1、<p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要研究醫(yī)學(xué)圖像的三維重建技術(shù)。醫(yī)學(xué)圖像三維重建是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)問(wèn)題，在診斷醫(yī)學(xué)、手術(shù)規(guī)劃及模擬仿真、整形及假肢外科、放射治療規(guī)劃、解剖教學(xué)等方面有重要應(yīng)用。三維重建在其它領(lǐng)域也有著廣

2、泛的應(yīng)用。如在飛機(jī)、汽車、艦船制造業(yè)以及建筑業(yè)、輕工產(chǎn)品、外形包裝等方面有著很大的應(yīng)用價(jià)值，能夠減少設(shè)計(jì)費(fèi)用和縮短設(shè)計(jì)周期，創(chuàng)造出大的經(jīng)濟(jì)效益，并且對(duì)現(xiàn)有人工智能化發(fā)展也具有決定性作用。因此，對(duì)圖像三維重建的研究和開(kāi)發(fā)，具有極高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建的主要研究?jī)?nèi)容包括數(shù)據(jù)管理、醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理如插值和濾波等、圖像分割、邊緣檢測(cè)、三維模型構(gòu)建等技術(shù)。本文首先對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)文件進(jìn)

3、行解析，然后對(duì)圖像分割和邊緣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。提出的分割方法是交互給定閾值的上限和下限，然后通過(guò)給定的閾值再結(jié)合移動(dòng)立方體（MC）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的三維重建。</p><p>　　本文最后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的三維重建系統(tǒng)。其中包括了數(shù)據(jù)管理、醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理中的濾波模板和幾何變換模板、分割算法以及最后的三維顯示。用此系統(tǒng)重構(gòu)了一個(gè)人體頭部的三維形體，數(shù)據(jù)源為 64×64×93 的 CT 數(shù)

4、據(jù)集。實(shí)現(xiàn)了骨骼組織和表面皮膚的重建，由結(jié)果圖可知，重建的表面幾何模型能保證拓?fù)湫缘囊恢滦?，能比較逼真的表現(xiàn)重建組織。</p><p>　　關(guān)鍵字：三維重建，圖像處理，圖像分割，邊緣檢測(cè)</p><p><b>　　i</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p>　　THE RESEARCH O

5、F THREE-DIMENSIONAL</p><p>　　MEDICAL IMAGE</p><p>　　RECONSTRUCTION TECHNOLOGY</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This dissertation, mostly studies the techno

6、logy of 3D reconstruction from medical images. 3D reconstruction from medical image is a multi-disciplinary subject. 3D reconstruction and visualization of medical images are widely used in diagnostic, surgery planning a

7、nd 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 const

8、ruction, light i</p><p>　　The main research contents of 3D reconstruction from medical images include data management, image pre-processing, such as interpolating and filtering, image segmentation, edge dete

9、ction, three-dimensional models reconstruction techniques. This dissertation analyzed medical data, then did deep research on image segmentation and edge detection. In this dissertation, an interactive segmentation metho

10、d of 3D medical is presented. Given a upper and lower limits of the threshold, combining Marching C</p><p>　　At last, a simple medical images reconstruction system is developed. It includes data management,

11、filtering mounding board and segmenting algorithm, 3D Display. We reconstructed a 3D head of human use system; the data source is a 64×64×93 CT dataset. Then we provide the reconstruction of skeletal and skin t

12、issue, 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 realisti</p><p>　　KEY W

13、ORDS: 3D reconstruction, image processing, image segmentation, edge detection</p><p><b>　　ii</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p><b>　　目錄</b></p><p>

14、<b>　　iii</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p>　　3-4-1 光線投射算法33</p><p>　　3-4-2 拋雪球法（Splatting）34</p><p>　　3-4-3 剪切--曲變法（Shear-Warp）35</p><p>　　3-

15、4-4 基于硬件的 3D 紋理映射（3D Texture-Mapping Hardware）35</p><p>　　§3-5 面繪制與體繪制的各種算法比較35</p><p>　　第四章 基于 VTK 的開(kāi)發(fā)方法研究37</p><p>　　§4-1 引言37</p><p>　　§4-2 采用 VTK

16、 類庫(kù)的原因37</p><p>　　§4-3 VTK 與 VC++結(jié)合的研究38</p><p>　　§4-4 利用 VTK 類庫(kù)進(jìn)行繪制40</p><p>　　4-4-1 利用 VTK 類庫(kù)進(jìn)行繪制過(guò)程40</p><p>　　4-4-2 三維重建涉及到的主要類庫(kù)41</p><p>

17、;　　第五章 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)42</p><p>　　§5-1 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)需求分析42</p><p>　　§5-2 系統(tǒng)流程及功能模塊設(shè)計(jì)42</p><p>　　§5-3 數(shù)據(jù)管理模塊46</p><p>　　5-3-1 CT、MRI 圖像獲取與輸入46</p>

18、;<p>　　5-3-2 數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)47</p><p>　　5-3-3 圖像格式轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)48</p><p>　　§5-4 圖像預(yù)處理模塊49</p><p>　　§5-5 圖像重建模塊51</p><p>　　第六章 總結(jié)及展望54</p><p>　　

19、7;6-1 本課題研究的總結(jié)54</p><p>　　§6-2 本課題研究工作的展望55</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)56</b></p><p><b>　　致謝58</b></p><p>　　攻讀學(xué)位期間所取得的相關(guān)科研成果59</p><p&

20、gt;<b>　　iv</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　§1-1 引言</b></p><p>　　進(jìn)入 70 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT：Computed To

21、mography)，核磁共振成像(MRI：Magnetic</p><p>　　Resonance Imaging)，超聲（US：Ultrasonography）等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，人們可以得到人體</p><p>　　及其內(nèi)部器官的二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列。這些醫(yī)學(xué)成像的臨床應(yīng)用，使得醫(yī)學(xué)診斷和治療技術(shù)取得了很</p><p>　　大的發(fā)展。但是，二維斷層圖像

22、只是表達(dá)某一截面的解剖信息，僅由二維斷層圖像，人們很難建立起三</p><p>　　維空間的立體結(jié)構(gòu)。在放射治療應(yīng)用中，僅由二維斷層圖像上某些解剖部位進(jìn)行簡(jiǎn)單的坐標(biāo)疊加，不能</p><p>　　給出準(zhǔn)確的三維影像，造成病變（靶區(qū)）定位的失真與畸變[1]。為提高醫(yī)療診斷和治療規(guī)劃的準(zhǔn)確性與</p><p>　　科學(xué)性，由二維斷層圖像序列轉(zhuǎn)變成為具有直觀立體效果的圖像

23、，展現(xiàn)人體器官的三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)，從</p><p>　　而提供若干用傳統(tǒng)手段無(wú)法獲得的解剖結(jié)構(gòu)信息，并為進(jìn)一步模擬操作提供視覺(jué)交互手段。醫(yī)學(xué)圖像三</p><p>　　維重建與可視化技術(shù)就是在這一背景下提出的，這一技術(shù)一經(jīng)提出，就得到大量研究與廣泛應(yīng)用。</p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建及可視化是實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助治療的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理在生物醫(yī)學(xué)<

