交互式三维心脏解剖数据可视化方法探究

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1、交互式三维心脏解剖数据可视化方法探究　　摘要：心脏解剖结构的可视化对于临床诊断以及医学院辅助教学都具有极其重要的作用。体绘制结果评测通常都较为主观，所以用户的交互是影响可视化结果的重要因素。根据心脏解剖数据统计模型，提出了传递函数设计准则，用于指导用户交互，便于观察细微组织。针对心脏解剖数据中包含的堆叠结构提出改进的Context-Preserving模型。采用基于GPU的光线投射算法可视化平台作为交互式可视化方法的测试环境，以美国可视人心脏数据集作为测试数据。实验表明，文中提出的方法，能够有效展示真实

2、人类心脏的堆叠解剖结构。关键词：统计；传递函数；体绘制；三维心脏数据集；Context-Preserving模型中图分类号：TP39141文献标识码：A文章编号：2095-2163（2013）05-0039-040引言5心脏是人体的重要器官，以心脏搭桥、心脏移植、人工心脏为代表的心脏疾病研究使人类对心脏的认知攀升至一个前所未有的高度，但是人们对心脏更深层次上的认识以及心脏疾病的预防和治疗还远未达到理想的地步，心脏疾病如冠心病等已经成为世界上直接威胁生命安全的、最为严重的致病诱因之一[1]。因而，针对心脏

3、解剖结构的相关医学成像技术近年来得以迅速发展，涌现了大量三维心脏的医学切片数据。由于心脏的堆叠层次结构，使研究人员难以了解心脏的内部结构，所以迫切需要将三维心脏解剖体数据可视化，辅助心脏疾病的诊断、治疗。利兹大学的Goodyer等人[2]提出了一种先进的针对高分辨率MRI（MagneticResonanceImage）数据的可视化方法，并设计了高清多面板（multi-panel）的显示墙。VassiliosHurmusiadis开发了用于教育和培训的VirtualHeart心脏仿真平台[3]，该平台从功

4、能和结构上展示了心脏的细胞、组织和器官。Yang等人[4]设计了适用于三维人类心脏数据的加速可视化算法，对羊心脏的MRI数据和美国可视人心脏切片数据进行了解剖结构的可视化。Zhang等人[5]开发了基于GPU（GraphicsProcessingUnit）的心脏解剖结构可视化系统。体绘制是体数据可视化的主要方法。由于体绘制的运算量较大所以最初体绘制需要在工作站或者并行计算机上运行，并且难于普及。随着GPU的不断发展和普及，让从前只有在工作站上才能运行的体绘制方法，在普通的配有GPU的个人电脑上就能够运行

5、。基于GPU的体绘制算法包括光线投射算法（RayCasting）[6]和纹理切片算法（TextureSlicing）[7]5，这两种方法有效利用了GPU硬件构架的特性。体数据在显卡内存中通常有二维纹理[8，9]和三维纹理[10]两种表示方式。传递函数的作用是将组成每个体数据的体素值映射为光学属性。传递函数在整个直接体绘制流程中发挥着非常重要的作用，其设计的好坏直接影响到最终的绘制效果[11]。Kniss等[12]提出了多维传递函数方法，利用体素密度设计体数据的光学属性。Bruckner等[13]提出类型

6、传递函数方法，融合不同渲染风格。Maciejewsk等[14]提出了基于聚类的非参数化方法设计传递函数。本文结构如下，第1部分介绍基于统计的传递函数设计方法，第2部分介绍基于统计的可视化策略，第3部分提出了基于改进的Context-Preserving模型的心脏解剖结构可视化方法。第4部分对本文进行了总结和展望。1基于统计的传递函数设计设计合理的传递函数能够揭示体数据的重要内部信息和空间结构，达到增强重要信息、抑制非重要信息的视觉效果。基于统计的传递函数设计方法，利用体数据的统计结果，设计传递函数，并对

7、不透明度进行调整，展示多层次心脏组织可视化效果。1.1心脏解剖数据统计对心脏体数据进行统计，确定各灰度值出现频率。各组织的灰度值统计公式如下：p（ur）=[SX（]nr[]MNL[SX）]r=0，1，2，…，K-1[JY]（1）5其中，ur表示灰度值，p（ur）表示灰度值ur出现的频率，nr表示ur出现的频数，MNL表示体数据的总像素数，K表示可能的最大灰度值。1.2传递函数设计不同组织具有不同的灰度值，根据灰度值分布情况，即可确定不同灰度对应的组织。参照心脏解剖模型设计不同组织的颜色，再根据组织的空间

8、位置设计不透明度。在设置不同灰度值光学属性时，遵循的主要原则是通过比对各组织的三维相对位置，使心脏内部的腔隙不透明度高于心脏外部的组织，不同腔隙的连接部分区别于腔隙本身。例如灰度值30表示右心室，属于外部组织，设计的不透明度较小。渲染时，将灰度值映射到传递函数纹理，获取其光学属性。映射方法如公式（2）所示。Colrgba=F（g）[JY]（2）其中，g表示灰度值，Colrgba表示光学属性，F表示映射函数。在基于GPU的可视化方法中，通常将