医学图像三维重建系统设计与应用

董 默，赵若晗，周志尊，陈广新，周鸿锁，郭 璇，彭钰欣，吴 丹

（牡丹江医学院 医学影像学院，黑龙江 牡丹江 157000）

0 引言

随着医学影像技术与计算机技术的高速发展，近年来医学影像设备的成像水平与质量稳步提升，无论从图像分辨率或是成像细节均有了质的飞跃。常见的四大影像设备X线、MRI、CT与超声稳定清晰的二维成像技术已经成为目前医学诊断和临床治疗的主要手段。但二维成像技术虽已成熟，但也存在其弊端，诸如二维成像只能提供某一界面的平面信息，如某界面解剖信息等，当然医生可以根据多张二维图像以及本身的临床经验去推断实际病灶的情况，以及病灶及周围组织的情况，但往往不能得到十分准确的临床诊断结果，这也无形中增加了进一步诊断与治疗的难度。在此背景下，并随着近代CAD等技术的发展，三维成像逐渐成为了医学发展的热点，三维图形可以清晰观察到病灶形状大小及病灶周围组织的情况，对三维成像的需求与日增强，但目前的大型成像设备只能提供二维图像，这就需要借助外部发展迅速的虚拟仿真软件及计算机算法来帮助模拟实现三维成像。

目前在众多图像处理软件当中，尤其属MATLAB应用最为广泛，MATLAB是一款功能强大的软件，它包含许多工具包，用于解决各类问题[1]，用户可以通过使用这些工具包，非常便捷地进行计算、分析和设计工作，而MATLAB图像处理工具箱就是其工具包之一[1-3]。采用 MATLAB的图像处理功能进行三维立体的图像构建和还原分析，得出了一种快速,便捷,准确的测量人体器官空间参量的方法。以MATLAB 这一具有强劲的图像信号分析和图像处理功能的软件操作平台为工具，为CT、MRI图片的观察与研究提供了一种新方法。

本次软件设计利用了MATLAB软件GUI开发工具库及图像处理工具库，其中GUI工具满足了软件界面开发设计的需求，而图像处理工具箱中提供了多种算法，尤其在三维重建方面，面绘制体绘制等具有完备的参数及设置选项。因此开发本套三维重建系统可以很容易的实现深层次的三维重建功能，如果配合强大的图像处理工作站，可以实现复杂的医学 DICOM图像叠加重建等功能。而且其使用操作方便，不需与大型影像设备绑定，更加便捷化，可以更好的为影像科医生服务。

1 系统简介

1.1 主要功能

1. 普通电脑安装 MATLAB后即可使用该医学图像三维重建系统软件；

2. 导入并打开包含DICOM格式在内的多种医学图像格式，同时实现格式转换；

3. 多种形式处理医学图像，如地形图显示、3D地形叠加图处理等；

4. 采用面、体绘制重建方法，实现多张医学图像三维重建功能；

5. 完成三维重建后医学图像的修饰功能。

1.2 系统开发方法

本系统软件以基于黑龙江省大学生创新创业计划和黑龙江省教育厅项目为依托，以牡丹江医学院生物医学工程专业学生为主要测试对象，系统开发中以学生开发为主老师辅助，并在开发完成后将该系统软件投入到《MATLAB》及《医学图像处理》实验课中测试使用。

1.3 医学图像三维重建系统概述

根据本文研究的内容,所设计的医学图像三维重建系统功能模块可以用图1所示。

图1 医学图像三维重建系统结构功能图

医学图像三维重建系统的主界面如图2所示。

1.4 医学图像三维重建系统的详细介绍

本系统属于便携式医学图像三维重建处理系统，目前系统具有以下功能模块：

（1）图片格式转换模块

该模块主要负责医学图像格式的读取及保存转换工作，众所周知，医学图像 DICOM格式相对比普通图片格式如bmp、JPEG等精度更高，数据量更大，尤其不支持在普通电脑读取，本模块利用MATLAB图像处理工具箱中的DICOM图片处理功能，可以很好的支持医学图像的读取。除此之前，支持将 DICOM图像保存成多种其他格式，方便患者在普通电脑读取。

