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论文题目：论文题目：论文题目： 论文题目： 医学超声图像三维重建算法研究医学超声图像三维重建算法研究医学超声图像三维重建算法研究 医学超声图像三维重建算法研究 作者姓名：作者姓名：作者姓名： 作者姓名： 赵赵赵 赵 奇奇奇 奇 入学时间：入学时间：入学时间： 入学时间： 200720072007 2007 年年年 年 9 9 9 9 月月月 月 专业名称：专业名称：专业名称： 专业名称： 信号与信息处理信号与信息处理信号与信息处理 信号与信息处理 研究方向：研究方向：研究方向： 研究方向： 图像处理与分析图像处理与分析 指导教师：指导教师：指导教师： 指导教师： 白白白 白 培培培 培 瑞瑞瑞 瑞 职职职 职 称：称：称： 称： 副教授副教授副教授 副教授 论文提交日期：论文提交日期：论文提交日期： 论文提交日期： 201020102010 2010 年年年 年 5 5 5 5 月月月 月 论文答辩日期：论文答辩日期：论文答辩日期： 论文答辩日期： 201020102010 2010 年年年 年 6 6 6 6 月月月 月 授予学位日期：授予学位日期：授予学位日期： 授予学位日期： t t t t hehehe he researchresearchresearch research ofofof of 3d3d3d 3d reconstructionreconstructionreconstruction reconstruction algorithmalgorithmalgorithm algorithm ofofof of medicalmedicalmedical medical ultrasoundultrasoundultrasound ultrasound imageimageimage image s s s s a a a a dissertationdissertationdissertation dissertation submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of mastermastermaster master ofofof of philosophyphilosophyphilosophy philosophy fromfromfrom from shandongshandongshandong shandong universityuniversityuniversity university ofofof of sciencesciencescience science andandand and technologytechnologytechnology technology b b b b y y y y zhaoqizhaoqizhaoqi zhaoqi supervisor:supervisor:supervisor: supervisor: associateassociateassociate associate professorprofessorprofessor professor baibaibai bai peiruipeiruipeirui peirui collegecollegecollege college ofofof of informationinformationinformation information andandand and electricalelectricalelectrical electrical engineeringengineeringengineering engineering maymaymay may 201020102010 2010 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公认的本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公认的文文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术 机关作鉴定。机关作鉴定。 硕士生签名：硕士生签名： 日日期：期： affirmation i i i i declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of mastermastermaster master ofofof of philosophyphilosophyphilosophy philosophy ininin in shandongshandongshandong shandong universityuniversityuniversity university ofofof of sciencesciencescience science andandand and technology,technology,technology, technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. thethethe the documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been submittedsubmittedsubmitted submitted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. signature:signature:signature: signature: d d d d ate:ate:ate: ate: 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要摘要摘要 摘要 超声三维成像技术以其显示直观、可以定量测量多种参数成为现代超声成像技术发 展的一个重要方向。其中，结合三维超声数据采集方式的三维重建算法开发是核心工作。 