河北工业大学硕士论文
CT图像的三维重建
摘要
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目前，CT，PET，MRI等成像设备均是获得人体某一部位的二维断层图像，再由一系列平行的二维断层图像来记录人体的三维信息。在诊断中，医务人员只能通过观察一组二维断层图像，在大脑中进行三维数据的重建。这就势必造成难以准确确定靶区的空间位置、大小及周围生物组织之间的关系。因此，利用计算机进行医学图像的处理和分析，并加以三维重建和显示具有重要意义。
医学图像的三维可视化就是利用一系列的二维切片图像重建三维图像模型并进行定性、定量分析。该技术可以为医生提供更逼真的显示手段和定量分析工具，并且其作为有力的辅助手段能够弥补影像成像设备在成像上的不足，能够为用户提供具有真实感的三维医学图像，便于医生从多角度、多层次进行观察和分析，能够使医生有效的参与数据的处理分析过程，在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面都可以发挥重要的作用。
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医学图像三维表面重建的主要研究内容包括医学图像的预处理，如插值、滤波等；组织或器官的分割与提取；复杂表面多相组织成份三维几何模型的构建等。本文对CT 图像三维重建的关键技术进行研究，试
图利用Marching Cubes(MC)算法实现对二维医学图像的三维重建，并且在重建前可以选择阈值，根据不同的阈值来重建不同的组织或器官。
而当前氩氦刀微创治疗肿瘤在国际国内得到了广泛的临床应用和研究。因此，本文还对肿瘤的靶向治疗以及氩氦刀冷冻靶向治疗进行了一定的研究，特别针对靶向治疗中的精确定位进行相关的研究。我们要分析氩氦刀定位中所需建立的复杂坐标系统，研究肿瘤靶向治疗中计算机精确定位系统的数学模型。并在此基础，研究开发“氩氦刀靶向治疗计算机辅助精确定位系统”。
关键词：三维重建，靶向治疗，CT，图像处理，计算机辅助精确定位，氩氦刀
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CT图像的三维重建
ii THREE DIMENSION RECONSTRUCTION OF COMPUTED
TOMOGRAPHY IMAGES
ABSTRACT
Nowadays, imaging equipment, such as CT, PET, MRI, all have to follow the process of
deriving 3D data from a ries of parallel 2D images to record the information of human body. Doctors can only obrve 2D images and then reconstruct 3D data by imagination for diagnosis, which would surely lead to confusion in confirming the targeted region, targeted size and so forth. Therefore, it is of great significance to place computers onto the center stage in processing, analyzing, prenting, as well as 3D reconstructing of medical images.
The so-called three-dimensional data visualization of medical images is to make full u of the 2D images in reconstructing 3D models, complemented by qualitative and quantitative analysis. This technology plays an important role in many fields. For instance, it provides doctors with a more real-world prentation and quantitative tool. It remedies the defect of imaging by some equipment as a powerful supplementary means. It offers urs more real 3D medical images. It also gives doctors a chance to obrve and analyze from multiple angles. More importantly, make them more involved in data analyzing and processing. In addition, it aids diagnosis, operation simulation and guide treatment as well.
The main rearch contents of 3D surface reconstruction from medical images include image pre-processing, such as interpolating and filtering, gmenting and extracting tissues or organs of body, constructing 3D surface models.In this disrtation, key techniques for 3D reconstructing from medic
al images are studied. We u Marching Cubes arithmetic to reconstruct 3D images. In the cour of reconstruction, the threshold could be inputed by ur.
Back to the real world, cryocare targeted cryoablation therapy is receiving widespread clinical practice and rearch both at home and abroad. For this reason, this disrtation has paid some special attention to tumour targeted and cryocare targeted cryoablation therapies, especially relevant rearch concerned with preci positioning. We should analyze the complicated coordinate systems required by cryocare targeting and study the mathematical model of computer aided navigation in exactitude for tumour targeted therapies. Building upon all the, our final goal is to develop a “Computer aided navigation in exactitude system for Cryocare Targeted Cryoablation Therapy”.
