医学图像快速标准化绘制技术研究

摘要

目前,我国医学影像诊断正逐步进入一个全面数字化的时代。各种数字化影像设备在各级医院得到装配及使用。医学影像归档与通讯系统(PictureArchiving and Communication System,PACS)系统也在逐渐普及,并出现了区域性的影像综合平台。这意味着海量的数字影像将在不同地域、不同设备上显示,为不同的从业人员所使用,从而使得以下问题日益明显:1)由于不同显示设备电气特性,以及周围环境等因素的差异,相同的数字影像并不能获得一致性的显示,这就给影像诊断带来挑战,更不利于阅片的交流；2)单项影像检查产生的影像数据量越来越大,诊断医生对于图像快速准确绘制的要求越来越高；3)新式影像应用技术不断涌现,尤其是基于断层影像的三维诊断及手术导航,对于图像绘制的实时性要求更加苛刻。
　　 本文从以上问题出发,以医学图像快速标准化绘制为出发点展开研究,主要内容如下:
　　 1)通过标准灰阶显示函数(Grayscale Standard Display Function,GSDF)解决标准灰阶图像一致性显示问题。本文以医学数字影像和通讯标准(DigitalImaging and Communications in Medicine,DICOM)中对于一致性显示的相关规范为基础,通过改善图像表现值(P-Values)与人眼视觉感知间的线性关系,达到标准灰阶图像一致性显示的目的。具体方法如下:
　　 以DICOM PS3.14标准灰阶显示函数相关规范为基础,提出了一种快速GSDF实现算法。首先,利用精密亮度测量装置,获得数字驱动等级(Digital DrivingLevel,DDL)值与亮度值之间的映射关系；然后,依照Barten模型,通过三次样条插值获取表现值与数字驱动等级值对应关系；最后,借助调窗运算,实现由存储值(Stored Value)直接得到符合DICOM标准的显示效果。
　　 本方法可快速实现标准灰阶显示函数,获得图像表现值与人眼视觉感知良好线性关系,取得较大的细节方差与背景方差比值(DV/BV)。通过集成应用,可弥补多数商用显示设备不具备内置DICOM P14校正的不足,也可对本身具有P14校准功能的医学专用显示设备进行校正或质量检验。
　　 2)基于图形硬件加速技术,融合灰阶软拷贝显示状态(Grayscale SoftcopyPresentation Sate,GSPS)及标准灰阶显示函数(GSDF),实现DICOM灰阶图像的快速标准化绘制,具体方法如下:
　　 首先将图像数据存储值(Stored Values)经由设备查找表或重调节的输出设备值(Modality Values)制作成纹理数据,加载至图形硬件；然后,若显示过程配置了VOI查找表,则将VOI查找表制作成一维纹理加载到图形硬件；否则,将调窗操作转换成查找表并加载；将显示使用的表现值查找表制作成一维纹理并加载；将标准灰阶显示函数校准转为查找表制作成一维纹理加载到图形硬件中；基于图形硬件加速技术,在片断着色阶段按照图0-2所示转换流程,依次查找对应表得到最终数字驱动等级值,完成片断着色,进而完成图像绘制。
　　 利用上述方法,采用硬件加速技术,可大幅提高GSPS操作的实时性,与传统调窗操作具有明显的速度优势。并且该方法不局限于目前的256级DDL应用,可根据硬件设备DDL实际带宽调整GSDF查找表条目数据,从而越过多数操作系统中对灰度图像位宽的限制,发挥标准显示设备最佳效用。
　　 3)利用OpenGL标准着色语言(OpenGL Shader Language,GLSL)实现具有良好移植性的纹理映射体绘制算法,并通过经典光照模型,解决通用图形硬件下的高效高质量体绘制问题,具体方法如下:
　　 通过改进常规纹理映射体绘制算法,实现了具有良好光照效果三维显示,并在此基础上,针对传统纹理映射体绘制物理空间的限制,提出一种基于GLSL(OpenGL着色语言)可在普通PC一般图形硬件上进行医学数据场高质量体绘制的有效方法。利用GPGPU中的片段着色器(Fragment Shader)的可编程性,将传统方法四倍于体数据场的纹理数据转为一个一维的传递函数纹理和一个等同于源数据规模的三维纹理,有效节省物理显存。通过使用顶点着色器(VertexShader)动态完成光照模型所需计算,得到较高质量的绘制效果。
　　 通过对比实验分析,本方法可在普通图形硬件上得到具有较好实时性和较高质量的体绘制效果。
　　 4)基于满二叉树(Full Binary Tree)分块策略,保证纹理生成及销毁所产生的开销最小,实现通用图形硬件的大规模体数据场快速绘制问题,并解决分块纹理体绘制在块边界产生的伪影问题,具体方法如下:
　　 首先,采用满二叉树实现分块纹理机制,并对其进行科学的数学描述,降低纹理更新频率；其次,采用具有继承关系的抽象分块策略,推导出通用的数学求解方法,降低边界计算的复杂度；最后,通过使用GLSL,将传递函数制作成一维纹理,并采用大小等同于体数据场的动态纹理工作集,在着色阶段通过片断着色器动态查找并实现了光照计算,再次降低纹理内存的占有量,有效提高大规模数据场体绘制实时性。
　　 实验表明,动态纹理工作集使用抽象分块与继承关系管理边界,通过计算层次化的方式降低了分块绘制时的计算及动态纹理控制复杂度。运用该算法可在普通PC上对远超过纹理内存的大规模体数据完成具有较好实时性和较高质量的体绘制。
　　 5)通过对象封装,利用OpenGL的跨平台特性,将上述算法按照4个层次编码成库,实现在PC机系统上的软件系统集成与应用。
　　 经过严谨的理论论证及实验测试,上述技术与算法已应用于作者单位的软件产品PACS系统和Vamos3D COMPLEX平台中,具有良好的实用价值。