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三维适形放射治疗计划中的三维可视化技术研究

作　者: 李彬
导　师: 毛宗源；田联房
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 三维可视化 直接体绘制 三维适形放射治疗计划 Shear-Warp 光学模型
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 217次
引　用: 3次
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内容摘要


在进行三维适形放射治疗之前,需要运用三维医学可视化技术,获取有关病灶区的三维视觉信息(病灶的体积、空间定位、病灶与重要器官间的相对位置等),并确定靶区,以供治疗模拟与方案评估,从而实现精确地计划。论文系统地分析了三维可视化技术的特点,围绕着“普通硬件条件下如何高效率地重建质量较好,并能满足三维适形放射治疗计划要求的三维医学图像”的研究重点,有针对性地提出一些技术改进和创新算法,并综合这些技术开发了用于三维适形放射治疗计划的三维可视化系统,目前正在临床测试中。首先,根据三维适形放射治疗计划的三维可视化目标,研究了基于模块化设计的医学体可视化算法,并详细介绍了各个模块的实现过程:利用基于混合型链结区域增长与聚类分析的分割方法,提取需要重建的组织;应用最大互信息法实现解剖图像CT与功能图像PET的配准;应用基于小波变换的融合方法,以区域标准差与区域能量相结合的融合规则实现解剖图像CT与功能图像PET的融合。采用基于梯度与等值面的光线吸收与发射模型以及改进的Shear-Warp算法,实现融合后序列图像的体绘制。该部分为后续研究奠定了基础。其次,针对寻求最佳传递函数的问题,研究了一种改进的体绘制算法(Improved Shear-Warp Algorithm,ISWA)。在传递函数预设定时,基于边界模型,结合对象分析和交互式操作,可以方便地找到最优传递函数值;在重采样过程中,结合Shear-Warp算法的特点,对传递函数值进行修正,以保证重建后图像效果。针对透视投影的Shear-Warp算法的不足:1)切片间采样的混淆现象,使得绘制结果通常难以保证医学图像质量要求;2)在不透明度传递函数和观察方向需要频繁变换的医学可视化交互式操作中,重建速度有待进一步提高,提出了一种改进的透视体绘制算法(Improved Perspective Volume Rendering Algorithm,IPVRA)。利用不透明度传递函数的相关性,以及min-max Octree数据结构,实现对体数据的快速分类编码,并在此基础上,快速再建游程编码数据结构,以满足在不透明度传递函数和观察角度频繁改变时,也能实现快速重建;基于透视Shear-Warp算法,采用结合光照模型的改进预合成体绘制技术,消除因欠采样而产生的混淆现象,提高了重建的效果。再次,为了提高多分辨率体绘制成像的质量与效率,采用将体绘制与数据压缩、解压进行有机的结合的思路,基于小波变换和Shear-Warp算法,研究了一种快速多分辨率体绘制方法(Fast Multi-resolution Volume Rendering Method,FMVRM)。该方法先基于小波变换对体数据进行压缩;接着结合所选的分辨率,利用不透明度传递函数引导数据的解压;最后,基于Shear-Warp算法,利用基于子数据块的游程编码数据结构、不透明度传递函数的相关性和结合光照模型的预合成体绘制技术,实现快速而高质量的多分辨率体绘制。为了高效率地重建三维医学图像,并能充分显示内部隐含分界面及内部细节的详细信息,提出了一种能在普通硬件条件下实现的,用于半透明体绘制的改进的光学模型(Improved Volume Rendering Optical Model,IVROM)。该模型在光线吸收与发射模型的基础上,考虑了阴影、直接散射与间接散射等因素。文中详细介绍了结合该模型与Shear-Warp的半透明体绘制方法的实现。为了提高医学体数据与几何模型,以及不同分辨率体数据之间的混合体绘制图像的视觉效果和效率,研究了一个基于Shear-Warp算法的普适混合体绘制方法。算法首先利用Z-Buffer算法与游程编码RLE数据结构对各类重建数据进行预处理;接着,在合成中间图像的过程中,采用二重重采样方法,依据精度要求选择重采样方式进行重采样,并用即时插值中间切片的重采样方法解决采样过疏问题。最后,用OpenGL纹理技术绘制最终图像。最后,综合上述的研究成果,根据三维适形放射治疗计划的需要,开发了用于三维适形放射治疗计划的三维可视化系统。实验证明,运用该三维可视化系统,可以获取有关病灶区的三维视觉信息并确定靶区,以供治疗模拟与方案评估。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-25
  1.1 引言  12
  1.2 三维医学可视化技术的研究意义及现状  12-16
    1.2.1 医学成像技术的研究现状  12-13
    1.2.2 三维医学可视化技术的意义及其研究现状  13-15
    1.2.3 三维医学可视化技术的发展方向  15-16
  1.3 医学体可视化技术  16-19
    1.3.1 体数据模型  17
