硕士论文——医学图像三维重建技术研究.doc

1、河北工业大学硕士论文 医学图像三维重建技术研究 摘 要 本文主要研究医学图像的三维重建技术。医学图像三维重建是目前的一个研究热点问题，在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面有重要应用。三维重建在其它领域也有着广泛的应用。如在飞机、汽车、舰船制造业以及建筑业、轻工产品、外形包装等方面有着很大的应用价值，能够减少设计费用和缩短设计周期，创造出大的经济效益，并且对现有人工智能化发展也具有决定性作用。因此，对图像三维重建的研究和开发，具有极高的实用价值和 广泛的应用前景。 医学图像三维重建的主要研究内容包括数据管理、医学图像预处理如插值和滤波等、图像分割、边缘检测

2、、三维模型构建等技术。本文首先对医学数据文件进行解析，然后对图像分割和边缘检测技术进行了深入的研究。提出的分割方法是交互给定阈值的上限和下限，然后通过给定的阈值再结合移动立方体（ MC）算法来实现图像的三维重建。 本文最后设计开发了一个简单的三维重建系统。其中包括了数据管理、医学图像预处理中的滤波模板和几何变换模板、分割算法以及最后的三维显示。用此系统重构了一个人体头部的三维形体，数据源为 646493 的 CT 数据集。实现了骨骼组织和表面皮肤的重建，由结果图可知，重建的表面几何模型能保证拓扑性的一致性，能比较逼真的表现重建组织。 关键字： 三维重建，图像处理，图像分割，边缘检测 i 医学图

3、像三维重建技术研究 THE RESEARCH OF THREE-DIMENSIONAL MEDICAL IMAGE RECONSTRUCTION TECHNOLOGY ABSTRACT This dissertation, mostly studies the technology of 3D reconstruction from medical images. 3D reconstruction from medical image is a multi-disciplinary subject. 3D reconstruction and visualization of medical

4、 images are widely used in diagnostic, surgery planning and simulating, plastic and artificial limb surgery, radiotherapy planning, and teaching in anatomy. 3D reconstruction has been widely applied in other areas. Such as in aircraft, automobiles, ship manufacturing and construction, light industry

5、 products, exterior packagings have great value. It is designed to reduce costs and shorten the design cycle. It also creates greater economic benefits to the existing and plays a decisive role in the development of artificial intelligence. Therefore, the research and development of three-dimensiona

6、l image reconstruction have high practical value and broad application prospects. The main research contents of 3D reconstruction from medical images include data management, image pre-processing, such as interpolating and filtering, image segmentation, edge detection, three-dimensional models recon

7、struction techniques. This dissertation analyzed medical data, then did deep research on image segmentation and edge detection. In this dissertation, an interactive segmentation method of 3D medical is presented. Given a upper and lower limits of the threshold, combining Marching Cubes (MC) algorith

8、m to the image of a three-dimensional reconstruction. At last, a simple medical images reconstruction system is developed. It includes data management, filtering mounding board and segmenting algorithm, 3D Display. We reconstructed a 3D head of human use system; the data source is a 646493 CT datase

9、t. Then we provide the reconstruction of skeletal and skin tissue, from the resultant picture, we find that the surface geometry model of reconstruction can keep the topology coherence, and the result can represent the reconstructing tissue in realistically. KEY WORDS: 3D reconstruction, image proce

10、ssing, image segmentation, edge detection ii 河北工业大学硕士论文 目 录 第一章 绪 论 . 1 1 -1 引言 . . 1 1-2 国内外研究概况 . 1 1-3 医学图像三维重建在医疗中的应用 . 3 1-4 本论文研究的主要意义 . 4 1-5 本论文的主要工作 . 4 第二章 医学图像处理技术 . 5 2-1 引言 . 5 2-2 医学数据文件的解析 . 5 2-2-1 BMP 文件解析 . 6 2-2-2 TIFF 文件解析 . 6 2-2-3 JPEG 文件解析 . 7 2-2-4 DICOM 文件解析 . 8 2-3 图像的预处理技术

