（机械电子工程专业论文）医学影像二维处理及三维重建系统的研究与实践.pdf

医掌影像二雉笼曩与三维t 建系统的研究与蜜或 医学影像二维处理及三维重建系统的研究与实践 摘要 计算机断层摄像技术( c o m p u t e r iz e dt o m o g r a p h y 。c t ) 是2 1 世纪的重要 成果之一，它使传统的医学诊断方式发生了革命性的变化。现代医学影像 与计算机技术的发展以及它们之间的相互融合，使得基于c t 影像的三维可 视化医学辅助系统的设计与开发成为现实。医学c t 影像三维重建及可视化 在诊断、手术规划及模拟仿真、整形及外科假肢、放射治疗规划、解剖教 学等方面都有重要应用。 本文介绍了常见的医学影像文件格式，研究如何将系列二维的医学影 像读入计算机内存，通过预处理( 过滤、增强、锐化等) 去除影像中的噪 声，将二维影像进行分割，提取感兴趣的区域，最后将二维影像还原三维 模型( 三维表面模型和三维体模型) 的主要方法和步骤。 为了达到更好的观察或操作效果，文中还研究了对三维模型进行视觉 效果调整、交互式操作( 几何变换及测量等) 及虚拟切割等一系列的辅助 功能。对于三维表面模型，还实现了三维面数据的简化及保存功能。 最后，在w ln d o w s 操作系统环境下，运用m ic r o s o f tv is u a ic + + 6 0 并 结合中国科学院自动化研究所的t k 算法平台开发了一套二维影像处理及 三维重建系统( 3 d r e c o n s t r u c t io n ) 。该系统实现了上述的各项功能，运 行良好，能较好地完成二维处理及三维重建工作。 关键词：c t 影像二维处理影像分割三维重建交互操作虚拟切割 i 掌影儡二簟失i 与三簟t 建l 麓的研兜与蜜成 r e s e a r c ha n f 】dp r a c t i c ea b o u t 正l d i c i n ei m a g e2 dp r o c e ss i n ga n d 3 dr e c 0 l n s t r u c t l 0 ns y s t e m a b s t r a c t c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h yi so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tp r o d u c t i o n si nt h e 21t hc e n t u r y ，i tm a k e sar e v o l u t i o n a r yb r e a k t h r o u g hf o rt h ed i a g n o s i s t h e d e v e l o p m e n to fm o d e mm e d i c i n ei m a g ea n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya sw e l la s t h e i ra m a l g a m a t i o nm a d et h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to f v i s u a l i z a t i o nm e d i c i n e a u x i l i a r ys y s t e mw h i c hb a s eo nc ti m a g ec o m et r u e t h ec tm e d i c i n ei m a g e 3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n di t sv i s u a l i z a t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n d i a g n o s i s ，s u r g e r yl a y o u t , a n a l o gs i m u l a t i o n ，a r t i f i c i a ll i m b ，r a d i o t h e r a p yl a y o u t t h ep a p e ri n t r o d u c e sf r e q u e n t l y u s e df i l ef o r m a to fm e d i c i n ei m a g e ， r e s e a r c h e so nt h em a j o rm e t h o da b o u t2 dp r o c e s s i n g & 3 dr e c o n s t r u c t i o n i t w o r k so v e rh o wt or e a dt h em e d i c i n ei m a g ei nc o m p u t e rt h e nt od i s p l a y ；s t u d i e s o nh o wt of i l t r a t et