基于Web的医学图像三维重构与可视化方法

赵聪聪++王进科

摘 要 随着Web技术的快速发展与医学成像水平的不断提高，基于Web的医学图像三维可视化逐渐在生物医学领域中占有主导地位。三维重构后的可视化图像能清晰地显示人体器官的解剖结构。本文提出了基于AJAX与X3D结合的场景交互框架，实现X3D标准的API和ECMA交互脚本的应用，通过三个二维平面来确定待显示的三维目标，实现三维目标的交互式应用Web医疗图像三维重构可视化应用。

【关键词】Web三维重建 GPU重构 X3D MVC可视化

1 引言

基于Web的三维可视化系统充分融合了现代网络技术、医学成像技术以及图像处理技术，使得处于不同地域的医生参与远程会诊；它能帮助生物医学工作者提高解剖结构的理解力，提高学习与交流的便利性，以及促进现代医学与人类社会的健康发展。本文开发出基于Web的医学图像三维可视化系统技术，使得这些技术具有良好的鲁棒性、精确性和实用性，在网络数字化医疗诊断、教育中发挥实际作用

2 GPU并行重构

三维重构的方式主要分为面绘制与体绘制两种。体绘制需要将数据场中每个体元的值映射为颜色与阻光度，这一映射过程通过传输函数实现，转换后的RGBA值通过合成投影到帧缓冲区相应的像素位置上，合成的方式可以通过多种算法实现。面绘制，是指在三维数据场中构造并显示等值面的过程，是从三维数据场中还原物体三维信息的主要手段之一。基于多核GPU并行技术方式的MC算法，将2D横断面分割成多个独立的片段，通过重构合并多线程进而形成3D等值面模型。

3 X3D模型转换与纹理映射

本文中提出了重构模型的X3D的模型转换技术及相应模型的纹理映射，形成Web兼容的3D格式。等值面中的坐标将被转换到X3D中指定的索引面集合节点中。该索引面集被用于表示X3D重构模型中的一个多边形网格的形状和表面。为了将纹理映射到这样一个模型上，我们创建了一个和模型同样大小的模板立方体。将输入的2D横断面生成的纹理图像，根据其坐标被映射到立方体里模型上，然后合并纹理立方体和重构模型的索引面集节点。我们使用了完整的分辨率图像切片，并且计算是运行在GPU平台上，从而产生适用于Web的X3D模型，最终使得本文获得的重构模型更加灵活，更加容易被扩展，并且被一般的3D浏览器支持。

4 集成X3D的MVC可视化

本文在提出了MVC的框架设计模式的过程中，设计了一个可视化的流水线系统，从而来有效地提高系统的灵活性与扩展性。在可视化框架设计中，我们根据MVC设计原则将系统划分为模型层、视图层、控制器三层。

4.1 模型层

主要是提供操作的数据，如等值面模型、纹理模型、可绘制点等。

4.2 视图层

为了使得生成的等值面被OpenGL可视化，在处理层我们需要重点提出了等值面模型转化技术，即将等值面转化为多边形模型。

4.3 控制器

分派请求和控制流程，主要是将ECMA脚本等添加到视图模型中，从而提高可视化系统在Web页面上的交互性。

5 AJAX与X3D结合的场景交互

Web3D技术提供多种方式来实现可视化的场景交互。本文对于三维可视化过程中场景交互仅仅聚焦在三维目标的平移、旋转、放缩等基本交互操作，从而满足Web实时性的要求。本文为三维可视化的Web模式提出了提供了两种交互式框架：一个基于传感器节点的场景更新框架，另一个基于Ajax3D（Ajax，Asynchronous JavaScript and XML）的框架。

5.1 基于传感器节点的场景更新框架

基于传感器节点的场景更新框架使用Web3D技术中预先定义的传感器节点来增强场景交互和更新。该场景中的传感器节点被动感应，并响应用户的存在和交互。Web3D允许开发者针对特定的用途，集成定制的脚本，并为内部和外部的ECMA脚本或者Java代码提供计算服务来实现相应的功能。使用这个框架，一旦场景从一个服务区载入到一个客户端，用户能够通过他们内部的传感器节点进行场景交互。

5.2 基于Ajax3D的框架

本文使用2D图像导航来阻止这样的不必要的模型重载，低分辨率图像的集合会比3D模型小很多。该2D导航器可以通过页面的Java script，使用Ajax3D技术，将指令消息转发给Web浏览器。该指令消息被推送到场景访问界面，来恰当地重新建模或者重新配置模型。使用这种方式，模型的2D导航器不会立即出发一个模型的重载，而是，3D模型会在用户提交选择好的位置和平面后进行重载。页面不需要重新载入。带着这样的结果，用户仍可以无缝地通过2D导航器实现3D导航，而不用不必须的模型重载。

6 总结

基于Web模式医学图像三维重构与可视化渲染方式，可以在异步条件下改变三维场景中的内容 ，给客户带来更加具有交互性的三维体验。医学图像可视化是图像处理在生物医学工程上的重要应用，三维重构后的图像提高了医疗诊断的准确性与科学性，有利于制定最优的治疗方案及放射手术规划，并可进行手术模拟，在解剖教育及医学提出了中具有重要意义。

参考文献

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[3]G.Han and K.Kagawa.Towards a Web-based program visualization system using Web3D.2012 International Conference on Information Technology Based Higher Education and Training （ITHET），pages 1-4，2012.

作者简介

赵聪聪（1996-），女，大学本科学历。研究方向为软件工程。

王进科（1983-），男，博士学历。研究方向为医学图像分析。

作者单位

哈尔滨理工大学荣成学院 山东省荣成市 264300