24、;/p><p>　　上的應(yīng)用，涉及數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。在醫(yī)療診斷中，觀察病人的一</p><p>　　組二維斷層圖像是醫(yī)生診斷病情的常規(guī)方式。但是，要準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀</p><p>　　以及與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，僅憑醫(yī)生“在人腦中進(jìn)行重建”是十分困難的。因此，通過(guò)二維</p><p&g

25、t;　　斷層圖像來(lái)構(gòu)建人體器官、軟組織和病變體等的三維模型并進(jìn)行三維顯示，可以輔助醫(yī)生對(duì)病變體和周</p><p>　　圍組織進(jìn)行分析，極大地提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，從而提高醫(yī)療診斷水平。同時(shí)還在手術(shù)規(guī)劃</p><p>　　與模擬、解剖教育和醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。</p><p>　　§1-2 國(guó)內(nèi)外研究概況</p><p&

26、gt;　　10 年來(lái)，以美國(guó)為主的幾個(gè)具有國(guó)際影響的人體模型、人體信息數(shù)字化研究引起了世界范圍的廣泛和積極參與。其中，最引人注目的有可視化人體、數(shù)字化人體、虛擬人本 3 個(gè)項(xiàng)目，它們統(tǒng)稱為“數(shù)字化虛擬人體計(jì)劃”。“數(shù)字化虛擬人體計(jì)劃”研究的目標(biāo)，是通過(guò)人體從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)與機(jī)能的數(shù)字化、可視化，進(jìn)而完整地描述基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織以至器官的形態(tài)和功能，最終達(dá)到人體體數(shù)據(jù)信息的整體精確模擬?！皵?shù)字化虛擬人體計(jì)劃”被認(rèn)為是有史以來(lái)最雄心

27、勃勃的研究計(jì)劃，是 21 世紀(jì)科技發(fā)展新的制高點(diǎn)。</p><p>　　計(jì)算機(jī)輔助的醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)-------醫(yī)學(xué)可視化是科學(xué)計(jì)算可視化的一個(gè)具體應(yīng)用，也是科學(xué)計(jì)算可視化的最活躍的領(lǐng)域之一。1987 年 B H McCormick[2]提出了科學(xué)計(jì)算可視化的術(shù)語(yǔ)，并給出了科學(xué)計(jì)算可視化的定義、覆蓋的領(lǐng)域以及近期和長(zhǎng)期的研究方向。從此美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的幾個(gè)學(xué)部開(kāi)始支持可視化的研究項(xiàng)目。后來(lái)，歐洲也開(kāi)始支持

28、科學(xué)計(jì)算可視化的研究項(xiàng)目。自 1990 年起，美國(guó)</p><p>　　IEEE 計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)委員會(huì)開(kāi)始舉辦一年一度的可視化國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，這標(biāo)志著科學(xué)可</p><p>　　視化作為一個(gè)學(xué)科已經(jīng)成熟。它的應(yīng)用遍及所有應(yīng)用計(jì)算機(jī)從事計(jì)算的科學(xué)與工程學(xué)科，并獲得了巨大</p><p><b>　　1</b></p>&l

29、t;p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p><b>　　的科學(xué)和社會(huì)效益。</b></p><p>　　三維可視化系統(tǒng)是近年來(lái)計(jì)算機(jī)界中最引人注目和發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。近十年來(lái)，關(guān)于三維醫(yī)</p><p>　　學(xué)圖像的重建和顯示及應(yīng)用已有很多報(bào)道[3,4,5]。在美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的一些大學(xué)及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中，</p>

30、;<p>　　三維重建的研究工作及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)十分活躍[6]。</p><p>　　1991 年美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館委托科羅拉多大學(xué)醫(yī)學(xué)院建立起一個(gè)男人和一個(gè)女人的全部解剖結(jié)構(gòu)</p><p>　　的數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)行人體內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的三維重建提供了所需數(shù)據(jù)來(lái)源；1995 年日本東京大學(xué)的 Hoshino</p><p>　　等領(lǐng)導(dǎo)的小組用物體反射的 M-arr

31、ay Coded 光源影像對(duì)物體表面進(jìn)行三維重建取得進(jìn)展，這種方法可以</p><p>　　用簡(jiǎn)單的設(shè)備完成三維重建；1993 年美國(guó)芝加哥大學(xué) Goshtasby 等進(jìn)行了“應(yīng)用合理的高斯曲線和平面，</p><p>　　進(jìn)行二維、三維圖形的恢復(fù)和設(shè)計(jì)的研究”，目的是使用合理的高斯曲線和平面，來(lái)表示復(fù)雜圖形并證</p><p>　　明用這種方式不需用傳統(tǒng)的風(fēng)格方式

32、而是利用分散設(shè)置的控制點(diǎn)來(lái)恢復(fù)外形的新方法；1995 年美國(guó)哥</p><p>　　侖比亞大學(xué)的 Chehroudi B 帶領(lǐng)的小組對(duì)細(xì)胞的形狀的三維重建進(jìn)行了深入的研究。</p><p>　　法國(guó)醫(yī)學(xué)界宣布了以電腦完成三維空間人體影響處理，為醫(yī)療建立了一個(gè)新的里程碑。韓國(guó)與日</p><p>　　本也先后開(kāi)展了可視化人體的研究。韓國(guó)于 2001 年 1 月開(kāi)始了“

33、可視化人計(jì)劃”。其目標(biāo)是完整獲得</p><p>　　CT、MRI 斷層掃描以及 0.2 毫米精度的組織切片數(shù)據(jù)。該計(jì)劃準(zhǔn)備用 5 年的時(shí)間，完成 4 個(gè)人體的測(cè)</p><p>　　試。這是世界上的第二例嘗試，也是東方第一例有關(guān)人種特征的人體數(shù)據(jù)采集。日本也于 2001 年啟動(dòng)</p><p>　　了為期 10 年的人體測(cè)量國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)建造計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃擬于 201

34、0 年完成 7-90 歲 34000 人 178 個(gè)人體</p><p>　　部位的測(cè)定，制定出日本人的人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究將在日本工業(yè)需要人體數(shù)據(jù)的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。</p><p>　　國(guó)外在此方向上的研究起步較早，也取得了很多成果。近年來(lái)三維重建技術(shù)成為我國(guó)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)</p><p>　　域的新熱點(diǎn)。我國(guó)學(xué)者自 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。國(guó)

35、內(nèi)關(guān)于虛擬人體、虛擬器官的研究</p><p>　　工作已經(jīng)開(kāi)始引起生物醫(yī)學(xué)界的重視。我國(guó)的 301 醫(yī)院、首都醫(yī)科大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)和中科院</p><p>　　自動(dòng)化研究所等單位都長(zhǎng)期致力于這方面的研究，并取得了一定的成果[7]。2001 年 11 月 5 至 7 日在北</p><p>　　京香山舉行的香山科學(xué)會(huì)議第 174 次學(xué)術(shù)討論會(huì)，會(huì)議的主題是“

36、中國(guó)數(shù)字化虛擬人體的科技問(wèn)題”。</p><p>　　與會(huì)專家一致認(rèn)為，數(shù)字化虛擬人體的科學(xué)意義在于將人體結(jié)構(gòu)和功能信息數(shù)字化與可視，在認(rèn)識(shí)人類</p><p>　　身體的結(jié)構(gòu)和功能方面前進(jìn)一大步，使人們能夠以三維形式看到人體數(shù)千個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的大小、形狀、位</p><p>　　置及器官間的相互空間關(guān)系，建立起能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型，使得借助計(jì)算機(jī)的定量分析計(jì)算和