h ey a w l ) b yp r e h a n d l e ( f i l t r a t i o n ，e n h a n c e m e n t , s h a r pe t c ) ， h o wt od i v i d eu pt h ez o n eo f p r a c t i c a b l e ，t h e nr e c o n s t r u c tt h e3 ds u r f a c em o d e l b a s eo nt h es e g m e n t a t i o nd a t a i no r d e rt og e tt h eb e t t e re s p i a le f f e c ta n db e t t e ro p e r a t i o ne f f e c t ，t h ep a p e r r e s e a r c h e so nt h em e t h o da b o u ta d j u s t m e n to ft h e3 dm o d e lv i s i o ne f f e c t , i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n ( g e o m e t r yt r a n s f o r m ，g e o m e t r ym e a s u r ee t c ) a n dv i r t u a l i n c i s i o n 砀ep a p e ri m p l e m e n t st h ef u n c t i o no fs i m p l i c a t i o na n dp r e s e r v a t i o n a b o u t3 ds u r f a c ed a t as i m u l t a n e i t y a tl a s t , w ei m p l e m e n to u rm e d i c i n ei m a g e2 d p r o c e s s i n ga n d3 d r e c o n s t r u c t i o ns y s t e m ( 3 d r e c o n s t r u c t i o n ) i nm i c r o s o f tw i n d o w sx p ，w h i c h u s e sm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a n dm i t k a l g o r i t h mp l a t f o r md e v e l o p e db y c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e sa u t o m a t i o nr e s e a r c hi n s t i t u t e n l es o f t w a r e 广1 可大学习l 士学位论文( 医掌影像二维处曩与三重t 建l 统的研究与实避 i m p l e m e n t s a l lf u n c t i o n sm e n t i o na b o v ea n dc o m p l e t e st h et a s ko f2 d p r o c e s s i n g & 3 d r e c o n s t r u c t i o ne f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：c t i m a g e ；2 dp r o c e s s i n g ；i m a g es e g m e n t a t i o n ；3 dr e c o n s t r u c t i o n ； i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n ；v i r t u a li n c i s i o m m 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 一学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外j 论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 靠云亏z ，罗年月7 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 哦口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：黄弓专导 年月7 日 巨掌影豫= l 走曩与三缜t 建秉麓的研完与蜜成 1 1 课题研究的背景和意义 第一章概论 1 8 9 5 年1 月5 日，德国著名物理学家伦琴发现x 射线，他因此于1 9 0 1 年获第一次诺贝 尔物理学奖金。这一发现宣布了现代物理学时代的到来，同时使得医生能够利用无创伤 手段观察和诊断病人的病变区域。