超聲三維重建可視化的研究及CADS系統(tǒng)的完善.pdf

1、上世紀50年代,超聲被引入醫(yī)療領域。與其它醫(yī)學影像技術( CT,MRI)相比,超聲成像有其獨特的優(yōu)點：實時,可交互,無電磁輻射、無創(chuàng),經(jīng)濟、方便、易重復檢查等。目前,臨床應用上應用的主要是二維超聲。隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展,醫(yī)學界對三維超聲的呼聲日漸強烈。與二維超聲相比,三維超聲有如下優(yōu)點：1、直接給出臟器的三維空間結(jié)構,避免醫(yī)生對經(jīng)驗的過分依賴；2、可以得到任意方向切面,有一些是二維超聲無法獲取的,而這些往往對診斷起著關鍵作用；3

2、、可以更準確地測量器官體積；4、重建數(shù)據(jù)可以保存下來,以便術后查看；5、直觀、易懂。超聲三維重建大致可以分為三個階段：圖像獲取、重建、顯示。超聲重建就是利用掃描時探頭的位置和方向,將一系列二維的超聲圖像以一定的方式組合在一起,從而重建出三維圖像。目前國外一些大公司已經(jīng)研發(fā)出成套的超聲掃描重建設備,但價格昂貴、實時性差、掃描范圍也有限,因此在國內(nèi)的普及受到了很大影響。于是,我們開發(fā)了基于普通二維超聲設備、配合一般計算機就可以完成的、實時的

3、自由臂重建算法。它的價格低廉,容易普及,而且也突破了掃描范圍的限制。醫(yī)學數(shù)據(jù)的三維顯示有多種方法,比較有代表性的是用于表面顯示的Marching Cube和用于完全體顯示的Volume Rendering。由于超聲圖像的質(zhì)量很差,很難提取出符合要求的表面,所以只能用體顯示。然而,體顯示的主流方法——光線投射法(Ray Casting)計算量很大,難以達到實時的顯示。盡管前人做出了很多努力,但仍有很多可以發(fā)展的地方,尤其是如何在通用計算平

4、臺上實現(xiàn)實時的體顯示。針對這一問題,本文開發(fā)了基于CUDA (Compute Unified Device Architecture)的光線投射法。本文討論了超聲的獲取、重建以及把重建的結(jié)果以三維的方式實時顯示的一整套方法。主要分為這幾個部分：超聲圖像的獲取和重建、基于GPU加速的三維數(shù)據(jù)的顯示、針對超聲對三維數(shù)據(jù)顯示的優(yōu)化,以及如何把超聲重建和三維顯示結(jié)合起來。在超聲的獲取和重建中,首先討論了如何用圖像采集卡獲取二維超聲圖像,同時使用

5、磁感應定位儀獲得每幀超聲圖像的位置。接著我們討論了基于像素的超聲重建的實現(xiàn),以及如何處理重建過程中出現(xiàn)的漏洞。然后探索了幾種加速重建的方法,如利用超聲圖像的特點、多線程等等。最后,探索了如何實時地顯示重建過程,使醫(yī)生在重建過程中能夠根據(jù)顯示的內(nèi)容及時做出調(diào)整。在基于GPU的三維數(shù)據(jù)顯示中,我們介紹如何利用CUDA實現(xiàn)實時的光線投射法。首先介紹了三維數(shù)據(jù)如何讀取到內(nèi)存,并由內(nèi)存部署到GPU。然后介紹了計算的部署,也就是如何把大批量的線程合

6、理地安排到GPU上的每一個核心。接著介紹了光線投射法的核心算法,提出了可能影響顯示質(zhì)量和速度的諸多因素,如深度方向上的取樣步長、提前結(jié)束的透明度等等。最后,討論了如何把計算的結(jié)果顯示出來。在超聲三維顯示優(yōu)化中,我們探討了顯示優(yōu)化的難點,認為只有讓用戶參與部分顯示過程,也就是從灰度值到顏色透明度的映射過程,顯示結(jié)果才有可能真正反映出用戶的需要。在此基礎上,我們首先設計了一套方便用戶調(diào)節(jié)的圖形化界面,確定了此類軟件應該有哪些功能。然后,我們