37、</p><p><b>　　精確模擬成為可能。</b></p><p>　　數(shù)字化虛擬人體涉及一系列基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，這是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題。目前在許多</p><p>　　方面已有較多研究積累。另外，由于現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和高性能計(jì)算機(jī)以及高速網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使得我</p><p>　　國(guó)開(kāi)展虛擬人體研究所必需的

38、軟硬件條件已基本具備。建立具有東方人種特征的三維數(shù)字化人體模型，</p><p>　　將為醫(yī)學(xué)研究、教學(xué)與臨床提供形象而真實(shí)的模型，為疾病診斷等醫(yī)療手段的開(kāi)發(fā)提供參考，為有關(guān)人</p><p>　　體的數(shù)字化模擬提供基礎(chǔ)。</p><p>　　目前，世界上有一些國(guó)家已經(jīng)研究出了一些面向臨床應(yīng)用的醫(yī)學(xué)圖像處理與分析系統(tǒng)，如美國(guó)賓夕</p><p&g

39、t;　　法尼亞大學(xué)的MIPG小組的3DViewnix系統(tǒng)、紐約州立大學(xué)的VolVis系統(tǒng)，GE公司的GE Medical System產(chǎn)</p><p>　　品，SIEMENS、東芝、皮克、PHILIPS等公司的圖像處理與分析系統(tǒng)。這些系統(tǒng)很多是依附于影像設(shè)備</p><p>　　廠商提供的，價(jià)格昂貴，有些系統(tǒng)臨床應(yīng)用功能不夠豐富，不能達(dá)到利用MRI，CT等影像設(shè)備進(jìn)行醫(yī)</p>

40、;<p>　　療診斷所需要的諸多功能[8]。</p><p>　　中科院自動(dòng)化所在研發(fā)的 MITK 軟件包基礎(chǔ)之上用六年時(shí)間開(kāi)發(fā)的三維醫(yī)學(xué)圖像處理與分析系統(tǒng)</p><p>　　3DMed，它是一套功能完備的影像醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，可使研究人員自由獲取 CT，MR 等設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用</p><p><b>　　2</b></p&

41、gt;<p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的多角度、多方面的三維重建和可視化，充分利用影像設(shè)備獲取的臨床數(shù)據(jù)為臨床醫(yī)學(xué)</p><p>　　積累更多的素材。由 ECYBER-------北京億仁賽博醫(yī)療設(shè)備有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的 PET 系統(tǒng)，是目前</p><p>　　我國(guó)完全自主開(kāi)發(fā)的第一臺(tái) PET。它采用目前國(guó)際上

42、最先進(jìn)的核醫(yī)學(xué)功能成像技術(shù)，可以在不影響病人</p><p>　　體內(nèi)環(huán)境平衡的生理?xiàng)l件下，研究和診斷人體內(nèi)早期的病理生理和代謝異常與疾病，也是用于臨床上診</p><p>　　斷和指導(dǎo)治療腫瘤、心血管和腦血管這三大威脅人類生命健康疾病的最優(yōu)手段之一[9]。它的推廣應(yīng)用將</p><p>　　極大推動(dòng)影像醫(yī)學(xué)在我國(guó)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)數(shù)字醫(yī)療水平的提高與發(fā)展。但對(duì)于圖像

43、分割和三維顯示等</p><p>　　算法，目前還沒(méi)有一種最好的通用的一些算法。</p><p>　　§1-3 醫(yī)學(xué)圖像三維重建在醫(yī)療中的應(yīng)用</p><p>　　計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）及核磁共振成像（MRI）已廣泛用于疾病的診斷，但是，這些醫(yī)療儀器只能提供人體內(nèi)部的二維圖像。醫(yī)生只能憑經(jīng)驗(yàn)由多幅二維圖像去估計(jì)病灶的大小及形狀，“構(gòu)思”病灶與其周圍組織的三

44、維幾何關(guān)系，這給治療帶來(lái)了困難。醫(yī)學(xué)圖像的可視化就是對(duì)CT、MRI等圖像序列進(jìn)行處理，構(gòu)造出三維幾何模型，將看不見(jiàn)的人體器官能以三維形式“真實(shí)”地顯示出來(lái)?？梢暬夹g(shù)已應(yīng)用于診斷醫(yī)學(xué)、整形與假肢外科手術(shù)規(guī)劃、輻射治療規(guī)劃等技術(shù)中[10]。一、在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用</p><p>　　在臨床和醫(yī)學(xué)研究中CT 圖像、核磁共振圖像和超聲圖像的廣泛應(yīng)用是醫(yī)療診斷有力的手段。利用三維重建技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理、構(gòu)造三維幾何模型，

45、對(duì)重建模型不同方向觀察、剖切，使得醫(yī)生對(duì)感興趣的部位的大小、形狀和空間位置不僅有定性的認(rèn)識(shí)，也可獲得定量的認(rèn)識(shí)。二、 在手術(shù)規(guī)劃及放射治療規(guī)劃中的應(yīng)用</p><p>　　利用放射線殺死或抑制惡性腫瘤需要預(yù)先做出仔細(xì)規(guī)劃，包括劑量計(jì)算和照射點(diǎn)精確定位。如果輻照定位不準(zhǔn)或劑量不當(dāng)，輕則造成治療效果不佳，重則危及周圍正常組織。由CT/MR 圖像序列重建出病變體、敏感組織、重要組織的三維模型。在手術(shù)規(guī)劃中，醫(yī)生可觀察病

46、變體、敏感組織、重要組織的形狀、空間位置，確定科學(xué)的手術(shù)方案。在放射治療中，根據(jù)重建組織的三維幾何描述，進(jìn)行射束安排，使射線照射腫瘤時(shí)不穿過(guò)敏感組織和重要組織，不傷害正常組織或?qū)φ＝M織傷害盡量小，制定出最優(yōu)的治療方案。</p><p>　　三、在整形與假肢外科中的應(yīng)用</p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像重建及可視化技術(shù)在整形外科及假肢設(shè)計(jì)中有著重要應(yīng)用。在整形外科中，特別是顱面外</p&

47、gt;<p>　　科目前已有成功應(yīng)用，如Fialkov等首先將計(jì)算機(jī)輔助立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)（CASS）應(yīng)用于顱面整形外科</p><p>　　中，Hassfeld 等將一套三維定向?qū)Ш较到y(tǒng)成功地應(yīng)用于顱面區(qū)域的手術(shù)，準(zhǔn)確性達(dá)到2mm以內(nèi)。</p><p>　　在假肢設(shè)計(jì)（造型）中，如做髖骨更換手術(shù)之前，先要重建出髖骨及與之接合部位的三維模型，根據(jù)</p><

48、p>　　重建模型設(shè)計(jì)所需髖骨假肢的外形，使之能與病人的個(gè)體特征相吻合，才能減少因假肢形狀差異造成手</p><p><b>　　術(shù)失敗的概率。</b></p><p>　　四、在虛擬手術(shù)及解剖教育中的應(yīng)用</p><p>　　Visible Human 計(jì)劃是由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館發(fā)起，委托科羅拉多大學(xué)醫(yī)學(xué)院建立起一個(gè)男人和一</p