随着c t ( 计算机断层扫描成像，c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 、 m r i ( 核磁共振成像，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e ) 、c r ( 计算机x 线成像) 、b 超、电 子内窥镜、超声( u l t r a s o n o g r a p h y ，u s ) ，正电子辐射断层摄影( p e t ) 、单光子辐射断层 摄影( s p e c t ) 等现代医学影像设备的先后出现，又可使医生用无创伤手段从一系列断层 影像以多视角多方位的三维模式观察和诊断病人的病变区域，传统的医学诊断方式发生 了巨大的变化。医学影像及其三维重建的模型作为临床医生诊病治病的辅助工具发挥着 愈来愈重要的作用。 尽管医生可以通过观察医学影像来发现并诊断病情，但这种诊断方式有可能由于影 像本身的对比度、分辨率等原因引起医生的误判误诊；同时，从一组二维影像构想出入 体器官的三维结构有相当的难度且不一定准确，在某些情况下甚至可能会引起误诊从而 影响医疗进程。 为提高医疗诊断和治疗规划的科学性及准确性，需将二维断层影像进行处理，将重 要的部位突出显示，而将不需要的部位屏蔽或删除，以便于观察。必要时将系列二维影 像转变成为具有直观立体效果的三维模型，展现人体器官的三维结构与形态，从而提供 用传统手段无法获得的解剖结构信息，为进一步模拟操作提供视觉交互手段。医学影像 二维处理及三维重建与可视化技术就是在这一背景下提出的，并借助计算机图形学、图 像处理、模式识别、医学、生物工程等学科而逐渐发展起来。随着现代计算机科学技术 的发展，该技术越来越多地受到人们的重视，目前得到了大量的研究与广泛应用。 我国从国外进口了许多高精度的医学成像设备并广泛应用，一般使用的都是随机发 行的医学影像处理软件。这些软件功能较全面，但系统及算法复杂，价格昂贵，操作复 杂，有些不能在普通p c 机上运行，需要专用的图像工作站才可运行。这些软件一般不能 自行扩充或维护，需商家的支持才能更新，给医院的推广使用带来了极大的难度，同时 亦不便于医生进行诊断。部分软件对医生在图像图形领域的知识要求较高，不太适合临 广西大擘穰士掌位论文墨掌影像二簟笼i 与三雏t 建系统研究与实雎 床医生在日常工作中使用，因而难以在医院广泛地推广使用。 开发一套操作简易，能在普通p c 机上运行，且能根据实际需要进行扩充或维护的医 学影像二维处理及三维重建系统有着重要的现实意义。当医学成像设备形成影像文件后 可在局域网内进行共享，医院的各位医生使用自己开发的软件在普通p c 机上就可以浏览 影像文件，并根据需要对影像文件进行处理，必要时还可以重建人体器官的三维模型， 既缩短了诊断时间，又使诊断更直观，更可靠。为抢救病人带来了更多的机会，同时减 少了医疗成本，也减轻了病人沉重的经济负担。 1 2 国内外研究现状及成果 1 2 1 国外研究现状及成果 国外在很早以前就开始了医学影像处理及三维重建方面的研究。如美国，对开发高 质量的医学图像处理及三维重建软件非常重视，美国国家卫生院下属的国立医学图书馆 近年来投入巨资运行三家科研机构开发医学影像算法平台及基于这些平台的软件，并取 得了相当显著的成果。 就医学影像处理及三维重建方面而言，归根到底最重要的实际上是算法的研究。一 般集中在医学影像分割、医学影像配准、三维可视化这三大研究领域，每一研究领域又 可根据一定的原则再进行细分，目前这三个主要的研究领域都已经有许多成熟的算法， 新的算法也在不断的涌现。 一些研究组织如美国g e 公司研究部门、中国科学院自动化研究所等，为了更好地总 结并利用现有的算法，最大限度地避免研究人员再做重复的工作，开发了一些医学影像 算法平台( a l g o r i t h m st o o l k i t ) ，这些算法平台封装了他们自己的算法，也封装了很多 已经成熟的其他算法。为了推广应用这些算法平台，他们免费提供这些算法平台的下载， 甚至公开源代码，这些算法平台极大地便利了医学影像领域的研究者，他们可对源代码 进行修改，把自己的算法或思想融入平台中从而在这些平台的基础上创建自己的开发环 境。 目前国外较著名或应用较广泛的算法平台有： ( 1 ) 可视化开发包v t k ( v i s u a li z a t i o nt o o l k i t ) 【u ，是一套通用的进行数据可 视化的开发工具包。由美国g e 公司的w i l ls c h r o e d e r 和k e nm a r t i n 在1 9 9 3 年率先发 广西大掣嘎士掌位论文 置掌影1 鼻二口u 与三l 建j 射螂f ， 号囊 戌 布，当时是作为( t h ev i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ：a no b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c ht o3 9 g r a p h i c s 这本书的配套软件赠送。