医学图象三维重建及可视化技术研究_图文

医学图象三维重建及可视化 技术研究
秦绪佳
浙江大学CAD&CG国家重点实验室

2001.9.28

1 绪论
1.1 引言 1.2 基于三维数据的建模与可视化 ? 1.三维数据的来源与分类 ? 2.三维数据建模及可视化研究内容 ?数据预处理 ? 建模 ? 绘制与显示

? 3.数据建模技术综述

?三维几何模型
?基于三维数据的建模方法

? ? ? ?

1) 基于断层轮廓的表面重建 2) 基于体素的等值面重建

3) 几何变形模型
4) 体素建模

1.3 医学图象三维重建技术综述 ? ? ? ? 1 医学图象的预处理 2 医学图象的分割 3 三维重建方法 4 模型的网格简化

1.4 医学图象三维重建在医疗中的应用

? ? ? ?

1 2 3 4

在医疗诊断中的应用 在手术规划及放射治疗规划中的应用 在整形与假肢外科中的应用 在虚拟手术及解剖教育中的应用

1.5 论文背景及主要工作
? 1 论文背景及研究意义 ? 2 本文的主要工作 1) 图象预处理,组织器官分割与提取 2) MC、MT算法构建表面几何模型 3) 模型表面网格简化,剖切与开窗 4) 由表面几何模型转换成实体几何模型 5) 适用于适形放射治疗规划的医学图象 三维重建系统的开发

2医学图象预处理与人体组织的分割
? 医学图象预处理 ?分割流程

图2.1

三维医学图象分割流程

2.2 CT、MRI图象的获取与输入
2.2 二维图象处理与规则体数据封装 ? 1 二维图象滤波 (1) 邻域平均法 (2) 中值滤波法 (3) 保持边缘滤波法

? 2 断层图象间插值 ? 3 三维规则体数据封装 (1) 内存记录方式 (2) 体数据文件格式
图2.4 体数据内存记录方式

2.3 交互分割过程 ? 1 三维图象二值化
?1 f ' ( x, y , z ) ? ? ?0 若q1 ? f ( x, y, z ) ? q2 其余

二值化结果

图2.8

断层图象二值化结果

? 2 数学形态学操作进行区域修整 (1) 二值形态学操作简述

(a) 原图象

(b)结构元素

(c)对原图象的腐蚀

(d)对腐蚀图象的膨胀

图2.9 开启操作

(a)原图象

(b)结构元素 图2.10

(c)对原图象的膨胀 闭合操作

(d)对膨胀图象的腐蚀

? 3 种子填充法进行组织提取

图2.12

交互分割结果

图2.13 对分割区域的重建

3 基于规则体数据的三维表面模型的 构建
3.2.1 体素模型

(a) 方向无关的三线性插值模型 图3.1 体素模型

(b) 方向有关的三线性插值模型

3.2.2 等值面(IsoSurface)定义
? 1 三线性插值结果
f ( x, y, z) ? a0 ? a1 x ? a2 y ? a3 z ? a4 xy ? a5 yz ? a6 zx ? a7 xyz

? 2 等值面定义
{( x, y, z ) | f ( x, y, z ) ? c}, c是常数

?等值面是三次曲面

3.3 移动立方体(Marching Cubes)算 法抽取等值面
? 1 MC算法的基本原理
a 体素中等值面剖分方式的确定
1) 如立方体顶点的数据值≥等值面的值,则定义该顶点 位于等值面之外,记为“0”; 2) 如立方体顶点的数据值<等值面的值,则定义该顶点 位于等值之内,记为“1”。 8个顶点,每个顶点共有2个状态,因此共256种组合状态

? ?