49、><p>　　個(gè)女人的全部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字化圖像庫(kù)（CT、MRI圖像）。通過(guò)這些資源，研究者可以分析和重建人</p><p>　　體內(nèi)部的各種器官或組織并進(jìn)行三維顯示，建立起具有真實(shí)感的虛擬人體。并可對(duì)重建的虛擬人體進(jìn)行</p><p><b>　　3</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p>

50、<p>　　各種剖切、透明效果設(shè)置等，便于了解人體各組織器官的解剖結(jié)構(gòu)。這對(duì)醫(yī)學(xué)教育及解剖分析起著重要</p><p><b>　　作用。</b></p><p>　　虛擬手術(shù)是一極具挑戰(zhàn)性的課題，它涉及圖形學(xué)、視覺(jué)、力學(xué)、機(jī)器人學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域?？?lt;/p><p>　　視現(xiàn)實(shí)（Visual-realism）和實(shí)時(shí)交互是虛擬手術(shù)

51、的基本要求，它首先重建人體組織器官的三維幾何模型，</p><p>　　由幾何模型加上生物、力學(xué)等方面的知識(shí)構(gòu)建其物理模型、動(dòng)力學(xué)模型、變形模型、有限元模型等。虛</p><p>　　擬手術(shù)可模擬整個(gè)手術(shù)過(guò)程，對(duì)于醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)學(xué)研究、檢驗(yàn)手術(shù)方案的可行性與科學(xué)性等方面有著重</p><p><b>　　要意義。</b></p>&

52、lt;p>　　§1-4 本論文研究的主要意義</p><p>　　綜上所述，國(guó)外在此方面的研究起步較早，取得了很多成果。國(guó)內(nèi)在此方面的研究起步較晚，但</p><p>　　也取得了一些可喜的成果。但對(duì)于一些圖像處理技術(shù)，比如圖像分割、圖像配準(zhǔn)、圖像融合等技術(shù)還存</p><p>　　在許多問(wèn)題，也就是說(shuō)沒(méi)有一種理想的方法來(lái)進(jìn)行三維模型的顯示。本論文主

53、要以醫(yī)學(xué)圖像研究為背景，</p><p>　　通過(guò)對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的圖像處理技術(shù)的研究以及醫(yī)學(xué)圖像三維重建方法的研究，必將促進(jìn)我國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用水</p><p>　　平的提高，同時(shí)提高醫(yī)用領(lǐng)域的臨床水平和教學(xué)水平。</p><p>　　本論文主要以研究醫(yī)學(xué)圖像的三維重建為背景，討論了圖像分割以及圖像三維重建的原理、實(shí)現(xiàn)算</p><p>　　法和實(shí)現(xiàn)

54、方法。這些工作不僅因?yàn)楫?dāng)前醫(yī)院觀察者所迫切需要，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，它在飛機(jī)、</p><p>　　汽車、艦船制造業(yè)以及建筑業(yè)、輕工產(chǎn)品、外形包裝等方面都有著很大的應(yīng)用價(jià)值，能夠減少設(shè)計(jì)費(fèi)用</p><p>　　和縮短設(shè)計(jì)周期，創(chuàng)造出大的經(jīng)濟(jì)效益等等；并且對(duì)現(xiàn)有人工智能化發(fā)展也具有決定性作用。因此，本</p><p>　　文的研究與開(kāi)發(fā)具有極高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的

55、應(yīng)用前景。</p><p>　　§1-5 本論文的主要工作</p><p>　　本文研究的目標(biāo)就是要完成整個(gè)系統(tǒng)由分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的通用醫(yī)學(xué)圖</p><p>　　像三維重建系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，各類之間層次關(guān)系清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、</p><p><b>　　易于理解。<

56、;/b></p><p>　　本文主要對(duì)圖像獲取，圖像分割，邊緣檢測(cè)，圖像三維重建算法進(jìn)行了深入研究，并對(duì)各種算法做</p><p>　　出了比較分析。同時(shí)對(duì) VTK 類庫(kù)也進(jìn)行了深入研究。</p><p><b>　　論文的主要工作：</b></p><p>　　第一章 緒論 分析了醫(yī)學(xué)圖像三維重建及可視化的國(guó)內(nèi)

57、外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了進(jìn)行本論文研究的主要意義和主要工作；第二章 醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù) 研究了圖像預(yù)處理技術(shù)，對(duì)圖像分割、邊緣檢測(cè)方法中的各種算法進(jìn)行了比較分析；第三章 規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維模型構(gòu)建 分析了規(guī)則數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建方法，并對(duì)面繪制和體繪制的各種方法進(jìn)行了比較分析； 第四章 開(kāi)發(fā)方法的研究 介紹圖像處理算法所需的基本類庫(kù) VTK；第五章 基于 VTK 類庫(kù)的醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 主要介紹了系統(tǒng)的功能以及結(jié)構(gòu)流程，詳細(xì)介紹了各

58、功能的實(shí)現(xiàn) ；第六章 總結(jié)及展望 。</p><p><b>　　4</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　第二章 醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)</p><p><b>　　§2-1 引言</b></p><p>　　隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，信息

59、化、數(shù)字化已經(jīng)進(jìn)入各行各業(yè)和人們生活中的許多方面，醫(yī)療行</p><p>　　業(yè)也不知不覺(jué)的進(jìn)入了數(shù)字化和信息化時(shí)代，我們可以看到 CT、MRI、彩超等大型的數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備</p><p><b>　　在醫(yī)院中廣泛使用。</b></p><p>　　因此由于信息源的多樣性，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的形式也并不相同，但絕大多數(shù)的是以圖像形式存在的，只</p

60、><p>　　是表現(xiàn)形式不同。所以根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)的不同的表現(xiàn)形式，對(duì)其進(jìn)行不同的分析、處理與操作。</p><p>　　由于三維重建并不是把所得到的圖像內(nèi)容全部進(jìn)行重建，而是選擇所需要的部分進(jìn)行處理。而且從</p><p>　　CT、MRI等設(shè)備上獲得的數(shù)字圖像有很多缺陷，例如邊界不清、有噪聲點(diǎn)等等。因此并不能用所獲得</p><p>　　的圖

61、像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行三維重建，必須對(duì)其進(jìn)行一定的處理。這就是數(shù)據(jù)的預(yù)處理。</p><p>　　輸入的三維數(shù)據(jù)還可以是計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)，也可以是實(shí)驗(yàn)、測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括數(shù)值數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)、測(cè)量數(shù)據(jù)包括數(shù)值數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)如表示溫度、速度、強(qiáng)度等。幾何數(shù)據(jù)用來(lái)表示對(duì)象的形狀，包括點(diǎn)、線、多邊形、曲面等。圖像數(shù)據(jù)通常以點(diǎn)陣數(shù)據(jù)形式表示，如衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)，醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)或者計(jì)算機(jī)生

