基本信息
- 项目名称：
- 基于VTK的三维医学图像可视化处理系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本软件可以对通用的图像进行读取和基本的图像处理，并根据需要构造体数据进行三维绘制。也可以对专门的数据格式DICOM、CT和Raw数据进行处理。可以对标准的数据进行特定格式的体数据保存，三维绘制界面提供了光照修改、材质修改、摄像机旋转和缩放功能。提供了交互式的体数据分类处理能力，可以动态修改不同数据的不透明度，实时绘制，方便观察。
- 详细介绍：
- 三维绘制技术发展至今已经有40年左右的历史，目前大型的医疗设备都提供了三维数据处理的能力，例如GE、Philip、Simens等企业的CT设备都具备三维数据处理能力。随着医院PACS系统的普及，通用型的三维处理软件在进一些年开始逐渐走入医院的医生终端。由于国外软件的技术封锁和高昂的价格，国内的医院大都望而却步，这严重地限制了三维处理技术在实际中的应用。国内，目前也有很多的科研院所和公司积极地进行着相关方面应用的研究和开发，相信这一应用方向会在不久的将来大面积地走向实用。本软件提供了良好的交互处理界面，可以对通用的Jpg、Bmp、Tif和Png图像进行读取和基本的图像处理，并根据需要构造体数据进行三维绘制。也可以对专门的数据格式DICOM、CT和Raw数据进行处理。同时作品提供了数据的专门处理通道，可以对标准的数据进行特定格式的体数据保存，也可以对中间结果进行保存，极大地方便了最终用户。三维绘制界面提供了光照修改、材质修改、摄像机旋转和缩放地功能。提供了交互式的体数据分类处理能力，可以动态修改不同数据的不透明度，实时绘制，方便观察。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的: 使用VTK工具包提供的各种图形、图像处理算法，进行三维体数据的读取、预处理、重构和显示的综合应用研究及实践。使用医学体数据为主要的研究对象，构建综合处理的软件平台。该平台可以浏览体数据和普通图像，也可以做简单的数据处理，可以在未来的应用中作为医生的三维数据桌面系统，也可以应用于其他的三维科学数据的后期处理。 基本思路: 结合VTK（Visualization ToolKit）工具提供的算法模块和基本的三维数据处理思想，运用VC环境编写程序，实现医学图像的读取并进行多种图像处理；综合运用OpenGL技术和Marching Cube算法实现对体数据的面绘制处理；采用光线跟踪算法对体数据进行体绘制显示。运用ShearWarp技术，加速体绘制的绘制速度；利用MFC开发平台实现界面的设计和系统的框架。 创新点: 使用Marching Cube算法实现对体数据中面片数据的提取，然后通过OpenGL实现对面片数据的绘制；通过光线跟踪算法对体数据进行体绘制，使用RLE压缩编码和ShearWarp算法实现对光线跟踪算法的加速绘制处理。 技术关键: MarchingCube三角面片的提取算法，光线跟踪算法和ShearWarp加速处理技术。 主要技术指标: 面绘制处理绘制速度达到30帧/秒，体绘制速度大于25帧/秒，软件安全运行10000次无崩溃。
科学性、先进性
- 本作品采用VTK结合VC环境的程序设计思想，针对医学图像进行三维体数据的处理和快速绘制的算法及应用研究。作品中采用的Marching Cube面绘制算法是目前最先进行的面绘制技术中的面片提取算法；体绘制中的光线跟踪算法也是目前非常成熟的体绘制技术之一。 VTK工具包提供了完整的数据通道、绘制通道、材质和光照通道和相机通道。通过VTK提供的模型可以方便的建立绘制界面并实现体数据的绘制。但是VTK的一体化也严重地限制了实际应用中的灵活性。本作品灵活地结合VTK的开放源码和VC开发环境。