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医学图像分割与三维可视化技术研究

作　者: 王树秀
导　师: 常发亮
学　校: 山东大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 区域生长模糊连接度 Marching Cubes面绘制 Ray Casting体绘制医学图像处理系统
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文的主要研究内容是医学图像分割技术以及三维可视化技术。医学图像的三维可视化技术是目前医学图像处理中的一项重要内容,能够弥补影像设备在成像上的不足,能够为用户提供具有真实感的三维医学图像,便于医生从多角度、多层次进行观察和分析,并且能够使医生有效地参与数据的处理与分析过程,在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面都可以发挥重要的作用。医学图像可视化中一项重要任务就是通过分析描述对象的特征,把感兴趣区域从周围环境中分割出来,并计算分割区域的解剖、病理、生理等方面的信息。因此,对医学图像分割和三维可视化的研究,具有重要的学术意义和应用价值。医学图像分割是正常组织和病变组织三维可视化、手术模拟等后续处理的基础,它在医学影像处理与分析中具有特殊重要的意义。本文首先研究了区域生长算法和模糊连接度理论在医学图像分割中的应用。在分别讨论了其优缺点的基础上,进而提出了一种基于区域生长和模糊连接度的医学图像分割方法,同时结合各向异性滤波和Canny算子边缘检测,实现了对医学图像感兴趣区域的准确分割和提取。实验表明所提出方法在待分割对象边界比较模糊的情况下分割效果较为理想。医学图像三维可视化技术主要分为面绘制和体绘制两大类。在面绘制方面,本文重点研究了目前流行的Marching Cubes方法,详细介绍了该方法的基本原理及其二义性的解决方法。本文在Windows系统平台下,通过C++编程语言编程实现了Marching Cubes算法对人体不同组织、器官切片图像的三维表面绘制,取得了较好的重建效果。之后对重建结果进行了详细的分析,提出进一步的改进方法。为解决传统的Marching Cubes方法无法精确重建边界比较模糊的对象的问题,本文结合之前提出的分割算法,实现了基于分割的表面绘制方法,可以有效地重构出原始边界比较模糊的对象。在体绘制方面,本文重点讨论了光线投射算法的基本原理及其具体实现过程,并探讨了光线投射算法实现过程中的关键技术,包括光照模型、图像合成以及传递函数设置等问题。通过C++语言编程实现了光线投射算法对医学切片图像的三维可视化。在此基础上,针对三维交互剖切技术进行了深入研究,详细讨论了平面剖切,包围盒剖切等相关的交互剖切技术。最后通过实验证明了所研究内容的有效性和实用性。最后,运用文中介绍的图像分割和三维可视化算法,结合VTK、ITK两个优秀的开源类库,设计并实现了一个医学图像处理系统。此系统包括图像分割、图像配准、图像三维可视化以及对重建后结果进行虚拟切割等常用功能,界面简单,易于操作。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-25
  1.1 课题研究的背景及意义  14-15
  1.2 医学图像分割算法的分类及研究现状  15-17
    1.2.1 医学图像分割算法的分类  15-16
    1.2.2 医学图像分割的国内外现状  16-17
  1.3 医学图像三维可视化分类和研究现状  17-22
    1.3.1 医学图像三维可视化算法的分类  17-21
    1.3.2 医学图像可视化的国内外研究现状  21-22
  1.4 主要研究内容  22-23
  1.5 章节安排  23-25
第二章医学图像分割的研究  25-38
  2.1 区域生长算法  25-27
  2.2 模糊连接理论  27-29
  2.3 一种基于模糊连接度和区域生长的医学图像分割算法  29-37
    2.3.1 算法基本原理  29-30
    2.3.2 算法实现流程  30-31
    2.3.3 算法关键技术实现  31-34
    2.3.4 结果及讨论  34-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章三维可视化中的面绘制算法  38-52
  3.1 面绘制技术介绍  38
  3.2 MC(Marching Cubes)算法  38-45
    3.2.1 MC算法的基本原理及其关键技术  38-42
    3.2.2 MC方法存在的问题及解决方法  42-45
  3.3 MC算法实现及讨论  45-49
    3.3.1 基本绘制算法实现  45
    3.3.2 绘制结果及分析  45-49
  3.4 基于分割的MC表面绘制算法  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章三维可视化中的体绘制算法  52-67
  4.1 体绘制中的光学模型  52-55
    4.1.1 光线吸收模型  52-54
    4.1.2 光线发射模型  54
    4.1.3 光线吸收与发射模型  54-55
  4.2 光线投射体绘制算法  55-58
    4.2.1 光线投射算法的基本原理  55-57
    4.2.2 光线投射算法的关键技术  57-58
  4.3 光线投射算法的实现  58-61
    4.3.1 传递函数设计  58-59
    4.3.2 重建结果显示及分析  59-61
  4.4 体绘制剖切  61-66
    4.4.1 平面剖切法  61-64
    4.4.2 包围盒剖切法  64-66
  4.5 本章小结  66-67
第五章医学图像处理系统的设计和实现  67-83
  5.1 VTK和ITK库介绍  67-70
    5.1.1 VTK库介绍  67-68
    5.1.2 ITK库介绍  68-70
  5.2 系统设计目标与体系结构  70-72
  5.3 关键功能实现及代码分析  72-77
    5.3.1 ITK与VTK联用的实现  72-73
    5.3.2 关键代码实现  73-77
  5.4 结果演示与讨论  77-81
  5.5 本章小结  81-83
第六章总结和展望  83-85
  6.1 本文工作总结  83-84
  6.2 未来发展展望  84-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
攻读学位期间发表的学术论文目录  91-92
学位论文评阅及答辩情况表  92

医学图像分割与三维可视化技术研究

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