62、成的光柵掃描圖像數(shù)據(jù)等。因此，三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理就是對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的。</p><p>　　對(duì)于普通的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理主要包括以下四個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容：</p><p>　?。?） 數(shù)據(jù)格式及其標(biāo)準(zhǔn)化；</p><p>　?。?） 數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言和操縱語(yǔ)言；</p><p>　?。?） 數(shù)據(jù)變換技術(shù)；</p>&

63、lt;p>　?。?） 數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮技術(shù)。</p><p>　　對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)預(yù)處理可以包括以下幾方面：（1）數(shù)據(jù)規(guī)范化；（2）濾波處理；（3）平滑；</p><p>　?。?）坐標(biāo)變換、幾何變換、線性變換；（5）插值；（6）分割與邊緣檢測(cè)等。</p><p>　　為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范化，應(yīng)首先對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，然后再對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等操作，從而實(shí)&l

64、t;/p><p>　　現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化。因此，本章主要針對(duì)醫(yī)學(xué)上常用的幾種格式DICOM、BMP、TIFF、JPEG作為代表進(jìn)行</p><p>　　解析，然后以這些醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)文件為基礎(chǔ)，分析了醫(yī)學(xué)圖像重建的預(yù)處理技術(shù)需要的各種方法，并對(duì)各種</p><p>　　方法進(jìn)行了比較分析，從而系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。</p><p>　　§2-2 醫(yī)

65、學(xué)數(shù)據(jù)文件的解析</p><p>　　醫(yī)學(xué)影像作為人體的信息源是目前最大容量的人體信息載體，已經(jīng)可以對(duì)人體的形態(tài)、生理參數(shù)和</p><p>　　心理參數(shù)成像，而這些信息對(duì)腫瘤的診斷和治療都是非常重要的。目前臨床上已廣泛使用的成像模態(tài)有</p><p>　　X—射線成像，核磁共振成像（MRI）、核醫(yī)學(xué)成像（NMI）和超聲波成像（UI）四種。每種成像模態(tài)</p&

66、gt;<p>　　可以提供人體的一小部分信息，包括平面成像、斷層成像和動(dòng)態(tài)信息。</p><p><b>　　5</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p>　　而且，影像設(shè)備自身帶的計(jì)算機(jī)一般是各生產(chǎn)廠家專用的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不盡相同，常見(jiàn)格式有</p><p>　　DICOM、T

67、IFF、BMP、JPEG等。圖像的傳輸方式可用磁帶、光盤和網(wǎng)絡(luò)。所以綜上所述，由于現(xiàn)在還</p><p>　　存在著各種各樣的原因，來(lái)自于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的醫(yī)學(xué)圖像，即信息源，還是有各種不同的類型，不能達(dá)</p><p><b>　　到完全的統(tǒng)一。</b></p><p>　　2-2-1 BMP文件解析</p><p>　　

68、BMP 文件：是 Microsoft Windows 所定義的圖像文件格式，最早應(yīng)用在 Microsoft 公司的 Microsoft</p><p>　　Windows 窗口系統(tǒng)。眾所周知，Microsoft Windows 現(xiàn)今已成為 PC 機(jī)環(huán)境下窗口系統(tǒng)的事實(shí)上的工業(yè)</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)，因而 BMP 圖像文件格式也越來(lái)越受到人們關(guān)注，在 Windows 環(huán)境中運(yùn)行的圖形圖像

69、軟件都支持</p><p>　　BMP 圖像格式[11]。</p><p>　　BMP 圖像文件有下列五個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　（1） 該結(jié)構(gòu)只能存放一幅圖像；</p><p>　?。?） 只能存儲(chǔ)四種圖像數(shù)據(jù)：?jiǎn)紊?6 色、256 色、全彩色；</p><p>　?。?） 圖像數(shù)據(jù)有壓縮或不壓縮兩種處理方式；

70、</p><p>　　（4） 調(diào)色板的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)較為特殊；</p><p>　?。?） Windows 設(shè)計(jì)了兩種壓縮方式：RLE4 和 RLE8。RLE4 只能處理 16 色圖像數(shù)據(jù)；而 RLE8 則只</p><p>　　能壓縮 256 色圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　　BMP 圖像文件的文件結(jié)構(gòu)可分為三部分：表頭、調(diào)色板和圖像數(shù)據(jù)。表

71、頭長(zhǎng)度固定為 54 個(gè)字節(jié)。</p><p>　　而只有全彩色 BMP 圖像文件內(nèi)沒(méi)有調(diào)色板數(shù)據(jù)，其余不超過(guò) 256 種顏色的圖像文件都必須設(shè)定調(diào)色板</p><p>　　信息，可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。對(duì)于 BMP 圖像文件的顯示，16 色 BMP 圖像與 256 色圖像的掃描行數(shù)據(jù)</p><p>　　組織都是從左上角開(kāi)始。只是 16 色圖像采用緊縮像素法，每像素占用

72、二分之一個(gè)字節(jié)，即 4bits，而 256</p><p>　　色圖像的每一個(gè)像素占用一個(gè)字節(jié)。</p><p>　　2-2-2 TIFF 文件解析</p><p>　　TIFF 文件是“Tag Image File Format”的縮寫(xiě)，是由 Aldus 公司與微軟公司共同開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的圖像文件格式[12]。它有如下特點(diǎn)：</p><p>　　

73、（1） 善于應(yīng)用指針的功能，可以存儲(chǔ)多幅圖像；</p><p>　?。?） 文件內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)沒(méi)有固定的排列順序，只規(guī)定表頭必須在文件前端，對(duì)于標(biāo)識(shí)信息區(qū)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)在文件中可以隨意存放；</p><p>　　（3） 可制定私人用的標(biāo)識(shí)信息；</p><p>　　（4） 除了一般圖像處理常用的 RGB 模式之外，TIFF 圖像文件還能夠接受 CMYK、YcbCr 等多種不

74、同的圖像模式；</p><p>　?。?） 可存儲(chǔ)多份調(diào)色板數(shù)據(jù)；</p><p>　　（6） 調(diào)色板的數(shù)據(jù)類型和排列順序較為特殊；</p><p>　?。?） 能提供多種不同的壓縮數(shù)據(jù)的方法，便于使用者選擇；</p><p>　?。?） 圖像數(shù)據(jù)可分割成幾個(gè)部分分別存檔。</p><p><b>　　6&l

75、t;/b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　TIFF 圖像文件主要由三部分組成：表頭、標(biāo)識(shí)信息區(qū)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)。文件內(nèi)固定只有一個(gè)表頭，</p><p>　　且一定要位于文件前端。表頭有一個(gè)標(biāo)志參數(shù)指出標(biāo)識(shí)信息區(qū)在文件中的存儲(chǔ)地址，而標(biāo)識(shí)信息區(qū)也有</p><p>　　一組標(biāo)識(shí)信息，用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)區(qū)的地址。

76、標(biāo)識(shí)信息區(qū)內(nèi)有多組標(biāo)識(shí)信息，每組標(biāo)識(shí)信息長(zhǎng)度固定為</p><p>　　個(gè)字節(jié)。前 8 個(gè)字節(jié)分別代表標(biāo)識(shí)信息的代號(hào)（2 字節(jié)）、數(shù)據(jù)類型（2 字節(jié)）、數(shù)據(jù)量（4 字節(jié)）。最后 4 個(gè)字節(jié)則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值或標(biāo)志參數(shù)。文件有時(shí)還存放一些標(biāo)識(shí)信息區(qū)容納不下的數(shù)據(jù)，例如調(diào)色板數(shù)據(jù)就是其中的一項(xiàng)。 由于應(yīng)用了標(biāo)志的功能，TIFF 圖像文件才能夠?qū)崿F(xiàn)多幅圖像的存儲(chǔ)。若文件內(nèi)只存儲(chǔ)一幅圖像，則將標(biāo)識(shí)信息區(qū)內(nèi)容置 0，表示文件內(nèi)無(wú)

