（机械电子工程专业论文）基于人体大脑实体切片的三维重建及定量分析研究.pdf

四川大学硕士学位论丈基于人体大脑实体切片的三维重建及定量分析研究机械电子工程专业研究生李彩霞。指导教师樊庆文数字化人体是现代医学、现代物理学、制造技术和计算机技术的交叉产物，是2 l 世纪人类科学技术研究的热点技术之一。早在1 9 8 7 年美国国家图书馆( n l m ) 提出了“可视人计划”( v i s i b l eh u m a np r o j e c t ，v h p ) ，1 9 9 4 年和1 9 9 6年先后发布了一男一女两组解剖数据集，包括c t 、惚i 和切片图像。2 0 0 2 年6月和l o 月广州第一军医大学和重庆第三军医大学分别完成了中国女子和男子的人体实体切片采集工作。在获得数据集的基础上，各国均开展了数字化人体的研究工作。数字化人体是真实人体解剖学参数的数字化过程，是真实人体的映射，是制造仿真人体模型的技术基础。数字化人体技术在医学的诊断和治疗、人机工程、手术模拟等技术领域发挥了越来越大的作用。论文以中国首例男子解剖数据集为基础，对人体的大脑三维重建，并对其形状、大小体积及表面积进行定量化的分析，为医生确定肿瘤的物理属性和治疗方案提供理论依据。根据大脑数字图像的特征完成目标像素的提取和三维重建。对序列切片图像进行预处理，包括色彩校准，配准、滤波等；针对大脑实体切片图像形态复杂，周围邻近器官组织较多的特点，以大脑作为目标，其余的组织器官作为背景，根据大脑边缘颜色与背景颜色的差异，采取模糊聚类原理和手工分割相结合的方法进行目标图像的分割和提取；采用数学形态学的方法提取目标图像的边缘轮廓；选择三维曲面处理软件为工具生成了点云，进而实现大脑三维模型的可视化。在三维重建的基础上，建立对大脑定量分析的数学模型。采用适当的阀值将原始图像中放置的标尺转化成二值图像，计算标尺像素的总数目，建立标尺像素与实物大小之间的比例关系；通过计算目标图像所包含的像素得到目标图璺查兰塑主兰竺丝塞像切片面积的计算公式；根据积分叠加原理将切片迭加得到大脑器官的体积和表面积。为验证三维重建方法和定量分析数学模型的正确性，将人体头部的仿真等效模型在c t 机上进行断层扫描，获得c t 序列图像。人体头部的仿真等效模型中的大脑器官的形状、体积和平面尺寸是已知的。利用论文提供的原理和方法对仿生人体的大脑器官进行重建，并进行定量分析。将分析结果与人体头部的仿真等效模型的真实值比较。实验证明，论文提出的基于数字图片的三维重建和人体器官的定量分析方法是正确的，是数字化人体研究的有益探索，具有重要的理论和实践意义。分析了实验中误差的来源、组成以及对体积计算的影响，并提出了减小误差的措施。关键词：数字图像大脑器官三维重建定量分析数字化人体i婴! ! ! 查兰堡主兰堡笙兰一一一t h r e e d i m e n s i o nr e c o n s t r u c t i o no fb r a i nb a s e do nh u m a ns l i c e sa n dr e s e a r c ho nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm a j o r ：m a c h i n ea n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t e ：l ic a i - x i as u p e r v i s o r ：f a nq i n g w e nd i g i t a lh u m a nb o d yw a st h eo v e r l a p p i n gp r o d u c to fm o d e r nm e d i c i n e ，m o d e mp h y s i c s ，m a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y i tw a so l l eo ft h eh o t p o tt e c h n o l o g yi nt h eh u m a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n2 1 s t n t u r j i n1 9 8 7 。