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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于VTK的三維醫(yī)學(xué)圖像可視化處理系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本軟件可以對(duì)通用的圖像進(jìn)行讀取和基本的圖像處理，并根據(jù)需要構(gòu)造體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維繪制。也可以對(duì)專門的數(shù)據(jù)格式DICOM、CT和Raw數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？梢詫?duì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式的體數(shù)據(jù)保存，三維繪制界面提供了光照修改、材質(zhì)修改、攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)和縮放功能。提供了交互式的體數(shù)據(jù)分類處理能力，可以動(dòng)態(tài)修改不同數(shù)據(jù)的不透明度，實(shí)時(shí)繪制，方便觀察。
- 詳細(xì)介紹：
- 三維繪制技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)有40年左右的歷史，目前大型的醫(yī)療設(shè)備都提供了三維數(shù)據(jù)處理的能力，例如GE、Philip、Simens等企業(yè)的CT設(shè)備都具備三維數(shù)據(jù)處理能力。隨著醫(yī)院PACS系統(tǒng)的普及，通用型的三維處理軟件在進(jìn)一些年開始逐漸走入醫(yī)院的醫(yī)生終端。由于國(guó)外軟件的技術(shù)封鎖和高昂的價(jià)格，國(guó)內(nèi)的醫(yī)院大都望而卻步，這嚴(yán)重地限制了三維處理技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)，目前也有很多的科研院所和公司積極地進(jìn)行著相關(guān)方面應(yīng)用的研究和開發(fā)，相信這一應(yīng)用方向會(huì)在不久的將來(lái)大面積地走向?qū)嵱?。本軟件提供了良好的交互處理界面，可以?duì)通用的Jpg、Bmp、Tif和Png圖像進(jìn)行讀取和基本的圖像處理，并根據(jù)需要構(gòu)造體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維繪制。也可以對(duì)專門的數(shù)據(jù)格式DICOM、CT和Raw數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。同時(shí)作品提供了數(shù)據(jù)的專門處理通道，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式的體數(shù)據(jù)保存，也可以對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行保存，極大地方便了最終用戶。三維繪制界面提供了光照修改、材質(zhì)修改、攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)和縮放地功能。提供了交互式的體數(shù)據(jù)分類處理能力，可以動(dòng)態(tài)修改不同數(shù)據(jù)的不透明度，實(shí)時(shí)繪制，方便觀察。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的: 使用VTK工具包提供的各種圖形、圖像處理算法，進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的讀取、預(yù)處理、重構(gòu)和顯示的綜合應(yīng)用研究及實(shí)踐。使用醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)為主要的研究對(duì)象，構(gòu)建綜合處理的軟件平臺(tái)。該平臺(tái)可以瀏覽體數(shù)據(jù)和普通圖像，也可以做簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，可以在未來(lái)的應(yīng)用中作為醫(yī)生的三維數(shù)據(jù)桌面系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于其他的三維科學(xué)數(shù)據(jù)的后期處理。 基本思路: 結(jié)合VTK（Visualization ToolKit）工具提供的算法模塊和基本的三維數(shù)據(jù)處理思想，運(yùn)用VC環(huán)境編寫程序，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的讀取并進(jìn)行多種圖像處理；綜合運(yùn)用OpenGL技術(shù)和Marching Cube算法實(shí)現(xiàn)對(duì)體數(shù)據(jù)的面繪制處理；采用光線跟蹤算法對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行體繪制顯示。運(yùn)用ShearWarp技術(shù)，加速體繪制的繪制速度；利用MFC開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)界面的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的框架。 創(chuàng)新點(diǎn): 使用Marching Cube算法實(shí)現(xiàn)對(duì)體數(shù)據(jù)中面片數(shù)據(jù)的提取，然后通過(guò)OpenGL實(shí)現(xiàn)對(duì)面片數(shù)據(jù)的繪制；通過(guò)光線跟蹤算法對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行體繪制，使用RLE壓縮編碼和ShearWarp算法實(shí)現(xiàn)對(duì)光線跟蹤算法的加速繪制處理。 技術(shù)關(guān)鍵: MarchingCube三角面片的提取算法，光線跟蹤算法和ShearWarp加速處理技術(shù)。 主要技術(shù)指標(biāo): 面繪制處理繪制速度達(dá)到30幀/秒，體繪制速度大于25幀/秒，軟件安全運(yùn)行10000次無(wú)崩潰。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品采用VTK結(jié)合VC環(huán)境的程序設(shè)計(jì)思想，針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維體數(shù)據(jù)的處理和快速繪制的算法及應(yīng)用研究。作品中采用的Marching Cube面繪制算法是目前最先進(jìn)行的面繪制技術(shù)中的面片提取算法；體繪制中的光線跟蹤算法也是目前非常成熟的體繪制技術(shù)之一。 VTK工具包提供了完整的數(shù)據(jù)通道、繪制通道、材質(zhì)和光照通道和相機(jī)通道。通過(guò)VTK提供的模型可以方便的建立繪制界面并實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)的繪制。