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    基于MAYA的三維可視化膝骨性關節炎經筋病灶點醫學圖像

    時間:2014-12-01 來源:未知 作者:學術堂 本文字數:7358字
    論文摘要

      傳統意義上的三維可視化技術是指運用計算機圖形學和圖像處理技術,將三維體數據轉換為二維圖像或圖形模型,并在計算機上顯示、處理及交互的理論、方法和技術[1].隨著計算機圖形圖像等技術的不斷發展,以逐步被應用于醫學領域,開創了數字醫療的新時代.醫學圖像三維重建及可視化技術是一種運用計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺以及人機交互技術,將醫學圖像數據轉換為圖形或圖像在電腦屏幕上顯示出來,并進行交互處理的理論、方法和技術.

      目前該技術是當前醫學圖像處理的研究熱點,已經有許多的學者對 3D 標量數據場( 如: CT、MRI 等圖像構成的標量體數據) 的三維可視化進行研究.但是,由于 X - 射線計算機斷層成像技術( Computed Tomography,縮寫 CT) 和磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging,MRI) 成像會受采集斷面精度影響與采集灰色圖像的制約,從而限制了三維可視化圖像的精度及仿真效果.此外,相對于西醫學科,中醫學科特有的穴位及經筋病灶點不能確切的通過 CT 和 MRI等常規手段采集出醫學圖像,很難建立出標準的三維可視化圖像提供給臨床醫學及教學研究.

      醫學圖像的三維可視化可以通過世界頂級三維軟件Maya 來實現.本研究根據膝骨性關節炎病灶點斷面圖像數據,通過 MAYA 數字化技術制作膝部經筋循行區域、病灶點及經筋的三維可視化結構.利用計算機圖像重建技術將一系列二維圖像轉換為三維數字模型,不但能精確、直觀地顯示膝骨關節復雜的內部三維結構和毗鄰眾多組織的空間位置關系,而且可在三維空間任意顯示、測量、旋轉、切割、重組、縮放.通過三維可視化數字模型,為中醫學科診斷病情實現三維診斷分析、為中醫學科臨床治療方法( 如灸法、針刀、長圓針等) 選擇提供科學的依據.使膝骨關節病的研究向三維空間的定量研究發展,從解剖結構研究向三維解剖結構與生理功能同步研究發展,并將成為未來膝骨關節炎經筋病灶點損傷診治的新的發展方向和生長點.

      1 膝骨性關節炎經筋病灶點觸診規律

      膝骨性關節炎( knee osteoarthritis,KOA) ,是一種以關節軟骨退行性病變和繼發性骨質增生為主要病理特征的慢性骨關節疾病,大多都屬于經筋損傷而引起的疾病,中醫在治療經筋疾病方面有著非常大的優勢.本研究前期隨機篩選 516 例膝骨性關節炎患者的 765 個膝關節,經長期臨床觀察發現膝骨性關節炎的疼痛部位具有規律性的分布,并且與經脈、經筋的循行相關.通過對古典循膝部經筋理論的研究,結合現代臨床生物力線的解剖學特點,采用觸診法總結出 KOA4 類經筋辨證分型中膝關節疼痛部位附近的結筋病灶點,并且沿生物力線,在經筋的遠端附著點也找到了相應的疼痛反應點,即遠端結筋病灶點[2].①足陽明經筋的常見結筋病灶點分布規律; ②足太陽經筋的常見結筋病灶點分布規律; ③足少陽經筋型的常見結筋病灶點分布規律; ④足三陰經筋型的常見結筋病灶點分布規律.

      2 基于 MAYA 的三維可視化具體實施流程

      人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像的制作主要是基于 Maya 為核心的計算機圖形工作流.Maya 是美國 Au-todesk 公司出品的世界頂級三維動畫軟件,被廣泛應用于電影特技、圖形可視化、游戲設計及開發、網站資源開發等.

      Maya 是一個以高度可擴展性工作流為基礎的強大工具,制作效率極高,渲染真實感極強,是電影級別的高端制作軟件.Maya 可在 WindowsNT 與 SGIIRIX 操作系統上運行,借助 Maya 的各項功能,可以完成各種具有挑戰性的制作工作.由于 Maya 是計算機圖形工作流的主要核心,并兼具穩定性和可擴展性,提供強大的動畫、建模、模擬、渲染、運動匹配技術及合成集成化工具.所以,在數字圖形可視化和三維制作的計算機大型軟件中,Maya 成為本研究首選的解決方案.將二維數據轉化為三維數據是膝骨關節醫學圖像三維可視化的核心工作,主要涉及五大方面的工作內容: 前期總結膝骨性關節炎病灶點分布規律及數據、制定數據采集方案、數據采集、三維數據的制作以及渲染合成三維數據等.本項目三維可視化實施流程如圖 1 所示.

