医学图象三维表面重建技术研究博士生秦绪佳导师

1、医学图象三维重建及可视化技术研讨秦绪佳浙江大学CADCG国家重点实验室2001.9.28.1 绪论 1.1 引言 1.2 基于三维数据的建模与可视化 1.三维数据的来源与分类 2.三维数据建模及可视化研讨内容 数据预处置 建模 绘制与显示 . 3.数据建模技术综述 三维几何模型 基于三维数据的建模方法 1)基于断层轮廓的外表重建 2)基于体素的等值面重建 3)几何变形模型 4)体素建模 . 1.3 医学图象三维重建技术综述 1 医学图象的预处置 2 医学图象的分割 3 三维重建方法 4 模型的网格简化 . 1.4 医学图象三维重建在医疗中的运用 1 在医疗诊断中的运用 2 在手术规划及放射治疗

2、规划中的运用 3 在整形与假肢外科中的运用 4 在虚拟手术及解剖教育中的运用. 1.5论文背景及主要任务 1 论文背景及研讨意义 2 本文的主要任务 1) 图象预处置，组织器官分割与提取 2) MC、MT算法构建外表几何模型 3) 模型外表网格简化，剖切与开窗 4) 由外表几何模型转换成实体几何模型 5) 适用于适形放射治疗规划的医学图象 三维重建系统的开发. 2医学图象预处置与人体组织的分割医学图象预处置 分割流程 图2.1 三维医学图象分割流程 . 2.2 CT、MRI图象的获取与输入 2.2 二维图象处置与规那么体数据封装 1 二维图象滤波 (1) 邻域平均法 (2) 中值滤波法 (3)

3、 坚持边缘滤波法 . 2 断层图象间插值 3 三维规那么体数据封装 (1) 内存记录方式 (2) 体数据文件格式 图2.4 体数据内存记录方式 . 2.3 交互分割过程 1 三维图象二值化 . 二值化结果 图2.8 断层图象二值化结果. 2 数学形状学操作进展区域修整 (1) 二值形状学操作简述 (a) 原图象 (b)构造元素 (c)对原图象的腐蚀 (d)对腐蚀图象的膨胀 图2.9 开启操作 (a)原图象 (b)构造元素 (c)对原图象的膨胀 (d)对膨胀图象的腐蚀 图2.10闭合操作 . 3 种子填充法进展组织提取 图2.12 交互分割结果 图2.13 对分割区域的重建 .3 基于规那么体数

4、据的三维外表模型的构建 3.2.1 体素模型 (a) 方向无关的三线性插值模型 (b) 方向有关的三线性插值模型图3.1 体素模型 . 3.2.2 等值面IsoSurface定义 1三线性插值结果 2等值面定义等值面是三次曲面. 3.3 挪动立方体Marching Cubes算 法抽取等值面 1 MC算法的根本原理 a 体素中等值面剖分方式确实定 1 如立方体顶点的数据值等值面的值，那么定义该顶点位于等值面之外，记为“0； 2 如立方体顶点的数据值等值面的值，那么定义该顶点位于等值之内，记为“1。 8个顶点，每个顶点共有2个形状，因此共256种组合形状 根据互补对称性, 256 128 根据旋

5、转对称性， 256 15 (1)体素中由三角片逼近的等值面计算 (2)三角片各顶点法向量计算. . 2 等值面衔接方式上的二义性 (a)衔接方式二义性的二维表示 (b) 衔接方式二义性的三维表示 图3.5 拓扑不一致呵斥孔隙 图3.4 MC方法的二义性 . 3.3.3 渐近线判别法消除二义性. 3.3.4 MC算法的重建结果及分析 256256109MRI表皮重建 b12812893CT颅骨重建 c12812893CT表皮重建 三角面片：696889顶点：347322三角面片：187559顶点：94015三角面片：799顶点：69331 图3.8MC算法重建的外表模型 . 3.4 挪动四面体M

6、arching Tetrahedra算法抽取等值面 3.4.1 MT算法的根本原理 图3.9 立方体的四面体剖分 图3.10 四面体中的等值面 . 3.4.2 四面体剖分的一致性处置 图3.11 立方体剖分为四面体的不同方式 图3.12 两相邻立方体剖分不一致时共有面的剖分情况 图3.13相邻立方体公共面上的剖分一致性 . 3.4.3 相关性处置加速MT重建速度 1 体素内的相关性处置 2 体素间的相关性处置 图3.14 剖分后立方体的顶点及棱边编号 . 3.4.4 MT算法的重建结果及分析 (a) 128128113CT颅骨重建 b104185220CT脚骨骼重建 (c) 128128113

7、CT表皮重建 三角面片：423998顶点：211905三角面片：365858顶点：183056三角面片：331290顶点：165808图3.15MT算法重建的外表模型.4.三维模型的网格简化与模型的剖切 4.2 基于边收缩的网格简化算法 1 网格简化算法简述 1抽样Sampling 2自顺应细分(Adaptive subdivision) 3删除 (Decimation) 4顶点合并 Vertex merging . 2 基于边收缩的网格简化算法Hoppe采用显式能量函数EM来度量简化网格与原始网格的逼近度Hoppe96：其中Edist(M)为M的间隔能量，它定义为点集到网格的间隔平方：Esp

