醫(yī)學(xué)圖像編程技術(shù)

前言

醫(yī)學(xué)圖像編程門(mén)檻較高，入門(mén)較難。一般是采用VC++6.0來(lái)開(kāi)發(fā)的，其開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng)，代碼難以維護(hù)，特別是三維顯示速度較慢，質(zhì)量較差。使用OpenGL以后，其三維繪制速度有較大程度提高，顯示質(zhì)量也得到了不斷改善，但醫(yī)學(xué)圖像編程困難的問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決。要想解決這一問(wèn)題，首先程序員應(yīng)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像文件格式有一定的認(rèn)識(shí)。醫(yī)學(xué)圖像是二維序列組，原來(lái)各廠商的圖像格式均不一樣，但現(xiàn)在已制訂了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)DICOM，因此要想進(jìn)行圖像編程先要懂得如何讀/寫(xiě)DICOM圖像。其次，用VC來(lái)顯示一幅圖像并不容易，好在現(xiàn)在已有許多數(shù)字圖像編程的書(shū)籍介紹如何來(lái)顯示一幅二維圖像。當(dāng)然，能顯示一幅就能顯示多幅，這里所介紹的醫(yī)學(xué)圖像便是序列二維圖像組。再次，醫(yī)學(xué)圖像需要顯示三維，這就需要在二維序列圖像間插值，以進(jìn)行三維重建和繪制。因此，程序員還要懂計(jì)算機(jī)圖形學(xué)?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些書(shū)中用OpenGL來(lái)講解和演示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)了。美國(guó)Kitware公司于1998年推出了“三維可視化工具箱”Visualization Toolkit（VTK），希望用簡(jiǎn)單的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)三維可視化編程工作。2002年，它又推出了“醫(yī)學(xué)圖像分割與配準(zhǔn)工具箱” Insight Segmentation and Registration Toolkit（ITK），封裝了最常用的醫(yī)學(xué)圖像處理算法。不過(guò)它沒(méi)有可視化算法，因此ITK必須與VTK聯(lián)合使用，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化編程。Kitware公司于1998年使用VTK和ITK成功開(kāi)發(fā)出了3D Slicer，以應(yīng)用于圖像引導(dǎo)下的治療。2003年，該公司成功開(kāi)發(fā)出“圖像引導(dǎo)下的手術(shù)工具箱”Image-Guided Surgery Toolkit（IGSTK），將醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用于手術(shù)計(jì)劃和手術(shù)導(dǎo)航場(chǎng)合。本書(shū)的詳細(xì)內(nèi)容如下所示。第1章詳細(xì)介紹了VTK和ITK的混合安裝使用，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)單編程例子，演示了如何使用VTK、ITK、CMake來(lái)編程，從而最終顯示出一幅醫(yī)學(xué)圖像。第2章通過(guò)編程范例來(lái)說(shuō)明了三維可視化編程的一些概念，如相機(jī)、觀察員、渲染、光照、交互器、讀取器、過(guò)濾器等編程對(duì)象，并對(duì)每個(gè)對(duì)象給出了其1～2個(gè)范例。另外，本章還分別在API和MFC下給出了醫(yī)學(xué)圖像編程的例子。第3章描述了VTK和ITK使用的數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)屬性，并對(duì)由各種數(shù)據(jù)集構(gòu)成的對(duì)象進(jìn)行了顯示，還演示了讀/寫(xiě)和導(dǎo)入/導(dǎo)出數(shù)據(jù)集。