面向斷層醫(yī)學(xué)圖像的三維重建與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)(如計算機斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)及核磁共振圖像(MRI)數(shù)據(jù))的可視化技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展如今已經(jīng)作為醫(yī)學(xué)圖像處理中研究的熱點問題之一。三維重建是醫(yī)學(xué)圖像可視化的最直觀的方法。要實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建，首先就要對圖像數(shù)據(jù)進行處理，以便從中提取出感興趣的器官、組織或病變體的外輪廓，從而實現(xiàn)這些被提取出的器官、組織或病變體的三維重建，重建出模型，達到輔助治療、手術(shù)規(guī)劃、教學(xué)模型和假肢設(shè)計等目的。在醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃中，應(yīng)用逆

2、向工程技術(shù)生成病人組織的三維數(shù)字模型，進而利用快速成型技術(shù)制作手術(shù)模型，醫(yī)生在此基礎(chǔ)上進行診斷及手術(shù)，能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時間，節(jié)省費用，提高手術(shù)的安全性。本文的核心研究問題是斷層醫(yī)學(xué)圖像的三維重建。 本文首先回顧了逆向工程和醫(yī)學(xué)圖像的三維重建的研究背景，并對斷層數(shù)據(jù)的采集方法做了說明。介紹了數(shù)字圖像處理、醫(yī)學(xué)圖像重建和CAD模型的轉(zhuǎn)換方法和研究現(xiàn)狀。本文以此為背景，主要對斷層醫(yī)學(xué)圖像上的輪廓線的提取和曲面的幾何重建

3、及其相關(guān)技術(shù)進行了研究和實現(xiàn)，主要包括斷層圖像的圖像增強和降噪處理，邊緣檢測和輪廓線提取，曲面重建算法和三維表面模型轉(zhuǎn)換，以及曲面重建過程中的輪廓匹配和分支問題的解決方法。 針對醫(yī)學(xué)圖像對比度低、噪聲較大、灰度緩慢變化的特點，本文首先利用灰度均衡算法進行預(yù)處理，以提高圖像的對比度，然后利用中值濾波保持邊緣信息的平滑效果和小波變換良好的局部化特性和其固有的多尺度特性，通過中值濾波和小波變換結(jié)合的方法對圖像進行增強處理。實驗表明該算

4、法取得了較好的效果，而且可以處理低質(zhì)量或邊緣模糊的醫(yī)學(xué)圖像。 邊緣輪廓提取是三維重建的一個主要的前期處理過程。利用Canny算子和邊界跟蹤在提取單像素輪廓方面有較好的效果，具體針對醫(yī)學(xué)圖像邊緣輪廓提取的特點，提出了一種利用迭代的改進Canny邊緣檢測和邊界跟蹤來提取圖像的輪廓線的方法，提取出單像素和連續(xù)封閉的邊緣輪廓。 文中第四章介紹了文中曲面重建的理論基礎(chǔ)--B樣條曲線曲面的知識。介紹了曲線曲面的定義、性質(zhì)、正算和反算

5、方法。文中接著對輪廓線表面重建方法--基于B樣條曲面的表面重建進行了研究。首先分析了型值點獲取中的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括特征點的選取和采樣點的確立。依據(jù)曲率特征首先提取各層特征點，對其重采樣使每行(列)獲得統(tǒng)一的采樣點數(shù)。再對采樣點插值得到非均勻雙三次B樣條曲面。最后，在一定控制精度下對曲面依據(jù)距離特征進行節(jié)點插入，通過最小二乘逼近法算出新的控制頂點，從而得到誤差在容許范圍內(nèi)的逼近曲面。根據(jù)斷層輪廓的特點，本算法綜合運用了周期B樣條和非周期

6、B樣條，討論了封閉曲面和非封閉曲面的計算方法。另外插值和逼近的結(jié)合應(yīng)用使該算法考慮到了曲面重建的精度，減少了計算量。除此之外，文中還對重建表面模型向CAD實體模型的轉(zhuǎn)換過程進行了研究。 文中接著研究了復(fù)雜曲面重建中遇到的兩類關(guān)鍵技術(shù)問題--輪廓匹配和分支問題。文中給出了多輪廓曲面重建和含有復(fù)雜嵌套問題的多輪廓曲面重建時的匹配方法：通過建立輪廓樹，確定輪廓的內(nèi)外屬性以及輪廓之間的相互嵌套關(guān)系，并縮小輪廓匹配的搜索范圍；在輪廓樹的基