n a t i o n a ll i b r a r yo fa m e r i c a ( n l m )b r o u g h tu pt h ev i s i b l eh u m a np r o j e c t ( v h p ) i n1 9 9 4a n d1 9 9 6ag r o u po fm a na n dag r o u po fw o m a nw e r ep u b l i s h e do n eb yo n e ，i n c l u d e dc t , m p da n ds l i c ei m a g e i nt h ej u n eo f 2 0 0 2t h ew o r ko f t h es l i c eo f c h i n e s ew o m a l lc o l l e c t i n gw a sf i n i s h e db yt h ef i r s ta n dt h ew o r ko f t h es l i c eo fc h i n e s em a nc o l l e c t i n gw a sf i n i s h e db yt h ei nt h eo c t o b e ro ft h es a m ey e a r o nt h eb a s eo ft h ed a t as e t , m a n yc o u n t r i e sd e v e l o p e dt h er e s e a r c ho ft h ed i g i t a lh u m a ni x ) d y d i g i t a lh u m a nb o d yw a st h ep r o c e s so fd i g i t i z i n gt h eh u m a na n a t o m yp a r a m e t e r i tw a sas h i n i n go ft h er e a lb o d ya n dt h et e c h n o l o g yb a s i co f m a k i n gt h ep h a n t o mm o d e l t h et e c h n o l o g yo f d i g i t a lh u m a nb o d yd e v e l o p e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n te f f e c ti nt h ea r e a so f m e d i c a ld i a g n o s ea n dt h et h e r a p y ,h u m a nc o n s t r u c t i o nd e s i g na n dt h eo p e r a t i o ns i m u l a t i n g o nt h eb a s eo f t h ea n a t o m yd a t as c to ft h ef i r s tc h i n e s em a i lt h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e3 d - r e c o n s t r u c t i n go ft h eh u m a nb r a i n , t h e nt h es h a p e ，v o l u m ea n dt h es u r f a c ea r e aw e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y t h i sp r o v i d e dt h ed o c t o r so ft h et h e o r yb a s i sf o rd e c i d i n gt h ep h y s i c sp r o p e r t yo f t h er u i n e ra n dt h e r a p y t h ea i m e dp i x e i sw e r ee x t r a c t e df r o mt h ec h a r a c t e ro ft h eb r a i n sd i g i t a li n l a g e t h e3 d - r e c o n s t r u c t i n gw a sg o ti nt h es a m ew a y t h el i s to fi m a g e si sp r e t r e a u n e n to f c o l o ra d j u s ta n dr e g i s t r a t i o na n df i l t e re r e t h em e a n $ o fh a n d w o r ka n da u t os e g m e n t a t i o na i m e di m a g ei sa d o p t e da i ma tb r a i nc o m p l e xc o n f i g u r a t i o n t h em e a s u r eo f t r a c i n ga n dm o r p h o l o g i ci sa d o p tt oi v四川大学硕士学位论文d i s t i l li m a g ec o n t o u ra n dr e a l i z e dv i s