8、ring(M)为弹性能量，这相当于在的每条边上均放置一条弹性系数为k的弹簧，即： Escalar(M)度量M的标量属性的精度，而Edisc(M)那么度量了M上视觉不延续的特征线如边境限、侧影轮廓线等的几何精度。 . 边收缩过程表示图 (a)收缩前 (b)收缩后 图4.1边收缩过程. 4 网格简化结果 MT重建结果 简化50 简化90简化90外表绘制. MC重建结果简化50简化85 简化85外表绘制.4.3 三维模型的剖切 4.3.1 模型三角面片的剖切处置 1 平面方程确实定 ax + by + cz + d = 0 . 2 三角面片与剖切平面的求交检测 定义空间一点PX,Y,Z, 定义“间隔

9、D： D = aX + bY + cZ + d 那么有： 1假设 D0，P点处在A半空间； 2假设 D0，P点处在平面上； 3假设 D0，P点处在B半空间。 图 4.6切面与三角面片的交 . 3 三角面片与剖切面的切割运算 4 外表模型的剖切 (1)边表和顶点表均为动态链表构造 (2)外表模型的剖切计算 class Cedge class CedgeVertex. 4.4 剖切截面的生成 4.4.1 边境多边形包含关系检测与确定 1 封锁环的检出 2 封锁轮廓的包含性检测 . 夹角之和检验法: . 4.4.2 剖切面区域的三角剖分 1.恣意平面多边形Delaunay三角剖分表示图图4.11 图

10、4.7对应轮廓的三角剖分 . 4.5 手术开窗操作 开窗操作普通是用立方体或棱柱对重建模型进展切割，模型处于剖切体之内的部分被切割掉，之外的部分被保管下来。. 4.6 实验结果分析 图4.12模型的剖切与开窗 (a)剖切 (b)开窗 (c)开窗. 5 由基于轮廓重建的外表模型构建实体几何模型 5.1 引言 5.2 相关任务 1提取边境轮廓线 2提取轮廓线上的特征点 3轮廓对应 4三维外表重建 . a轮廓线 b根底轮廓外表模型 c左分支外表模型 d右分支外表模型 图5.3 轮廓及外表子模型 .5.3 实体几何模型的构建 1 边境模型的数据构造 图5.4 系统B- rep模型的数据构造及半边的构造

11、表示 . 2 实体外型的根本操作 欧拉特征关系： 其中v、e、f、s、h分别代表顶点、边、小面、壳和孔。根本的欧拉操作包括如下互逆的5对：MVFS，MEV，MEF，MEKR，KFMRH；KVFS，KEV，KEF，KEMR，MFKRH。其中M表示构造，K表示删除，S、E、V、F、R、H分别表示体、边、顶点、面、环、孔。 . 3 由轮廓重建的外表模型重建实体几何模型的方法 用图5.10(a)的外表模型阐明构建实体的主要步骤： (a) (b) .b光照图 图5.11 实体模型 a线框图 实体几何模型的构建结果.6 适用于适形放射治疗规划的医学图象三维重建系统的开发 图象输入 二维图象预处置 图象分割

12、与提取 三维重建 CT/MRI 滤波、插值 自动分割、手工勾画 MC、MT外表重建 病变体投影轮廓照射射束设置 效果显示 几何操作由此计算光栅廓线 放射治疗规划 颜色、半透明 剖切、手术开窗 图6.1三维重建过程表示图. 重建系统构造 图6.2系统构造 . 系统程序流程 图 6.3 系统程序流程 . 系统数据构造 图6.4 系统数据构造 . 系统界面 . 治疗射束安排与光栅轮廓线计算 .7 结论与展望 7.1 任务总结(1) 对输入图象进展了滤波、断层插值并封装成规那么体数据。定义了体数据的内存记录方式及外存文件格式，紧缩存储空间。(2) 提出并实现了三维医学图象交互分割的方法，交互分割的技术道路是：先分析断层图象，交互给定分割阈值，对图象二值化，然后选择适当的形状学操作进展区域修整，最后用种子填充的方法填充出所要区域。(3)实现了MC算法和MT算法构造外表模型。针对MT算法，为防止体元棱边与等值面交点的反复性插值计算，提出了相关性处置方法。采用相关性处置，加快了MT算法的重建速度。.(4) 实现了Hoppe的边收缩算法，重建模型经简化90，依然能较好地坚持原模型特征，根本不影响视觉效果。模型经网格简化，绘制时间大大缩短，提高了交互时绘制才干。(5)提出了对重建模型实施剖切及手术开窗的一种方法。(6)提出了基于轮廓重建的外表模型构建实体几何模型的方法实现步骤