基于GPU的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)研究.pdf

1、直接體繪制能夠探究體數(shù)據(jù)內(nèi)部復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的三維面繪制技術(shù)相比，該繪制方法最大的優(yōu)勢在于它能夠提供半透明繪制，能夠提供不同結(jié)構(gòu)間豐富的空間信息。但現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，這就對傳統(tǒng)繪制架構(gòu)和技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。在三維可視化技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中提到的體繪制算法中，有的為獲取高質(zhì)量的重建圖像而放棄與體數(shù)據(jù)的交互，有的為獲取良好的交互性能而犧牲圖像的質(zhì)量。隨著當(dāng)前圖形硬件技術(shù)的發(fā)展，研究人員根據(jù)圖形硬件架構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、了許多新的算法，這些算法能夠兼顧圖像質(zhì)量和交互性能兩個方面，對三維重建和可視化技術(shù)具有重要的意義。本文在學(xué)習(xí)圖形硬件GPU編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，對醫(yī)學(xué)圖像的可視化技術(shù)做了一些有意義的探索。 1．基于GPU的醫(yī)學(xué)圖像快速體繪制算法 文中利用圖形處理器（GPU）強(qiáng)大的并行計(jì)算能力和靈活的可編程性能，將傳統(tǒng)的光線投射算法在具有可編程管線的圖形處理器上重新實(shí)現(xiàn)，將耗時的三線性插值和采樣過程放在GPU上進(jìn)行，從而提高了重建速度。論文首

3、先將體數(shù)據(jù)和傳遞函數(shù)映射為紋理并將其載入到顯存，接著通過對頂點(diǎn)著色程序和像素著色程序的編寫將光線進(jìn)入點(diǎn)、離開點(diǎn)的計(jì)算以及圖像的合成運(yùn)算移入GPU中，最后通過調(diào)整傳遞函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的繪制效果。論文通過使用渲染到紋理技術(shù)，將繪制的中間結(jié)果保存到紋理，并以此來避免使用著色器的動態(tài)分支功能。實(shí)驗(yàn)表明，在同等繪制質(zhì)量的前提下，該方法的繪制速度顯著提高，能夠滿足醫(yī)學(xué)影像可視化的實(shí)時交互需求，具有較好的臨床應(yīng)用前景。 2．基于GPU的醫(yī)學(xué)圖像

4、 為了給醫(yī)生提供全面、直觀和準(zhǔn)確的診斷信息，論文提出了一種基于GPU加速的體切割算法，通過將切割算法和基于GPU的光線投射算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)的快速切割。論文在基于GPU加速的醫(yī)學(xué)圖像快速體繪制的基礎(chǔ)上，將剖面的空間信息傳入著色器，然后通過比較體數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)與剖面位置的關(guān)系來決定體數(shù)據(jù)的取舍。該方法不同于以往基于深度模板信息的體切割，在定義好切割平面后，可從任意角度對保留下來的有效體數(shù)據(jù)的重建結(jié)果進(jìn)行觀察。該方法能夠精確地按照

5、用戶定義的形狀對體數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，并且由于使用了硬件的加速功能，該方法可以達(dá)到實(shí)時交互的速度，在手術(shù)模擬等臨床技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。 3．基于影響因子的醫(yī)學(xué)圖像快速體繪制算法 通過對體數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，醫(yī)務(wù)人員能夠清楚地觀察到隱藏在體數(shù)據(jù)內(nèi)部的重要器官和組織，但切割平面的確定比較困難，如果切割平面穿過感興趣器官，則會切除部分感興趣器官；如果切割平面恰好位于感興趣器官前方，則部分感興趣器官將被其他組織器官遮擋，無法清楚地在圖像中顯示

6、。為了消除體切割算法的這種缺點(diǎn)，論文提出了一種基于影響因子的醫(yī)學(xué)圖像快速體繪制算法。論文在應(yīng)用GPU進(jìn)行加速的基礎(chǔ)上，將影響因子引入到傳遞函數(shù)的構(gòu)造中，對重要組織、感興趣器官部分的體數(shù)據(jù)賦予大的影響因子，相反則為其賦予小的影響因子，通過對體數(shù)據(jù)影響因子的調(diào)節(jié)來達(dá)到增強(qiáng)重要組織、感興趣器官抑制次重要組織、非感興趣器官的的效果。另外論文通過對由球形光照模型映射而來的紋理的索引來進(jìn)行非真實(shí)感繪制，從而實(shí)現(xiàn)對藝術(shù)式繪制風(fēng)格的模擬，增強(qiáng)繪制圖像對