11、 . 9 2-3-1 平滑（滤波）处理的基本方法 . 9 2-3-2 断层图像间插值 . 11 2-3-3 图像增强技术 . 12 2-3-4 图像恢复技术 . 12 2-3-5 图像几何变换技术 . 12 2-4 图像分割 . 13 2-4-1 图像分割方法 . 13 2-4-2 CT 和 MR 图像的常见分割任务 . 17 2-5 边缘检测 . 19 2-5-1 边缘检测方法 . 19 2-5-2 边缘检测在肿瘤病灶确定中的应用 . 22 第三章 规则数据场的三维模型构建 . 25 3-1 引言 . 25 3-2 三维数据场的分类 . 26 3-3 三维空间规则数据场的面绘制 . 28 3

12、-3-1 边界轮廓线表示算法 . 28 3-3-2 表面曲面表示算法 . 29 3 -4 三维空间规则数据场的直接体绘制 . 33 iii 医学图像三维重建技术研究 3-4-1 光线投射算法 . 33 3-4-2 抛雪球法（ Splatting） . 34 3-4-3 剪切 -曲变法（ Shear-Warp） . 35 3-4-4 基于硬件的 3D 纹理映射（ 3D Texture-Mapping Hardware） . 35 3 -5 面绘制与体绘制的各 种算法比较 . 35 第四章 基于 VTK 的开发方法研究 . 37 4 -1 引言 . 37 4 -2 采用 VTK 类库的原因 . 3

13、7 4 -3 VTK 与 VC+结合的研究 . 38 4 -4 利用 VTK 类库进行绘制 . 40 4-4-1 利用 VTK 类库进行绘制过程 . 40 4-4-2 三 维重建涉及到的主要类库 . 41 第五章 医学图像三维重建系统的设计和实现 . 42 5 -1 医学图像三维重建系统需求分析 . 42 5 -2 系统流程及功能模块设计 . 42 5 -3 数据管理模块 . 46 5-3-1 CT、 MRI 图像获取与输入 . 46 5-3-2 数据管理功能实现 . 47 5-3-3 图像格式转换功能实现 . 48 5 -4 图像预处理模块 . 49 5 -5 图像重建模块 . 51 第六章

14、 总结及展望 . 54 6 -1 本课题研究的总结 . 54 6 -2 本课题研究工作的展望 . 55 参考文献 . 56 致 谢 . 58 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 59 iv 河北工业大学硕士论文 第一章 绪 论 1 -1 引言 进入 70 年代以来，随着计算机断层扫描 (CT： Computed Tomography)，核磁共振成像 (MRI： Magnetic Resonance Imaging)，超声（ US： Ultrasonography）等医学成像技术的产生和发展，人们可以得到人体 及其内部器官的二维数字断层图像序列。这些医学成像的临床应用，使得医学诊断和治疗技术取

15、得了很 大的发展。但是，二维断层图像只是表达某一截面的解剖信息，仅由二维断层图像，人们很难建立起三 维空间的立体结构。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，不能 给出准确的三维影像，造成病变（靶区）定位的失真与畸变 1。为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与 科学性，由二维断层图像序列转变成为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的 三维结构与形态，从 而提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，并为进一步模拟操作提供视觉交互手段。医学图像三 维重建与可视化技术就是在这一背景下提出的，这一技术一经提出，就得到大量研究与广泛应用。 医学图像三维重建及可视化是实施计算机辅助

16、治疗的基础，是计算机图形学和图像处理在生物医学 上的应用，涉及数字图像处理、计算机图形学以及医学领域的相关知识。在医疗诊断中，观察病人的一 组二维断层图像是医生诊断病情的常规方式。但是，要准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状 以及与周围生物组织之间的空间 关系，仅凭医生 “在人脑中进行重建 ”是十分困难的。因此，通过二维 断层图像来构建人体器官、软组织和病变体等的三维模型并进行三维显示，可以辅助医生对病变体和周 围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时还在手术规划 与模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。 1-2 国内外研究概况 近 10 年来，

17、以美国为主的几个具有国际影响的人体模型、人体信息数字化研究引起了世界范围的广泛和积极参与。其中，最引人注目的有可视化人体、数字化人体、虚拟人本 3 个项目，它们统称为 “数字化虚拟人体计划 ”。 “数字化虚拟人体计划 ”研究的目标，是通过人体从微观到宏观的结构与机能的数字化、可视化，进而完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以至器官的形态和功能，最终达到人体体数据信息的整体精确模拟。 “数字化虚拟人体计划 ”被认为是有史以来最雄心勃勃的研究计划，是 21 世纪科技发展新的制高点。 计算机辅助的医学图像三维重建技术 -医学可视化是科学计算可视化的一个具体应用，也是科学计算可视化的最活跃的领域之一。