i b l eo f m o d e lo f b r a i n o nn ”b a s eo ft h e3 d - r e c o n s t r u c t i n g , t h em a t hm o d e lo ft h eb r a i na n a l y z i n gq u a n t i t a t i v e l yw a se s t a b l i s h e d 1 1 1 ep r o p e rt h r e s h o l dw a ss e l e c t e dt ob i n a r yd e a lw i t ht h es t a f fg a u g ei nt h eo r i g i n a lp i c t u r e s t h ep i x e l so fs t a f fg a u g ew e r ec o m p u t e d t h e n , t h er a t i or e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i x e i so fs t a f fg a u g ea n dt h er e a la r e e sw e r ec o n s t r u c t e d t h es l i c e s a r e a so ft h ea i m e di n l a g ew a r eg o tb yc o m p m i n gt h ep i x e i sc o n t a i n e di nt h ea i m e di m c e t h ev o l u m ea n dt h es u r f a c ea r e a sw e r eg o tb yp i l i n gu pt h es l i c e sa c c o r d i n gt h ei n t e g r a lp r i n c i p l e t ot e s ta n dv e i l 母t h ec o r r e c u l e s so f3 d - r e c o n s t r u c t i n gm e t h o d sa n dt h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sm a t hm o d e l ，t h ep h a n t o mo ft h eh u m a nb r a i nw a ss c a n n e do nt h ect ，鹤ar e s u l tac ta r r a yi m a g e sw e r eg o t 1 1 s h a p e , v o l u m e s u r f a c ea ma n dt h es u r f a c es i z ew e r ek n o w n n l eo r g a no f t h eb r a i nw a sr e c o n s t r u c t e du s i n gt h e3 dr e c o n s t r u c t i n gm e t h o dp r o v i d e di nt h i sp a p e r ,a n dt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a sd o n e t h ea n a l y s i sr e s u l ta n dt h er e a ld a t ao ft h eh u m a nb r a i ni nt h ep h a n t o mw e r ec o m p a r e d m e a n w h i l e , t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h et e c h n i q u eo ft h et h r e e - d i m e n s i o nr e c o n s t r u c t i o na n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sb a s e do nh u m a ns l i c e si se x a c t i t u d e i t sc o n d u c ee x p l o r ea n dh a v ei m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c es i g n i f i c a n c e i ta n a l y z e ds o u r c eo fe r r o ri nt h ee x p e d m e o tm n gf o r w a r dm e a s u r eo f h o wt or e d u c ee l r o r k e y w o r d ：d i g i t a li m a g e ，c e r e b r u m , t h r e e - d i m e n s i o nr c c o n s t r u o t i o n , d i g i t a lh u m a nb o d y ,q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sv四川大学硕士学位论文1 绪论1 1 课题来源及意义本课题系四川大学人机工程与环境省重点实验室与北京g e 通用公司的合作项目“模拟脑部出血模型”的一部分。