v t k 完全采用面向对象的设计思路来设计和开发瞄j ， 除了提供强大的功能外，还支持跨平台开发，如支持w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等操作系统。 后来因使用v t k 的人数越来越多，由美国k i t w a r e 公司负责对v t k 进行维护，公开源代码 并免费下载，所有的研究人员都可以往v t k 加入自己代码或思想，为v t k 的发展写入自己 的印记。v t k 目前的最新版本是5 1 ( 截止至2 0 0 8 年3 月) ，它已经成为通用可视化领域 内最负盛名的软件开发包，很多软件开发工作人员选择v t k 作为医学影像处理软件的开 发工具。 ( 2 ) 分割与配准开发包i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o l k i t ) 【3 】，i t k 提供个医学影像分割与配准的算法平台。其起源是基于美国的可视人体工程 h 】，1 9 9 9 年，美国n i h ( 国家卫生院) 下属的n l m ( 国家医学图书馆) 出资赞助开发一 个分割与配准的算法平台，作为可视人体工程的一个开发工具，最终选择了六家单位合 作开发，这六家单位分别是u n i v e r s i t yo fn o r t hc a r o i i n a 、u n i v e r s i t yo fu t a h 、 u n i v e r s i t yo fp e n n s y l v a n i a ：_ _ 所大学及k i t w a r e 、g e 、i n s i g h t f u l - - - 所商业公司。i t k 的框架设计是由美国的k i t w a r e 公司来完成的，但是与v t k 明显不同的是，它们的设计风 格截然不同。i t k 大量使用了1 9 9 8 年以后a n s ic 卜+ 标准里面的新特性，尤其是 t e m p l a t e ( 模板) ，并r i t k 是基于范型编程( g e n e r i cp r o g r a m m i n g ) 哺1 这种设计思想来设 计与实现的。i r r k 也可以支持跨平台开发，支持w i n d o w s ，u n i x ，l i n u x 等多种操作系统， 目前也是采用开源( o p e ns o u r c e ) 的形式发行，供所有研究人员免费下载。目前i t k 的 稳定版本己经发行到3 4 ( 截止至2 0 0 8 年3 月) ，提供了几乎所有主流的医学影像分割与 配准算法们，并且现在还一直在持续地改进，它为医学影像领域内的研究人员提供一个 分割与配准算法的优秀工具。 尽管v t k 和i t k 目前已经成为国际上非常知名的可视化、医学影像分割与配准的算 法平台。但是由于一些原因，使v 、i t k 或者v t k + i t k 有一些自己的缺陷，因而影响 了其在更大范围内的广泛使用。首先，因为i t k 并不提供可视化的能力，所以一般要与 v t k 联合起来使用，导致使用者必须学习两套规模都相当庞大且风格并不一致的开发 包，对使用者造成了一定的学习难度；其次，v t k 并不是专门针对医学领域的，加之规 模又相当庞大，里面有相当多的内容是与医学影像处理与分析无关的；最后，i r k 设计 的时候利用了非常多的现代c + + 语言的新特性，并且大量使用了模板，这本来是一件非 广曹大孽问t 士掌位论文医掌影像二口u 曩与三簸c 建秉筑的研竞与曩 成 常好的事情，但是目前有很多编译器不能完全支持这些新特性，很多使用者对这些新特 性也并不熟悉，导致i t k 的应用范围受到限制h 1 。 国外较成熟或流行的医学影像处理软件有：美国宾夕法尼亚大学m i p g 小组的 3 d v i e w n i x 系统、纽约州立大学的v o l v i s 系统【8 】、麻省理工大学( m i t ) 人工智能实验室 和哈佛医学院附属伯明翰女子医院合作开发的3 d s l i c e r 软件憎j ，g e 公司的g em e d i c a l s y s t e m 系统、加拿大a 1 1 e g r o 系统、s i e m e n s 、东芝、p h i l i p s 、以色列爱尔新持公司 ( e l s c i n t u d ) 等公司的图像处理与分析系统。但这些系统很多是依附于影像设备厂商提 供的，价格昂贵，尽管提供多模图像数据的可视化分析，但一般都基于高档工作站，多 数不能在普通p c 机上运行。有些系统临床应用功能不够丰富，不能达到利用m r i ，c t 等影 像设备进行医疗诊断所需要的诸多功能u 叭。 1 2 2 国内研究现状及成果 我国在计算机图形方面的研究开始于上世纪六十年代中后期( 1 9 6 5 年以后) 。进入 八十年代以来，无论在理论研究，还是在实际应用的深度和广度方面，都取得了可喜的 成果。特别是国家将“可视化人体工程”列入国家8 6 3 计划后，在三维重建领域亦有许 多学者做了大量的工作，提出了相应的算法及理论。这方面，中科院自动化所、重庆大 学、同济大学，上海交通大学，西安交通大学、东北大学、沈阳工业大学等均做了研究， 开发了一些实验系统或软件。 