77、其他標(biāo)識(shí)信息區(qū)，只存儲(chǔ)單幅的 TIFF 圖像文件結(jié)構(gòu)。若文件內(nèi)存放多幅圖像，則在第一個(gè)標(biāo)識(shí)信息區(qū)末端的標(biāo)志參數(shù)，將是一個(gè)值非 0 的長(zhǎng)整數(shù)，表示下一個(gè)標(biāo)識(shí)信息區(qū)在文件中的地址，只有最后一個(gè)標(biāo)識(shí)信息區(qū)的末端才會(huì)出現(xiàn)值為 0 的長(zhǎng)整數(shù)，表示圖像文件內(nèi)不再有其他的標(biāo)識(shí)信息區(qū)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)。</p><p>　　2-2-3 JPEG 文件解析</p><p>　　JPEG(Joint Photogr

78、aphic Experts Group)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)、國(guó)際電話電報(bào)咨詢委員會(huì)(CCITT)</p><p>　　和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)為連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像所建立的第一個(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　圖像壓縮的目的在于減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、傳輸時(shí)間和費(fèi)用。JPEG 在壓縮與解壓縮的處理過(guò)程中，</p><p>　　一般采用無(wú)失真和有失真兩種方

79、式[13,14]。無(wú)失真方式壓縮比較低，采用有失真方式能提供很高的壓縮比，</p><p>　　但壓縮比越高，失真程度也越大。JPEG 壓縮算法的使用者能夠調(diào)整壓縮參數(shù)，以盡量減少圖像質(zhì)量的</p><p>　　降低而使壓縮比增大。JPEG 具有適中的計(jì)算復(fù)雜性，從而使得壓縮算法既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可用硬</p><p>　　件實(shí)現(xiàn)，并且具有較好的實(shí)用性能。<

80、/p><p>　　JPEG 標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種不同性能的系統(tǒng)：基本系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng)。基本系統(tǒng)采用順序工作方式，在</p><p>　　熵編碼階段使用哈夫曼編碼方法來(lái)降低冗余度，解碼器只存儲(chǔ)兩個(gè)哈夫曼表。擴(kuò)展系統(tǒng)提供增強(qiáng)功能，</p><p>　　它是基本系統(tǒng)的擴(kuò)展，使用累進(jìn)方式工作，編碼過(guò)程中采用自適應(yīng)的算術(shù)編碼。其壓縮和解壓過(guò)程如圖</p><p>

81、;　　2.1、圖 2.2 所示。</p><p>　　圖 2.1 壓縮流程</p><p>　　Fig.2.1 Flow of compression</p><p><b>　　7</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p>　　圖 2.2 解壓流程</p>

82、<p>　　Fig.2.2 Flow of decompression</p><p>　　2-2-4 DICOM 文件解析</p><p>　　DICOM標(biāo)準(zhǔn)的提出使得醫(yī)學(xué)圖像及各種數(shù)字信息在計(jì)算機(jī)之間的傳遞有了一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，</p><p>　　DICOM標(biāo)準(zhǔn)不但規(guī)定了通訊的標(biāo)準(zhǔn)，也規(guī)定了醫(yī)學(xué)圖像特定的存儲(chǔ)格式。DICOM文件一般由一個(gè)</

83、p><p>　　DICOM文件頭和一個(gè)DICOM數(shù)據(jù)集構(gòu)成,在DICOM文件頭中包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息，DICOM文</p><p>　　件的信息主要集中在數(shù)據(jù)集部分。DICOM數(shù)據(jù)集又由數(shù)據(jù)元素組成，數(shù)據(jù)元素主要由4個(gè)部分組成：標(biāo)</p><p>　　簽(tag號(hào))數(shù)據(jù)長(zhǎng)度VL(ValueLength)數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)描述(ValueRepresentation)(

84、這部分是可選的)組成</p><p>　　[15,16,17]。不同的標(biāo)簽規(guī)定了后續(xù)數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)實(shí)體的內(nèi)容，數(shù)據(jù)元素按標(biāo)簽的升序排列構(gòu)成數(shù)據(jù)集，</p><p><b>　　如圖2.3所示。</b></p><p>　　DICOM文件解析目的是通過(guò)分析符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像的文件中各數(shù)據(jù)元素，從給定的序列文</p>&l

85、t;p>　　件中按標(biāo)簽號(hào)逐個(gè)提取出重建中需要用到的信息，分析判斷各圖片之間的空間關(guān)系，構(gòu)造數(shù)據(jù)場(chǎng)，作為</p><p>　　可視化系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖2.3 DICOM文件格式</p><p>　　Fig.2.3 The file format of DICOM</p><p><b>　　8</

86、b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　§2-3 圖像的預(yù)處理技術(shù)</p><p>　　醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)無(wú)誤讀取后，如何從中提取我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)</p><p>　　顯示是該學(xué)科的另外一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。圖像預(yù)處理技術(shù)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，以期得到最好的顯示效</p&g

87、t;<p>　　果。常用的預(yù)處理技術(shù)有濾波、增強(qiáng)、恢復(fù)、插值以及縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等幾何變換技術(shù)。幾何變換可</p><p>　　以方便用戶從不同角度、多方位地觀察圖像。濾波、增強(qiáng)、恢復(fù)操作可以消除影像數(shù)據(jù)中的噪聲，提高</p><p>　　圖像的質(zhì)量，譬如對(duì)X射線或磁共振的數(shù)據(jù)等進(jìn)行濾波處理，以消減圖像數(shù)據(jù)中的噪聲，突出感興趣的</p><p><

88、;b>　　生物組織。</b></p><p>　　2-3-1 平滑（濾波）處理的基本方法</p><p>　　在醫(yī)學(xué)圖像的獲取過(guò)程中，由于影像設(shè)備中各電子器件的隨機(jī)擾動(dòng)和周圍環(huán)境的影響，使圖像多少</p><p>　　含有噪聲和失真，影響了組織的分割與提取，因而需用濾波處理來(lái)增強(qiáng)圖像特征。</p><p>　　當(dāng)輸入圖像信號(hào)

89、混入噪聲，想要用濾波方法把噪聲全部濾除而不損失原信號(hào)的強(qiáng)度幾乎是不可能</p><p>　　的。因此，對(duì)濾波處理的要求有兩條：</p><p>　　最大限度地保持信號(hào)不受損失，不能損壞圖像的輪廓及邊緣等重要信息；</p><p>　　盡可能多地濾除噪聲，使圖像清晰，視覺(jué)效果好。</p><p>　　根據(jù)濾波空間的不同，可以把濾波分為實(shí)平面上的

