基于VTK的医学图像三维重建系统的设计与实现

论文摘要

医学图像三维重建是一个多学科交叉的研究领域;是运用计算机图形学、图像处理、计算机视觉以及人机交互技术,将医学图像数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术;在生物医学工程中有重要的应用。本文主要研究了跨平台的医学图像三维重建系统的实现。在对三维重建技术进行研究的基础上,结合可视化开发工具VTK(Visualization Toolkit)和医学图像分割及配准工具包ITK(Insight Segmentation and Registration Toolkit)以及图形用户界面(GUI)工具包QT,利用大规模软件工程中的设计模式思想,设计实现了一个医学图像处理系统MRS。这是一个面向对象的、可扩展的系统,整合了多个不同类型的开放资源,并加入了针对特殊应用的扩展。同时本文还研究对比了不同的三维可视化算法,并提出了基于三维分割的精确测量。三维可视化算法分为两类:面绘制和直接体绘制。面绘制从三维体数据中抽取物体等值面,通过传统的图形学方法进行显示;体绘制技术则将整个数据场作为整体进行可视化显示,使医生可以更直观地观察医学数据的三维内部结构信息。本文主要介绍了基于纹理映射的体绘制算法、光线投射体绘制算法,以及Marching cubes面绘制算法的实现机制和适用范围。与传统的三维测量不同,本文提出了一个改进的测量方法。引入一个垂直于Z轴的切割平面,用此平面锁定三维测量的深度信息;同时引入测量缓冲器提高测量速度;并利用三维切割和三维旋转技术来共同实现精确的三维测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景和研究意义
• 1.3 国内外研究情况
• 1.3.1 绘制技术
• 1.3.2 医学三维可视化系统的发展
• 1.4 论文主要工作与创新点
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 几种医学图像三维重建技术的比较
• 2.1 移动立方体（Marching Cubes）算法
• 2.1.1 体素中等值面的分布
• 2.1.2 求等值面与体素边界的交点
• 2.1.3 等值面法向量的计算
• 2.1.4 移动立方体算法过程
• 2.2 光线投射算法
• 2.2.1 颜色赋值
• 2.2.2 图像合成
• 2.2.3 明暗计算
• 2.3 基于纹理映射的绘制算法
• 2.3.1 基于二维纹理映射的体绘制算法
• 2.3.2 基于三维纹理映射的体绘制算法
• 2.4 三种算法的实验结果分析
• 2.4.1 移动立方体算法
• 2.4.2 纹理映射算法
• 2.4.3 光线投射算法
• 2.4.4 几种算法的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 跨平台医学图像三维重建系统的技术背景
• 3.1 VTK 简介
• 3.1.1 VTK 主要的技术特征
• 3.1.2 实现架构分析
• 3.2 QT 简介
• 3.3 系统构架中的设计模式
• 3.3.1 面向对象设计原则
• 3.3.2 Factory Method 模式
• 3.3.3 Strategy 模式
• 3.3.4 Observer 模式
• 3.3.5 Command 模式
• 3.4 测试驱动开发的方法学
• 3.4.1 基本思想
• 3.4.2 开发流程
• 3.4.3 测试用例的编写
• 3.5 本章小结
• 第四章 跨平台的医学图像三维重建系统设计
• 4.1 概述
• 4.1.1 设计目标
• 4.1.2 系统设计思想与架构概述
• 4.2 核心组件的设计
• 4.2.1 设计目标
• 4.2.2 静态结构
• 4.3 文件I/O 组件的设计
• 4.3.1 医学图像文件概述
• 4.3.2 设计目标
• 4.3.3 静态结构
• 4.4 绘制组件的设计
• 4.4.1 设计目标
• 4.4.2 静态结构
• 4.5 三维交互组件的设计
• 4.5.1 三维交互概述
• 4.5.2 设计目标
• 4.5.3 静态结构
• 4.6 GUI 组件的设计
• 4.6.1 设计目标
• 4.6.2 静态结构
• 4.6.3 QT 界面与系统框架的结合
• 4.6.4 GUI 用户界面示意图
• 4.7 本章小结
• 第五章 医学图像三维重建体的精确测量
• 5.1 相关准备工作
• 5.1.1 坐标系统
• 5.1.2 坐标系的转换
• 5.2 三维切割平面
• 5.2.1 三维空间中的平面
• 5.2.2 实现与效果
• 5.3 精确测量的实现
• 5.3.1 约束原则
• 5.3.2 交互原则
• 5.3.3 测量操作
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果