在算法平台的开发研究上，国内目前在这方面做得比较好的是中国科学院自动化研 究所复杂系统与智能科学重点实验室，其独立开发了一套集成化医学影像算法平台 m i t k ( m e d i c a li m a g et o o l k i t ) 。m i t k 是集成化的医学影像处理与分析c + + 类库。开发 m i t k 的灵感得自于开源软件v t k 和i t k 的巨大成功，其主要目的是为医学影像领域提供一 套整合了医学图像分割、配准和可视化等功能的，具有一致接口的、可复用的、灵活高 效的算法开发工具。和v t k 的风格类似，m i t k 采用传统的面向对象的设计方法，而没 有采用i t k 的范型编程风格，因而其语法和接口是简单而直观的。目前m i t k 是免费软件， 科研人员可以下载学习并进行二次开发f 1 1 1 。m i t k | 前支持两种操作系统，分另i j 是 w i n d o w s 系列及l i n u x 系列。 其中针对w i n d o w s 系列的m i t k 有两个版本： ( 1 ) i nc o r e 版本：目前发行的最新版本是1 4 ( 截止至2 0 0 8 年3 月) ，该版本仅对 4 广1 r 大尊口曩士掌位论文 曩：掌影l 二口u 可三翻l e ，乞身臼兜9 研，守薯；成 内存数据提供支持，所有数据必须读入内在方可运行。 一 ( 2 ) o u to fc o r e 版本：目前发行的最新版本是2 0b e t a ( 截止至2 0 0 8 年3 月) 。该 版本不仅支持内存数据，也支持海量数据，即可以利用磁盘来暂存原始数据，在需要对 原始数据中某一部分数据块进行处理时，动态地将相应的外存数据导入到内存中进行处 理。 在w i n d o w s 操作系统平台上，如果处理的数据涉及到较大的量，最好使用m i t k2 x ， 如果确实只涉及到较小的数据量( 单个三维体数据最好不超过内存的1 4 ) ，还是推荐使 用m i t k1 x ，因为相对简练。 针对l i n u x 版本的m i t k 的版本有：1 3b e t af o rl i n u x ( 截止至2 0 0 8 年3 月) 。 1 3 本文研究的主要内容 针对广西大学机械学院与广州军区3 0 3 医院的合作项目薏于r p 技术的咽喉破损 软骨的功能性和个性化修复设计临床应用，开展医学影像二维处理及三维重建的关键技 术研究，开发一套二维影像处理及三维重建系统，对促进广西机械前沿技术和医学的结 合做有意义的初步探索与实践。 本文主要研究的内容包括以下几个方面： l 、医学影像文件的预处理与分割 介绍常用的医学影像格式，并将文件读入计算机内存，因医学影像文件在形成或传 输的过程中，由于各种因素的影响会使医学影像混有各种不应出现的噪声。为了突出显 示有效的区域，可使用灰度变换、图像平滑、图像滤波、图像增强等手段过滤掉各种无 用的噪声，使图像变得更清晰明了。 医学影像文件中同时包含了人体的多个器官，而医生可能只对其中一个或几个器官 感兴趣，但这些器官往往互相交错在一起，使得医生难以辨认，某些情况下甚至可能引 起误诊，为此将不需要的器官从影像中去除而把有用的器官完好保留下来。分割是整个 系统的重要组成部分，也是较难实现的部分，分割结果将直接影响到三维重建的效果。 2 、医学影像的三维重建及视觉调整 对医学影像读入内存并进行预处理或分割后，医学影像数据已经是规则的体数据， 此时可以根据需要选择三维面重建或三维体重建，并将重建后的三维模型显示出来。 ( 1 ) 三维面重建：面绘制的特点是采用曲面造型( 或采用三角面片) 技术，生成 广冒，谢乒习【士掌位论文置掌影1 二口u t 穹三l l 曩溉的研究与囊 琏 表示三维数据场等值面的曲面( 或三角面片) ，再结合面光照模型计算出欲绘制的图像。 最后将三维表面绘制出来。为了构造中间曲面( 或等值曲面) ，面绘制必然需一个分割 过程，因此三维数据场中的部分细节信息丢失，重建的效果与原真实模型会有一些细小 的出入。三维面模型在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面发挥着重要的作用。 因已对医学影像数据进行分割处理，故三维面重建的运算量相对较少。 ( 2 ) 三维体重建：体绘制一般不对物体做精确的分割，而是对体数据场中每个体 素分别进行处理，进而合成具有三维效果的图像。在体绘制方法中，透明度的引入大大 增强了数据的整体显示效果，其将数据场中的体元素看成一种半透明物质，并赋予一定 的颜色和阻光度，由光线穿过整个数据场，进行颜色合成。通过对不同的组织分配相应 的透明度，可以同时将各组织器官的质地属性、形状特征及相互之间的层次关系表现出 来，从而丰富了图像的信息。因体重建不需要进行分割处理，所有的数据都参与运算， 其成像的效果一般也比面重建要好，但其运算量要比面重建大得多。因此，对于形状特征 模糊不清的组织和器官进行三维显示，适合采用体绘制方法【1 2 1 【l 引。 为了更好地显示三维模型，可通过设置或调整一些参数以改变三维模型的绘制或显 示方式，便于医生从多角度、多层次对三维模型进行观察和分析。 