本文主要对基于xmatrix矩阵探头的三维超声成像技术的重建算法进行研究。 论文首先对医学超声三维图像的典型重建算法进行了回顾和综述，包括面绘制算法 （surface rendering）和体绘制算法（volume rendering）两大类。在此基础上，对两类 算法的特点和适用场合进行了分析比较。相比较而言，面绘制算法只能保留表面信息， 丢失了大量的数据内部信息，而体绘制算法可以较完整的保留整个数据信息，是当前可 视化研究的热点。 其次，结合xmatrix矩阵探头的数据采集特点，从提高重建速度和效果出发，对传统 体绘制算法ray casting提出了改进方案。改进思路是利用超声数据的像空间相关性和均 匀性,自适应地调整空间采样率。通过专用超声仿体（model055）的实验测试结果，表 明论文提出的改进算法在有效保留重建图像质量的同时，明显提高了计算速度。 最后，论文初步完成了超声图像可视化系统的软件设计，力求交互界面更加人性化、 简便化。在功能上集成了包括传统面绘制算法、体绘制算法和改进的体绘制算法，为后 续三维重建算法的测试、开发和应用提供了一个良好的平台。 关键字关键字：三维超声成像，体绘制，三维重建，自适应光线投射法 山东科技大学硕士学位论文abstract abstractabstractabstract abstract ultrasound three-dimensional imaging technology has become an important direction of modern ultrasonic imaging technology, with its visual display and quantitative measurement of many parameters. the core work is the development of three-dimensional reconstruction algorithm combined with the three-dimensional ultrasound data acquisition methods. this paper mainly studies of the reconstruction algorithm ofthree-dimensional ultrasonic imaging technology based on xmatrix transducer. firstly, this paper reviewed and summarized the typical reconstruction algorithm of medical ultrasound three-dimensional image, including surface rendering algorithm and volume rendering algorithm. this paper analyzed and compared the characteristics and applicability of the two kinds of algorithm. comparatively speaking, volume rendering algorithmistheresearch hotspot of current visualization. secondly, this paper put forward improvement oftraditional volume rendering algorithm (ray casting), according to data collection characteristics of the xmatrix transducer and improving the effect and velocity of reconstruction. the main ideaisto adjust space sampling rate adaptively, using the correlation and uniformity of image space. the test results of special ultrasonic imitation (model055) show thatthe improved algorithm retains image quality and improves calculation speed obviously. finally, this paper preliminarily fulfilled the software design of ultrasound images visualization system, trying to make theinteractive interface humanization and handy. it provides a good platform for testing, development and application of the subsequent three- dimensional reconstruction algorithm, because of integrating of traditional surface rendering algorithm, volume rendering algorithm and improved volume rendering algorithm. keywords:keywords:keywords: keywords: three-dimensional ultrasonic imaging, volume rendering,three-dimensional reconstruction,adaptiveray casting method 山东科技大学硕士学位论文目录 目录目录目录 目录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1 