一文(10图)了解Cornerstone3D核心概念(万字总结附导图)

Cornerstone3D介绍

Cornerstone3D是一个专门为处理三维医学影像而设计的JavaScript库。

它是Cornerstone项目的一部分，旨在为医学影像社区提供高性能、可扩展且易于使用的开源Web工具，专注于提供交互式的3D医学图像浏览体验，适用于多种医学影像格式。

特性

  • 健壮的DICOM解析：能够处理和显示各种3D医学影像格式，如CT、MRI和PET扫描等，支持Dicom格式、NifTi格式的影像加载

  • 高性能渲染：使用WebGL进行图像渲染、使用多线程进行图像编码，优化了图像的加载和显示速度，从而提供了流畅的用户体验

  • 模块化设计：设计了灵活的架构，允许开发者扩展自己的工具和定制功能，以适应特定的医学影像应用需求。

版本对比

Cornerstone3D 和 Cornerstone 版本对比，主要在图像处理、渲染性能上进行了提升。2D版本无法更好的支持复杂场景的使用，例如多平面重建、Series融合等等。以下是从不同场景进行的对比：

Cornerstone（2D版本）

  • 图像处理： 专注于处理和展示二维医学影像数据

  • 渲染性能：针对2D图像优化，提供高效的加载和显示性能。

  • 工具和功能：包括基本的图像操作工具，如缩放、平移、旋转、亮度/对比度调节，以及医学影像中常用的注释和测量工具。

Cornerstone3D（3D版本）

  • 图像处理：能够处理和展示三维医学影像数据，如从CT或MRI扫描得到的体积数据集。

  • 渲染性能：使用WebGL等技术进行3D渲染，优化了处理和显示大型体积数据集的能力。

  • 工具和功能：除了包含2D版本的基本功能外，还提供3D特有的功能，如多平面重建（MPR）、体积渲染、图像分割等等。

依赖项

vtk.js

vtk.js是一个开源的javascript库，用于3D计算机图形，图像处理和可视化。Cornerstone3D的渲染引擎被设计为使用vtk.js进行3D渲染

浏览器支持

Cornerstone3D使用HTML5 canvas元素和WebGL 2.0 GPU渲染来渲染所有现代浏览器都支持的图像。但是并不是所有浏览器都支持volume streaming(使用SharedArrayBuffer创建共享内存)等高级功能。

  • Chrome > 68

  • Firefox > 79

  • Edge > 79

SharedArrayBuffer

需要重点关注 SharedArrayBuffer 问题，如果项目是部署在非安全上下文的环境中，SharedArrayBuffer 默认是不支持的，需要设置跨域隔离。

作用范围

原文：https://www.cornerstonejs.org/docs/getting-started/scope

Cornerstone3D是一个Javascript库，它利用纯粹的网络标准实现医学图像的3D渲染。该库在可能的情况下采用WebGL进行GPU加速渲染。Cornerstone3DTools是Cornerstone3D的同级库，包含了多种操控和注释工具，用于与图像进行交互。

Cornerstone3D的范围 并不包括 处理图像/体积的加载和元数据解析，只作用于图像渲染和缓存。应该使用imageLoader.registerImageLoader和volumeLoader.registerVolumeLoader注册到Cornerstone3D来使用图像/体积的请求加载。

在Cornerstone3D中，发布了第一个volumeLoader，streaming-image-volume-loader，它能够逐个流式传输体积图像。

总结回顾

在这里插入图片描述

ImageId及ImageLoader

ImageId

Cornerstone3D中的ImageId是一个用于识别单个图像以供Cornerstone显示的URL。该URL被Cornerstone用来确定调用哪个图像加载器插件来实际加载图像。

值得注意的是，Cornerstone3D将图像的加载工作委托给已注册的图像加载器。

这种策略允许Cornerstone同时显示从不同服务器通过不同协议获取的多个图像。

Image Loader

ImageLoader是一个JavaScript函数，负责接收ImageId并返回一个图像对象。由于加载图像通常需要调用服务器，因此图像加载的API需要是异步的。Cornerstone要求Image Loaders返回一个包含Promise的对象，Cornerstone将使用这个Promise异步接收图像对象，或者在发生错误时接收一个错误信息

支持的Loader类型

  • Cornerstone WADO Image Loader：支持DICOM第10部分图像；支持WADO-URI和WADO-RS；支持多帧DICOM实例；支持从文件对象读取DICOM文件

