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医学图像三维重建算法研究

贺楠楠  
【摘要】:医学图像三维重建是把从CT、MRI等医学扫描成像设备得到的二维断层数字图像序列,利用计算机图形学的方法通过面绘制或体绘制算法重建出三维物体的表面或内部图像,从而可直观地看到组织器官的三维形态。医学图像三维重建在人体仿真、假肢与整形外科、虚拟手术、机器人手术、实时手术导航、放射治疗规划等方面都在发挥重要作用。医学图像三维重建方法分为面绘制和体绘制,面绘制只绘制物体的表面,即只提取具有相同灰度值的点并拟合成曲面。体绘制把三维数据场投影到二维屏幕上,通过计算二维投影图像的像素值来合成图像,可以看到物体的内部形态。本文简述了面绘制和体绘制中常用的几种算法,包括切片级重建、移动四面体法、剖分立方体法、表面跟踪法、抛雪球法、错切形变法和三维纹理映射算法,重点论述了移动立方体法和光线投射法的算法原理。本文的工作主要有以下两部分。首先,目前面绘制移动立方体算法中求取等值点坐标的典型方法是线性插值,这对于同一组织内部的诸点是合理的。但在两种不同组织的交界处,由于体素边两个顶点的灰度出现阶跃变化,若仍然采用线性插值方法将带来较大误差。鉴于不同组织交界处绘制精度对于临床诊断的重要意义,在分析线性插值求取等值点坐标存在的误差的基础上,用数学方法证明了在组织的交界处采用中点法计算等值点坐标,其精度优于线性插值方法。进一步,在对重建速度和系统交互性能要求较高,但对计算精度没有特别要求的场合,对所有等值点均可采用中点法计算坐标值,以提高系统的运行速度。本文的实验结果证明了改进算法的有效性。其次,在研究分析面绘制、体绘制各种常见重建算法原理及流程的基础上,作为科技计划项目工作的一部分,本文基于C~(++)和VTK开发环境,开发了医学图像三维重建软件包。本软件包不仅实现了移动立方体法、光线投射法等常见的面绘制、体绘制重建算法,作为研究与对比,对同一重建算法,开发了不同改进优化的多个版本,并支持用户根据临床需要,对算法模块做各种设置。所有实现的算法模块均经过测试,结果表明本论文开发的软件包不仅使用方便,而且精度较高,完全可以满足临床诊断的需要。


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