课题研究的背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.2 1.3 本文的研究重点和所作的工作.3 2超声成像技术.4 2.1 超声成像的优点.4 2.2 超声成像基本原理.5 2.3 超声成像的主要工作参数.6 2.4 3d 超声扫描技术.8 3医学超声图像三维重建.15 3.1 三维重建算法概述.15 3.2 表面绘制算法.16 3.3 面绘制算法的优缺点.21 3.4 体绘制算法.22 3.5 体绘制常用算法比较.25 3.6 体绘制加速技术.26 4自适应光线透射法.29 4.1 引言.29 4.2 raycasting 的物理模型.29 4.3 改进的光线投射法.30 4.4 实验与结果讨论.32 4.5 本章小结.35 5三维超声图像处理与分析系统的设计与实现.36 5.1 mitk 的特点和应用.36 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2 mitk 的整体计算框架.36 5.3 重建系统的设计目标和结构.37 5.4 raycasting 算法在 mikt 中的实现.39 5.5 本章小结.42 6结束语.43 6.1 本文完成的主要工作.43 6.2 展望.43 主要参考文献.45 致谢.49 攻读硕士期间发表的论文及研究成果.50 山东科技大学硕士学位论文contents contentscontentscontents contents 1 1 1 1 introductionintroductionintroduction introduction . . . . . . . . .1.1.1 .1 1.1 background and significance of the study.1 1.2 the present condition of the study. 2 1.3 main research work of this paper.3 2 2 2 2 u u u u ltrasoundltrasoundltrasound ltrasound imagingimagingimaging imaging techniquestechniquestechniques techniques . . . . 4 4 4 4 2.1advantages of three-dimensional ultrasound imaging.4 2.2 the basic principles of ultrasound imaging.5 2.3 the main operating parametersof ultrasound imaging.6 2.4 technology of 3d ultrasound scanning.8 3 3 3 3 three-dimensionalthree-dimensionalthree-dimensional three-dimensional reconstructionreconstructionreconstruction reconstruction ofofof of medicalmedicalmedical medical ultrasoundultrasoundultrasound ultrasound imagesimagesimages images 151515 15 3.1 overviews about three-dimensional reconstruction algorithm.15 3.2 surface rendering.16 3.3advantages and disadvantages of the surfacerendering.22 3.4 volumerendering.22 3.5 comparison of common algorithms of thevolume rendering.25 3.6 volumerendering acceleration techniques26 4 4 4 4 improvedimprovedimproved improved r r r r ayayay ay c c c c astingastingasting asting a a a a lgorithmlgorithmlgorithm lgorithm . . . . 292929 29 4.1 introduction.29 4.2 physical model of theray casting.29 4.3 improved ray casting algorithm.30 4.4 experiment and result discussion.32 4.5 summary of this chapter.35 5 5 5 5 systemsystemsystem system designdesigndesign design andandand and implementationimplementationimplementation implementation basedbasedbased based ononon on mitkmitkmitk mitk .36.36.36 .36 5.1 characteristic and application of mitk.36 5.2 whole computation frameof mitk.37 5.3 design goals and structureof reconstruction system39 5.4 implementation of ray casting in mitk.41 山东科技大学硕士学位论文contents 5.5 summary of this chapter.44 6 6 6 6 concludingconcludingconcluding concluding remarkremarkremark remark . . . . 