    1.3.2 体数据分割与分类  17-18
    1.3.3 体数据的配准与融合  18
    1.3.4 绘制  18-19
  1.4 医学图像的直接体绘制技术  19-23
    1.4.1 体光学模型与体绘制方程  19-20
    1.4.2 传递函数  20-21
    1.4.3 直接体绘制算法综述  21-23
  1.5 内容安排  23-25
第二章 基于模块化设计的医学体可视化算法  25-43
  2.1 引言  25
  2.2 基于模块化设计的医学体可视化算法  25-26
  2.3 原始序列图像分割  26-28
  2.4 多模医学图像的配准与融合  28-34
    2.4.1 多模医学图像的配准  28-29
    2.4.2 多模医学图像的融合  29-33
    2.4.3 实验结果  33-34
  2.5 体绘制的实现  34-42
    2.5.1 基于梯度与等值面的光线吸收与发射模型  34-35
    2.5.2 基于Shear-Warp 算法的体绘制  35-40
    2.5.3 实验结果  40-42
  2.6 小结  42-43
第三章 SHEAR-WARP 算法中基于边界模型的传递函数及其修正  43-53
  3.1 引言  43-44
  3.2 基于边界模型设定传递函数  44-48
    3.2.1 边界模型及其数学分析  44-45
    3.2.2 不透明度传递函数、体素密度值及其梯度值的关系  45-46
    3.2.3 医学图像对象与不透明度传递函数的关系  46
    3.2.4 交互式设定不透明度传递函数  46-47
    3.2.5 传递函数预设定  47-48
  3.3 传递函数的修正  48-49
  3.4 实验结果  49-52
  3.5 小结  52-53
第四章 基于预合成体绘制技术的透视体绘制算法  53-66
  4.1 引言  53
  4.2 IPVRA 描述  53
  4.3 体数据的快速分类  53-56
    4.3.1 基于 Min-Max Octree 的快速分类  53-55
    4.3.2 利用不透明度传递函数的相关性对体数据加速分类  55-56
    4.3.3 用分类编码再建RLE 数据结构  56
  4.4 基于透视SHEAR-WARP 算法绘制图像  56-57
  4.5 基于改进的预合成体绘制技术实现IPVRA  57-62
    4.5.1 透视Shear-Warp 算法体绘制问题描述  57-58
    4.5.2 预合成体绘制的理论基础  58-60
    4.5.3 基于改进的预合成体绘制技术的实现  60-62
  4.6 实验结果  62-65
  4.7 小结  65-66
第五章 海量医学数据场的快速多分辨率体绘制方法  66-75
  5.1 引言  66
  5.2 FMVRM 算法描述  66
  5.3 基于小波变换的数据压缩和解压  66-68
  5.4 体数据的快速分类  68-69
    5.4.1 医学图像对象与不透明度传递函数的关系  68-69
    5.4.2 用Summed-Area 表对子数据块进行分类  69
  5.5 OTF 引导的解压过程  69
  5.6 体绘制的实现  69-71
    5.6.1 快速实现体绘制的数据结构  69-70
    5.6.2 利用OTF 的相关性快速实现体绘制  70-71
    5.6.3 利用预合成体绘制技术实现FMVRM  71
  5.7 实验结果  71-74
  5.8 小结  74-75
第六章 一种用于半透明体绘制的光学模型  75-84
  6.1 引言  75
  6.2 结合BLINN-PHONG 面明暗化模型的光线吸收与发射模型  75-76
  6.3 IVROM 光学模型  76-78
  6.4 算法实现  78-80
  6.5 实验结果  80-83
  6.6 小结  83-84
第七章 一个普适的混合体绘制方法  84-94
  7.1 引言  84
  7.2 普适混合体绘制方法描述  84
  7.3 SHEAR-WARP 体绘制描述  84-85
  7.4 混合体绘制  85-91
    7.4.1 体数据预处理  85
    7.4.2 几何数据的预处理  85-86
    7.4.3 从标准物体空间到中间图像空间  86-91
    7.4.4 绘制最终图像  91
  7.5 实验结果  91-93
  7.6 小结  93-94
第八章 三维适形放射治疗计划中的三维可视化系统  94-108
  8.1 引言  94
  8.2 三维适形放射治疗计划系统  94-95
  8.3 三维可视化系统  95-101
    8.3.1 系统结构  95-96
    8.3.2 系统程序流程  96
    8.3.3 系统功能模块  96-101
  8.4 基于三维可视化系统的临床病例试验  101-107
  8.5 小结  107-108
结论  108-111
参考文献  111-121
攻读博士学位期间取得的研究成果  121-124
致谢  124-125

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