《基于参数化混合元球体表示的高分辨率dti纤维丛可视化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于参数化混合元球体表示的高分辨率dti纤维丛可视化（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于参数化混合元球体表示的高分辨率DTI纤维丛可视化第23卷第6期2011年6月计算机辅助设计与图形学JournalofComputerAidedDesign&ComputerGraphicsVo1.23N0.6June2011基于参数化混合元球体表示的高分辨率DTI纤维丛可视化陈海东,周敏,王桂珍,彭志毅,陈为1(浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310058)2(浙江大学附属第一医院放射科杭州310003)()摘要:为了克服传统DTI可视化技术存在计算空间大,信息丢失等问题,提出一种基于PerfectSpatialHashing稀疏数据压缩方法的高分辨率DTI纤维丛可视
2、化方法.将流场可视化中的streamball表示改进为沿着积分曲线布局的可参数化混合元球体,并将这种参数化混合元球体表示规范为一个高分辨率的稀疏三维密度场;进而采用PerfectSpatialHashing稀疏数据压缩方法压缩该密度场,在保持数据高精度的同时提供了数据的高效随机访问特性.实验结果表明,采用文中方法得到的可视化结果不仅能清晰地揭示组织结构的连通性,还能展示局部张量细节信息.用户只需简单地改变等值面参数就可实时观察可视化结果.关键词:弥散张量成像;可视化;元球;稀疏数据;数据压缩中图法分类号:TP391VisualizingHigh-ResolutionDTIFiberswithP
3、arametricMergingMetaballsChenHaidong,ZhouMin,WangGuizhen,PengZhiyi孙,andChenWei1(StateKeyLaboratoryofCADCG,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058)(RadiologyDepartment,FirstAffiliatedHospitalofZhejiangUniversitySchoolofMedicine,ZhejiangUniversity,Hangzhou310003)Abstract:Wepresentanovelmethodforvisualizingh
4、ighresolutionDTIfiberswithmergingmetaballstocopewiththeproblemofconventionalDTIvisualizationapproachessuchasmemoryconsuming,informationlosing.Weextendthestreambal1inflowvisualizationtotensormergingmetaballsandplacethemalongintegralcurves,yieldingasparse3Ddensityinfluencefield.Torepresentthissparsein
5、fluencefield,weuseperfectspatialhashingmethodtocompressitwhileretainingefficientdataaccess.Theresultingvisualizationshowsthatourapproachcannotonlyrevealtheconnectivityinformationinbiologicaltissue,hutalsothelocaltensordetails.Byinteractivelychangingtheisovalueparameter,userscaneasilyexploittherealti
6、mevisualizationresults.Keywords:DTI;visualization;metaball;sparsedata;datacompression扩散张量核磁共振成像(DTMRI或DTI)数据描述的是活体生物组织内水分子的扩散信息,如方向,量级和各向异性等.对于一些纤维性软组织,如神经,韧带和肌肉等,DTI技术可以非侵入地获得纤维的轨迹,进而探索隐藏于这些生物组织中的潜在解剖结构.一个DTI数据是一个二阶张量场,3D体内每个采样点在各个方向上的扩散速度用一个二阶张量表示,因此张量所包含的信息十分丰富且复杂,对其进行有效的组合并合理地可视化仍是一项极具挑战性的工作.目前,
7、主流的可视化方法大致可以分为2类:积分收稿Et期:20100709;修回日期:20100827.基金项目:国家九七三重点基础研究发展计划项目(2010CB732504);国家自然科学基金(60873123,60903085);浙江省自然科学基金(Y1080618);浙江大学CADkCG国家重点实验室开放课题(A0905).陈海东(1987一),男,硕士研究生,主要研究方向为科学计算可视化,可视分析;周敏(197O一),男,硕士,高级工程师,论文通讯作者,主要研究方向为医学影像分析;主桂珍(1986一),女,硕士研究生,主要研究方向为信息可视化,可视分析;彭志毅(1961一),男,硕士,主任医师
8、,主要研究方向为医学影像分析;陈为(1976一),男,博士,教授,CCF高级会员,主要研究方向为科学计算可视化,信息可视化,可视分析.994计算机辅助设计与图形学第23卷曲线法和图标法.积分曲线法能清晰地揭示组织结构的连通性,如图1a所示,但它却丢失了张量细节信息并伴随着不可避免的累计积分误差;图标法能展示每个张量的细节信息,不会产生误差,如图1b所示,但却不能反映组织结构的连通性.a积分曲线法Chen等E提出一种基于混合椭球体的可视化方法,这种方法汲取了积分曲线法和图标法的优点,既保存了组织结构的连通性,又能描述每个张量的细节信息,如图1C所示.但对高分辨率可视化要求,这种方法显得力不从心.