  • Cornerstone Web Image Loader： 支持 PNG and JPEG 文件

  • Cornerstone-nifti-image-loader：支持 NifTi格式文件

注册一个ImageLoader

使用registerImageLoader注册指定协议的加载器，以下示例表示：wadouri 协议的图像使用 cornerstoneDICOMImageLoader加载器加载

cornerstone.imageLoader.registerImageLoader('wadouri', cornerstoneDICOMImageLoader.wadouri.loadImage);cornerstoneDICOMImageLoader.wadouri.register(cornerstone);  
cornerstoneDICOMImageLoader.external.cornerstone = cornerstone;
cornerstoneDICOMImageLoader.external.dicomParser = dicomParser;

@cornerstonejs/dicom-image-loader

为Cornerstone3D库提供了一个DICOM图像加载器。这是[cornerstoneDICOMImageLoader]的后继产品，支持在3D库中使用。主要提供了以下新增特性：

  • Typescript支持（及类型定义）

  • 更佳的开发体验（例如，单一仓库、代码规范检查等）

主要特点为：

  • 实现了一个通过HTTP GET请求加载DICOM实例的Cornerstone图像加载器。

    • 可与WADO-URI服务器一起使用

    • 可与Orthanc的文件终端一起使用

    • 可与任何通过HTTP GET返回DICOM P10实例的服务器一起使用

  • 实现了一个用于WADO-RS（DICOMWeb）的Cornerstone图像加载器

  • 支持许多流行的传输语法和光度解释

  • 动态地利用WebAssembly（WASM）构建每个编解码器，显著提高图像解码性能，并使我们能够在需要时动态加载编解码器，从而减少构建时间和复杂性

  • 用于在Web Workers中执行CPU密集型任务的框架

    • 用于图像解码

    • 用于CPU密集型任务（例如，图像处理）

图像加载流程

  1. ImageLoader使用registerImageLoader API在Cornerstone中注册，以加载特定的ImageId URL方案

  2. 应用程序使用loadImage API来加载堆栈中的图像，或者使用createAndCacheVolume API来加载体积数据。

  3. Cornerstone将加载图像的请求委托给已注册相应ImageId URL方案的ImageLoader。

  4. ImageLoader将返回一个包含Promise的图像加载对象，

  5. 一旦获取到像素数据，它将用相应的图像对象解析这个Promise。获取像素数据可能需要通过XMLHttpRequest调用远程服务器，对像素数据进行解压（例如，来自JPEG 2000的数据），并将像素数据转换成Cornerstone能够理解的格式（例如，RGB与YBR颜色）。通过解析Promise返回的图像对象，随后将通过renderingEngine API显示。

在这里插入图片描述

总结回顾

ImageId

在这里插入图片描述

ImageLoader

在这里插入图片描述

Volume及VolumeLoader

Volume

Volume是一个具有空间物理大小和方向的3D数据阵列。

它可以通过组合3D成像系列的像素数据和元数据来构建，或者可以由应用程序从头定义。一个Volume拥有FrameOfReferenceUID、体素间距（x, y, z）、体素尺寸（x, y, z）、原点和方向向量，这些特征唯一地定义了它相对于患者坐标系统的坐标系统

ImageVolume

在Cornerstone3D中，使用ImageVolume基类来表示3D图像体积。所有的Volume都是从这个类派生的。例如StreamingImageVolume，它被用来表示一个图像被流式传输的Volume。

所以所有的Volume都实现了以下这个接口：

interface IImageVolume {/** 【缓存中Volume的唯一标识符】unique identifier of the volume in the cache */readonly volumeId: string/** volume dimensions */dimensions: Point3/** volume direction */direction: Float32Array/** volume metadata */metadata: Metadata/** volume origin - set to the imagePositionPatient of the last image in the volume */origin: Point3/** volume scalar data */scalarData: any/** volume scaling metadata */scaling?: {PET?: {SUVlbmFactor?: numberSUVbsaFactor?: numbersuvbwToSuvlbm?: numbersuvbwToSuvbsa?: number}}/** volume size in bytes */sizeInBytes?: number/** volume spacing */spacing: Point3/** number of voxels in the volume */numVoxels: number/** volume image data as vtkImageData */imageData?: vtkImageData/** openGL texture for the volume */vtkOpenGLTexture: any/** loading status object for the volume containing loaded/loading statuses */loadStatus?: Record<string, any>/** imageIds of the volume (if it is built of separate imageIds) */imageIds?: Array<string>/** volume referencedVolumeId (if it is derived from another volume) */referencedVolumeId?: string // if volume is derived from another volume/** method to convert the volume data in the volume cache, to separate images in the image cache */convertToCornerstoneImage?: (imageId: string,imageIdIndex: number) => IImageLoadObject
}

Volume Loader

与ImageLoader类似，VolumeLoader接收一个Volume ID和加载Volume所需的其他信息，并返回一个解析为体积的Promise。

这个Volume可以由一组2D图像（例如，imageIds）构建，也可以由一个3D数组对象（如NIFTI格式）构建。我们添加了cornerstoneStreamingImageVolumeLoader库来支持将2D图像（imageIds）流式传输成3D体积。