第4章講解了VTK可視化算法，演示了顏色映射、標(biāo)量映射、抽取輪廓、等值面著色、圖形符號(hào)、流線、流面、剪切、剪裁、探測(cè)、紋理等繪制方法，并給出了運(yùn)行結(jié)果。第5章演示了圖像數(shù)據(jù)及其處理。本章主要介紹了醫(yī)學(xué)圖像經(jīng)常用到的一些技術(shù)，如數(shù)據(jù)創(chuàng)建、圖像顯示、圖像直方圖、圖像分割、圖像平滑、重采樣、軸排列、軸翻轉(zhuǎn)、重切片等。本章最后演示了體繪制，并給出了運(yùn)行結(jié)果。第6章使用VTK+MFC開(kāi)發(fā)了一個(gè)醫(yī)學(xué)圖像軟件界面，其主要功能包括讀寫(xiě)DICOM圖像、顯示三個(gè)正交面（橫斷面、矢狀面、冠狀面）、三維體繪制。第7章介紹了醫(yī)學(xué)圖像軟件，其中包括VTK Designer、MIPAV、3D Slicer。首先，本章演示了如何用VTK Designer創(chuàng)建VTK流水線應(yīng)用程序。其次，演示了如何使用MIPAV軟件將腦圖譜與結(jié)構(gòu)像進(jìn)行融合。最后，應(yīng)用3D Slicer軟件演示了兩個(gè)例子：一是三維可視化（腦組織和血管），包括圖像裝載、分割、三維顯示、保存場(chǎng)景；二是圖像引導(dǎo)下的治療，包括腫瘤模型、結(jié)構(gòu)像、功能像、腦圖譜融合、彌散張量成像和纖維束跟蹤等。本書(shū)中的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)和編程范例在隨書(shū)攜帶的光盤(pán)中，可供讀者運(yùn)行和上機(jī)實(shí)驗(yàn)。本書(shū)既可作為醫(yī)學(xué)影像學(xué)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材，也可作為大學(xué)教師、公司研發(fā)人員、碩博研究生進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像研究時(shí)的參考書(shū)。限于作者水平，書(shū)中難免存在錯(cuò)誤，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)是醫(yī)學(xué)圖像編程的入門(mén)級(jí)教材和參考書(shū)。本書(shū)通過(guò)一個(gè)個(gè)由淺入深的編程范例，介紹了如何使用三維可視化工具箱VTK和醫(yī)學(xué)圖像分割與配準(zhǔn)工具箱ITK進(jìn)行三維醫(yī)學(xué)圖像編程。本書(shū)的主要內(nèi)容包括VTK與ITK的聯(lián)合安裝和使用、VTK編程入門(mén)范例、VTK的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、VTK的可視化算法（包括顏色映射、抽取輪廓、剪切、紋理等）、VTK的醫(yī)學(xué)圖像處理功能（包括圖像分割、圖像平滑、重切分、體繪制等）、VTK的綜合應(yīng)用等。本書(shū)最后介紹了常用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIPAV、3D Slicer在結(jié)構(gòu)像、功能像、腦圖譜、彌散張量成像和纖維束跟蹤等方面的應(yīng)用。    本書(shū)可作為醫(yī)學(xué)影像學(xué)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生教材，也可作為大學(xué)教師、公司研發(fā)人員、碩博研究生進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像研究時(shí)的技術(shù)參考書(shū)。    本書(shū)中的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)和編程范例在隨書(shū)攜帶的光盤(pán)中，可供讀者運(yùn)行和上機(jī)實(shí)驗(yàn)。