根据互补对称性,

256

128 15

根据旋转对称性, 256

(1)体素中由三角片逼近的等值面计算

(2)三角片各顶点法向量计算

? 2 等值面连接方式上的二义性

(a)连接方式二义性的二维表示

(b) 连接方式二义性的三维表示

图3.4 MC方法的二义性

图3.5 拓扑不一致造成孔隙

3.3.3 渐近线判别法消除二义性

3.3.4 MC算法的重建结果及分析

(a) 256×256×109MRI 表皮重建 三角面片:696889 顶点:347322

(b)128×128×93CT 颅骨重建 三角面片:187559 顶点:94015

(c)128×128×93CT 表皮重建 三角面片:137799 顶点:69331

图3.8

MC算法重建的表面模型

3.4 移动四面体(Marching Tetrahedra)算法抽取等值面 3.4.1 MT算法的基本原理

图3.9

立方体的四面体剖分

图3.10

四面体中的等值面

3.4.2 四面体剖分的一致性处理

图3.11 立方体剖分为四面 体的不同方式

图3.12 两相邻立方体剖分不一致时共有 面的剖分情况

图3.13相邻立方体公共面上的剖分一致性

3.4.3 相关性处理加速MT重建速度 ? 1 体素内的相关性处理 ? 2 体素间的相关性处理

图3.14 剖分后立方体的顶点及棱边编号

3.4.4 MT算法的重建结果及分析

(a) 128×128×113CT 颅骨重建 (b)104×185×220CT 脚骨骼重建 三角面片:423998 三角面片:365858
顶点:211905 图3.15 顶点:183056 MT算法重建的表面模型

(c) 128×128×113CT 表皮重建
三角面片:331290 顶点:165808

4.三维模型的网格简化与模型的剖切
4.2 基于边收缩的网格简化算法 ? 1 网格简化算法简述 ?
?
(1)抽样(Sampling)
(2)自适应细分(Adaptive subdivision)

?
?

(3)删除 (Decimation)
(4)顶点合并 (Vertex merging)

? 2 基于边收缩的网格简化算法
Hoppe采用显式能量函数E(M)来度量简化网格与原始网格 的逼近度[Hoppe96]:

E ( M ) ? Edist ( M ) ? Espring ( M ) ? Escalar ( M ) ? Edisc ( M )
其中Edist(M)为M的距离能量,它定义为点集到网格的距离平方:
Edist ( M ) ? ? d 2 ( xi , ?v (| K |))
i ?1 n

Espring(M)为弹性能量,这相当于在的每条边上均放置一条弹性系数 为k的弹簧,即:
Espring (M ) ?
{i , j}?K

? k || v ? v
i

j

|| 2

Escalar(M)度量M的标量属性的精度,而Edisc(M)则度量了M上视觉
不连续的特征线(如边界线、侧影轮廓线等)的几何精度。

?E ? E (M ?) ? E (M )

边收缩过程示意图

(a)收缩前
图4.1边收缩过程

(b)收缩后

? 4 网格简化结果

MT重建结果

简化50%

简化90%

简化90%表面绘制

MC重建结果

简化50%

简化85%

简化85%表面绘制

4.3 三维模型的剖切 4.3.1 模型三角面片的剖切处理 ? 1 平面方程的确定
ax + by + cz + d = 0

? 2 三角面片与剖切平面的求交检测

定义空间一点P(X,Y,Z),
定义“距离”D: D = aX + bY + cZ + d

则有:
1)若 D>0,P点处在A 半空间; 2)若 D=0,P点处在平 面上; 3)若 D<0,P点处在B 半空间。
图 4.6切面与三角面片的交

? 3 三角面片与剖切面的切割运算 ? 4 表面模型的剖切 (1)边表和顶点表均为动态链表结构 ? class
Cedge

? class

CedgeVertex

(2)表面模型的剖切计算

4.4 剖切截面的生成 4.4.1 边界多边形包含关系检测与确定 ? 1 封闭环的检出 ? 2 封闭轮廓的包含性检测

夹角之和检验法:

??
i ?1

n

i

?0

??
i ?1

n

i

? 2?