90、濾波和付平面上的濾波。在我們開(kāi)發(fā)的三維重建</p><p>　　系統(tǒng)中，采用實(shí)平面上的濾波方法進(jìn)行處理。實(shí)平面上的濾波方法常用的有以下三種：</p><p><b>　　一、鄰域平均法</b></p><p>　　對(duì)于圖像中的每一個(gè)象素，取一個(gè)以它為中心的區(qū)域，用該區(qū)域內(nèi)各象素灰度的加權(quán)平均值取代該</p><p>　　

91、象素的灰度值，這就是鄰域平均法。具體的做法是取一個(gè)方形區(qū)域，稱為平滑窗口（Window）或掩膜</p><p>　?。∕ask），它是權(quán)值的二維陣列。濾波過(guò)程是用窗口在圖像上滑動(dòng)，窗口中心對(duì)著的象素根據(jù)下面式</p><p>　　子(2.1)來(lái)更新其灰度值。當(dāng)每個(gè)象素都被掃描一次之后，對(duì)一幅圖像的平滑就完成了。這是實(shí)平面上</p><p>　　對(duì)圖像進(jìn)行平滑的一種最

92、簡(jiǎn)單的方法。</p><p>　　設(shè)f(i,j)是一幅待平滑的圖像，平滑窗口為W的大小為(2N+1) ×(2N+1)，</p><p>　　則平滑后的圖像可以表示為</p><p><b>　　(2.1)?</b></p><p>　　其中， Wuv 是權(quán)值。我們可以對(duì)窗口內(nèi)的權(quán)值進(jìn)行歸一化，即使權(quán)值之和等于一

93、。</p><p><b>　　9</b></p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　這樣，公式(2.1)只剩下分子項(xiàng)。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，窗口越大，平滑能力就越強(qiáng)。但是，噪聲的消除程度和圖像

94、原有信號(hào)的衰減程度皆與窗</p><p>　　口的大小成正比，因此并不是窗口越大越好。實(shí)際中常用的有3×3和5×5兩種掩膜。3×3窗口又可分為4-</p><p>　　鄰域和8-鄰域。如圖2.4所示的三種平滑窗口。</p><p>　　圖2.4 平滑(濾波)窗口</p><p>　　Fig.2.4 Smoothn

95、ess (Filter) windows</p><p><b>　　二、中值濾波法</b></p><p>　　由于鄰域平均法在消除噪聲的同時(shí)會(huì)將圖像中的一些細(xì)節(jié)模糊掉。如果既要消除噪聲又要保持圖像</p><p>　　的細(xì)節(jié)，可以使用中值（median）濾波[18]。中值濾波是一種有效的非線性濾波，常用于消除隨機(jī)脈沖噪聲。它的基本思想是：在

96、圖像上滑動(dòng)一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)象素的窗口，對(duì)該窗口所覆蓋象素的灰度按大小進(jìn)行排序，處在灰度序列中間的那個(gè)灰度值稱為中值，用它來(lái)代替窗口中心所對(duì)應(yīng)象素的灰度。</p><p><b>　　三、保持邊緣濾波法</b></p><p>　　前面介紹的兩種濾波方法在抑制噪聲的同時(shí)都或多或少地鈍化了邊緣，使圖像清晰度下降。我們希望在濾除噪聲的同時(shí)保持邊緣不被平滑掉。保持邊緣的濾波器就

97、是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的而設(shè)計(jì)的。如果在濾波之前能夠檢測(cè)出邊緣，那么只要對(duì)那些沒(méi)有邊緣的圖像區(qū)域進(jìn)行平滑。然而，邊緣是很難可靠地檢測(cè)出來(lái)的。尤其是在噪聲嚴(yán)重的情況下，更是無(wú)法區(qū)分哪些是真實(shí)的邊緣哪些是噪聲造成的偽邊緣。</p><p>　　圖2.5 多邊形區(qū)域</p><p>　　Fig.2.5 Polygon area</p><p><b>　　10<

98、/b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　2-3-2 斷層圖像間插值</p><p>　　隨著新一代的CT 及MRI 設(shè)備的產(chǎn)生，二維切片圖像的分辨率不斷提高，斷層不斷變薄，已經(jīng)接</p><p>　　近并超過(guò)計(jì)算機(jī)顯示的分辨率。但是，當(dāng)斷層圖像間的距離比斷層圖像內(nèi)象素間的距離大得多時(shí)，就需</p>

99、;<p>　　要用圖像插值方法在原來(lái)的斷層圖像之間再插值生成一些中間斷層圖像。在我們的重建系統(tǒng)中，分割和</p><p>　　重建出來(lái)的組織和器官，待照射射束安排后，要送到劑量計(jì)算部分進(jìn)行劑量計(jì)算與評(píng)價(jià)。為便于劑量計(jì)</p><p>　　算，要求每個(gè)體素為正方體。因此，我們的斷層圖像就要插值成各向同性，即經(jīng)插值后的斷層圖像序列</p><p>　　中斷

100、層間距等于斷層圖像內(nèi)象素間距。</p><p>　　圖像插值是一個(gè)具有很大任意性的問(wèn)題，為了使圖像插值成為一個(gè)確定、可解的問(wèn)題，通常引入下</p><p>　　面三個(gè)約束條件[19]：</p><p>　　（1）插值圖像要與原始斷層圖像相似；</p><p>　　（2）插值圖像與兩個(gè)原始斷層圖像的相似度應(yīng)該分別和它與這兩個(gè)斷層圖像的距離成反比

101、關(guān)系；</p><p>　?。?）插值圖像序列應(yīng)該呈現(xiàn)出從一幅原始斷層圖像到另一幅原始斷層圖像的漸變過(guò)程。 基于匹配的斷</p><p>　　層插值方法最簡(jiǎn)單的插值方法是對(duì)上下兩個(gè)相鄰的斷層圖像進(jìn)行加權(quán)平均，產(chǎn)生一組插值圖像。線性加</p><p>　　權(quán)平均的圖像插值方法可描述如下：</p><p>　　設(shè)fk(i,j),fk+1(i,j)

102、 分別是第k 層和第k+1 層切片圖像。它們之間的插值圖像可表示為</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　其中，λ = d1/(d1 + d2), d1、d2 分別是插值圖像到第k、k+1 層圖像的距離。</p><p>　　當(dāng)斷層間距與斷層圖像內(nèi)象素間距相差不是很大時(shí)，采用這種插值方法是可行的。但是，當(dāng)斷層間&l

103、t;/p><p>　　距與象素間距相差很大時(shí)，這種線性加權(quán)插出的圖像模糊不清，其原因是兩個(gè)相鄰斷層圖像中處于同一</p><p>　　位置的象素不一定對(duì)應(yīng)同一種物質(zhì)，它們的加權(quán)平均沒(méi)有什么意義。</p><p>　　對(duì)斷層間距較大的插值，一種較好的方法是基于匹配的圖像插值。</p><p>　　斷層圖像的匹配包括彈性匹配（Elastic Matc

104、hing）、形變匹配（Deformable Registration）等。根據(jù)</p><p>　　不同的匹配建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)行斷層圖像的插值。</p><p>　　假設(shè) f1 (i1 , j1 ) 和 f 2 (i2 , j2 ) ， (i1 ,i2 ? 0,1,, m ?1; j1 , j2 ? 0,1,, n ?1) 是兩個(gè)相鄰的斷層圖像，</p><p

