醫(yī)學圖象三維表面重建技術研究博士生秦緒佳導師

1、醫(yī)學圖象三維重建及可視化技術研討秦緒佳浙江大學CADCG國家重點實驗室2001.9.28.1 緒論 1.1 引言 1.2 基于三維數據的建模與可視化 1.三維數據的來源與分類 2.三維數據建模及可視化研討內容 數據預處置 建模 繪制與顯示 . 3.數據建模技術綜述 三維幾何模型 基于三維數據的建模方法 1)基于斷層輪廓的外表重建 2)基于體素的等值面重建 3)幾何變形模型 4)體素建模 . 1.3 醫(yī)學圖象三維重建技術綜述 1 醫(yī)學圖象的預處置 2 醫(yī)學圖象的分割 3 三維重建方法 4 模型的網格簡化 . 1.4 醫(yī)學圖象三維重建在醫(yī)療中的運用 1 在醫(yī)療診斷中的運用 2 在手術規(guī)劃及放射治療

2、規(guī)劃中的運用 3 在整形與假肢外科中的運用 4 在虛擬手術及解剖教育中的運用. 1.5論文背景及主要任務 1 論文背景及研討意義 2 本文的主要任務 1) 圖象預處置，組織器官分割與提取 2) MC、MT算法構建外表幾何模型 3) 模型外表網格簡化，剖切與開窗 4) 由外表幾何模型轉換成實體幾何模型 5) 適用于適形放射治療規(guī)劃的醫(yī)學圖象 三維重建系統(tǒng)的開發(fā). 2醫(yī)學圖象預處置與人體組織的分割醫(yī)學圖象預處置 分割流程 圖2.1 三維醫(yī)學圖象分割流程 . 2.2 CT、MRI圖象的獲取與輸入 2.2 二維圖象處置與規(guī)那么體數據封裝 1 二維圖象濾波 (1) 鄰域平均法 (2) 中值濾波法 (3)

3、 堅持邊緣濾波法 . 2 斷層圖象間插值 3 三維規(guī)那么體數據封裝 (1) 內存記錄方式 (2) 體數據文件格式 圖2.4 體數據內存記錄方式 . 2.3 交互分割過程 1 三維圖象二值化 . 二值化結果 圖2.8 斷層圖象二值化結果. 2 數學形狀學操作進展區(qū)域修整 (1) 二值形狀學操作簡述 (a) 原圖象 (b)構造元素 (c)對原圖象的腐蝕 (d)對腐蝕圖象的膨脹 圖2.9 開啟操作 (a)原圖象 (b)構造元素 (c)對原圖象的膨脹 (d)對膨脹圖象的腐蝕 圖2.10閉合操作 . 3 種子填充法進展組織提取 圖2.12 交互分割結果 圖2.13 對分割區(qū)域的重建 .3 基于規(guī)那么體數

4、據的三維外表模型的構建 3.2.1 體素模型 (a) 方向無關的三線性插值模型 (b) 方向有關的三線性插值模型圖3.1 體素模型 . 3.2.2 等值面IsoSurface定義 1三線性插值結果 2等值面定義等值面是三次曲面. 3.3 挪動立方體Marching Cubes算 法抽取等值面 1 MC算法的根本原理 a 體素中等值面剖分方式確實定 1 如立方體頂點的數據值等值面的值，那么定義該頂點位于等值面之外，記為“0； 2 如立方體頂點的數據值等值面的值，那么定義該頂點位于等值之內，記為“1。 8個頂點，每個頂點共有2個形狀，因此共256種組合形狀 根據互補對稱性, 256 128 根據旋

5、轉對稱性， 256 15 (1)體素中由三角片逼近的等值面計算 (2)三角片各頂點法向量計算. . 2 等值面銜接方式上的二義性 (a)銜接方式二義性的二維表示 (b) 銜接方式二義性的三維表示 圖3.5 拓撲不一致呵斥孔隙 圖3.4 MC方法的二義性 . 3.3.3 漸近線判別法消除二義性. 3.3.4 MC算法的重建結果及分析 256256109MRI表皮重建 b12812893CT顱骨重建 c12812893CT表皮重建 三角面片：696889頂點：347322三角面片：187559頂點：94015三角面片：799頂點：69331 圖3.8MC算法重建的外表模型 . 3.4 挪動四面體M

6、arching Tetrahedra算法抽取等值面 3.4.1 MT算法的根本原理 圖3.9 立方體的四面體剖分 圖3.10 四面體中的等值面 . 3.4.2 四面體剖分的一致性處置 圖3.11 立方體剖分為四面體的不同方式 圖3.12 兩相鄰立方體剖分不一致時共有面的剖分情況 圖3.13相鄰立方體公共面上的剖分一致性 . 3.4.3 相關性處置加速MT重建速度 1 體素內的相關性處置 2 體素間的相關性處置 圖3.14 剖分后立方體的頂點及棱邊編號 . 3.4.4 MT算法的重建結果及分析 (a) 128128113CT顱骨重建 b104185220CT腳骨骼重建 (c) 128128113

7、CT表皮重建 三角面片：423998頂點：211905三角面片：365858頂點：183056三角面片：331290頂點：165808圖3.15MT算法重建的外表模型.4.三維模型的網格簡化與模型的剖切 4.2 基于邊收縮的網格簡化算法 1 網格簡化算法簡述 1抽樣Sampling 2自順應細分(Adaptive subdivision) 3刪除 (Decimation) 4頂點合并 Vertex merging . 2 基于邊收縮的網格簡化算法Hoppe采用顯式能量函數EM來度量簡化網格與原始網格的逼近度Hoppe96：其中Edist(M)為M的間隔能量，它定義為點集到網格的間隔平方：Esp