    論文摘要

      2. 1 分析三維可視化制作內容 運用計算機圖形學和圖像處理技術,制作人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像,涉及學科領域多,并且工作流程復雜.因此在制作醫學圖像三維可視化影像前,首先應根據前期研究成果仔細分析所需制作的內容,將工作主要分解為以下四大部分: ①標準人體.通過計算機三維制作軟件 MAYA 及高級數字雕刻軟件制作一個與真實等高的男性人體.②膝骨關節系統.

      膝關節是人體關節軟骨面積最大和滑膜最多的關節,其內部結構也最為復雜,作為負重關節,它的運動遠非一個單純鉸鏈式運動.膝關節周圍遍布肌肉、肌腱、韌帶、筋膜等,其滑液囊的數量在人體關節中所占數量最多.此部分內容通過計算機三維制作軟件 MAYA 及數字繪圖軟件來制作完成.③經筋系統.從現代醫學來看,經筋是軟組織形態的高度概括,其主體包含肌肉、肌腱、腱鞘、筋膜、韌帶、關節囊、滑膜、滑囊、纖維管、脂肪墊等,是人體筋肉系統的總稱[3].此部分內容通過計算機三維制作軟件 MAYA 及相關三維可視化軟件來制作完成.④結筋病灶點.依據前期研究總結的足陽明、足太陽、足少陽和足三陰經筋常見結筋病灶點分布規律,通過影視后期合成與編輯軟件中為人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像添加經筋病灶點,并配以醫療研究說明字幕.

      2. 2 可視化模型( the Visualization Models) 三維數據的獲取是通過分析臨床觀察發現膝骨性關節炎的疼痛部位的分布規律,對應 CT、MRI、組織切片等序列圖像數據,建立三維模型設計底圖.本研究建模采用基于幾何造型的建模技術與基于數字圖像的建模技術相結合的方式.如插頁Ⅱ圖 2 所示,基于幾何造型的建模技術是由專業人員通過使用大型三維制圖軟件 Maya,運用計算機圖形學、藝術設計和解剖學相關知識,構建高精度的三維人體模型.基于數字圖像的建模技術是使用專業單反數碼相機對人體局部進行多角度拍攝,通過對數字圖像自動重構,獲取精確三維模型的方法.這兩種方式相互結合,可以最大的提高三維模型的精確度、藝術性,提高制作效率,節約制作成本.

      使用 Maya 標準技術構建具有簡單拓撲的基礎模型,其三維文件常被保存為經過優化的 MB 格式,但 MB 文件格式通常無法兼容其他數字處理程序,影響三維可視化工作流程的實施.針對格式不兼容的問題,其解決方案是導出通用文件格式來保存關于三維模型的信息.用于在建模程序之間傳送幾何信息的文件格式最常用的是 OBJ( Ob-ject) 和 DXF( Drawing Interchange Fomat) ,在本研究中使用OBJ 格式.導出的 OBJ 文件含有關于頂點的位置和法線、相關的圖像映射以及物體面的幾何信息,導出的文件將導入到高級數字雕刻軟件中處理細節.

      2. 3 UV 映射器與高級數字雕刻 在為三維模型繪制高分辨率貼圖前,給三維表面進行 UV 映射是十分必要的工作.

      一般而言,一張貼圖是由一系列的像素組成的,每個像素基于貼圖的水平值和垂直值對應一個貼圖坐標.這些貼圖坐標沿著 UV 坐標( U 為水平值,V 為垂直值) 被映射從 0 ~ 1范圍內.這個過程叫做 UV 映射,坐標被稱為 UV 坐標.

      UV 映射是三維表面著色過程的一個重要部分,使用 UV 坐標定義圖像貼圖是一種非常精確的方法,將被映射的圖像的特定像素與三維多邊形結構中的特定頂點進行匹配,有效的避免了貼圖在三維表面的拉伸變形.由于本研究中的三維模型多為高精度多邊形,UV 點的數量極大,導致映射編輯工作量大.為了提高工作效率,采用了由美國 Headus公司出品的一款 UV 映射專用軟件 UVLayout.它基于物理算法,與傳統 UV 映射方式相比較,可以快速、便捷的展開三維物體的 UV,貼圖非常準確的放置到三維表面中,并且與 MAYA 可進行無縫式操作連接.