注册一个Volume Loader

使用registerVolumeLoader来定义一个Volume Loader

import {cornerstoneStreamingImageVolumeLoader,cornerstoneStreamingDynamicImageVolumeLoader,
} from '@cornerstonejs/streaming-image-volume-loader';// 注册体积加载器 => 当 CornerstoneJS 需要加载一个类型为 'cornerstoneStreamingImageVolume' 的体积数据时，它将会使用这个加载器。volumeLoader.registerVolumeLoader('cornerstoneStreamingImageVolume',cornerstoneStreamingImageVolumeLoader,
);

@cornerstonejs/streaming-image-volume-loader

从图片中创建Volume

由于在StreamingImageVolume中3D Volume是由2D图像组成的，它的体积元数据来源于2D图像的元数据，所以这个loader需要在初始时调用来获取图像元数据。这样做不仅可以在内存中预分配和缓存Volume，还可以在加载2D图像时渲染Volume(渐进式加载)

通过预先从所有图像(imageId)中获取元数据，不需要为每个imageId创建Image对象，将图像的pixelData直接插入到正确位置的volume中即可，这样保证了速度和内存效率。

Volume与Image之间的转换

StreamingImageVolume基于一系列获取的图像(2D)加载Volume，Volume可以实现将其3D像素数据转换为2D图像的功能，而无需通过网络重新请求它们。

同样的，如果一组imageid具有Volume的属性(相同的FromOfReference, origin, dimension, direction和pixelSpacing)，那么Cornerstone3D可以从一组imageid创建一个Volume。

使用streaming-image-volume-loader

const imageIds = ['wadors:imageId1', 'wadors:imageId2'];const ctVolumeId = 'cornerstoneStreamingImageVolume:CT_VOLUME';const ctVolume = await volumeLoader.createAndCacheVolume(ctVolumeId, {imageIds: ctImageIds,
});await ctVolume.load();

自定义加载顺序

由于Volume的创建和缓存(createAndCacheVolume)与图像数据(load)的加载是分离的。所以支持以任何顺序加载图像，以及重新排序图像请求以正确顺序加载图像的能力。

大致的加载流程

  1. 根据一组imageIds，计算Volume的元数据，如间距、原点、方向等。

  2. 实例化一个新的StreamingImageVolume

  3. StreamingImageVolume实现了加载方法（.load）

    1. 通过使用imageLoadPoolManager来实现加载请求

    2. 每个加载的帧（imageId）被放置在3D体积中的正确切片位置

    3. 返回一个体积加载对象，该对象包含一个解析为体积的promise。

总结回顾

Volume

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VolumeLoader

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RenderingEngine

RenderingEngine允许用户创建Viewports，将这些viewport与屏幕上的 HTML 元素关联，并使用WebGL 画布将数据渲染到这些元素上。

值得注意的是，RenderingEngine 能够渲染多个viewport，而无需创建多个引擎。

在Cornerstone3D 中，从零开始构建了 RenderingEngine，并使用 vtk.js 作为渲染的支撑，vtk.js 是一个 3D 渲染库，能够利用 WebGL 进行 GPU 加速渲染。

特性

1. 渲染优化

在 Cornerstone（2D）中，每个viewport都使用 WebGL 画布处理数据。随着viewport数量的增加，尤其在复杂的影像应用场景中（例如，同步视窗），因为会导致屏幕上画布的大量更新，以及随着视窗数量增加而性能下降。

在 Cornerstone3D 中，在屏幕外处理数据。这意味着我们有一个大型的不可见画布（离屏），它内部包含了所有屏幕上的画布。当用户操纵数据时，离屏画布中相应的像素会被更新，在渲染时，将数据从离屏画布复制到每个视窗的屏幕上画布。由于复制过程比重新渲染每个视窗上的操纵更快，因此解决了性能下降的问题。

2. 共享Volume Mapper

vtk.js 提供了用于渲染的标准渲染功能。此外，在 Cornerstone3D 中，引入了共享体积映射器（Shared Volume Mappers），以便在任何可能需要的视窗中重用数据，而无需复制数据。

使用

  • 初始化一个renderingEngine
import { RenderingEngine } from '@cornerstonejs/core';const renderingEngineId = 'myEngine';
const renderingEngine = new RenderingEngine(renderingEngineId);
  • 创建viewport并绑定视图
const viewportInput = [// CT Volume Viewport - Axial{viewportId: 'ctAxial',type: ViewportType.ORTHOGRAPHIC,element: htmlElement1,defaultOptions: {orientation: Enums.OrientationAxis.AXIAL,},},// CT Volume Viewport - Sagittal{viewportId: 'ctSagittal',type: ViewportType.ORTHOGRAPHIC,element: htmlElement2,defaultOptions: {orientation: Enums.OrientationAxis.SAGITTAL,},},// CT Axial Stack Viewport{viewportId: 'ctStack',type: ViewportType.STACK,element: htmlElement3,defaultOptions: {orientation: Enums.OrientationAxis.AXIAL,},},
];renderingEngine.setViewports(viewportInput);
  • 渲染视图
renderingEngine.renderViewports(['ctAxial','ctSagittal','ctStack']);