454545 45 6.1 major work completed in this paper.45 6.2 prospect.45 mainmainmain main referencesreferencesreferences references . . . . .47.47.47 .47 acknowledgementsacknowledgementsacknowledgements acknowledgements . . . . 515151 51 mmm m ainainain ain workworkwork work achievementachievementachievement achievement ofofof of thethethe the authorauthorauthor author duringduringduring during workingworkingworking working ononon on mastermastermaster master paperpaperpaper paper . . . . 525252 52 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1.11.11.1 1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 课题研究的背景及意义 1.1.11.1.11.1.1 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 自从德国科学家伦琴在 1895 年发明 x 射线以来，ct（计算机断层成像） 、mri（核 磁共振成像） 、us（超声成像） 、电子内窥镜等现代医学影像设备先后出现，使得传统的 医学诊断方式发生了革命性地变化。使用计算机对医学影像设备采集到的医学影像进行 处理这一技术成为医学影像处理与分析，它可以辅助医生进行更好、更准确的诊疗12。 随着现代计算机科学技术的发展，医学影像处理与分析越来越多的受到人们的重视，现 在已经成为一门新兴的发展迅速的交叉科学领域3。 与其他医学诊断方式相比，医学超声影像技术具有无损害、无痛苦、无电离辐射、 价格低廉、可反复进行、适合软组织诊断等优势，发展迅速，成为国内外研究和应用的 热点，也逐渐形成了具有特色的一门综合学科4 5。 医学超声影像技术随着声学物理技术、现代计算机技术的发展而迅速发展。从早期 的a型、m型一维超声到实时二维超声，从二次谐波到超声造影介入性超声，从彩色多 普勒和能量多普勒显像到动态三维超声等新技术，在诊断学及治疗学中发挥着日益重要 的作用。超声医学图像可视化也随之发展起来，研究与应用方兴未艾6 7。 1.1.21.1.21.1.2 1.1.2 课题研究意义课题研究意义 随着医学超声图像采集设备从机械扫描到电子扫描，从一维探头到二维阵列探头的 不断发展，产生的大量医学超声数值数据，无法及时和有效的被利用，在此背景下，医 学超声可视化(visualization in scientific computing)技术应运而生。它主要是指运用计算 机图形学、计算机视觉和图像处理技术将医学设备及实验得到的数值数据转换为图形图 像的形式在屏幕上显示出来，并进行交互处理。最后被医生高效利用，辅助诊疗8。 超声成像作为一种非入侵式的、安全的医学检查方法，可以对各种不同的组织、器 官进行无损伤检查，比x射线、计算机断层成像、核磁共振成像等更安全，尤其是对于 孕妇、婴幼儿的检查9。传统的超声成像系统虽然能提供人体断面的二维图像，但临床 医生要在自己的脑子里重构出人体的三维结构还需要有相当的经验。这一现状直接影响 着临床诊断的准确性和治疗的有效性。三维重建技术使得医生能够更加直观、定量的分 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 析人体器官，加强图像中原有的各种细节，从而帮助医生做出正确的诊断10。 近年来为提高医学超声三维重建效率、改善成像质量、节省存储空间提出了许多改 进算法，也出现了许多算法平台，如vtk、itk11等。由于超声影像领域的研究涉及的 面非常宽，研究本身需要多学科的交叉，这就导致系统的超声图像处理理论研究和平台 开发非常困难，但是一旦研究成功，受益面将非常大，今后的发展前途非常广阔。 1.21.21.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 国内外研究现状 医学图像三维重建是目前研究的一个热点问题，是一个多学科交叉的研究领域，它 涉及计算机图形学、数字图象处理以及医学领域的相关知识，是计算机图形学和图象处 理在生物医学工程中的重要应用。随着计算机技术和影像处理技术的发展，超声技术的 研究和应用也得到了飞速的发展。 1953 年出现了超声心动图描记法，即目前的 m 型超声心动图。1957 年成功地应用 机械旋转探头（p 型）伸入直肠探查并摄制下腹腔内的断层像。1958 年开始对眼球进行 扇形扫描检查。1967 年提出电子扫描法，同年提出相控阵扫描法。1982 年彩色血流多普 勒成像研究获得巨大成功。1990 年奥地利成功研制三维扫描器。图像处理算法的研究领 域目前都已经有很多成熟的算法，并且新的算法还在不断的出现。一些研究组织为了更 好的利用现有的算法，开发了许多算法平台，如 vtk，itk。外国很多知名品牌公司也 在开发平台基础上研发出了相对完善和先进的医学图像处理软件，并用于商业运作，但 是，价格非常昂贵。例如美国通用电气公司（ge） 、德国tomtec 公司的 echoscan 系统、 奥地利kretz 公司生产的voluson系统、hp公司 sonos2500及 sonos5000、 日本aloka 公司的 ssd-1700 等12 13 14。总之，目前超声成像技术处于方兴未艾之际，仍在不断的 发展中。 1958年我国医学界开始了超声诊断的探索，20世纪60年代a型超声诊断在我国医院 已相当普及，1964年我国自行设计的仪器开展了血管的多普勒观察，20世纪80年代以来 b型实时超声显像技术迅速推广。