9、b图标法c混合椭球体方法图1DTI数据可视化方法本文方法是对文献7方法的改进,它将元球体作为基本的可视化图标,每个元球体表示一个扩散张量,并允许根据张量之间的相关位置信息进行混合.这种混合元球体表示可表达为一个三维密度数据的等值面演化,因此,用户可通过交互地调节等值面提取参数的方式实现实时调节可视化结果.由于进行等值面提取的影响场十分稀疏,为了实现高分辨率可视化,本文采用PerfectSpatialHashing稀疏数据压缩方法_8作为基本的体数据压缩方法,并提供原始数据的高效随机访问特性.实验结果表明,本文方法不仅能捕获组织结构的连通性,还能揭示张量的细节信息,对于高分辨率DTI纤维丛的可视
10、化十分有效.1相关工作Xue等嘲简单地把张量场映射为向量场,并在向量场中追踪streamline.该方法有时也称作纤维素跟踪法9或纤维束成像口,它能清晰地揭示组织结构的连通性,但是由于在将张量映射为向量的过程中丢掉了大量的细节信息,使得可视化结果存在误差;此外,积分误差还会随着积分曲线不断累加.Pierpaoli等【_6首次使用元球体进行DTI数据的可视化;为了能在一张图片中显示更多元球,Laidlaw等l_5提出对元球体进行归一化的方法;Kindlmann等将超二次曲面运用于DTI数据,以区分不同类型的扩散张量:这些基于图标的可视化方法将张量建模成一些基本的图标,例如元球体,超二次曲面等,可
11、以十分直观地描述每个张量的细节,且不产生任何误差.但是它对于组织结构的连通性要么完全被忽略,要么难于被发现.此外,对这些基本图标的布局也非易事:放置过多的图标会引起视觉混乱,干扰用户观察组织的结构信息;否则又不能很好地描述组织的结构信息.Chen等提出了一种整合的方法,以椭球体为基本的可视化图标,并允许它们之间进行相互混合,第6期陈海东,等:基于参数化混合元球体表示的高分辨率DTI纤维丛可视化995而在放置椭球体时又以积分曲线作为参考,这种处理方法保持了积分曲线法和图标法的优势.但由于混合椭球体表示法以从体数据中提取等值面为基础,因此当可视化分辨率较大时,有限的计算资源将成为该方法最大的瓶颈.
12、注意到Lefebvre等8提出用哈希方法的思想将稀疏数据压缩存储到紧凑的表中,以保持数据的高效随机访问特性.传统的哈希方法旨在找到一个伪随机映射,而PerfectSpatialHashing稀疏数据压缩方法设计的多维哈希函数旨在保持数据空间一致性.最终,原始稀疏数据将被压缩到2张紧凑表中:一是哈希表,用以存储实际的数据;另一个则是偏移表,用以记录解决哈希冲突的偏移值.因此,一次数据查询会涉及2次独立的内存访问,这非常适合SIMD并行.2混合元球体表示法2.1扩散张量DTI方法中用二阶张量D描述在不同方向上水分子的扩散速率,是一个33的正对称矩阵,rDDDDlDDDl(1)LDDD-JD可以被分
13、解为D=rA,.,其中,一(1,e2,e3)是一个单位旋转矩阵,e(i一1,2,3)是矩阵D的特f1001征向量;A100I,(i一1,2,3)是扩散张量1003J的特征值(>.>.).由此,很自然地采用元球体表示扩散张量,元球体的长轴与纤维素走向方向平行,短轴与纤维素走向方向垂直.当元球体的空间取向确定时,只需要3个特征值就足以对其进行描述.2.2元球体布局本文采用文献E7描述的将元球体沿着积分曲线进行布局的策略,通过积分主特征向量得到一条反映张量场连续性的参数曲线,这条曲线同时也能反映组织结构的连通性,即()一le1(户(s)ds(2).6其中e表示位于P(s)处元球体的主特征
14、向量,户(0)表示曲线的起点,()表示积分曲线.为避免视觉混乱,实际应用时会剔除一些靠得太近的积分曲线,以使任意2条曲线之间的距离不小于给定的阈值.文献E7定义了曲线间的距离为d=fmax(ds(s)一,O)d5,YsO其中确保能标记任意2条不同的曲线.在实现过程中,积分曲线上元球体之间的距离与体素边长相等.2.3混合元球体假设F是由一个包含有限个中心点的集合S所定义的,用于提取曲面的场,称之为影响场.因此,离散的streamhallE表示一个从影响场F提取出来的等值面.在空间中给定一个点,一系列影响函数(z)在该点的加权和表示为F(S,z)一硼i,(z)(4)其中73d表示第i个影响函数的强
15、度.在计算每个中心点的影响值时,典型的球面变形球函数采用了近似多项式()一a+6+c+l,fi(R10,fi()>R(5)其中,R是截断半径;(z)一一JI,S是第i个影响函数的中心;文献E7介绍了参数a,b,c的意义与取值.在混合元球体表示法中,式(5)中的(z)将不再是一个球面函数,而是一个由扩散张量定义的元球函数,如fi(z)一+(6)3给定一系列张量,就能在积分曲线上构造出一系列表示张量的元球函数f(z);每个元球函数()会生成一个影响函数f(z).然后,循环遍历3D影响场的每个体素,根据式(4)计算出该点的值;最终可完成影响场F(S,)的构建.F(S,)一C定义了一个等值面,它不仅能揭示各个张量的形状,还能表示它们的方向.也就是说,它既能反映整个生物组织的连通性,还能描述其局部细节信息.996计算机辅助设