18、1987 年 B H McCormick2提出了科学计算可视化的术语，并给 出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期的研究方向。从此美国国家科学基金会的几个学部开始支持可视化的研究项目。后来，欧洲也开始支持科学计算可视化的研究项目。自 1990 年起，美国 IEEE 计算机学会计算机图形学技术委员会开始举办一年一度的可视化国际学术会议，这标志着科学可 视化作为一个学科已经成熟。它的应用遍及所有应用计算机从事计算的科学与工程学科，并获得了巨大 1 医学图像三维重建技术研究 的科学和社会效益。 三维可视化系统是近年来计算机界中最引人注目和发展最快的领域之一。近 十年来，关于三维医 学图像

19、的重建和显示及应用已有很多报道 3,4,5。在美国、德国、日本等国家的一些大学及国家实验室中， 三维重建的研究工作及应用实验十分活跃 6。 1991 年美国国家医学图书馆委托科罗拉多大学医学院建立起一个男人和一个女人的全部解剖结构 的数据库，为进行人体内部不同结构的三维重建提供了所需数据来源； 1995 年日本东京大学的 Hoshino 等领导的小组用物体反射的 M-array Coded 光源影像对物体表面进行三维重建取得进展，这种方法可以 用简单的设备完成三维重建 ； 1993 年美国芝加哥大学 Goshtasby 等进行了 “应用合理的高斯曲线和平面， 进行二维、三维图形的恢复和设计的研

20、究 ”，目的是使用合理的高斯曲线和平面，来表示复杂图形并证 明用这种方式不需用传统的风格方式而是利用分散设置的控制点来恢复外形的新方法； 1995 年美国哥 仑比亚大学的 Chehroudi B 带领的小组对细胞的形状的三维重建进行了深入的研究。 法国医学界宣布了以电脑完成三维空间人体影响处理，为医疗建立了一个新的里程碑。韩国与日 本也先后开展了可视化人体的研究。韩国于 2001 年 1 月开始了 “可视化人计划 ”。其目标是完整获得 CT、 MRI 断层扫描以及 0.2 毫米精度的组织切片数据。该计划准备用 5 年的时间，完成 4 个人体的测 试。这是世界上的第二例尝试，也是东方第一例有关人

21、种特征的人体数据采集。日本也于 2001 年启动 了为期 10 年的人体测量国家数据库建造计划。这项计划拟于 2010 年完成 7-90 岁 34000 人 178 个人体 部位的测定，制定出日本人的人体标准数据。这项研究将在日本工业需要人体数据的领域产生深远影响。 国外在此方向上的研究起步 较早，也取得了很多成果。近年来三维重建技术成为我国医学研究领 域的新热点。我国学者自 20 世纪 90 年代开始进行这方面的研究。国内关于虚拟人体、虚拟器官的研究 工作已经开始引起生物医学界的重视。我国的 301 医院、首都医科大学、清华大学、浙江大学和中科院 自动化研究所等单位都长期致力于这方面的研究，

22、并取得了一定的成果 7。 2001 年 11 月 5 至 7 日在北 京香山举行的香山科学会议第 174 次学术讨论会，会议的主题是 “中国数字化虚拟人体的科技问题 ”。 与会专家一致认为，数字化虚拟 人体的科学意义在于将人体结构和功能信息数字化与可视，在认识人类 身体的结构和功能方面前进一大步，使人们能够以三维形式看到人体数千个解剖结构的大小、形状、位 置及器官间的相互空间关系，建立起能够为计算机处理的数学模型，使得借助计算机的定量分析计算和 精确模拟成为可能。 数字化虚拟人体涉及一系列基础科学问题和关键技术，这是一个极富挑战性的课题。目前在许多 方面已有较多研究积累。另外，由于现代化医学成