    論文摘要

      為了制作照片級別的三維人體,需要通過塑造人體肌肉結構與皮膚的細節來增加視覺真實感.本研究使用由 pixo-logic 公司出品的專業三維數字雕刻建模軟件 ZBrush 與Maya 的建模流程相結合,制作復雜高分辨率模型.通過ZBrush 的雕刻筆刷塑造逼真的人體組織結構造型和肌肉肌理,塑造出皺紋等微小的皮膚細節.由于導入 Zbrush 的OBJ 模型已經含有正確的 UV 映射信息,所以可以在ZBrush 中將模型的復雜細節烘焙解算,并導出高分辨率紋理貼圖和精確的法線貼圖.烘焙的紋理貼圖和法線貼圖可以被所有的大型三維軟件 Maya、Max 等識別和應用,此工作流程將最復雜最耗費精力的角色建模和貼圖工作變為便捷高效.

      2. 4 高分辨率紋理貼圖繪制,使用 SSS 材質 制作高分辨率紋理貼圖主要基于對以下四類圖像的整合.其一,以CT、MRI 等醫學圖像數據為設計底圖.其二,通過 ZBrush將模型的復雜細節烘焙解算導出高分辨率紋理貼圖和精確的法線貼圖.其三,使用專業單反數碼相機對人體局部進行多角度拍攝,通過數字繪圖軟件整理、拼接獲取精確的攝影圖像.其四,使用激光掃描儀掃描局部肌肉組織或已有圖片資料.通過數字繪圖軟件提供的各種類型的筆刷和筆觸、各種顏色和密度的顏料,處理、修補以上四類數據圖像,創建統一的、真實的二維高分辨率貼圖.為了以后精確渲染,要非常注意貼圖的細節,圖像貼圖選用 2048 ×2048 像素.

      本三維可視化研究的材質使用 MentalRay 提供的次表面散射材質.在計算機圖形學中,SSS 是次表面散射材質( Subsurface Scattering) 的英文縮寫,是一種解決半透明物體材質渲染問題的方法,這個方法的核心就是構造了一個適當的雙向表面散射反射率分布功能( Bidirectional surfacescattering reflectance distribution function,縮寫 BSSRDF) ,一個描述光線如何被物體反射的函數.這種技術能夠處理所有的皮膚和相似的表面材質,把它們變成散射光可以通過的材質[4].如圖 3 所示,人物體表皮膚可分為表皮層( epi-dermis) 和真皮層( dermis) 兩層,我們所看到的真實皮膚效果是進入皮膚的光線因皮膚組織的不同,產生不同的散射半徑和散射強度.通過次表面散射材質,快速生成具有層次感且真實的半透明皮膚、脂肪和肌肉所特有的視覺效果.

      2. 5 全面的檢查數據質量 制作完成三維模型與紋理數據后,要進行全面的數據質量檢查,對項目中的錯誤進行及時修改.其檢查內容主要包括以下三方面: ①數據的完整性.肌肉和骨骼模型數據應符合本項目根據膝骨關節醫學圖像三維可視化制作提出的內容及各項技術指標,并符合醫療解剖學標準的要求,無遺漏.各類信息要素的幾何表現應準確,數據的命名、分層與組織不能有重復或遺漏.確保三維模型、UV 數據與貼圖數據相對應、無遺漏.②數據邏輯的一致性.三維模型的面狀要素應閉合,拓撲結構是否正確,檢查三維模型的法線是否統一.三維模型的線狀要素的接點匹配應準確,裂邊的線段要及時發現并縫合.三維模型的點狀要素應具有唯一性.三維模型的 UV 要素應均勻、無疊壓,布局要合理統一.貼圖數據命名、格式、分辨率和藝術風格要具有一致性.③數據的精確性.確保三維模型能精確的再現實際人體解剖關系.確保貼圖數據的準確無誤,清晰完整,對有接縫的貼圖做無縫化處理.

