第05章 13 椭球体张量可视化应用一则-神经束追踪

在神经束追踪（Tractography）中，椭球体张量（Ellipsoid Tensor）通常用于描述神经纤维的方向和扩散特性。这种技术广泛应用于磁共振成像（MRI）的扩散张量成像（DTI）数据中。VTK（Visualization Toolkit）提供了处理张量数据的工具，可以用来可视化这些椭球体张量。

下面是一个使用C++和VTK的示例代码，演示如何在神经束追踪中使用椭球体张量进行可视化。

示例代码

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkTensorGlyph.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkXMLImageDataReader.h>
#include <vtkEllipsoidSource.h>int main(int argc, char *argv[])
{// 检查输入文件if (argc < 2){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <DTI File>" << std::endl;return EXIT_FAILURE;}// 读取DTI数据vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader> reader = vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader>::New();reader->SetFileName(argv[1]);reader->Update();vtkSmartPointer<vtkImageData> dtiData = reader->GetOutput();// 创建椭球体源vtkSmartPointer<vtkEllipsoidSource> ellipsoidSource = vtkSmartPointer<vtkEllipsoidSource>::New();ellipsoidSource->SetXRadius(0.5);ellipsoidSource->SetYRadius(0.3);ellipsoidSource->SetZRadius(0.2);ellipsoidSource->Update();// 使用TensorGlyph生成椭球体vtkSmartPointer<vtkTensorGlyph> tensorGlyph = vtkSmartPointer<vtkTensorGlyph>::New();tensorGlyph->SetInputData(dtiData);tensorGlyph->SetSourceConnection(ellipsoidSource->GetOutputPort());tensorGlyph->ColorGlyphsOn();tensorGlyph->SetColorModeToEigenvalues();tensorGlyph->SetScaleFactor(1.0);tensorGlyph->Update();// 创建映射器vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();mapper->SetInputConnection(tensorGlyph->GetOutputPort());mapper->ScalarVisibilityOn();// 创建演员vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();actor->SetMapper(mapper);// 创建渲染器、渲染窗口和交互器vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();renderWindow->AddRenderer(renderer);vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();interactor->SetRenderWindow(renderWindow);// 添加演员到渲染器renderer->AddActor(actor);renderer->SetBackground(0.1, 0.2, 0.4); // 设置背景颜色// 渲染和启动交互renderWindow->Render();interactor->Start();return EXIT_SUCCESS;
}

代码说明

读取DTI数据：
- 使用vtkXMLImageDataReader读取DTI数据文件（例如.vti文件）。DTI数据包含每个体素（voxel）的扩散张量信息。
创建椭球体源：
- 使用vtkEllipsoidSource创建一个椭球体模型，设置不同轴的半径以代表扩散张量的形状。
使用TensorGlyph生成椭球体：
- 使用vtkTensorGlyph将每个体素的扩散张量转换为可视化的椭球体。ColorGlyphsOn启用颜色映射，SetColorModeToEigenvalues根据特征值着色，SetScaleFactor设置缩放因子。
创建映射器和演员：
- 使用vtkPolyDataMapper将生成的椭球体数据映射到演员，并设置标量可见性以显示颜色。
创建渲染器、渲染窗口和交互器：
- 创建渲染器、渲染窗口和交互器，并将演员添加到渲染器中，最后开始渲染循环。

运行示例

要运行此示例，你需要提供一个DTI数据的.vti文件作为输入。编译并运行程序时，使用以下命令：

./EllipsoidTensorVisualization path/to/your/dti_file.vti

注意事项

DTI数据文件：确保你有一个有效的DTI数据文件，通常是一个.vti文件，包含扩散张量信息。
椭球体设置：可以根据需要调整椭球体的半径，以更好地匹配实际的扩散张量形状。
颜色映射：使用特征值着色可以帮助更好地理解扩散张量的各向异性特性。

这个示例展示了如何使用VTK和C++在神经束追踪中可视化椭球体张量。你可以根据需要进一步调整和优化代码，以适应不同的数据和应用场景。

这个示例代码将会显示一系列的椭球体。这些椭球体用于表示神经束追踪中的扩散张量信息。每个体素（voxel）位置的椭球体形状和大小反映了该位置的扩散张量的特征值和特征向量。

具体显示效果

椭球体的形状：椭球体的三个半径（X轴、Y轴、Z轴）分别对应扩散张量的三个特征值，表示在不同方向上的扩散程度。
椭球体的位置：每个椭球体的位置对应于数据集中一个体素的位置。
椭球体的颜色：颜色可以表示特征值的大小或其他相关的标量信息，帮助可视化扩散张量的各向异性。

示例代码的关键部分

读取DTI数据：

vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader> reader = vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader>::New();
reader->SetFileName(argv[1]);
reader->Update();vtkSmartPointer<vtkImageData> dtiData = reader->GetOutput();

创建椭球体源：

vtkSmartPointer<vtkEllipsoidSource> ellipsoidSource = vtkSmartPointer<vtkEllipsoidSource>::New();
ellipsoidSource->SetXRadius(0.5);
ellipsoidSource->SetYRadius(0.3);
ellipsoidSource->SetZRadius(0.2);
ellipsoidSource->Update();

使用TensorGlyph生成椭球体：

vtkSmartPointer<vtkTensorGlyph> tensorGlyph = vtkSmartPointer<vtkTensorGlyph>::New();
tensorGlyph->SetInputData(dtiData);
tensorGlyph->SetSourceConnection(ellipsoidSource->GetOutputPort());
tensorGlyph->ColorGlyphsOn();
tensorGlyph->SetColorModeToEigenvalues();
tensorGlyph->SetScaleFactor(1.0);
tensorGlyph->Update();

创建映射器和演员：

vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
mapper->SetInputConnection(tensorGlyph->GetOutputPort());
mapper->ScalarVisibilityOn();vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
actor->SetMapper(mapper);

创建渲染器、渲染窗口和交互器：

vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
renderWindow->AddRenderer(renderer);
vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
interactor->SetRenderWindow(renderWindow);renderer->AddActor(actor);
renderer->SetBackground(0.1, 0.2, 0.4); // 设置背景颜色renderWindow->Render();
interactor->Start();