主要研究基于人体实体切片的图像预处理、三维重建、定量化分析及误差分析等的理论与方法，为医生判断肿瘤的物理属性、确定治疗方案、进行手术模拟提供依据，为制造医学实验教学模型和等效力学模型提供理论基础。数字化可视人体的研究在与人体形态结构有关的多个学科领域，如医学、运动学、汽车安全、人体器官结构代用品制造、影视与广告制作、航空与航天、军事等领域都具有重要理论意义和应用价值。在医学领域，数字化可视人体的。应用大致包括以下几个方面：适应数字化时代需要的“数字化人体解剖学”；为现代临床影像诊断提供正确参照系统；建立数字化标准人体器官；放疗模拟定位系统研究；临床介入诊断和介入治疗针对性模拟系统研究；虚拟外科手术系统的研究等“，。根据人体实体切片重建的三维模型能够以多种形式、多种彩色显示器官的形态结构和空间位置关系；可以进行三维空间的立体缩放和任意角度旋转来对目标进行全方位的观察，实现大脑的三维可视化；可以为器官设置颜色和透明度，提高器官与其他邻近器官的差异性，区分各器官的结构和位置。模拟的头部出血模型可以用于研究大脑出血的各种形态，包括位置关系、面积、体积等，、为医生的诊断治疗方案提供参考依据：可以帮助临床医生理解和辨认各断面上、大脑内的精细结构；可以在重建的大脑模型上模拟肿瘤等占位性病变，以便确定肿瘤在人脑中的位置，以及它与邻近重要结构之间的空间关系。在定量分析方面，测量器官体积在临床上具有重要的意义。在对一些疾病的诊断中，如颞叶癫痫( t l e ) 的诊断，通过测量分析正常的海马结构( h i p p o c a m p a lf o r m a t i o n ，h p f ) 发现，人体右侧的海马结构大于左侧，而且正常的海马结构与年龄性别无关。可以通过对海马结构的核磁共振图像( m r i )进行分析，患侧海马结构的体积显著小于对侧或对照组的体积，发现海马结构的萎缩，从而为颞叶癫痫病的研究提供依据嘲。对脊髓型多发性硬化( s m s ) 的研究发现，患者脑灰质体积明显小于正常志愿者，患者脑灰质存在明显萎缩和l坚型奎兰堡主兰堡堡兰弥散异常。通过精确地测量心室的容积以及心室壁心肌重量，可以评价各种心血管病变的严重程度、评价治疗效果及估测疾病的发展趋势。由此可见人体器官的三维重建和定量分析的研究在医学领域有重要的理论和实践意义。1 2 国内外的研究现状数字化人体是制造科学、生命科学、材料科学和信息科学的交叉产物，是2 l 世纪人类科学技术研究的热点技术之一早在1 9 8 7 年美国国家图书馆( n l m )提出了“可视人体计划”( v i s i b l eh u m a np r o j e c t ，h p ) ，1 9 9 4 年及次年发布了男子解剖数据集和女子解剖数据集。“”2 0 0 0 年韩国亚洲大学也完成“可视韩国人”( v i s i b l ek o r e a nh u m a n ，v i ( h ) 的数据集。数字化人体的研究是一项系统工程，涉及的领域多，它需要解剖学家、生理学家、医学家、计算机专家、仿生学家等参加，尤其需要跨学科、跨专业的研究人员参与。在获得的数据集基础上，各领域的科学家竟相开展数字化人体的研究。可视人体计划的立项推动了医学基础和临床许多领域的发展，已经陆续推出各种级别的数据集和数字解剖图谱产品。目前利用v h p 数据集进行研究开发的著名单位和项目有：美国航天航空生物计算中心和哈佛大学开展了全脑图谱以及外科手术规划的研究；斯坦福大学开展了虚拟飞行座舱和虚拟内窥镜的研究：汉堡大学开发了v o x e l 2 m a n 系统：波士顿地区的实验室和科研中心开展了脑模型和虚拟耳窥镜的研究；华盛顿大学开展了数字解剖学家项目等m 】。特别是，美国仁斯理尔理工大学华裔科学家徐榭博士研究的虚拟仿真成年男子全身模型( v i s i b l ep h o t o g r a p h i cm a n ，v i p - m a n ) ，包含了约3 4 亿个体元。每一个体元大小为0 3 3 嘲0 3 3 r a m xl m ，是目前世界上最精细的全身人体解剖模型。