面向快速成型技术的医学图像三维重建系统的研究与开发

摘要

快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。而快速成型技术与医学CT技术的结合给医学界带来了巨大的影响。通过对医学CT图像的三维重建将患者的病患组织重建成三维模型，进而利用快速成型技术加工制造成患者的病患组织模型，以满足医学上不同的需要。目前，医学图像三维重建技术是快速成型技术在医学中应用领域的一个研究热点，在医学诊断、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。因此，对医学图像三维重建技术的研究，具有重要的学术意义和应用价值。 本文研究了医学图像的三维重建技术，其主要内容包括医学图像的读取、医学图像的预处理、医学图像的分割及目标组织的提取等。在此基础上，开发了一套医用CT成像系统与快速成型系统的接口软件。 在医学图像的读取研究中，本文以DICOM格式作为医学图像的主要输入格式，相应地开发了医学图像的输入模块；在预处理研究过程中，本文分别研究了几种不同的医学图像滤波方法和图像插值方法，并对不同方法的效果进行了比较。 正确的分割是重建模型能够正确表达重建的组织或器官的前提。由于分割的不适定性，即没有一种通用的分割方法适用于任何图像的分割，因此本文针对医学图像的特点，提出了相应的分割方法：即首先观察医学图像的直方图，利用分水岭法初步确定阈值；查看目标组织与周围组织在边界处的像素值，交互选取阈值，将图像二值化；然后根据目标组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修整；最后用区域增长法填充要提取的组织区域。 MarchingCubes(MC)算法是基于规则体数据抽取等值面的经典算法，而MarchingTetrahedra(MT)算法是MC算法的改进和变型。本文实现了这两种算法对分割提取的区域抽取等值面构建表面模型，并针对MT算法存在重建速度慢、数据存储冗余等缺点，提出了体素内相关性处理和体素间相关性处理方法，加快了重建速度。 在理论研究的基础上，本文开发了医用CT成像系统与快速成型系统的接口系统。首先对系统的功能进行模块划分，分析了其程序流程，制定了相应的处理步骤。该系统实现了医学图像的输入，预处理，分割与插值，体数据的存储，等值面抽取，快速成型加工系统标准输入文件(STL格式文件)的生成等。

目录

文摘

英文文摘

学位论文版权使用授权书及声明

第一章绪论

1.1快速成型技术简介

1.2课题研究背景及意义

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要工作

第二章医学图像三维重建技术综述

2.1几种典型的三维重建技术

2.1.1面绘制技术

2.1.2体绘制技术

2.1.3混合绘制技术

2.2各类算法的特点与适用范围

2.3本文使用三维重建技术的流程简述

2.4小结

第三章医用CT图像预处理与分割

3.1 CT图像的获取、格式与输入

3.1.1 CT图像的获取

3.1.2 DICOM标准与图像存储格式

3.2 CT图像预处理

3.2.1图像滤波

3.2.2断层图像之间的插值

3.2.3三维规则体数据的数据结构设计

3.3 CT图像分割

3.3.1阈值分割法

3.3.2数学形态学在分割方面的应用

3.3.3区域增长法进行组织提取

3.3.4分割结果与分析

3.4小结

第四章 医学组织模型的三维重建

4.1体素模型与等值面定义

4.1.1体素模型

4.1.2等值面定义

4.2 Marching Cubes算法提取等值面

4.2.1 MC算法的基本原理

4.2.2 MC算法生成等值面的近似表达与连接的二义性

4.2.3 二 义性的消除

4.3 Marching Tetrahedra算法提取等值面

4.3.1 MT算法的基本原理

4.3.2四面体剖分的一致性处理

4.3.3相关性处理加速MT重建速度

4.4小结

第五章面向快速成型技术的医学图像三维重建软件系统的开发

5.1三维重建软件系统的模块划分及程序流程

5.1.1模块划分

5.1.2程序流程

5.2三维重建软件系统的开发环境及界面

5.3应用实例

5.4小结

第六章医学组织模型的快速成型制造

6.1快速成型接口文件的生成

6.2快速成型工艺的选择

6.3重建组织的快速成型制作

6.3小结

第七章结论与展望

7.1全文工作总结

7.2今后工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文