1989年年底我国研制成第一台彩色多普勒血流成像仪 15 16。近年来，浙江大学、清华大学、东南大学、中科院自动化所等在医学图像三维重 建及可视化研究方面均作了大量研究，并开发了一些医学实验系统17。而基于二维超声 图像的三维重建成像系统还不成熟，国内外都还在研究摸索中。 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 1.31.31.3 1.3 本文的研究重点和所作的工作本文的研究重点和所作的工作本文的研究重点和所作的工作 本文的研究重点和所作的工作 本文主要研究医学超声三维重建技术，在研究超声成像原理、超声扫描技术、图像 噪声特点以及预处理的基础上，主要对 ray casting 算法提出了改进，在不损害图像质量 的前提下，提高了超声三维重建的速度，并且开发一个集成了各种经典分割算法，三维 重建和测量算法的处理系统。 另外， 本文的研究内容是山东省自然基金项目 “基于 2d 阵 列换能器的三维超声成像技术研究”和研究生创新基金项目“医学超声图像的体绘制三 维重建算法研究”内容的重要组成部分。 第一章是绪论，概述了本论文立题的意义，以及国内外在此研究方向上的研究和应 用的现状。 第二章主要对医学超声成像技术进行一个综述。主要包括超声成像的优点、超声成 像的基本原理、超声成像系统的主要工作参数以及三维超声扫描技术等方面。这些原理 和技术是进一步超声图像三维重建的基础和理论依据。 第三章主要对医学图像三维重建的方法进行了分类和概述，系统总结并介绍了医学 图像三维的两类方法：表面绘制算法和体绘制算法，并对比分析了各种算法的优缺点， 最后列出了体绘制算法常用的几种加速理论。 第四章主要介绍了一种体绘制算法光线投射法（ray casting）算法原理。并针 对医学超声图像具有信噪比低和对比度低的特点，通过利用超声数据的像空间相关性和 均匀性，提出自适应调整采样频率，对光线投射法改进。实验结果表明，本文提出的改 进算法在保留了绘制图像质量的基础上明显提高了计算速度。 第五章主要介绍 mitk 的特点和应用，并在 mitk 平台上实现集超声图像去噪、分 割、 重建、测量等算法的软件操作系统。 并给出了 ray casting 算法实现的部分关键代码 。 第六章对本论文的主要研究成果和结论作了概述， 指出了今后需要进一步开展的工作。 山东科技大学硕士学位论文超声成像技术 4 2 2 2 2 超声成像技术超声成像技术超声成像技术 超声成像技术 三维超声成像技术发展过程是根据数据采集方式的不同大致可分为三代。第一代三 维超声成像技术是声、磁定位方式采集超声数据，这种方式只能获得静态三维图像。第 二代三维超声成像技术是绕固定轴旋转或转动的方式采集超声数据，这种方式可以显示 心脏的运动，但是重建过程比较耗时，在临床上不实用。第三代三维超声成像技术是采 用 xmatrix 矩阵探头采集超声数据，可以达到 20 帧/秒的实时绘制的帧频要求，是目前 临床应用的趋势。 超声成像是采用脉冲回波技术，利用超声波在组织界面处的反弹特性，显示人体脏 器的二维或三维图形的成像系统18。它是继 x 线成像技术后，在医学上发展最为迅速应 用又十分广泛的成像方法。本章将对超声成像的优点、超声成像的基本原理、超声成像 系统的主要工作参数以及 3d 超声扫描技术等方面论述。这些原理和技术是进一步超声 图像三维重建的基础和理论依据。 2.12.12.1 2.1 超声成像的优点超声成像的优点超声成像的优点 超声成像的优点 近年来，超声成像技术迅速发展，并在临床上得到广泛应用，主要因为超声成像具 有如下优势19 20 21： 1、 图像显示直观。利用超声成像系统，医生可以在屏幕上直观地看到脏器的轮廓和大 小，还可以利用计算机图形学方法从不同角度显示脏器的切面或整体，这将有助于 医生更全面的了解病情，也大大提高疾病诊断的准确性。 2、 精确测量。心室容积，心内膜面积等数据参数是心血管疾病诊断的重要依据，只有 基于脏器的三维结构信息，这些参数的测量才有可靠的依据。能模拟手术径路，为 外科医师提供更多的术前信息。 3、 准确定位病变组织。能从不同方向观察感兴趣结构三维超声成像可以向医生提供肿 瘤尤其是肝、肾等器官在体内的空间位置及其三维形态，从而为进行体外超声治疗 和超声导向介入性治疗手术提供依据，这将有利于避免在治疗中损伤正常组织。 4、缩短数据采集时间。成功的三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据， 并存入计算机医生可以通过计算机存储的图像进行诊断，而不必要在病人身上反复 山东科技大学硕士学位论文超声成像技术 5 用二维探头扫描，从而缩短了看病的时间。 2.22.22.2 2.2 超声成像基本原理超声成像基本原理超声成像基本原理 超声成像基本原理 超声回波成像原理，是根据超声波在传播路径上遇到介质的不均匀界面时能发生反 射的物理特性，向人体发射超声脉冲。由于人体组织和脏器具有不同的声束和声阻抗， 使超声波在界面上反射回波，检测出这些回波信号，对其进行放大和处理，最后在显示 器上显示，即得到脉冲回波的图像22。 下面以三种不同介质为例，说明其成像原理，如图 2.1 所示。换能器在电脉冲激励 下，产生一个持续时间很短的超声脉冲波，由表面进入介质 1 中，此时荧光屏上显现出 一个发射脉冲波。超声脉冲将以恒速在介质 1 中传播，此时荧光屏上的光电自左向右开 始扫描，当超声脉冲到达介质 1 和介质 2 的分界面时，由于界面的不均匀性，超声脉冲 便产生反射，但因为两种介质的声学特性差异不大，所以大部分超声脉冲的能量将穿过 界面 1 继续向前传播。当换能器接收到界面 1 反射回波信号时，便转换成电信号，经电 子线路对信号放大和处理后送到显示器，就能同时出现两个脉冲波形如图。如上所述， 当界面 2 的反射回波信号到达换能器时，便可同时显示三个脉冲波形。每两个回波信号 间的距离（时间）与想应介质的厚度成比例。 由于脉冲发出后，到达界面再返回到换能器，实际经历了来回往返的路程，所以， 声源至界面的路程 l 为 （2.1） 2 ct l 式中：c 为声波在介质中的传播速度； t 为发出超声波到接收到界面回波