105、>　　: (i1 , j1 ) ? (i2 , j2 ) 是用彈性匹配方法的道德從圖像 f1 到圖像 f 2 的匹配關(guān)系。那么，我們可以在</p><p>　　f1 (i1 , j1 ) 和 f 2 (i2 , j2 ) 之間構(gòu)造一系列等間距的插值圖像 nk (i, j), (k ? 1,2,, l ?1) ，</p><p>　　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究</p>&

106、lt;p>　　利用上述公式，我們可以對(duì)斷層圖像進(jìn)行基于匹配的插值。</p><p>　　兩種插值方法各有不同的特點(diǎn)，在不同的情況下使用。線性加權(quán)插值法產(chǎn)生的插值圖像比較模糊質(zhì)</p><p>　　量較差但插值速度較快，而基于匹配的插值算法雖然生成的插值圖像質(zhì)量較好，但是消耗時(shí)間太長(zhǎng)，比</p><p>　　較費(fèi)時(shí)。因此，當(dāng)前在醫(yī)學(xué)圖像三維重建中兩種插值方法仍然

107、都在使用。</p><p>　　2-3-3 圖像增強(qiáng)技術(shù)</p><p>　　圖像增強(qiáng)的目的是采用某種技術(shù)手段，改善圖像的視覺(jué)效果，或?qū)D像轉(zhuǎn)換成更適合于人眼觀察和</p><p>　　機(jī)器分析識(shí)別的形式，以便從圖像中獲取更有用的信息。圖像增強(qiáng)與感興趣物體特性、觀察者的習(xí)慣和</p><p>　　處理目的相關(guān)，因此，圖像增強(qiáng)算法應(yīng)用是有針對(duì)性

108、的，并不存在通用的增強(qiáng)算法。</p><p>　　圖像增強(qiáng)的基本方法[20]如下：</p><p>　　①空域處理：常見(jiàn)的處理包括圖像灰度變換、直方圖均衡、偽彩色處理，線性、非線性平滑和銳化</p><p><b>　　等。</b></p><p>　?、陬l域處理：高/低通濾波、同態(tài)濾波等。</p><

109、;p>　　空域處理中的圖像灰度變換、直方圖均衡、偽彩色處理其實(shí)是點(diǎn)運(yùn)算，它將輸入圖像f(x,y)中的灰</p><p>　　度r,通過(guò)映射函數(shù)T映射成輸出圖像g(x,y)中的灰度s，與圖像像素位置及被處理像素鄰域灰度無(wú)關(guān)。其</p><p>　　映射函數(shù)和變換如下：</p><p>　　2-3-4 圖像恢復(fù)技術(shù)</p><p>　　圖像

110、恢復(fù)技術(shù)是圖像處理領(lǐng)域一類重要的處理技術(shù)，與圖像增強(qiáng)等其他圖像處理技術(shù)類似，該技術(shù)</p><p>　　也是以獲取視覺(jué)質(zhì)量得到某種程度改善為目的的，所不同的是圖像恢復(fù)過(guò)程需要根據(jù)指定的圖像退化模</p><p>　　型來(lái)完成，根據(jù)這個(gè)退化模型，對(duì)在某種情況下退化或惡性循環(huán)化了的退化圖像進(jìn)行恢復(fù)，以獲取到原</p><p>　　始的、未經(jīng)過(guò)退化的原始圖像。換句話說(shuō)，圖

111、像恢復(fù)和處理過(guò)程實(shí)際是對(duì)退化圖像品質(zhì)的提升，并通過(guò)</p><p>　　圖像品質(zhì)的提升來(lái)達(dá)到圖像在視覺(jué)上的改善。</p><p>　　2-3-5 圖像幾何變換技術(shù)</p><p><b>　　一、圖像縮放</b></p><p>　　圖像縮放是圖像處理中一個(gè)性不可少的功能，它是根據(jù)條件對(duì)圖像進(jìn)行放大、縮小處理的操作。在&

112、lt;/p><p>　　進(jìn)行縮放的同時(shí)要保證整個(gè)圖像均勻縮放，使圖像質(zhì)量得到保證。實(shí)現(xiàn)圖像縮放的常用方法是線性插值，</p><p>　　即親圖像中的每一個(gè)點(diǎn)用一個(gè)線性映射來(lái)映射到原圖像中的像素點(diǎn)。</p><p><b>　　二、圖像旋轉(zhuǎn)</b></p><p>　　圖像旋轉(zhuǎn)是把整個(gè)圖像轉(zhuǎn)過(guò)一定角度的操作，要求保持圖像中像

113、素的相對(duì)位置不變。通常在旋轉(zhuǎn)中</p><p>　　有一些像素會(huì)被轉(zhuǎn)進(jìn)來(lái)（即原來(lái)在視圖區(qū)之外的點(diǎn)進(jìn)入到了視圖區(qū)內(nèi)）。對(duì)于轉(zhuǎn)進(jìn)來(lái)的這些點(diǎn)，需要進(jìn)</p><p><b>　　12</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士論文</p><p>　　行特殊的處理，因?yàn)闆](méi)有辦法在原來(lái)的圖像中獲得它們的值，只有人為設(shè)定。<

114、;/p><p><b>　　三、圖像轉(zhuǎn)置</b></p><p>　　圖像轉(zhuǎn)置是把圖像的x-y翻轉(zhuǎn)的操作，即它是一種特殊的旋轉(zhuǎn)操作，只是旋轉(zhuǎn)的角度限定為直角。</p><p><b>　　四、圖像平移</b></p><p>　　圖像平移也是圖像操作中的一種基本功能。它是將圖像沿x軸或者y軸方向移動(dòng)一定

115、距離的操作。</p><p>　　平移算法比較簡(jiǎn)單，只要找到新圖像的點(diǎn)在原圖像中的對(duì)應(yīng)位置，然后把信息保存就可以了。</p><p><b>　　§2-4 圖像分割</b></p><p>　　所謂圖像分割是指將圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域區(qū)分開(kāi)來(lái)，這些區(qū)域是互相不交叉的，每一</p><p>　　個(gè)區(qū)域都滿足

116、特定區(qū)域的一致性。從處理對(duì)象角度來(lái)講，分割在圖像矩陣中對(duì)所關(guān)心的目標(biāo)的定位。</p><p>　　顯然，只有用這種方法把“感興趣的目標(biāo)物體”從復(fù)雜的景象中提取出來(lái)，才有可能進(jìn)一步對(duì)各</p><p>　　個(gè)子區(qū)域進(jìn)行定量分析或者識(shí)別，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行理解。圖像分割可用特征的包括：圖像灰度、顏色、</p><p>　　紋理、局部統(tǒng)計(jì)特征或頻譜特征等，利用這些特征的差別可

117、以區(qū)分圖像中不同目標(biāo)物體。既然我們只能</p><p>　　利用圖像信息中某些部分特征分割區(qū)域，因此各種方法必然帶有局限性和針對(duì)性，只能針對(duì)各種實(shí)際應(yīng)</p><p>　　用領(lǐng)域的需求來(lái)選擇合適的分割方法。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的醫(yī)學(xué)圖像分割方法[21，22，23，24，25]有基于區(qū)域的圖像分割、基于邊緣的圖像分</p><p