摘要
医学图像三维重建是目前医学图像处理领域的研究热点，属于多学科交叉的研究课题，涉及到计算机图形学、图像处理、生物医学工程等多种技术，在诊断医学、手术规划及模拟仿真等方面有广泛应用。
本文主要研究了医学影像三维重建中的算法和应用，综述了医学三维重建技术的发展现状，详细讨论了表面三维重建方法和体绘制方法。为获得更精确的重建结果，提出了一种改进的交互式医学图像分割算法；针对临床应用的需求，提出了一种基于大规模数据集的快速分组算法，可以用于器官（组织）选择、剥离等手术模拟；基于提出的漫游路径自动生成算法，介绍了一种基于物理模型的虚拟内窥镜实现技术。仿真实验结果表明，本文提出的图像分割算法、数据集快速分组算法及漫游路径自动生成算法具有较高的鲁棒性和实用性。此外，在理论算法研究的基础上丌发了一个三维图像处理软件包。
关键词：医学图像处理、三维表面重建、体绘制、虚拟内窥镜、Ｌｉｖｅｗｉｒｅ分割算法、多边形分组
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，３Ｄｓｕｒｆａｃｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｖｏｌｕｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇ，ｖｉｒｔｕａｌｅｎｄｏｓｃｏｐｙ，ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄｍａｓｓｄａｔａｇｒｏｕｐｉｎｇ
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第一章绪论
第一章绪论
１．１选题的目的和意义
１９６８年，医学影像学发展史上的一个重要里程碑是英国ＥＭＩ公司的Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ成功设计出计算机辅助大脑扫描器（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄＢｒａｉｎＳｃａｎｎｅｒ）。该扫描器可以输出清晰的脑部图像，使无创认识人体结构成为现实。随后，ＥＭＩ公司推出了商品化的ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）设备，在临床应用中获得了巨大的成功。为此，１９７９年，Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ和他的合作者Ｃｏｒｍａｃｋ被分别授予诺贝尔物理奖和医学奖。近年来，医疗设备的不断发展加快了医学信息化的进程，如螺旋ＣＴ可以重建出任意层厚的图像，ＭＲ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）、ＰＥＴ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＥｌｅｃｔｒｏ
ｎＴｏｍｏｇｒａｐｌｌｙ）图像的精度也越来越高【１６，¨】。
但是，这些医疗设备只能提供人体内部的二维断层图像。例如，ＣＴ等医疗设备只能给出人体的横断面图像，而不象ＭＲ可以重构出任意轴向图像，如冠状图和矢状图。因此，在大多数情况下，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的空间几何关系，从而给治疗诊断增添了困难。
为此，人们提出了各种由二维图像重构出三维形体的方法，并逐渐形成了一个崭新的研究领域一一科学计算可视化（ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）。１９８７年２月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有来自计算机图形学、图像处理以及从事各个不同领域科学计算的专家。会议认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为“ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ”，简称“ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”［６２１。科学计算可视化指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及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。实际上，随着计算机相关技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展。它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，如有限
元分析结果等。也包括测量数据的可视化，如用于医疗领域的计算机断层扫描（ＣＴ）数据及核磁共振（ＭＲ）数据的可视化，就是最为活跃的研究领域之一【１，８‘’２４，２９，３０，３３－６２，６５－－６８】。
本文目的是研究医学影像的三维重建方法和相关应用。从医疗设备ｆ如ＣＴ、ＭＲ）获取断层序列图像，利用可视化技术重建出三维实体，并对重建出的三维实
医学影像三维重建方法研究
体进行运算操作，满足临床应用的要求。医学影像三维重建，是指基于科学计算可视化技术从一系列二维断层医学图像中重构出三维形体，利用计算机显示并完成三维图像操作。在此基础上结合实际临床应用，可以实现手术模拟、手术规划和虚拟内窥镜等辅助诊断操作。人体内部结构十分复杂，通常医生无法观察到手术进行的实际情况。而且，手术具有高危险性，不能预先在人体上模拟。利用可视化技术，在重构出的三维图像基础上，进行计算机模拟，可以设计、选择最佳手术方案。不仅如此，还可以在手术过程中对手术进行情况在屏幕上予以监视，使医生们做到“心中有数”，因而必将大大提高手术的成功率。同时，对于促进图像处理和可视化技术的发展和应用将起到积极的推动作用。
１．２国内外研究现状
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在这－ｄ，节，分两个方面来讨论国内外对于医学图像三维重建方法的研究和应用。一方面侧重介绍当前的理论研究，主要包括三维表面重建、体绘制以及虚拟内窥镜三方面；另一方面，介绍了一些现有的商用系统和各个大学、科研院所的研究情况。
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１．２．１医学图像三维重建方法
目前能够产生适合三维重建的图像数据的医疗设备大致有计算机断层扫描（ＣＴ），核磁共振成像（ＭＲＩ），超声（ＵＳ），正电子辐射断层摄影（ＰＥＴ），单光予辐射断层摄影（ＳＰＥＣＴ）ｉｔ”等，这些设备产生的图像都是连续的断层图像，属于有组织的结构化的体数据。医学图像三维重建就是研究由这些医疗成像设备获取的二维序列图像构建组织或器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上“真实”绘制与显示。医学图像的三维重建包括对输入图像的预处理、图像分割、表面重建、体绘制、三维高级后处理和虚拟内窥镜等主要研究内容。
●图像预处理
在医学图像数据的获取过程中，影像设备中各电子器件的随机扰动不可避免地会产生噪声。预处理的目的就是对其进行滤波（Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）或平滑（Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ），抑制噪声，增强图像特征，提高信噪比。
system什么意思1976 4 5对于医学图像的滤波可以采用常用的频域滤波，如采用ＢｕＲｅｒｗｏｔｈ滤波器可较好地消除高频成分或者空域滤波，如邻域平均法、中值滤波法以及保持边缘的滤波法等［１７，６３］。对由二维图像序列构成的三维体数据（亦称三维图像）的滤波，很容易由二维滤波方法推广到三维。
由于医学图像断层之间的间距往往远大于断层图像象素间距，通常还需要进