8、ring(M)為彈性能量，這相當于在的每條邊上均放置一條彈性系數為k的彈簧，即： Escalar(M)度量M的標量屬性的精度，而Edisc(M)那么度量了M上視覺不延續(xù)的特征線如邊境限、側影輪廓線等的幾何精度。 . 邊收縮過程表示圖 (a)收縮前 (b)收縮后 圖4.1邊收縮過程. 4 網格簡化結果 MT重建結果 簡化50 簡化90簡化90外表繪制. MC重建結果簡化50簡化85 簡化85外表繪制.4.3 三維模型的剖切 4.3.1 模型三角面片的剖切處置 1 平面方程確實定 ax + by + cz + d = 0 . 2 三角面片與剖切平面的求交檢測 定義空間一點PX,Y,Z, 定義“間隔

9、D： D = aX + bY + cZ + d 那么有： 1假設 D0，P點處在A半空間； 2假設 D0，P點處在平面上； 3假設 D0，P點處在B半空間。 圖 4.6切面與三角面片的交 . 3 三角面片與剖切面的切割運算 4 外表模型的剖切 (1)邊表和頂點表均為動態(tài)鏈表構造 (2)外表模型的剖切計算 class Cedge class CedgeVertex. 4.4 剖切截面的生成 4.4.1 邊境多邊形包含關系檢測與確定 1 封鎖環(huán)的檢出 2 封鎖輪廓的包含性檢測 . 夾角之和檢驗法: . 4.4.2 剖切面區(qū)域的三角剖分 1.恣意平面多邊形Delaunay三角剖分表示圖圖4.11 圖

10、4.7對應輪廓的三角剖分 . 4.5 手術開窗操作 開窗操作普通是用立方體或棱柱對重建模型進展切割，模型處于剖切體之內的部分被切割掉，之外的部分被保管下來。. 4.6 實驗結果分析 圖4.12模型的剖切與開窗 (a)剖切 (b)開窗 (c)開窗. 5 由基于輪廓重建的外表模型構建實體幾何模型 5.1 引言 5.2 相關任務 1提取邊境輪廓線 2提取輪廓線上的特征點 3輪廓對應 4三維外表重建 . a輪廓線 b根底輪廓外表模型 c左分支外表模型 d右分支外表模型 圖5.3 輪廓及外表子模型 .5.3 實體幾何模型的構建 1 邊境模型的數據構造 圖5.4 系統(tǒng)B- rep模型的數據構造及半邊的構造

11、表示 . 2 實體外型的根本操作 歐拉特征關系： 其中v、e、f、s、h分別代表頂點、邊、小面、殼和孔。根本的歐拉操作包括如下互逆的5對：MVFS，MEV，MEF，MEKR，KFMRH；KVFS，KEV，KEF，KEMR，MFKRH。其中M表示構造，K表示刪除，S、E、V、F、R、H分別表示體、邊、頂點、面、環(huán)、孔。 . 3 由輪廓重建的外表模型重建實體幾何模型的方法 用圖5.10(a)的外表模型闡明構建實體的主要步驟： (a) (b) .b光照圖 圖5.11 實體模型 a線框圖 實體幾何模型的構建結果.6 適用于適形放射治療規(guī)劃的醫(yī)學圖象三維重建系統(tǒng)的開發(fā) 圖象輸入 二維圖象預處置 圖象分割

12、與提取 三維重建 CT/MRI 濾波、插值 自動分割、手工勾畫 MC、MT外表重建 病變體投影輪廓照射射束設置 效果顯示 幾何操作由此計算光柵廓線 放射治療規(guī)劃 顏色、半透明 剖切、手術開窗 圖6.1三維重建過程表示圖. 重建系統(tǒng)構造 圖6.2系統(tǒng)構造 . 系統(tǒng)程序流程 圖 6.3 系統(tǒng)程序流程 . 系統(tǒng)數據構造 圖6.4 系統(tǒng)數據構造 . 系統(tǒng)界面 . 治療射束安排與光柵輪廓線計算 .7 結論與展望 7.1 任務總結(1) 對輸入圖象進展了濾波、斷層插值并封裝成規(guī)那么體數據。定義了體數據的內存記錄方式及外存文件格式，緊縮存儲空間。(2) 提出并實現了三維醫(yī)學圖象交互分割的方法，交互分割的技術道路是：先分析斷層圖象，交互給定分割閾值，對圖象二值化，然后選擇適當的形狀學操作進展區(qū)域修整，最后用種子填充的方法填充出所要區(qū)域。(3)實現了MC算法和MT算法構造外表模型。針對MT算法，為防止體元棱邊與等值面交點的反復性插值計算，提出了相關性處置方法。采用相關性處置，加快了MT算法的重建速度。.(4) 實現了Hoppe的邊收縮算法，重建模型經簡化90，依然能較好地堅持原模型特征，根本不影響視覺效果。模型經網格簡化，繪制時間大大縮短，提高了交互時繪制才干。(5)提出了對重建模型實施剖切及手術開窗的一種方法。(6)提出了基于輪廓重建的外表模型構建實體幾何模型的方法實現步驟