计算机图形学和图像处理技术, 将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来的过程, 它常常结合图形交互、立体显示等技术。中国数字人体可视化研究根据使用目的、数据和载体的不同, 开发了单机二维图谱软件、单机三维模型浏览器、单机三维立体自动演示系统、心包穿刺模拟系统、网络图库检索模块、远程人体解剖教学系统等(图4)。

图4 数字人数据集的可视化

    单机的可视化软件主要依靠VTK 和MercuryOpen Inventor (OIV)两个三维可视化工具包, 开发环境为Microsoft Visual Studio 6.0, 操作系统为Windows XP. OIV 与VTK 相比, 在三维立体显示、自动引擎、开发周期方面具有优势, 但作为一款商业软件, 其二次开发与使用成本较高, 并且缺乏一些底层的三维可视化算法。网络的可视化主要使用JavaScript 和VRML(virtual reality modeling language, 虚拟现实建模语言)两种脚本标识语言, 通过嵌入到HTML (hyper textmarkup language, 超文本标识语言)页面中实现。远程客户端通过互联网访问相关页面, 使用服务器提供的资源。

    3 结果与讨论

    3.1 数字人数据集的构建

    本研究建立的CDH M2 数据集包括二维图像数据集和三维结构模型数据集。二维图像数据集指的是进行预处理、配准、分割、压缩等图像处理产生的一系列图像子集. 主要的子集包括压缩的RAW 原始数据集(A1)、解压的原始数据集(A2)、配准后的数据集(A3)、去除背景冗余信息后的无损压缩数据集(A4)、去除背景冗余信息后的有损压缩数据集(A5)和分割结果数据集(A6), 如表2 所示。

表2 二维图像数据集统计表

    三维结构模型数据集是三维重建的原始结果和从原始结果发展出来的一些三维模型子集。 到本研究截稿日为止, 已完成了人体运动[14]、消化、呼吸、泌尿生殖、循环[10]、神经、内分泌等生理系统的260个器官和组织的精细分割和三维重建(表3, 图5), 构建了国际上分辨率最高的人体三维解剖结构数据集(体素0.1 mm×0.1 mm×0.2 mm), 之前精度最高的全身人体解剖模型为美国徐榭博士主持开发的VIP-MAN[5], 每一个体素大小为0.33 mm×0.33 mm×1mm.。考虑到原始重建结果(B1)数据量过大, 在实际的可视化研究中进行了三角面片的缩减, 构成了精简版的三维结构模型(B2)。 由于可视化平台所支持的三维数据格式不同, 在B2 基础上, 又建立了VRML(B3)、OIV (B4)等三维模型数据库(表4)。

表3 已分割和重建的人体组织器官
a) 表中并未将具有左右对称结构的器官单独标出, 如肺和肾

图5 人体三维结构模型(B4)的组合显示
从前到后分别为呼吸与泌尿生殖系统组合, 运动系统组合, 神经、消化系统与外轮廓组合以及循环系统组合.
3 个平面投影分别为三维模型组合的侧视图、顶视图与前视图

    3.2 基于数字人数据集的各种可视化方法

    本研究结果通过开发具有各种应用价值的可视化软件来展现, 主要包括二维图谱软件CDH Atlas、三维模型浏览器Clairvoyance Man、三维模型立体自动演示系统CDH 3Dprojector 以及远程解剖教学系统等(图6)。

     几种不同的可视化方法

CDH Atlas 用户界面, 当前显示矢状面图像, 鼠标所在位置为唾液腺的相关信息

ClairvoyanceMan 用户界面;

系统

    CDH Atlas 是一款功能强大的电子版人体断层解剖图谱. 它基于A4 和A6 两个二维图像数据集, 实现了3 个正交平面的人体断层图谱浏览, 提供了放大镜、直尺、面积尺、记号、器官识别等工具. CDH Atlas可以代替一些常用的人体断层解剖图谱工具书, 用于医学领域。

    Clairvoyance Man 是一款交互性极强的三维模型浏览软件, 它基于B4 三维模型数据集。 在该软件环境下, 用户可以自定义三维模型的组合形式, 任意改变模型的伪彩、光照和位置等属性, 在主界面的右侧提供了每个器官的解剖学介绍. Clairvoyance Man 操作简易, 内容丰富生动, 非常适合于科普与解剖教学。

    CDH 3DProjector 是三维模型立体自动演示系