（2）图像显示功能模块

不同于常用的图像读取显示功能，本模块主要拥有两部分功能，第一，显示一幅二维图像的地形图，第二，将几张医学图像显示 3D地形图的叠加图，通过二维及三维图像的显示处理，可以使用户在三维建模前更好的了解其原理和内部结构。

（3）三维重建功能模块

医学本模块集成了比较流行的三维重建方法：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构的，称为基于表面的三维面绘制方法，又称为间接绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称为直接绘制方法。

图2 医学图像三维重建系统主界面

（4）图像修饰功能模块

目前本模块主要用于在三维重建后对图像的重建效果进行微调，比如颜色、亮度、观察角度等等，更好的为三维重建效果提供各种有效手段。

（5）保留模块

随着医学技术及图像处理技术的不断发展，该模块作为整个系统的保留模块，在今后的版本更新中不断的拓展使用。

2 系统应用演示

现通过以下示例，向读者进行本系统功能的展示。

2.1 图像读入

该部分由一个“导入图片”按钮和一个图片显示坐标轴组成，通过按钮将要处理的目标图片导入并显示到坐标轴上，支持常见的格式如jpg，bmp及医学图像DICOM格式。如图3所示。

2.2 医学图像3D叠加图处理

打开系统主界面导入一组脑部MRI图像后选择3D叠加功能模块，对导入 MRI第 1、12、19、27帧阵列进行批处理，然后将它们自动配准叠加重建为立体结构后界面如图4所示。

2.3 医学图像三维体绘制处理

体绘制方法通常不要求对被显示物做精确的分割，而是对体数据场中每个体素分别进行处理，进而合成具有三维效果的图像。常见的体绘制操作更适合于表面信息不清晰的组织及器官，面绘制更加适合于由于其算法速度快，更加适合于表面细节清晰的组织，本节为了让读者更好的体会到本软件系统的实际效果，采用体绘制方式向读者展示其效果。导入50张MRI图像进行体绘制处理，将颜色、照明等细节设置后的效果，如图5所示。我们可以清晰的看到颈动脉的实际情况，同时该图像支持三维旋转等操作，更适合观察。

图3 医学图像读入及显示处理

图4 医学图像3D叠加图处理结果

图5 医学图像三维体绘制处理效果

3 总结

本软件开发完成后实现了便携式医学图像三维重建的功能。同时在开发和测试当中从学生的实验反馈情况看效果良好。在接下来得开发计划中，除了体绘制、面绘制等功能，预计还会加入混合绘制算法，实现更加复杂的功能。在未来随着计算机软硬件的不断高速发展，三维重建算法必然会有新的发展，而无论哪种发展都离不开计算机软件的模拟，利用 MATLAB这一有效工具结合不断发展的三维重建技术，势必将极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平[8]，为影像及临床学科的发展提供强大的帮助。

[1] 闫秋孟, 董默等. 基于MATLAB的医学图像处理系统设计与应用[J]. 软件, 2017, 38(2): 51-55.

[2] 邓华. 浅谈Matlab在数字图像处理中的应用[J]. 科技资讯.,2006(8): 128-129.

[3] 周志尊, 孙璐等. CT与MRI融合技术的颅内肿瘤应用研究[J]. 软件, 2017, 38(5): 34-38.

[4] 孙亦博, 朱玲利. DIOCM医学图像与BMP格式的转换研究[J]. 现代计算机, 2010, 8: 121-124.

[5] 姜炳旭, 刘杰, 孙可. Sobel边缘检测的细化[J].沈阳师范大学学报(自然科学版), 2010, 28(4): 503-506.

[6] 王娟, 周金芝. 基于Matlab的形态学图像处理研究[J]. 现代交际, 2010, (4): 135-136.

[7] 康晓东. 医学影像图像处理[M]. 北京: 人民卫生出版社,2009.

[8] 聂东升, 邱剑锋, 郑建立. 医学图像处理[M].上海: 复旦大学出版社, 2014.

[9] 董默, 苏奎, 周志尊, 周鸿锁. 生物医学工程专业《医学图像处理》实践教学改革[J]. 软件, 2017, 38(2): 37-41.