KEY WORDS: 3D reconstruction, targeted therapy, CT, image processing, computer aided navigation in exactitude, cryocare
河北工业大学硕士论文
目录
第一章绪论 (1)
§1-1引言 (1)
§1-2医学图像三维重建与可视化概念 (1)
贵阳周边1-2-1三维重建的一般过程 (1)
1-2-2可视化方法的概念及分类 (1)
§1-3国内外研究概况 (3)
§1-4本课题研究内容 (4)
第二章医学图像信息的处理 (5)
§2-1引言 (5)
§2-2信息源的分析 (5)
2-2-1信息源的类型 (5)
2-2-2医学信息源的表现形式 (6)
2-2-3不同格式医学图像的获取 (6)
§2-3信息源的处理 (7)
2-3-1信息的转化 (7)
2-3-2医学数据的处理 (8)
2-3-3CT数据的特点 (11)
§2-4图像的预处理 (12)
2-4-1平滑（滤波）处理的基本方法 (12)
妈妈辛苦了图片2-4-2断层图像间的插值 (15)
2-4-3医学图像的分割 (17)
第三章图像三维重建及可视化技术研究 (20)
§3-1引言 (20)
被离§3-2基于三维数据的建模方法 (20)
3-2-1物体表面重建（基于表面的方法） (20)
3-2-2直接体视法（基于体数据的方法） (22)
§3-3医学图像的三维重建与可视化 (23)
3-3-1三维可视化及重建的发展和现状 (23)
3-3-2医学图像可视化及三维重建的应用 (25)
3-3-3医学图像的三维重建技术 (26)
中西文化对比
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道德情操CT图像的三维重建
第四章基于CT图像的三维重建 (30)
§4-1引言 (30)
§4-2医用CT机的历史与发展现状 (30)
§4-3CT图像的获取、处理及重建 (32)
§4-4CT图像的相关研究 (34)
第五章肿瘤靶向治疗中的计算机精确定位系统的研究 (39)
§5-1肿瘤靶向治疗的研究 (39)
5-1-1肿瘤靶向治疗简介 (39)
5-1-2氩氦刀肿瘤冷冻靶向治疗的一些相关研究 (40)
5-1-3氩氦刀靶向治疗肿瘤的一些特点及应用 (44)
§5-2靶向治疗计算机辅助精确定位研究 (45)
5-2-1计算机辅助靶向治疗精确定位的必要性 (45)
5-2-2坐标系的建立和转换 (47)
5-2-3模型的建立 (50)
§5-3氩氦刀靶向治疗计算机辅助精确定位系统的研究 (54)
5-3-1平台的选择 (55)
5-3-2系统界面及功能 (56)
第六章结论 (62)
§6-1本课题研究的总结 (62)
§6-2本课题研究工作的展望 (63)
参考文献 (65)
致谢 (68)
攻读学位期间所取得的相关科研成果 (69)
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第一章绪论
§1-1 引言
进入70 年代以来，随着计算机断层扫描(CT：Computed Tomography)，核磁共振成像(MRI：Magnetic Resonance Imaging)，超声（US：Ultrasonography）等医学成像技术的产生和发展，人们可以得到人体及其内部器官的二维数字断层图像序列。这些医学成像的临床应用，使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。但是，二维断层图像只是表达某一截面的解剖信息，仅由二维断层图像，人们很难建立起三维空间的立体结构。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，不能给出准确的三维影像，造成病变（靶区）定位的失真与畸变[1]。为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学性，由二维断层图像序列转变成为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构与形态，从而提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，并为进一步模拟操作提供视觉交互手段。医学图像三维重建与可视化技术就是在这一背景下提出的，这一技术一经提出，就得到大量研究与广泛应用。
医学图像三维重建是放射治疗计划系统的重要技术支撑，目前在医学图像三维重建及可视化研究方面，浙江大学、清华大学、东南大学、中科院自动化所等均做了大量研究，开发了一些实验系统，但
目前国内尚无成熟的商用系统。因此，开展这方面的研究，具有重要意义。
§1-2 医学图像三维重建与可视化概念
1-2-1 三维重建的一般过程
基于断层医学图像三维重构的一般过程[2]如下：1）数据获取，从CT或MRI等获取原始数据；2）数据预处理或滤波，将基本的原始数据转化为用户感兴趣的数据格式；3）映射，提供造型和数据分类功能；4）绘制，把上层送来的几何图素用传统图形学的方法生成真实的图形；5）图像处理，包括图像的平移、旋转、缩放和变换等；6）输出，在屏幕上显示或输出用户需要的数据文件等[3]。
1-2-2 可视化方法的概念及分类
三维医学图像的可视化通常是指利用人类的视觉特性，通过计算机对二维数字断层图像序列形成的三维体数据（Volumetric Data）进行处理，将其变换为具有直观立体效果的图像来展示人体组织的三维形态。
目前应用较广的分类方法是将三维医学图像可视化技术分为两类绘制方法：表面绘制方法(Surface Rendering)和体数据绘制方法(Volume Rendering)。在一些综述文章中[2]，又分别称作拟合表面的方法(Surface-Fitting Algorithms)和直接体数据绘制方法(Direct Volume Rendering)。炸多春鱼
表面绘制是基于表面描述模型，以显示表面信息为目的的一种三维数据显示方法。它的基本思想是首先提取感兴趣物体的表面信息，把体数据转换为由一系列多边形表面片拟合的等表面，然后再用面绘制算法根据光照、明暗模型进行消隐和渲染得到三维的显示图像。
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