研究所
工程师豪斯菲尔德(Housfield)研制成功诊断头颅的第一台电子计算机X线断层摄影装置，被命名为电子计算机断层摄影技术（简称CT）。到现在，电子扫描技术已经得到了很大的发展和进步，目前已经有了同时产生PET和CT影响的PET/CT机，它将PET和CT设备有机地结合在一起，使用同一个检查床和同一个图像处理工作站的现代医疗设备[1]。二者的结合能很好的对病灶进行定位，满足繁多的精确放疗要求并有助于进一步提高诊断的准确性。PET/CT的出现被认为是医学影像学的一场革命，将功能影像与解剖影像完美结合起来，真正实现了无缝链接[2]。
随着医学技术和计算机图形图像技术的发展，医学工具和计算机科学理论有机地结合使得医学图像处理技术迅速发展，在临床医学上，可以利用计算机三维可视化技术将从PET/CT 机中获得的DICOM格式的二维图像序列重建出三维虚拟实体，为医生提供了直观、明确、清晰的视图。因此，医学图像的三维可视化技术对临床和科学研究都具有重大的意义。
本系统使用IDL语言对DICOM格式的PET/CT数据进行三维可视化。
2.背景知识
2.1 IDL介绍
IDL(Interactive Data Language)交互式数据语言是由美国Kodak公司的全资子公司RSI(Research Syste
m Inc.)开发并投向市场的、面向矩阵的且用于数据可视化研究与应用开发的第四代计算机语言[3]。以其面向对象和语法简单的特点，能够快速地分析数据并实现可视化，在航天、医学、地理、天文等各个领域应用广泛。
IDL提供了可视化数据分析的解决方案，可以让科研人员通过已有的工具浏览和分析数据，又可以通过利用其快速的程序原型进行高级编程来设计软件系统。
2.2 PET/CT简介
PET 即正电子发射型计算机断层扫描显像（Positron Emission Tomography ，简称PET ）。 CT是计算机断层扫描显像（ Computed Tomography ，简称 CT ）。二者都是肿
1本课题得到生物医学工程国家自然基金重点项目科研基金（项目编号：60331010）的资助。
瘤诊治方面的常用手段。PET 是功能显像技术，能从分子水平上反映人体组织的生理、病理、生化和代谢变化，对于肿瘤的诊断、疗效等是一种有效方法，但由于其图像对比低，分辨率低，所以对病变区的生理解剖位置和病变区的形状诊断的不够精确。 CT 是解剖显像技术，其分辨率高，对比高，能诊断出病变区的精确解剖位置和形状，但不能诊断出组织的早期病变和细微病变。
PET/CT 是把 PET 与 CT 两种影像诊断技术结合在一起，在同一台机器上同时进行PET和CT扫描，同时
数据可视化大屏设计得到两种技术的扫描图。由于扫描时位置固定，这样可以消除单独扫描时因位置改变而造成的误差，扫描一次即可将两种图像通过线性叠加得到具有病变组织详细信息（良、恶性，病变区位置和形状）的影像图。对于准确定位病灶有着重要的临床意义，比单纯使用PET或CT检查大大提高了对疾病诊断的特异性和准确性。
目前最新的PET/CT设备如图1所示[4]。
图1 当前的PET/CT设备
2.3 DICOM格式
DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)即医学数字影像和通讯，由ACR(American College of Radiology)及NEMA(National Electrical Manufacturers Association)
共同制定，是医疗影像设备厂家制定的编码和数据传输的国际标准，它统一了医学图像格式，使各个不同厂家输出的图像可以相互传输和共享。
本项目所涉及的PET和CT数据全部遵守DICOM格式标准。
3.可视化
所谓可视化（Visualization）,《牛津英语词典》解释为“构成头脑情景的能力或过程，或不可直接觉察的某种东西的视觉”。此术语亦指本来不可见的东西成为可见图像的过程，X片即为其例[5]。现代的数据可视化（Data Visualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。