書(shū)籍目錄

第1章  安裝VTK和ITK   1.1  VTK的安裝 　　1.1.1  獲取安裝資源 　　1.1.2  安裝步驟 　　1.1.3  測(cè)試安裝結(jié)果   1.2  ITK的安裝 　　1.2.1  獲取安裝資源 　　1.2.2  安裝步驟 　　1.2.3  測(cè)試安裝結(jié)果   1.3  ITK與VTK的混合測(cè)試 　　1.3.1  創(chuàng)建一個(gè)新目錄 　　1.3.2  編寫(xiě)一個(gè)CmakeLists.txt和myProject.cxx文件　　1.3.3  配置CMake 　　1.3.4  編譯和運(yùn)行 第2章  范例   2.1  入門(mén)范例——渲染一個(gè)圓錐   2.2  相機(jī)范例   2.3  命令/觀察員范例   2.4  多個(gè)渲染器范例   2.5  管理屬性和變換范例   2.6  光照范例 　　2.6.1  范例一 　　2.6.2  范例二   2.7  交互器范例   2.8  3D小工具（Widget）范例 　　2.8.1  盒子小工具（BoxWidget）范例 　　2.8.2  滑塊小工具（SlideWidget）范例   2.9  讀取器范例   2.10 過(guò)濾器的簡(jiǎn)單范例   2.11 醫(yī)學(xué)范例 　　2.11.1  范例一 　　2.11.2  范例二 　　2.11.3  范例三   2.12  與Windows GUI的集成范例1—API   2.13  與Windows GUI的集成范例2—MFC 　　2.13.1  與對(duì)話框應(yīng)用程序集成的范例 　　2.13.2  與單文檔（SDI）應(yīng)用程序集成的范例 　　2.13.3  與多文檔（MDI）應(yīng)用程序集成的范例 第3章  數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)屬性   3.1  數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)   3.2  數(shù)據(jù)集的屬性   3.3  各種數(shù)據(jù)集類(lèi)型 　　3.3.1  多邊形數(shù)據(jù)集 　　3.3.2  結(jié)構(gòu)化點(diǎn)數(shù)據(jù)集 　　3.3.3  矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)集 　　3.3.4  結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)據(jù)集 　　3.3.5  非結(jié)構(gòu)化點(diǎn) 　　3.3.6  非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格   3.4  快速生成簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)集 　　3.4.1  程序化生成簡(jiǎn)單多邊形數(shù)據(jù)集 　　3.4.2  采樣隱函數(shù)生成結(jié)構(gòu)化點(diǎn)數(shù)據(jù)集   3.5  數(shù)據(jù)集簡(jiǎn)單算法 　　3.5.1  點(diǎn)、單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 　　3.5.2  數(shù)據(jù)重組 　　3.5.3  數(shù)據(jù)追加   3.6  數(shù)據(jù)集的讀寫(xiě) 　　3.6.1  讀取器 　　3.6.2  寫(xiě)入器 　　3.6.3  其他數(shù)據(jù)接口 第4章  可視化算法   4.1  顏色映射   4.2  標(biāo)量的生成—坐標(biāo)投影   4.3  抽取輪廓   4.4  給等值面著色   4.5  圖形符號(hào)   4.6  流線   4.7  流面   4.8  剪切（Cut）   4.9  剪裁（Clip）   4.10  探測(cè)（Probing）   4.11  紋理映射 137第5章  圖像數(shù)據(jù)集及其處理   5.1  圖像數(shù)據(jù)集與結(jié)構(gòu)化點(diǎn)數(shù)據(jù)集   5.2  手動(dòng)創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)集   5.3  顯示圖像數(shù)據(jù)集 　　5.3.1  圖像查看器vtkImageViewer 　　5.3.2  圖像演員vtkImageActor   5.4  程序化生成圖像數(shù)據(jù)集   5.5  圖像處理 　　5.5.1  標(biāo)量邏輯運(yùn)算 　　5.5.2  標(biāo)量數(shù)學(xué)運(yùn)算 　　5.5.3  標(biāo)量偏移倍乘 　　5.5.4  標(biāo)量映射顏色 　　5.5.5  基于標(biāo)量值的翹曲 　　5.5.6  標(biāo)量統(tǒng)計(jì) 　　5.5.7  圖像分割 　　5.5.8  圖像梯度 　　5.5.9  圖像平滑 　　5.5.10  頻域處理 　　5.5.11  圖像縮放 　　5.5.12  圖像軸排列 　　5.5.13  圖像軸翻轉(zhuǎn) 　　5.5.14  圖像重切片   5.6  體渲染 　　5.6.1  體渲染的不同之處 　　5.6.2  體渲染的前提—映射出顏色值和不透明度 　　5.6.3  一個(gè)簡(jiǎn)單的體渲染例子 　　5.6.4  兩個(gè)關(guān)鍵對(duì)象 第6章  顯示DICOM序列文件的實(shí)例 第7章  醫(yī)學(xué)圖像處理的相關(guān)軟件 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

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《醫(yī)學(xué)圖像編程技術(shù)》是由電子工業(yè)出版社出版。

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