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数字肝脏三维重建技术的研究

作　者: 梁英宗
导　师: 房斌
学　校: 重庆大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: CT图像医学图像分割三维重建三维交互有限元分析
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 33次
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内容摘要

作为非侵入方式，对人体或人体某部分进行诊断的医学影像正随着三维重建及其交互技术的发展而受到越来越多医生和科研工作者的关注。具有解毒、排泄、免疫、内分泌代谢等功能的肝脏可以说是人体最为重要的组织器官之一，也因此由肝脏病变而引发的疾病常常是顽疾甚至是致命的。根据肝脏CT、MRI等医学影像重建的数字化肝脏模型，在肝病的诊断以及治疗方案的决策上都起着举足轻重的作用。数字肝脏的三维重建，既可以采用面绘制的方法，也可以采用体绘制的方法。在绘制与交互的速度方面，面绘制要优于体绘制，但却需要生成中间几何单元（轮廓线或是几何面片），这个过程涉及到了对目标对象的图像分割。体绘制虽然渲染速度较慢，但却是对影像数据的直接操作，过程中不存在图像分割并且最大程度地保留下了图像信息。如果只是对分割后的对象进行面绘制或体绘制的影像建模，那么仅仅是满足了“看”的需要，想要实现手术仿真就还需要以交互的方式（三维拾取、三维测量等）使用有限元分析构建出对象的力学模型。论文的主要工作如下所述：（1）本文首先使用基于Snake模型、水平集、图论、Markov随机场的分割方法对腹腔CT图像序列进行了分割实验并简要地分析了分割结果。由于腹腔CT图像本身所具有的复杂性，例如不同的组织、器官不仅在密度分布上存在着相互重叠，而且在空间位置上相互毗邻。从分割结果来看，单使用一种分割方法很难得到令人满意的结果。为此，本文借助先验知识并融合阈值分割、数学形态学、区域标记等传统分割方法进行了实验性分割，并取得了较为满意的分割结果。（2）使用经典的面绘制算法Marching Cubes和体绘制算法Ray Casting对分割后的肝脏图像序列进行了三维重建。其中，在绘制速度和交互性上，面绘制要优于体绘制。但在显示效果和数据信息保留上，体绘制要优于面绘制。简单来说，就是面绘制仅仅显示了肝脏表面的几何信息，而体绘制还可以显示出肝脏的内部解剖结构。（3）针对面绘制重建得到的肝脏模型，本文还借助三维拾取、三维测量等交互技术以及有限元分析实现了肝脏的弹性力学模型的构建。在采用Marching Cubes方法建模时，由于生成的面片数量过大，将会涉及到面片化简的问题。随后在导入有限元分析软件ANSYS进行应力应变分析时，还将涉及到接口设计的问题。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 研究背景和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 论文章节安排  10-12
2 三维重建中的分割算法  12-33
  2.1 引言  12
  2.2 医学影像的常见分割算法  12-26
    2.2.1 基于活动轮廓的图像分割  12-14
    2.2.2 基于水平集的图像分割  14-17
    2.2.3 基于图论的图像分割  17-19
    2.2.4 基于 Markov 随机场的图像分割  19-23
    2.2.5 基于数学形态学的医学图像分割  23-26
  2.3 肝脏的自动化分割  26-32
    2.3.1 分割范围的确定  26-27
    2.3.2 阈值分割  27-28
    2.3.3 肝脏的初步提取  28-29
    2.3.4 肝脏的精确提取  29-30
    2.3.5 分割结果及分析  30-32
  2.4 本章小结  32-33
3 三维重建算法的研究  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 面绘制  33-36
    3.2.1 移动立方体法  34-36
  3.3 体绘制  36-39
    3.3.1 光线跟踪法  36-37
    3.3.2 纹理映射法  37-38
    3.3.3 滚雪球法  38-39
    3.3.4 剪切变形法  39
  3.4 肝脏的三维重建  39-44
    3.4.1 基于 MC 算法的肝脏重建  40-43
    3.4.2 基于光线跟踪算法的肝脏重建  43-44
  3.5 本章小结  44-45
4 三维交互技术与有限元分析  45-59
  4.1 引言  45
  4.2 三维交互技术  45-49
    4.2.1 三维拾取  45-47
    4.2.2 三维测量  47-49
  4.3 有限元分析  49-58
    4.3.1 几何模型的建立  50-51
    4.3.2 有限元分析的步骤  51-58
  4.4 本章小结  58-59
5 总结与展望  59-61
  5.1 工作总结与创新点  59-60
  5.2 对未来工作的展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
附录  65
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  65
  B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  65

数字肝脏三维重建技术的研究

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