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CT序列图像三维可视化技术的研究与实现

作　者: 袁清伟
导　师: 刘伯强
学　校: 山东大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 三维可视化 VTK 面绘制体绘制虚拟切割
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着CT、MRI等医学影像设备的出现,传统的医学诊断方式发生了革命性的变化,利用医学影像设备,医生可以直接从二维面方向对人体内部组织进行观察,从一定的程度上提高了诊断效率和诊断的准确性。医生通过观察一组CT,MRI的二维切片去发现病变体,这主要依赖与医生的读片经验和对图像的定性分析,如何获取病变体更直观准确的信息,因此二维图像的三维可视化技术就被提上了研究日程。由于计算机技术的迅速发展,对于海量的体数据进行三维可视化已成为可能。医学图像的三维可视化是一个多学科交叉研究领域,是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用。本文首先介绍了三维数据场的结构,对本文将用到的可视化工具包VTK(Visualization Toolkit)的可视化流程和可视化模型作了系统全面的分析,同时对DICOM格式的CT图像相关知识进行了介绍。本文的研究重点是三维可视化技术,文中对可视化中的面绘制技术,体绘制技术和虚拟切割技术进行了重点研究和探讨。面绘制技术中主要介绍了轮廓线连接法,Marching Cubes法和DividingCubes法的原理,并在重点研究MC算法原理的基础上,针对经典的MC算法中产生海量的中间三角面片,极大的耗费了绘制时间,提出了减少三角面片的改进的MC算法。改进的MC算法通过减少满足约束条件的顶点,以达到减少中间过程中生成的三角面片的数目,并通过实验证明改进的MC算法在不明显降低绘制效果的前提下减了少构造的中间三角面片,明显的提高了绘制速度。体绘制技术中介绍了错切—形变法,抛雪球法和光线投射法。光线投射算法是体绘制技术中的典型算法,也是被广泛应用的一种算法,文中对光线投射算法的原理和实现以及绘制结果伪色彩的添加进行了重点探讨。同时本文利用DICOM格式的CT序列图像(512×512×118),借助可视化工具包VTK,结合C++编程在普通计算机上实现了上述的面绘制和体绘制的相关算法。为更充分的利用已有的图像信息,更好的辅助诊断,很多情况下仅仅重建出三维模型是远远不能满足诊断的需求的,因此本文在实现了面绘制和体绘制的基础上又对虚拟切割技术进行了探讨,包括规则面的虚拟切割,任意面的虚拟切割和盒状切割。规则面的切割是指从解剖学上三个重要的解剖方向进行虚拟切割。任意面的切割更加灵活,可以从不同角度不同方向对绘制结果进行切割,以便更好的满足医生观察的需要。盒状切割是一种更为复杂的虚拟切割技术,立方盒的六个面都具有切割功能。在对上述各种切割技术的原理进行了详细研究的基础上,结合VTK对虚拟切割进行模拟,得到了较为满意的结果。本文不仅从理论上论述了可视化算法的原理,更重要的是利用可视化工具包VTK在普通计算机上实现了相关可视化算法,为辅助诊断奠定了基础,有着重要的实践意义。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-17
  1.1 可视化的研究意义  12-13
  1.2 体数据场可视化的基本方法  13-14
  1.3 医学体数据场可视化的发展现状  14-15
  1.4 论文主要工作及结构安排  15-17
第二章数据场的可视化和可视化工具  17-28
  2.1 三维数据场可视化  17-21
    2.1.1 数据分布类型  17-20
    2.1.2 三维数据场可视化流程  20-21
  2.2 相关软件工具介绍  21-22
    2.2.1 VTK  21
    2.2.2 ITK  21-22
    2.2.3 MITK  22
  2.3 可视化工具VTK  22-27
    2.3.1 VTK的特点  23
    2.3.2 VTK可视化模型  23-25
    2.3.3 VTK图像模型的对象  25-27
    2.3.4 VTK的三维可视化流程  27
  2.4 本章小结  27-28
第三章可视化中的面绘制技术  28-41
  3.1 概述  28-29
  3.2 CT值及DICOM数据  29-32
    3.2.1 CT值  29-30
    3.2.2 DICOM影像文件格式  30-31
    3.2.3 体数据的描述  31-32
  3.3 面绘制  32-36
    3.3.1 轮廓线面绘制法  32-33
    3.3.2 Marching Cubes算法  33-36
    3.3.3 Dividing Cubes方法  36
  3.4 改进的MC算法  36-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章可视化中的体绘制技术  41-53
  4.1 概述  41
  4.2 体绘制的流程  41-44
    4.2.1 重采样  41-42
    4.2.2 可视化映射  42
    4.2.3 图像合成  42-44
  4.3 体绘制的经典算法  44-52
    4.3.1 错切—形变法(Shearp-warp)  44-46
    4.3.2 抛雪球法(Splatting)  46-48
    4.3.3 光线投射算法(Ray-casting)  48-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章三维交互技术中的虚拟切割  53-66
  5.1 三维交互技术  53
  5.2 平面虚拟切割  53-62
    5.2.1 规则面的虚拟切割  55-57
    5.2.2 任意面的虚拟切割  57-62
  5.3 立方体切割  62-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章总结与展望  66-68
  6.1 课题总结  66-67
  6.2 研究展望  67-68
附录  68-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
学位论文评阅及答辩情况表  85

CT序列图像三维可视化技术的研究与实现

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