面向断层医学图像的三维重建与关键技术研究

论文摘要

医学图像数据(如计算机断层扫描(CT)数据及核磁共振图像(MRI)数据)的可视化技术经过二十多年的发展如今已经作为医学图像处理中研究的热点问题之一。三维重建是医学图像可视化的最直观的方法。要实现医学图像的三维重建,首先就要对图像数据进行处理,以便从中提取出感兴趣的器官、组织或病变体的外轮廓,从而实现这些被提取出的器官、组织或病变体的三维重建,重建出模型,达到辅助治疗、手术规划、教学模型和假肢设计等目的。在医疗诊断和外科手术策划中,应用逆向工程技术生成病人组织的三维数字模型,进而利用快速成型技术制作手术模型,医生在此基础上进行诊断及手术,能有效地提高诊断和手术水平,缩短时间,节省费用,提高手术的安全性。本文的核心研究问题是断层医学图像的三维重建。本文首先回顾了逆向工程和医学图像的三维重建的研究背景,并对断层数据的采集方法做了说明。介绍了数字图像处理、医学图像重建和CAD模型的转换方法和研究现状。本文以此为背景,主要对断层医学图像上的轮廓线的提取和曲面的几何重建及其相关技术进行了研究和实现,主要包括断层图像的图像增强和降噪处理,边缘检测和轮廓线提取,曲面重建算法和三维表面模型转换,以及曲面重建过程中的轮廓匹配和分支问题的解决方法。针对医学图像对比度低、噪声较大、灰度缓慢变化的特点,本文首先利用灰度均衡算法进行预处理,以提高图像的对比度,然后利用中值滤波保持边缘信息的平滑效果和小波变换良好的局部化特性和其固有的多尺度特性,通过中值滤波和小波变换结合的方法对图像进行增强处理。实验表明该算法取得了较好的效果,而且可以处理低质量或边缘模糊的医学图像。边缘轮廓提取是三维重建的一个主要的前期处理过程。利用Canny算子和边界跟踪在提取单像素轮廓方面有较好的效果,具体针对医学图像边缘轮廓提取的特点,提出了一种利用迭代的改进Canny边缘检测和边界跟踪来提取图像的轮廓线的方法,提取出单像素和连续封闭的边缘轮廓。文中第四章介绍了文中曲面重建的理论基础——B样条曲线曲面的知识。介绍了曲线曲面的定义、性质、正算和反算方法。文中接着对轮廓线表面重建方法——基于B样条曲面的表面重建进行了研究。首先分析了型值点获取中的主要关键技术,包括特征点的选取和采样点的确立。依据曲率特征首先提取各层特征点,对其重采样使每行(列)获得统一的采样点数。再对采样点插值得到非均匀双三次B样条曲面。最后,在一定控制精度下对曲面依据距离特征进行节点插入,通过最小二乘逼近法算出新的控制顶点,从而得到误差在容许范围内的逼近曲面。根据断层轮廓的特点,本算法综合运用了周期B样条和非周期B样条,讨论了封闭曲面和非封闭曲面的计算方法。另外插值和逼近的结合应用使该算法考虑到了曲面重建的精度,减少了计算量。除此之外,文中还对重建表面模型向CAD实体模型的转换过程进行了研究。文中接着研究了复杂曲面重建中遇到的两类关键技术问题——轮廓匹配和分支问题。文中给出了多轮廓曲面重建和含有复杂嵌套问题的多轮廓曲面重建时的匹配方法:通过建立轮廓树,确定轮廓的内外属性以及轮廓之间的相互嵌套关系,并缩小轮廓匹配的搜索范围;在轮廓树的基础上,利用阈值半径寻找轮廓,确定相邻切片上轮廓的对应关系。另外本文对分支问题可能遇到的情况和解决方法进行了研究。利用加权补分法,进行母轮廓分割,并结合中间层的插入,解决分支问题,从而进行曲面重构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 断层数据的采集方法
• 1.2.1 CT测量法
• 1.2.2 MRI测量法
• 1.2.3 超声波测量法
• 1.2.4 激光测量法
• 1.2.5 层去扫描法
• 1.3 数字图像处理方法
• 1.4 断层医学图像重建方法
• 1.4.1 体绘制
• 1.4.2 面绘制
• 1.5 三维表面模型与CAD模型的转换
• 1.6 本文主要研究内容和文章安排
• 第2章 断层医学图像增强算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 CT图像成像原理及系统
• 2.2.1 CT数
• 2.2.2 系统组成
• 2.2.3 成像过程
• 2.3 数据的读入
• 2.3.1 编程工具和语言
• 2.3.2 BMP文件格式
• 2.4 图像预处理
• 2.4.1 背景灰度值提取
• 2.4.2 灰度均衡
• 2.5 图像滤波方法
• 2.5.1 小波变换
• 2.5.2 中值滤波
• 2.5.3 图像增强算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于Canny算子的边缘检测和轮廓提取
• 3.1 引言
• 3.2 改进的Canny算子
• 3.3 边界跟踪
• 3.4 轮廓提取
• 3.5 本章小结
• 第4章 B样条曲线曲面理论基础
• 4.1 引言
• 4.2 B样条曲线曲面的定义及性质
• 4.2.1 曲线的定义
• 4.2.2 B样条的性质
• 4.2.3 曲面的定义
• 4.3 B样条曲线曲面的正算
• 4.3.1 B样条导数计算
• 4.3.2 de Boor-Cox算法
• 4.3.3 B样条曲面的正算
• 4.4 B样条的分类
• 4.4.1 均匀三次B样条曲线
• 4.4.2 非均匀三次B样条曲线
• 4.5 B样条曲线曲面的反算
• 4.5.1 曲线的反算
• 4.5.2 曲面的反算
• 4.6 本章小节
• 第5章 基于B样条曲面的表面重建
• 5.1 引言
• 5.1.1 断层图像建模方法
• 5.1.2 曲面重建
• 5.2 型值点的获取
• 5.2.1 特征点求取
• 5.2.2 采样点的确立
• 5.3 B样条曲面插值
• 5.3.1 参数化与节点矢量的选择
• 5.3.2 控制顶点反算
• 5.3.3 B样条曲面生成
• 5.4 B样条曲面逼近
• 5.4.1 在规定精度内的曲面逼近条件
• 5.4.2 对应点的求取
• 5.4.3 节点插入
• 5.4.4 B样条曲面生成
• 5.5 曲面模型向CAD模型的转换
• 5.6 本章小节
• 第6章 曲面重建中的轮廓匹配和分支问题研究
• 6.1 引言
• 6.2 轮廓匹配
• 6.2.1 多轮廓匹配
• 6.2.2 含有复杂嵌套问题的多轮廓匹配
• 6.3 分支问题
• 6.3.1 分支存在的情况
• 6.3.2 分支解决方法
• 6.4 本章小节
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间完成论文