3 、二维影像及三维模型交互操作 对于二维影像主要是研究如何实现多张影像的连续浏览、几何变形、伪彩显示、二 维测量、获取医学影像信息等方面的功能，对于三维模型，研究如何对其进行旋转、缩 放、平移等操作，并研究如何对空间任意两点的距离及空间角度进行测量的方法。 4 、三维模型虚拟切割 虚拟切割指的是将三维数据场的一部分数据去除( 或屏蔽) ，使得医生看到被外部 器官遮挡住的内部组织和器官，从而更清晰地反映内部的信息。 1 4 本章小结 本章简要说明了本文的研究背景、意义及研究的内容，同时介绍了国内外的研究状 况及成果。 ：掌影啊l 二口u 亨三曩l e 建0 竞9 研，巴一号囊 l 蠢 第二章二维医学影像的预处理及分割 医学影像数据的读取及显示是对影像进行其他处理的重要基础。因此，分析常见的 医学影像数据格式是非常重要的，为了更好地观察影像，还必须对读入的影像数据进行 显示。 从各种医学影像设备获得的影像可能会具有模糊和不均匀等特点，而在影像的生成 或传送的过程中，由于种种原因不可避免包含有物理上的噪声。去除这些影响影像观察 的因素，使影像变得更容易观察，或使影像中包含的有用信息更容易提取，是影像处理 的最重要的任务之一。在影像预处理或改善影像质量的方法中，具有代表性的方法一般 有灰度变换、影像增强、边缘检测及提取等。 医学影像文件中同时包含了人体的多个器官，而医生可能只对其中一个或几个器官 感兴趣，但这些器官往往互相交错在一起，使得医生难以辨认，甚至可能引起误诊。为 此把不需要的器官从影像文件中去除而把有用的器官完好保留下来。二维影像分割是整 个系统的重要组成部分，也是较难实现的部分，影像分割结果将直接影响到三维表面重 建的效果。 2 1 二维医学影像文件的存取 2 1 1 常见的医学影像文件格式 d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 即医学数字成像和通信 标准，目前的版本是3 0 t 1 4 】，是最广泛使用的医学影像格式。常见的其他影像文件还 有b m p ( b i t m a pf i l e ) 、j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 、t i f f ( t a gi m a g e f i l ef o r m a t ) 、r a w 、i m o 、i m g ( a n a l y z e 格式) 等格式。 d i c o m 、b m p 、j p e g 、t i f f 、i m o ( 3 d v i e w n i x 软件数据格式) 等是标准格式文件，其 文件本身通常有文件头、文件体( 影像数据) 和文件尾等三部分，而r a w ( 生数据格式) 其文件本身仅记录了没有进行任何处理，也未经压缩的影像数据，在读取时须知道影像 的长度和宽度等系列的数据信息，否则无法正确读取。i m g 是a n a l y z e 格式的文件，其实 质上也是一种r a w 文件，其图像其他信息保存在一个同名的h d r 文件中。h d r 文件中包含 除了图像数据以外的其他图像信息，如影像宽度、长度、像素间距等信息。 7 医掌影镰= i t 茂囊与三量e 建膏溉的研究与蜜成 2 1 2 医学影像文件的存取 多数医学影像文件结构主要都包含有文件头、文件体( 影像数据) 和文件尾等三部 分。1 ) 文件头一般包括：影像格式标志、影像分辨率、影像宽高尺寸、影像色彩深度、 彩色类型、编码方式、压缩算法等内容；2 ) 文件体( 即图像数据体) ：图像数据、彩 色变换表等内容；3 ) 文件尾：用户名、注释、开发日期、工作时间等内容。影像文件 实际的结构因不同的影像格式而不同，结构也复杂得多，影像数据所占空间及排列顺序 也可能不相同，在分析处理时需加以区别对待。【1 s 】 医学影像文件存取的一般思路如图2 - i 所示： 篡塞k l根据影像格式i lil 将影像f 入 票趴鬈趴 将内存的教 据，按一定 始化读取u 篓嗲 文件数据的教一 文件数u 鬈y 釜 的格式和顺 组并向操作系ii 尝 i 序存回 絮环rl 统申请内存i i 境 i 图2 - 1 医学影像文件读取流程 f i g u r e2 - 1t h ep r o c e d u r eo f m e d i c a li m a g ea c c e s s i n g ( 1 ) 影像格式的分析：对文件的格式分析犹为重要，在这一步骤中，需弄清影像文 件的种类( 如d i c o m 或b m p 等) 、影像的大小( 如页数、影像长度、宽度等) 、影像数据 的类型( 如c h a r 或s h o r t 等) 、影像像素的间距、影像页与页之间的距离、影像数据的 排列顺序( 是否大端序或是否交错排序等，大端序是m a c 系列计算机所采用的方式，交 错排序主要是针对多通道图像而言，如r g b 影像，如果像素是按照r g b r g b 的顺序则为 交错排序，r r r g g g b b b 则为非交错排序。) 、影像的通道( 单通道或r g b 通道或r g 队 通道等) 等信息，具体的设置如图2 - 2 所示。 ( 2 ) 定义接受影像各类信息的c + + 数组，并向操作系统申请容纳影像数据的内存空 间。对于b m p 、j p g 、t i f f 等标准格式的影像文件，其本身一般不能存储医学影像处理所 需的一些信息( 如影像的页数，影像像素之间的间距、影像页与页之间的距离等) ，需 通过人为去设置：对于r a w 、i m g 等格式文件更是如此，其所缺的信息更多，除了上述点 外，还需设置影像的长、宽、数据类型等；而于d i c o m ，i m o 等格式的影像文件，因其文 件内部已完整地保存有所需信息，不需要人为设置其他信息。 ：掌量；啊= 二糟t l 与三翻l 建u 竞的研究与摹 躐 图2 - 2 医学影像文件读取参数设置 ? f i g u r e2 - 2p a r a m e t e rs e t t i n go f m e d i c a li m a g ea c c e s s i n g ( 3 ) 用c + + 语言的f r e a d0 函数将影像文件头及影像文件的内容读入c + + 数组并进行 显示，如有需要，可进行一系列的处理。 ( 4 ) 将暂时存放在内存的影像数据，按所需的格式并按一定的顺序使用c + + 语言的 f w r i t e0 函数存回磁盘。 2 2 二维医学影像预处理 获取某个点的像素值( 灰度值) 后，通过一些运算法则对该值进行变换，使其明显 区别于其他无用点的值，这也就是预处理的实质。在实现过程中需要注意的是对变换后 的像素值( 灰度值) 的判断，若变换后的像素值( 灰度值) 小于变换前的最小值或大于 变换前的最大值，则令变换后的像素值( 灰度值) 直接等于最小值或最大值。 2 2 1 二维医学影像的灰度变换 灰度变换是一种简单但很重要的技术，它可以让用户改变影像数据的灰度范围，主 要的作用是改变影像的对比度，以改善影像的视觉效果。 l 、灰度反色 灰度反色变换的原理很简单，即先求出影像的最大灰度值及最小灰度值，然后用最 大灰度值减去每个点的灰度值得到新的灰度值。由此可知，若某点灰度值变换前为最大 值，贝i j 变换后变成最小值，而变换前为最小灰度值的点则在变换后成为最大灰度值。 医掌影像二翻l 处碧l 与三维 建系统的研要 与实践 2 、灰度线性变换 本文采用的灰度线性变换并不是指影像的所有灰度值都按同一规则进行变换。而是 一种进行分段线性变换的操作，即将影像的灰度值按小到大分成个区间，每个区间采 用相同的变换，一般情况下区间之间采用不同的变换。变换函数如下： f ( x ) = y _ _ l x x x 。一 最大灰度值一x p - 1 门儿- 1“7 - 1 上式中( x 。，y 。) 是区间之间的分隔点。若影像的灰度值集中在较暗的区域导致偏暗， 可使该区间的斜率k 1 进行变换以改善其显示效果。若影像的灰度值集中在较亮的区域 而导致偏亮，则可以使该区间的斜率k l 进行变换以改善其显示效果。 厂里攮屏幕生拆 l 广雹鲁敷据类型 l l s 川s ，ii 籍；”产l 3 = i = = = | = = = = = = = = = 融j e = ；口日；= = = = = = = = d r 幸页t 素救据q 广空闽坐标及蕾豢7 1 i 量小僵：0li ( 1 6 0 , 1 4 2 ，1 3 0 ) l 最大值：1 8 5li 素僵： l r 圉t 定位1 i i 圆圈圆圆共2 5 6 撕第郧r 张q 倒 匦固i 图2 - 3 灰度线性变换效果 匦圃| 倒旦坠燮塑i fig u r e2 - 3g r a yl i n e rt r a n s f o r me f f e c t 如图2 3 所示，本文将影像分成三个区间，有两个分隔点。可以用鼠标拖动两个分 隔点的位置观察变换后的效果，满意后再确认进行变换。当然，如对分成三区间得到的 j 1 穿大掣嘎士掌位论文匪掌影像二口u t 与三翻 建曩藏争研究与摹；j 乏 效果不满意，仍可根据需要再进一步进行细分，如四区间、五区间等，一般而言，分得 越细，效果越好，但系统的运算量亦显著增加。 2 2 2 二维医学影像的增强 使得模糊的部分变得更清晰，更容易观察。影像模糊的实质是受到平均运算或积分运算 图2 4 是一个3 x 3 的模板，模板中间的黑点表示该位置的元素是要进行增强运算的 数( 为3 ) ，然后将该值加上其相邻的附近8 个点的灰度值乘以模板对应位置的参数，然 吉il 广冒大学蝎曩士掌位论文医学；1 i = 口t 囊l 与三铂；e 建臼竞的研舅，胃蕞 j 笼 的几个点的运算( 平均运算) 来除去突然变化的点，从而过滤掉部分噪声。该方法装简 单易用，缺点是经过平滑运算后，原影像有一定程度的模糊。 il 11 l 三i 11 1 9 l1 1 1 l去 中值滤波是一种非线性的信息处理方法，由j w j u k e y 首先提出并应用的一维信息 - l 二维影像的函数为f ( x ，y ) ，其在点o ，y ) 的梯度矢量g f ( x ，夕) 】为： g l 厂( 五少) 】= 苛 反 对 钞 ( 2 2 ) 梯度的两个重要性质：1 ) 梯度的方向在函数厂( x ，y ) 最大变化率方向上；2 ) 梯度的 幅度用g f ( x ，y ) 】表示，其值为： 川= 厣丐 ， 广西大掌硕士掌位论文 医掌影像二缒笼理与三维! 