但是VTK的一體化也嚴(yán)重地限制了實(shí)際應(yīng)用中的靈活性。本作品靈活地結(jié)合VTK的開放源碼和VC開發(fā)環(huán)境。通過(guò)底層導(dǎo)出技術(shù)實(shí)現(xiàn)本作品中的應(yīng)用算法的獨(dú)立導(dǎo)出。實(shí)現(xiàn)了DICOM文件處理、Marching Cube算法、Ray-Casting算法等關(guān)鍵算法和技術(shù)的獨(dú)立導(dǎo)出。結(jié)合VC的底層處理能力和OpenGL的開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)了靈活的體數(shù)據(jù)處理和繪制，有效地提高了數(shù)據(jù)繪制清晰程度和繪制速度。本作品中針對(duì)體繪制算法較慢的缺點(diǎn)，獨(dú)立導(dǎo)出了Shear_Warp算法結(jié)合RLE壓縮編碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)體數(shù)據(jù)無(wú)損的快速繪制。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明:本軟件提供了良好的交互處理界面，可以對(duì)通用的Jpg、Bmp、Tif、Png圖像和專門的數(shù)據(jù)格式DICOM、CT和Raw數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和基本的圖像處理，并根據(jù)需要構(gòu)造體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維繪制。同時(shí)作品可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式的體數(shù)據(jù)保存。三維繪制界面提供了光照修改、材質(zhì)修改、攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)和縮放地功能。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):本作品采用目前成熟的面繪制技術(shù)和體繪制技術(shù)，并進(jìn)行了加速繪制處理；可以靈活地進(jìn)行算法的優(yōu)化和升級(jí)；VC的開發(fā)環(huán)境在底層提供了與各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境連接的可能。本作品有效地規(guī)避了VTK對(duì)數(shù)據(jù)、處理和顯示的封裝。 適用范圍:可以作為醫(yī)院醫(yī)生圖像工作站或者醫(yī)生的桌面圖像瀏覽和處理軟件平臺(tái)。也可以在進(jìn)行簡(jiǎn)單修改后，在工業(yè)、科研等設(shè)計(jì)大量的數(shù)據(jù)處理環(huán)境。本作品基于VC開發(fā)環(huán)境，結(jié)合VTK工具包提供的成熟的算法，構(gòu)建了良好交互的軟件處理平臺(tái)，幫助醫(yī)生進(jìn)行臨床診斷。如果進(jìn)行推廣，可以和醫(yī)院現(xiàn)有的PACS互聯(lián)（基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)），小巧、靈活、低廉具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
同類課題研究水平概述
- VTK是一個(gè)源代碼開放的工具軟件包，由于很多的圖像處理算法包括數(shù)據(jù)可視化的算法都非常復(fù)雜，所以VTK得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。國(guó)外的大型醫(yī)療儀器廠家有自己的研發(fā)隊(duì)伍和自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。不過(guò)其軟件昂貴，并且和設(shè)備綁定。除此以外，目前能夠?qū)嶋H應(yīng)用的單機(jī)三維繪制軟件，均或多或少地采用了VTK提供的技術(shù)。三維繪制技術(shù)的算法很多：Splatting，MarchingCube，Ray-casting等等。對(duì)于不同的需要，可以采取不同的算法。相對(duì)來(lái)說(shuō)面繪制的算法由于繪制的是物體的表面，其繪制速度快，但是由于擬合的原因，缺乏細(xì)節(jié)展示的能力。而體繪制技術(shù)繪制的效果好，可以精確到像素分辨率級(jí)別，物理尺度<0.1mm。但是其與處理和繪制的時(shí)間都很長(zhǎng)，對(duì)于桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其繪制的時(shí)間通常對(duì)于2048x3062x100的體數(shù)據(jù)會(huì)超過(guò)1個(gè)小時(shí)。大型的三維軟件繪制系統(tǒng)一般都架構(gòu)在小型機(jī)上。在桌面辦公系統(tǒng)上，軟件就必須考慮性能指標(biāo)的問題。 國(guó)外的類似的科學(xué)研究要好于國(guó)內(nèi)，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問題，很多的先進(jìn)算法是國(guó)內(nèi)得不到也實(shí)現(xiàn)不了的。國(guó)外從2001年就開始采用VTK結(jié)合ITK等先進(jìn)的工具軟件，進(jìn)行虛擬人的研究工作。國(guó)內(nèi)這一方面的工作2006年才逐漸展開。較為先進(jìn)的國(guó)外軟件國(guó)內(nèi)只有在大型的醫(yī)療機(jī)構(gòu)才能看到，其性能優(yōu)越。國(guó)內(nèi)相關(guān)方面的研究起步晚一些，2006年西安盈谷科技借助國(guó)外的技術(shù)支持，開發(fā)出了一套完整的三維醫(yī)學(xué)圖像處理軟件。目前其正在進(jìn)行新一代的軟件系統(tǒng)與Pacs系統(tǒng)和His系統(tǒng)的結(jié)合推廣工作。北京自動(dòng)化所的田捷等人，也致力于三維處理技術(shù)和相關(guān)軟件平臺(tái)的建設(shè)工作，目前已經(jīng)有多個(gè)版本的Demo軟件發(fā)布，其核心架構(gòu)也參考了VTK的思想。還有一些國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究，都借鑒或者結(jié)合VTK進(jìn)行三維成像技術(shù)或者軟件系統(tǒng)的研究工作（參看參考文獻(xiàn)）。技術(shù)上，三維繪制的基本技術(shù)已經(jīng)成熟，目前的研究工作一個(gè)方向是穩(wěn)定、靈活、高性能的軟件平臺(tái)的建設(shè)；另外的一個(gè)方向是快速的繪制算法和有效的圖像分割算法的研究。近一些年的技術(shù)發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)步，使得三維提數(shù)據(jù)的處理和顯示技術(shù)走進(jìn)了桌面計(jì)算機(jī)平臺(tái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，相信不久的將來(lái)，桌面的醫(yī)學(xué)三維可視化軟件必將廣泛地得到使用。其將有效地促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)水平的進(jìn)步。