      2. 6 燈光與攝像機動畫 本項目光照系統,主要使用兩種方式制作.首先,使用傳統添加虛擬燈光的方式,通過調節燈光屬性及物體阻光度參數,控制三維角色模型光照強度、顏色與特殊視覺效果.但創建高度真實的圖像時,這種方法并不是一個理想的解決方案.其次,使用高動態范圍圖像( High Dynamic Range,縮寫 HDR) 結合 Mental Ray 的光線追蹤技術輔助燈光照明,模擬真實自然的環境光照條件.通過這種方法,減弱了直接光照的局限性.Maya 支持高動態范圍圖像,使用 HDR 圖像代替虛擬燈光即可創建真實復雜的大型場景照明效果.HDR 圖像與 RGB 圖像最基本的區別是 HDR 圖像中保存了大量的光照信息.標準的 RGB( 8bit) 圖像最大亮度值是 255/255/255,如果用這樣的圖像結合 Mental Ray 渲染器渲染場景,即使是圖片中最亮的白色也不足以提供足夠的照明來模擬真實世界中的情況,渲染的圖像對比度弱,缺乏真實感.標準的 HDR 圖像最大亮度值相當于太陽光的亮度值,正是由于 HDR 圖像中含有的高對比光照信息,為場景提供了準確的照明信息以及真實的反射效果.添加光照系統后,調節虛擬攝像機參數,控制視野( 角度、距離等) .對三維角色模型進行旋轉、縮放、移動等操作,通過攝像機即可直觀方便地觀察到人體膝骨關節內部組織結構的大小、形狀及位置.

      2. 7 使用 Mental Ray 渲染器進行渲染 選擇不同的渲染器,調節不同的渲染參數,會導致最終三維角色模型的渲染效果及精度的不同.由于膝骨關節醫療可視化研究項目要制作出真實的人體肌肉及相關結構組織.通過反復測試多種方案,最終選擇內置于 Maya 軟件中的 Mental Ray 渲染器進行渲染.使用 mental ray 計算全局照明的結果與從其他光能傳遞和掃描線渲染器相比較,獲得的圖像效果非常接近而且速度快.Mental Ray 渲染器是基于物理的間接照明,可以生成燈光效果的物理校正模擬,包括光線追蹤反射和折射、焦散、全局照明和最終聚集.本項目主要使用Mental Ray 的光線追蹤技術和最終聚集技術,實現高質量影視級別的醫療數字圖像.

      ①光線追蹤技術( ray tracing) : 在計算機圖形領域中,光線追蹤是一種普遍應用于創建超真實、高質量的三維場景圖像的渲染技術.在真實世界中,如果一個能反射周圍環境的物體周圍還有很多其他物體,它們就會相互反射.一般的環境貼圖技術達不到這樣的效果,于是在渲染照片級圖像的時候,就要用到光線追蹤的技術.光線追蹤技術能夠營造出更真實的光影效果,而且大大超越人們靠想像模擬出的效果.光線追蹤的基本原理是從攝影機的位置,通過影像平面上的每個像素取樣( sampling) 位置,發射一束光線,計算光線和幾何圖形間最近的交點,再計算該交點的著色,并追蹤其路徑一直逆向追蹤到光源[5].對光線追蹤來說,越復雜的三維模型與場景,由于像素取樣數的增加,導致追蹤光線數目的增加,以及導致渲染時間的增加.所以本研究通過場景管理、使用合理的算法、減低光源數量、降低追蹤深度級別等因素來提高渲染效率.

      ②最終聚集技術( Final Gathering,縮寫 FG) : 本研究通過 Mental Ray 渲染器中的最終聚集( Final Gathering) 技術完成對物體散射、反射進行計算,快速創建高質量間接照明效果.最終聚集技術是一種以非物理學精度為基準,模擬全局照明( Global illumination,縮寫 GI) 的全新計算技術.FG 算法是以攝影機為基準點發出一道光線利用這道光線與物體做交錯,而該交錯點則會被 Mental Ray 渲染器認為是需要發光的位置.本研究選用最終聚集技術制作可視化圖像的主要因素是這種算法的三大優點.其一,場景里面的每一樣物體都可以是發光體,也就是說場景里面任何一件模型其實都可以被當作光源來使用.其二,配合高范圍動態圖像( HDR) 實現全局照明效果的應用,? 渲染效果非常逼真,常應用于電影工業或非物理學精度的可視化領域中.其三,FG 算法與 GI 算法相比,計算量小且簡單易控.GI 是利用光子在物體之間進行重復的反彈來進行照明,而FG 算法不使用光子僅會對光線進行一次投射.