4.4.2 剖切面区域的三角剖分
?
1.任意平面多边形Delaunay三角剖分示意图

图4.11 图4.7对应轮廓的三角剖分

4.5 手术开窗操作
开窗操作一般是用立方体或棱柱对 重建模型进行切割,模型处于剖切体 之内的部分被切割掉,之外的部分被 保留下来。

4.6 实验结果分析

(a)剖切

(b)开窗

(c)开窗

图4.12

模型的剖切与开窗

5 由基于轮廓重建的表面模型构建 实体几何模型
5.1 引言 5.2 相关工作 ? (1)提取边界轮廓线 ? (2)提取轮廓线上的特征点 ? (3)轮廓对应 ? (4)三维表面重建

(a)轮廓线

(b)基础轮廓表面模型

(c)左分支表面模型 图5.3 轮廓及表面子模型

(d)右分支表面模型

5.3 实体几何模型的构建 ? 1 边界模型的数据结构

图5.4

系统B- rep模型的数据结构及半边的结构示意

? 2 实体造型的基本操作
欧拉特征关系:

v ? e ? f ? 2(s ? h)
其中v、e、f、s、h分别代表顶点、边、小面、壳和 孔。

v ? e ? f ? 2(s ? h) ? r

基本的欧拉操作包括如下互逆的5对:MVFS,MEV,MEF, MEKR,KFMRH;KVFS,KEV,KEF,KEMR,MFKRH。其 中M表示构造,K表示删除,S、E、V、F、R、H分别 表示体、边、顶点、面、环、孔。

? 3 由轮廓重建的表面模型重建实体几 何模型的方法
用图5.10(a)的表面模型说明构建实体的主要步骤:

(a)

(b)

实体几何模型的构建结果

(b)光照图 (a)线框图 图5.11 实体模型

6 适用于适形放射治疗规划的医学图 象三维重建系统的开发

图象输入
(CT/MRI)

二维图象预处理
(滤波、插值)

图象分割与提取
(自动分割、手工勾画)

三维重建
(MC、MT表面重建)

病变体投影轮廓
( 由 此 计 算 光 栅廓 线 )

照射射束设置
( 放 射治 疗 规 划 )

效果显示
( 颜 色 、半 透 明)

几何操作
( 剖 切 、手术 开 窗)



6.1三维重建过程示意图

?

重建系统结构

图6.2

系统结构

?

系统程序流程

图 6.3

系统程序流程

?

系统数据结构

图6.4 系统数据结构

系统界面

治疗射束安排与光栅轮廓线计算

7 结论与展望
7.1 工作总结
?(1) 对输入图象进行了滤波、断层插值并封装成规则
体数据。定义了体数据的内存记录方式及外存文件格式, 压缩存储空间。

?(2) 提出并实现了三维医学图象交互分割的方法,交
互分割的技术路线是:先分析断层图象,交互给定分割 阈值,对图象二值化,然后选择适当的形态学操作进行 区域修整,最后用种子填充的方法填充出所要区域。

?(3)实现了MC算法和MT算法构造表面模型。针对MT算法,
为避免体元棱边与等值面交点的重复性插值计算,提出 了相关性处理方法。采用相关性处理,加快了MT算法的 重建速度。

?(4) 实现了Hoppe的边收缩算法,重建模型经简化90%,
依然能较好地保持原模型特征,基本不影响视觉效果。 模型经网格简化,绘制时间大大缩短,提高了交互时绘 制能力。

?(5)提出了对重建模型实施剖切及手术开窗的一种方法。 ?(6)提出了基于轮廓重建的表面模型构建实体几何模型
的方法实现步骤。可作为造型系统的一种造型方式。

?(7)开发了一个适用于多叶光栅适形调强放射治疗的医
学图象三维重建系统。提出并建立了系统数据结构,提 出了自动分割与手工勾画轮廓的方法。对分割出的组织 重建其三维几何模型,并对模型实现了网格简化。实现 了治疗射束的设置及多叶光栅轮廓的计算。

7.2 展望

? (1)基于知识模型的医学图象的分割 ? (2)多模态图象的匹配和融合

? (3)表面绘制与直接体绘制的结合
? (4)虚拟手术工作环境

谢谢大家光临!


相关文档

医学超声图像的三维重建及可视化研究
三维重建技术在医学图像中的研究与应用
医学图像三维可视化体绘制技术研究
医学图像三维重建的研究
三维医学图象可视化技术综述
北大医学数字图像处理5.5三维图像重建的可视化研究
基于VTK的医学图像可视化三维重建
医学成像技术(第八章_三维重建技术)
医学图象可视化研究—基于Marching+Cubes算法的医学CT图象三维可视化(付斌)
基于MITK的医学图像三维重建及其交互技术研究
电脑版