基于颅部医学图像的三维重建技术研究

摘要

由于人体组织器官的形态多样、结构复杂，传统的二维断层数据已经不能满足人们在医学诊断方面的需求，使得三维重建技术成为了当今医学研究的一个热点。利用三维重建技术，将计算机断层扫描、核磁共振等二维医学数据构造成可交互的三维图像，可以多角度全方位显示人体内部的复杂结构。因此医学三维重建技术在医疗诊断、手术规划等方面具有很好的学术价值和应用前景。基于人体头部结构的复杂性，研究了体绘制、面绘制等三维重建算法，根据“可对头部二维医学图像进行三维重建、且能对重建结果切割”的需求，设计了一套三维医学重建系统。
　　首先从数据源、算法、软件平台三个方面综述当前三维重建技术的发展，讨论系统设计中要使用的算法和算法平台;对Marching Cubes算法展开探索与研究，深入讨论了Marching Cubes算法的二义性问题，并在渐近线判别法的基础上提出一种改进方法。
　　接着，阐述了光线投射法的原理和流程，对传统的基于体素标量值和梯度幅值的二维体绘制传递函数进行了研究，针对其特征少、不能有效区分物质类别的缺点，设计了一种基于极限学习机的多维体绘制传递函数并进行实验，绘制效果得到明显改善。
　　最后，设计开发了一个医学图像三维重建系统，并对多组医学数据进行实验。系统可以很好的实现病人信息的提取、单幅DICOM的显示和调整、面绘制、体绘制和虚拟切割等功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题目的和意义

1．3 医学三维重建技术的应用

1．4 国内外研究现状

1．4．1 医学可视化数据源的研究

1．4．2 三维重建算法的研究

1．4．3 医学影像算法平台的研究

1．5 用于三维成像的医学数字图像

1．5．1 CT图像

1．5．2 核磁共振(MRI)

1．6 论文的研究内容及组织安排

第2章 基于面绘制的三维重建

2．1 三维重建技术简介

2．2 用于表面绘制的Marching Cubes算法

2．2．1 体素的数学模型

2．2．2 等值面

2．2．3 三角面片连接方式

2．2．4 等值点以及三角面片的法向量计算

2．2．5 用于颅脑图像MC算法的实现过程

2．2．6 实际应用中MC算法二义性问题

2．2．7 二义性问题的消除

2．2．8 针对人体颅部医学图像的实验结果

2．3 针对表面模型的切割方法

2．3．1 表面模型的平面切割

2．3．2 对表面绘制的三角面片进行分类

2．3．3 计算切割轨迹

2．3．4 实验结果

2．4 本章小结

第3章 基于体绘制的三维重建

3．1 光线投射法

3．1．1 光学模型

3．1．2 光线投射法原理

3．2 二维体绘制传递函数的研究与设计

3．2．1 传递函数基本概念

3．2．2 基于体数据标量值和梯度幅值的二维传递函数

3．2．3 实验结果与分析

3．3 基于人工神经网络的多维传递函数模型

3．3．1 极限学习机

3．3．2 基于极限学习机的多维传递函数设计

3．3．3 实验结果与分析

3．4 本章小结

第4章 医学图像三维重建系统的设计

4．1 系统开发环境

4．1．1 Qt技术介绍

4．1．2 开发平台搭建

4．2 医学三维重建系统的实现

4．2．1 DICOM文件的读取和解析模块

4．2．2 面绘制模块

4．2．3 体绘制模块

4．2．4 交互切割

4．3 实验测试

4．3．1 图像的读取

4．3．2 单幅DICOM文件的显示和调整

4．3．3 面绘制

4．3．4 体绘制

4．3．5 虚拟切割

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