基于GPU的醫(yī)學(xué)影像實(shí)時(shí)體繪制技術(shù)研究.pdf

1、自上世紀(jì)八十年代提出科學(xué)計(jì)算可視化之后,三維數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用越來(lái)越廣,最終發(fā)展成了體繪制技術(shù)領(lǐng)域。體繪制是可視化的一個(gè)重要方向,它是根據(jù)體數(shù)據(jù)分布將體細(xì)節(jié)顯示在二維屏幕上的一種技術(shù)。通過(guò)體繪制以及相關(guān)不透明度的控制,能夠在單張圖像中表達(dá)不同種物質(zhì)的綜合分布。醫(yī)學(xué)圖像處理中經(jīng)常要用到體繪制這一技術(shù),有關(guān)醫(yī)學(xué)影像的體繪制技術(shù)研究也是逐年增加。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)療成像設(shè)備的改進(jìn),掃描出切片的間距越來(lái)越薄,分辨率越來(lái)越高,所以數(shù)據(jù)量也越來(lái)

2、越大。特別是隨著四維計(jì)算機(jī)斷層掃描的出現(xiàn),每次掃描的數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù)的十倍甚至數(shù)十倍。傳統(tǒng)的利用CPU進(jìn)行所有計(jì)算的方式不能滿足實(shí)時(shí)繪制以及交互的要求。近十年,GPU有了長(zhǎng)足的發(fā)展,并且朝著通用計(jì)算的方向邁進(jìn),GPU的數(shù)據(jù)處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越CPU,這使得在普通計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)體繪制變成了可能?，F(xiàn)階段,雖然對(duì)三維重建算法研究較多,但是大多數(shù)算法設(shè)計(jì)的傳輸函數(shù)都是針對(duì)特定數(shù)據(jù)集繪制出特定效果,很少有一種算法能對(duì)不同的數(shù)據(jù)繪制出不同的結(jié)果。另外,

3、由于三維重建不具備時(shí)變信息,無(wú)法動(dòng)態(tài)地比較病灶隨時(shí)間的變化,醫(yī)生只能通過(guò)手動(dòng)方式比較不同時(shí)刻采集的數(shù)據(jù),這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力,如何對(duì)一組不同時(shí)刻的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行四維可視化顯得非常重要。然而針對(duì)四維可視化的研究國(guó)內(nèi)還處于起步階段,已有的算法在普通計(jì)算機(jī)上進(jìn)行四維可視化還不能達(dá)到實(shí)時(shí)繪制并流暢交互。因此,本文針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。
　　為克服傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像體繪制重建耗時(shí)長(zhǎng)、達(dá)不到實(shí)時(shí)交互、繪制效果單一的不足,本文實(shí)現(xiàn)了一種基

4、于GPU的光線投射算法并用于醫(yī)學(xué)影像實(shí)時(shí)體繪制,通過(guò)研究人體CT值的分布,設(shè)計(jì)了多種不同的顏色傳輸函數(shù)及不透明度傳輸函數(shù),能快速切換不同組織器官的繪制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文實(shí)現(xiàn)的GPU加速光線投射算法即便是在繪制900張切片時(shí),其用時(shí)也能控制在2s左右,交互速度在20fps以上,能夠滿足臨床診療需求。并且進(jìn)行了CPU端光線投射繪制與GPU端光線投射繪制時(shí)間與質(zhì)量的對(duì)比,時(shí)間加速比最高能達(dá)到9倍左右,GPU端繪制的質(zhì)量也更高。
　

5、　為解決通用計(jì)算機(jī)不能實(shí)時(shí)進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像四維可視化并流暢交互這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了一種基于GPU的醫(yī)學(xué)影像及病灶提取的四維可視化解決方案。借助開(kāi)放圖形類庫(kù),編程實(shí)現(xiàn)了序列體數(shù)據(jù)的讀取、顯示。依據(jù)不同組織器官灰度值的不同,設(shè)置顏色查找表中灰度值上下限來(lái)控制顯示不同的組織,并在確定病灶區(qū)域位置的情況下,實(shí)現(xiàn)了病灶區(qū)域的提取及局部四維可視化。本算法對(duì)肺部十個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)繪制速度能達(dá)到20fps左右,對(duì)提取后的病灶區(qū)域的繪制速度達(dá)到31fps,即便是在交