23、像设备和高性能计算机以及高速网络的出现，使得我 国开展虚拟人体研究所必需的软硬件条件已基本具备。建立具 有东方人种特征的三维数字化人体模型， 将为医学研究、教学与临床提供形象而真实的模型，为疾病诊断等医疗手段的开发提供参考，为有关人 体的数字化模拟提供基础。 目前，世界上有一些国家已经研究出了一些面向临床应用的医学图像处理与分析系统，如美国宾夕 法尼亚大学的 MIPG 小组的 3DViewnix 系统、纽约州立大学的 VolVis 系统， GE 公司的 GE Medical System产 品， SIEMENS、东芝、皮克、 PHILIPS 等公司的图像处理与分析系统。这些系统很多是依附于影像

24、设备 厂商提供的，价格昂贵， 有些系统临床应用功能不够丰富，不能达到利用 MRI， CT 等影像设备进行医 疗诊断所需要的诸多功能 8。 中科院自动化所在研发的 MITK 软件包基础之上用六年时间开发的三维医学图像处理与分析系统 3DMed，它是一套功能完备的影像医学系统，可使研究人员自由获取 CT， MR 等设备产生的数据，利用 2 河北工业大学硕士论文 本系统进行数据的多角度、多方面的三维重建和可视化，充分利用影像设备获取的临床数据为临床医学 积累更多的素材。由 ECYBER-北京亿仁赛博医疗设备有限公司自主 研发生产的 PET 系统，是目前 我国完全自主开发的第一台 PET。它采用目前国

25、际上最先进的核医学功能成像技术，可以在不影响病人 体内环境平衡的生理条件下，研究和诊断人体内早期的病理生理和代谢异常与疾病，也是用于临床上诊 断和指导治疗肿瘤、心血管和脑血管这三大威胁人类生命健康疾病的最优手段之一 9。它的推广应用将 极大推动影像医学在我国的发展，促进我国数字医疗水平的提高与发展。但对于图像分割和三维显示等 算法，目前还没有一种最好的通用的一些算法。 1-3 医学图像三维重建在医疗中的应用 计算机断层扫描（ CT）及核磁共振成像（ MRI）已广泛用于疾病的诊断，但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像。医生只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状， “构思 ”病灶与

26、其周围组织的三维几何关系，这给治疗带来了困难。医学图像的可视化就是对 CT、 MRI 等图像序列进行处理，构造出三维几何模型，将看不见的人体器官能以三维形式 “真实 ”地显示出来。可视化技术已应用于诊断医学、整形与假肢外科手术规划、辐射治疗规划等技术中 10。一、在医疗诊断中的应用 在临床和医学研究中 CT 图像、核磁共振图像和超声 图像的广泛应用是医疗诊断有力的手段。利用三维重建技术对图像进行处理、构造三维几何模型，对重建模型不同方向观察、剖切，使得医生对感兴趣的部位的大小、形状和空间位置不仅有定性的认识，也可获得定量的认识。二、 在手术规划及放射治疗规划中的应用 利用放射线杀死或抑制恶性肿

27、瘤需要预先做出仔细规划，包括剂量计算和照射点精确定位。如果辐照定位不准或剂量不当，轻则造成治疗效果不佳，重则危及周围正常组织。由 CT/MR 图像序列重建出病变体、敏感组织、重要组织的三维模型。在手术规划中，医生可观察病变体、敏感组织、重要组织的形 状、空间位置，确定科学的手术方案。在放射治疗中，根据重建组织的三维几何描述，进行射束安排，使射线照射肿瘤时不穿过敏感组织和重要组织，不伤害正常组织或对正常组织伤害尽量小，制定出最优的治疗方案。 三、在整形与假肢外科中的应用 医学图像重建及可视化技术在整形外科及假肢设计中有着重要应用。在整形外科中，特别是颅面外 科目前已有成功应用，如 Fialkov 等首先将计算机辅助立体定向导航系统（ CASS）应用于颅面整形外科 中， Hassfeld 等将一套三维定向导航系统成功地应用于颅面区域的手术，准确性达到 2mm 以内。 在假肢设计（造型）中，如做髋骨更换手术之前，先要重建出髋骨及与之接合部位的三维模型，根据 重建模型设计所需髋骨假肢的外形，使之能与病人的个体特征相吻合，才能减少因假肢形状差异