本研究中，利用计算机图形学和图像处理技术，将从PET/CT设备中得到的人体的二维数字断层图像序
列进行处理，在三维空间上进行重建，得到立体的三维图像，这样医生就可以通过与计算机的交互操作对图像进行剖面显示、移动等处理，更直管地了解人体复杂的内部结构，为正确诊断病情提供科学依据。
医学数据可视化是现代医学诊断的重要手段，属于医学图像处理和分析领域，主要涉及三维重建技术，以及其他一些功能成像技术和图像显示技术。
三维可视化可分为面绘制和体绘制两种，二者都是三维可视化常用的方法。
3.1 面绘制
面绘制是通过出构成三维空间基本单元的所有小立方体中的等值面，然后将这些等值面拼接即可构成立方体表面从而实现三维显示。通过改变等值面的值而获取不同层次的表面，如皮肤、骨骼等。等值面的构造方法主要有三种：Cuberille，Marching Cube和Dividing Cube。其中以Marching Cube最常见，其基本思想就是把将三维图像相邻层上每四个像素组成一个立方体，逐个分析，分出与等值面相交的立方体，利用插值计算出等值面与立方体边的交点。将这些交点按一定方式连接生成一系列等值面片，最后将所有近似等值面片拼接起来即可。
3.2 体绘制
体绘制通过研究光线照射物体数据场的变化直接绘制，也称为直接体绘制。体绘制的图像质量比面绘制的好，但耗时大，交互性和效率都比不上面绘制。
4.三维可视化系统的设计与实现
本系统利用IDL在可视化数据分析的快速功能以及高级的图形图像处理能力设计一个三维可视化系统，对二维切片数据组进行分析、抽值，对数据进行表面重建，实现三维显示和断层显示并进行断层CT、PET融合显示，满足用户对PET/CT切片数据的三维重组以及其他处理要求，且具有良好的可扩展性。
4.1 IDL绘图机制
IDL绘图有两种方式，一种是直接绘图，一种是使用对象图形方式绘图。直接绘图可以直接在命令行使用，图形生成后不可再更改，后面生成的在先输出的项目之上。对象图形方式是IDL面向对象编程的具体体现，对象类可以将数据和方法封装为一个一个的对象，对象类可以反复使用且每个对象封装的数据都不同。对象图形系统是IDL内建的对象类库，可用于创建场景。程序员也可以根据程序的需求制定特定的对象模块。对象图形在生成后可以反复修改、使用。虽然编程难度会有所增加，但使用更加灵活，交互性强。
只有面向对象方式的绘图才能实现交互图形显示，因此本系统使用对象图形方式。
IDL中有四大类对象，包括容器、模型、原子和属性。容器类有View，Windows；模型类有IDLgrmodel，是容器对象的子对象；原子类是可直接显示的类，有image，surface 等；属性类包括符号等无法直接显示的类。他们的层次关系如图2所示。
图2对象关系
一个对象图形的显示通常包括目的对象、显示对象以及可视化对象。终端对象包括IDLgrWindow、IDLgr
Printer等包含显示设备的对象，显示对象则是IDLgrScene、IDLgrView 和IDLgrModel等包含一个或多个模型的对象，每个模型对象都能控制其包含的可视化对象的空间位置，可视化对象则是IDLgrImage、IDLgrVolume等包含数据和大小颜等信息的对象。终端对象是基础，在其中添加显示对象，显示对象中包含可视化对象，这样就可以将对象显示在终端对象上。
4.2 功能介绍
1、单个或多个PET/CT二维图像文件的单独、混合以及融合显示；
2、PET/CT切片组逐帧浏览；
3、重构三维人体，显示骨骼、皮肤；
4、显示三维人体任意位置切片；
5、保存感兴趣的图片；
6、人机交互，方便操作。
4.3 实现流程
图3 可视化基本流程5.结果示例与分析
5.1 PET/CT匹配图
图4 PET/CT配准图

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