总结概述

在这里插入图片描述

Viewport

在 Cornerstone3D 中，viewport是由 HTML 元素创建的，我们需要提供用于创建viewport的元素。然后进行初始化绑定

分类

viewport主要分为 2D栈视图、Volume体视图、3D视图，根据不同的渲染需求进行选择。无论是哪一种视图类型，都是通过 RenderingEngine API 进行创建

StackViewport

  • 适用于呈现一堆图像，这些图像可能属于也可能不属于同一图像。

  • Stack可以包含各种形状、大小和方向的2D图像

const viewport = renderingEngine.getViewport('stackId');
await viewport.setStack(imageIds);

VolumeViewport

  • 适合于渲染被认为是一个3D图像的体积数据。

  • 使用VolumeViewport可以通过设计实现多平面重组或重建(MPR)，可以从不同的方向进行体积可视化，而不会增加性能成本。

  • 用于两个series之间的图像融合

3D Viewport

  • 适用于实际的三维立体数据渲染。

  • 有不同类型的预设，如骨，软组织，肺等。

初始化

所有的Viewport都继承自Viewport类，它提供了一个displayArea字段。该字段可用于以编程方式设置图像的初始缩放/平移。

默认情况下，视口将使dicom图像适合屏幕。displayArea字段支持以下配置内容：

type DisplayArea = {imageArea: [number, number], // areaX, areaYimageCanvasPoint: {imagePoint: [number, number], // imageX, imageYcanvasPoint: [number, number], // canvasX, canvasY},storeAsInitialCamera: boolean,
};

设置初始化时的缩放

在初始化时，如果想要设置图像为200%，则设置如下

 imageArea: [0.5, 0.5],

设置初始化时的平移

在初始化时，如果想要左对齐图像，则设置如下

imageCanvasPoint: {imagePoint: [0, 0.5], canvasPoint: [0, 0.5], 
};

这意味着画布上的左(0)中间(0.5)点需要与图像上的左(0)中间(0.5)点对齐。数值基于完整图像的%大小。

如何在实际应用中更改

在创建视图时进行初始化

renderingEngine.setViewports([{viewportId: 'ctAxial',type: ViewportType.ORTHOGRAPHIC,element: htmlElement1,defaultOptions: {orientation: Enums.OrientationAxis.AXIAL,displayArea:{// 需要更改的配置项}},
}]);

总结概述

在这里插入图片描述

MetaData

医学影像通常附带大量非像素级的元数据，例如图像的像素间距、患者 ID 或扫描获取日期等等。对于某些文件类型（例如 DICOM），这些信息存储在文件头中，可以被读取、解析并在应用程序中传递。而对于其他类型（例如 JPEG、PNG），这些信息需要独立于实际像素数据提供。

元数据提供器是一个 JavaScript 函数，作为访问 Cornerstone 中与图像相关元数据的接口。用户也可以定义自己的提供器函数，以返回他们希望的每个特定图像的任何元数据。

自定义元数据提供器

提供器需要实现一个get函数，该函数接收一个 type 和 ImageId， 返回当前ImageId中业务需要的数据

function addInstance(imageId, scalingMetaData) {const imageURI = csUtils.imageIdToURI(imageId);scalingPerImageId[imageURI] = scalingMetaData;
}function get(type, imageId) {if (type === 'scalingModule') {const imageURI = csUtils.imageIdToURI(imageId);return scalingPerImageId[imageURI];}
}export default { addInstance, get };

在项目中注册使用

通过addProvider函数，在CornerStone中添加提供器

  cornerstone.metaData.addProvider(ptScalingMetaDataProvider.get.bind(ptScalingMetaDataProvider),10000,);

优先级

由于可以注册多个元数据提供器，因此在添加提供器时，可以为其定义一个优先级数字。

当需要请求元数据时，Cornerstone 将按照提供器的优先级顺序请求图像的元数据（如果提供器对于图像 ID 返回未定义，则 Cornerstone 将转向下一个提供器）。例如，如果 provider1 注册时优先级为 10，而 provider2 注册时优先级为 100，则首先向 provider2 请求图像 ID 的元数据。上面的示例中我们定义了一个优先级为10000的provider

总结概述

在这里插入图片描述

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