      ③渲染測試與優化渲染: 渲染不是一蹴而就的,三維文件的質量、渲染參數的設置、硬件設備等各方面的因素都會影響到渲染效果,所以不管是小型項目還是大型項目,渲染測試是快速并順利完成渲染的前提.渲染測試與優化渲染主要工作是平衡渲染時間、內存管理以及圖像質量之間的關系.對于本次渲染采用光線追蹤技術和最終聚集技術,有三個主要的制約因素: 首先,渲染時間; 其二,內存限制;其三,噪點.為此作了前期渲染測試,通過各種方案優化渲染設置獲得最具真實感的渲染效果.為了建立高質量影視級別的醫療數字圖像,渲染圖像分辨率設置為 2048 × 2048,圖像格式設置為 Tiff.為了便于數字圖像后期合成,圖像文件含有 Alpha 通道.如插頁Ⅱ圖 4 所示,最后通過三維制作軟件 Maya 批量渲染輸出序列圖片.

      2. 8 圖像合成、編輯與數字媒體輸出 項目的最后一個階段是將所有的視覺素材集中到一起合成創建最終產品,任何關于顏色、疊加文字、特效處理、聲音處理或丟失圖像信息的問題都需要在這個階段中處理.通過影視后期合成軟件將計算機分層渲染的圖像合成為一個完整的圖像,然后對圖像顏色重新校正.進行顏色校正的主要策略是建立一個具有正確顏色平衡的鏡頭,然后調整其他所有鏡頭的顏色與之匹配.后期數字編輯工作是對渲染視頻的精確規劃和控制,為各視覺元素設置精確的時序.在本項目編輯視頻時,注意時序與節奏兩大編輯原則的把握.時序是視頻片段中隨時間變化的運動.時序通常決定著在哪一幀位置進行切換或淡入、淡出,以及在切換后放置什么鏡頭.特別是添加創建的聲音和音樂元素時,要確定時序是否正確.節奏是時序確定后得到的結果,對影視等視覺媒體原理的掌握是創建合理節奏的關鍵.

      此外,為便于醫療研究,字幕處理工作顯得尤為重要,其主要包括為人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像添加經筋病灶點,為影像視頻素材添加醫療研究說明字幕等,見插頁Ⅱ圖 5 ~6,插頁Ⅲ圖 7 ~8.數字編輯工作中,要及早發現丟失或漏掉的視頻片段與醫療研究說明字幕,及時處理生產過程中的錯誤,從而生成更好的數字產品.最后成品輸出環節,采用的視頻標準是 HDV/HDTV 制式,圖像分辨率設置為 1280 × 720,每秒 25 幀,像素長寬比為 16 ∶ 9.

      通過影視后期合成軟件編碼輸出人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像數據文件,壓制刻錄至 DVD、VCD 中,為研究、教學、儲存和顯示復雜醫學三維圖像提供了方便.

      3 結 語

      基于大型三維制作軟件 Maya 的計算機圖形工作流程,制作高精度醫學圖像三維可視化已經達到了實用階段.通過建立精確的膝骨關節及周邊肌肉組織的三維模型,使用計算機圖形技術將中醫學科膝骨關節炎經筋病灶點研究成果生成直觀的人體膝骨關節醫學圖像三維可視化影像.

      不僅可以精確地獲取人體骨骼的空間位置、大小、形狀等信息,還可以顯示膝骨關節復雜的內部三維結構和毗鄰眾多組織的空間位置關系,為中醫學科診斷病情實現三維診斷分析、為中醫學科臨床治療方法選擇提供科學的依據.因此,基于三維制作軟件 Maya 的計算機三維可視化技術,無論在中醫學科臨床應用方面,還是在中醫理論研究方面都具有重大的意義.

      參考文獻

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      [3] 張蓉,李峰,王常海,等. 經筋理論在膝關節骨性關節炎發病機制及治療中的作用[J]. 中國康復醫學雜志,2007,22( 7) :644 - 646.

      [4] HenrikWann Jensen,Stephen R. Marschner,Marc Levoy,et al.A Practical Model for Subsurface Light Transport[C]. In ACMComputer Graphics ( SIGGRAPH) ,2001: 511 - 518.

      [5] Isaac Kerlow,著,陳寶國,紅然,譯. 3D 動畫與特效制作藝術[M]. 北京: 人民郵電出版社,2010: 142 -143.

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