建系统的研究与实践 结论：梯度的数值就是函数f ( x ，y ) 在其最大变化率方向上的单位距离所增加的量。 为便于计算，我们可以采用以下近似的公式对影像进行锐化【1 刚。 g f ( i ，) ( f ，) 一f ( i + 1 ，+ 1 ) 】2 + f ( i + 1 ，) 一f ( i ，j + 1 ) 2 ( 2 4 ) g f ( i ，- ，) 】i f ( i ，) 一f ( i + 1 ，j + 1 ) + i 厂( f + l ，) 一f ( i ，j + 1 ) l ( 2 5 ) 上述两公式称为罗伯特( r o b e r t s ) 梯度公式。在影像变化缓慢之处梯度值很小( 即 影像较暗) ，而在线条、轮廓等变化较快之处值较大，这就是经过梯度运算后使其清晰 从而达到锐化的目的。由于在影像变化缓慢的地方梯度很小，影像会显得很暗，一般是 给一个阈值，如果g f ( x ，y ) 】小于该阈值，则保持灰度值不变，如果大于或等于阂值， 则赋值为g f ( x ，y ) 】。 年辅团玎拖；职 图2 - 7 影像梯度锐化效果 f i g u r e2 7i m a g eg r a ds h a r p e n i n ge f f e c t 4 、拉普拉斯锐化 拉普拉斯是偏导数的线性组合，是一种各向同性的线性运算。设v 2 厂为拉普拉斯算 子，则其值为： v 2 厂= 警+ 軎 p 6 ，。 叙2西2 、7 对于离散数字影像，其一阶偏导数为： 掣业：，f ( i ，) ：f ( i ，沪f ( i 一1 ，) o x (27)af _ ( i , j ) ：，f ( i ，舻f ( i ，) 一f ( i ，一1 ) 卜叫 1 ， 。 医掌影像二维处理与三甥e 建系统的研究号暮 践 二阶偏导数为： a 2 f ( i ，j ) 叙2 a 2 f ( i ，j ) 砂2 = a ，f ( i + 1 ，) 一a ，f ( i ，) = f ( i + 1 ，) + f ( i 一1 ，j ) 一2 f ( i ，j ) = a y f ( i ，j + 1 ) 一d x y f ( i ，) = f ( i ，+ 1 ) + f ( i ，j 一1 ) 一2 f ( i ，) ( 2 - 8 ) 拉普拉斯算子v 2 f 可以为： v 2 厂= 等+ 矿o z f = f ( i - 1 ，卅邝+ 1 ，卅邝+ 1 ) 坝“_ 1 ) 一4 州( 2 - 9 ) l 虽三 ll 三i 三 三 l f ig u r e2 - 8l a p l a c es h a r p e n i n gt e m p l a t e 蛩2 9 拉普拉斯锐化效果 f ig u r e2 - 9l a p l a c es h a r pe f f e c t 2 2 3 二维医学影像的边缘检测及提取 影像中物体的边缘是由于灰度不连续性所反映出来的特征。边缘广泛存在于物体与 背景之间，物体与物体之间，影像的边缘是其最基本的特征，也是影像进行分割所依赖 的重要特征。为了更便于将影像中的各个物体分隔出来，我们有必要对物体的边缘进行 检测并提取。 若某一个点的像素正好落在某一物体的边界上，则其邻域将成为一个灰度的变化 广i 大掣嘎士掌位论文 匪掌影像二口曩l 与三簟 建聪的研究与薯 鼍 确定，多数使用基于方向导数掩模求卷积的方法【1 6 1 。 g ( i ，) = ( 、7 而一7 万订丽) 2 + ( 、7 两面一7 丽i ) 2 ( 2 1 0 ) 其中f ( i ，j f ) 是原影像的某个点( 第所亍，第j f 列) 的灰度值，r o b e r t s 算子是2 x 2 算 雌- 2 - ：1i 雕 l l 二5 三：5 三二5 三l | 三三兰5 三二5 f 三三三三重li 三三- ：3 - 三3l 4 、p r e w i t t 边缘检测算子 - 譬3 引侄引 5 0 一3 0 5 5 3o o 50 5 3o o 5 广西大掌硕士掌位论文 医掌影像二铺炎理与三蠲l 睁t 系统的研究与实践 悱1j 1雌l 5 、g a u s s l a p l a c e 边缘检测算子 一24 40 48 40 24 442 8 04 2 484 804 4 4 2 图2 1 3g a u s e _ l a p l a c e 边缘检测模板 f i g u r e2 1 3g a u s e l a p l a c et e m p l a t e ( 1 ) 原始影像 蔓丧哥母 ( 2 ) r o b e r t s 模板运算效异 芰斯 广西大学硕士掌位论文医掌影1 不二翻口电理与三维 建系统的研究与实践 图2 1 4 边缘检测结果 f ig u r e2 1 4t h er e s u l to fc o n t o u rd e t e c t i n g 图2 - 1 4 为运用上述各种模板运算得到的检测结果。由于p r e w i t t 算子不是各向同性 的，其检测到的边缘并不是完全连通，有一定程度的断开现象；使用r o b e r t s 和 g a u