医疗图像三维重建及实时切割技术研究

论文摘要

本文主要研究医学图像的三维重建、三维切割技术以及三维切割的应用。医学图像三维重建,是计算机图形学和数字图像处理技术在生物医学工程中的重要应用,它涉及到计算机图形学、数字图像处理、生物医学工程等多种技术,是一项多学科交叉的研究课题,也是目前的一个研究热点。医学三维重建技术在医学诊断、手术规划、模拟仿真、整形及假肢外科、解剖教学等方面都有重要应用。三维切割技术在理解和研究体数据方面起着举足轻重的作用,很多时候三维切割是我们观察重要数据或者隐藏信息的唯一途径。因此,对医学图像三维重建和三维切割技术,尤其是实时三维切割技术的研究,具有重要的学术意义和实用价值。本文对上述课题的研究主要集中在以下三个方面:第一,提出了一种基于遗传算法的体绘制方法。本文首先对遗传算法的基本原理和特点进行了分析,遗传算法是由计算驱动的一种计算模式,是一种自适应全局优化概率搜索算法。本文的绘制方法基于相邻体素灰度值相似,把体素分为空体素和非空体素,采用遗传算法绘制非空体素,用接近云算法跳过空体素。本文的实验结果表明这是一种行之有效的绘制方法,它兼顾了图像绘制对真实感和实时性两方面的要求。第二,研究三维重建和三维切割技术。本文利用可视化工具包VTK,根据上述体绘制方法快速有效地对二维图片序列进行三维重建,用户可对重建后的三维体进行几何变换、切割等操作。本文重点研究了重建三维体的切割处理,文中实现了最多六个面的切割。结合临床情况,实现了医生最关注的三个面(冠状位、矢状位、轴状位)的切割,此外还实现了平面的任意切割、规则体的切割。第三,提出了基于三维切割的精确测量。与传统的三维测量不同,在本文中我们引入了一个垂直于Z轴的切割平面,用此平面锁定三维测量的深度信息;同时还新建一个切割缓冲器用于存放精准的三维坐标值,这样用户就可以结合三维切割和三维旋转技术实现真正意义上的三维测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 现有技术
• 1.2.2 现有医学三维可视化系统
• 1.3 本文的主要研究工作和创新之处
• 1.4 论文结构
• 第二章 三维重建技术
• 2.1 表面绘制方法
• 2.1.1 立体沟纹模型
• 2.1.2 面跟踪算法
• 2.1.3 步进立方体算法
• 2.1.4 剖分立方体法
• 2.2 直接体绘制技术
• 2.2.1 光线投射法
• 2.2.2 溅射法
• 2.2.3 错切-变形法
• 2.2.4 基于硬件的三维纹理映射
• 2.2.5 体绘制算法比较
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于遗传算法和接近云算法的体绘制方法
• 3.1 遗传算法
• 3.1.1 遗传算法基本机理
• 3.1.2 遗传算法框图
• 3.1.3 遗传算法的优缺点
• 3.2 接近云算法
• 3.2.1 接近云算法基本机理
• 3.2.2 接近云算法的优缺点
• 3.3 结合遗传算法和接近云算法的的体绘制方法
• 3.3.1 传统体绘制方法的优缺点
• 3.3.2 基于遗传算法的体绘制算法思想
• 3.4 算法实现
• 3.4.1 遗传算法的运用
• 3.4.2 绘制三维物体
• 3.5 实验结果和分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 三维切割处理
• 4.1 切割的意义
• 4.2 切割算法
• 4.2.1 基于深度的切割
• 4.2.2 基于纹理的切割
• 4.2.3 算法实现
• 4.3 实验结果和分析
• 4.3.1 医疗图像三维重建系统
• 4.3.2 三维切割
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于三维切割的精确测量
• 5.1 精确测量
• 5.1.1 精确测量的意义
• 5.1.2 精确测量存在的问题
• 5.2 基于三维切割的精确测量实现
• 5.2.1 精确测量实施方案
• 5.2.2 精确测量工作流程
• 5.3 实验结果和分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果