通过底层导出技术实现本作品中的应用算法的独立导出。实现了DICOM文件处理、Marching Cube算法、Ray-Casting算法等关键算法和技术的独立导出。结合VC的底层处理能力和OpenGL的开发接口实现了灵活的体数据处理和绘制，有效地提高了数据绘制清晰程度和绘制速度。本作品中针对体绘制算法较慢的缺点，独立导出了Shear_Warp算法结合RLE压缩编码，实现了对体数据无损的快速绘制。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明:本软件提供了良好的交互处理界面，可以对通用的Jpg、Bmp、Tif、Png图像和专门的数据格式DICOM、CT和Raw数据进行读取和基本的图像处理，并根据需要构造体数据进行三维绘制。同时作品可以对标准的数据进行特定格式的体数据保存。三维绘制界面提供了光照修改、材质修改、摄像机旋转和缩放地功能。 技术特点和优势:本作品采用目前成熟的面绘制技术和体绘制技术，并进行了加速绘制处理；可以灵活地进行算法的优化和升级；VC的开发环境在底层提供了与各种网络环境连接的可能。本作品有效地规避了VTK对数据、处理和显示的封装。 适用范围:可以作为医院医生图像工作站或者医生的桌面图像浏览和处理软件平台。也可以在进行简单修改后，在工业、科研等设计大量的数据处理环境。本作品基于VC开发环境，结合VTK工具包提供的成熟的算法，构建了良好交互的软件处理平台，帮助医生进行临床诊断。如果进行推广，可以和医院现有的PACS互联（基于DICOM标准），小巧、灵活、低廉具有较强的市场竞争能力。
同类课题研究水平概述
- VTK是一个源代码开放的工具软件包，由于很多的图像处理算法包括数据可视化的算法都非常复杂，所以VTK得到了广泛认可和应用。国外的大型医疗仪器厂家有自己的研发队伍和自主的知识产权。不过其软件昂贵，并且和设备绑定。除此以外，目前能够实际应用的单机三维绘制软件，均或多或少地采用了VTK提供的技术。三维绘制技术的算法很多：Splatting，MarchingCube，Ray-casting等等。对于不同的需要，可以采取不同的算法。相对来说面绘制的算法由于绘制的是物体的表面，其绘制速度快，但是由于拟合的原因，缺乏细节展示的能力。而体绘制技术绘制的效果好，可以精确到像素分辨率级别，物理尺度<0.1mm。但是其与处理和绘制的时间都很长，对于桌面计算机系统来说，其绘制的时间通常对于2048x3062x100的体数据会超过1个小时。大型的三维软件绘制系统一般都架构在小型机上。在桌面办公系统上，软件就必须考虑性能指标的问题。 国外的类似的科学研究要好于国内，由于知识产权的问题，很多的先进算法是国内得不到也实现不了的。国外从2001年就开始采用VTK结合ITK等先进的工具软件，进行虚拟人的研究工作。国内这一方面的工作2006年才逐渐展开。较为先进的国外软件国内只有在大型的医疗机构才能看到，其性能优越。国内相关方面的研究起步晚一些，2006年西安盈谷科技借助国外的技术支持，开发出了一套完整的三维医学图像处理软件。目前其正在进行新一代的软件系统与Pacs系统和His系统的结合推广工作。北京自动化所的田捷等人，也致力于三维处理技术和相关软件平台的建设工作，目前已经有多个版本的Demo软件发布，其核心架构也参考了VTK的思想。还有一些国内的相关研究，都借鉴或者结合VTK进行三维成像技术或者软件系统的研究工作（参看参考文献）。技术上，三维绘制的基本技术已经成熟，目前的研究工作一个方向是稳定、灵活、高性能的软件平台的建设；另外的一个方向是快速的绘制算法和有效的图像分割算法的研究。近一些年的技术发展和计算机硬件的进步，使得三维提数据的处理和显示技术走进了桌面计算机平台，随着技术的发展，相信不久的将来，桌面的医学三维可视化软件必将广泛地得到使用。其将有效地促进医疗技术水平的进步。