这种i高精度的三维人体模型与光子、电子、中子和原子辐射模型功能相结合，分割并归类了一百多个对核辐射敏感的器官和组织能模拟这些器官和组织在接受放疗时对放射剂量的分布做出不同的响应嘲在虚拟外科手术方面，现代外科学的飞速发展已经与计算机技术在医学上的应用密不可分虚拟外科手术是利用虚拟现实技术，在计算机虚拟的环境中，使用虚拟手术器械( 手术刀、止血钳等) 在“数字化人体”上进行手术。外科医师可以利用虚拟外科手术进行反复操练，熟悉手术过程，提高手术技能，节约医学实验成本。使用虚拟的手术刀在重建的人体模型上操作，利用特殊的人体等效2婴型查兰堡主兰竺垒苎模型( 如p h a n t o m ) 产生“真实”的视觉和触觉效果；p h e n ga n nh e n g 等建立了虚拟膝关节镜训练系统；k o c k r o 等开发了虚拟颅内可视和导航系统，利用患者术前所获得的影像检查资料( o r 、等) 三维重建所构造的虚拟环境来对脑瘤和颅内血管畸形的手术进行规m r 划i 和模m r 拟a 。黄伟等使用有限元分析软件( a n s y s ) ，开发了用于心血管系统动脉粥样硬化病灶部位血流动力学的分析软件。该软件将医学图像数字化、计算流体力学与流动可视化技术有机的结合起来，形成一个方便、快捷的血流动力学分析集成软件环境，让医生在虚拟环境下对一b 血管疾病进行外科手术规划，优化手术方案2 0 0 1 年1 lj q 5 - 7 日在北京香山召开了第1 7 4 次学术讨论会议，由此开始我国的数字化可视人体项目的研究。此次会议聚集了医学、计算机学、机器入学、生物医学工程学、电子工程、机械加工、医学物理、飞行器设计、生物力学、模式识别、信息医学、航天航空、体育以及影视制作等领域的4 2 位专家学者，以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题，研讨了在新世纪前沿科技领域中，生命科学与信息科学相结合的重要课题，并提出我国数字化虚拟人体研究的规划和建议。在这次研讨会后，“数字化虚拟人体若干关键技术”和“数字化虚拟人体模型构建及海量储存”等科研项目列入国家高技术研究发展“8 6 3 ”计划项目，揭开了我国数字化虚拟人体研究的序幕经过一年多的努力，由中科院计算所、第一军医大学临床解剖学研究所、首都医科大学生物医学工程学院、华中科技大学生命科学与技术学院共同协作，首先完成了人体尸体处理及切片采集的研究工作哪眦嘲。在前人的研究基础上，对标本切削加工、冰库改建、血管显示、数据采集等方面的技术进一步改进和完善。目前，我国上海、重庆和广州等地的解剖学专家，已先后提供了4 组比较完整的人体实体切片集，为后续的4 多学科研究提供了具有中国人特点的数据集。这4 组数据集的切片间距和断面总数分别为：上海( 男) 1 7 m ，断面总数1 0 5 8 片；上海( 女) 0 5 7 m m ，断面总数3 0 2 2 片；重庆( 男) 1 0 0 i m m ，断面总数2 5 1 8 片；广州( 女) 0 1 2 啪，断面总数8 5 5 6 片。其中，中国首例数字化可视人体数据集( 男性) 是由第三军医大学2 0 0 2 年8月完成的“”与美国v h p 数据集相比较，该数据集有如下特点：i ) 该套数据集为整个人体标本的连续切片，无节段性数据缺损，而美国v h p则有三段数据缺损；2 ) 数码图像的分辨率( 清晰度) 比美国v h p 高：3 ) 进行了血管灌注，使血管更加容易分辨；3四川大学硕士学位论文4 ) 由于在低温实验室中进行铣削，避免了牙齿、鼻甲、关节软骨等细小结构从铣削表面脱落，使图像数据保持了更好的完整性；5 ) 所选用标本在年龄、身材和体形上都比较适中，具有更好的代表性“”由于数字化可视人体的研究在与人体形态结构有关的众多领域有重要的理论意义和广阔的应用前景，国内有不少学者一直关注这一领域的研究进展，并进行了卓有成效的研究。香港大学计算机科学与工程系、北京同仁医院耳鼻喉研究所、复旦大学数字医学研究中心、澳门科技大学资讯技术学院、中科院自动化所、大连理工大学机械工程学院、厦门大学计算机系、清华大学生命科学与工程研究院，四川大学人机工程及医疗设备研究所、解放军总医院神经信息中心等众多科研、教学、医疗单位，在第三军医大学和广州第一军医大学的数据集的基础上开展了一系列的研究工作“”首都医科大学基于c t 图像建立了鼻部解剖结构的三维图像“”。清华大学利用c t 图像构建了人体三维骨骼系统“”。吉林大学利用尸体头部切片完成了人脑基底核区的三维重建“”第一军医大学利用实体切片开始了数字化人体表面三维重建的研究工作。四川大学在医学图像处理及仿生假人等方面也做了一系列工作。香港中文大学虚拟现实、可视化与图像学研究中心王平安等利用v h p 数据进行了头部、心脏、气管及支气管等器官结构的可视化研究，并实现了中医经络和穴位在可视人体上的显现。清华大学的唐泽圣等利用科学计算和虚拟现实技术对人体颅底结构进行了可视化显现。清华大学白净等在基于虚拟人的计算医学方面对人体多个器官的结构与功能进行了可视化的显示。中国科学院自动化研究所的田捷等人构建了开放的数字人体试验平台，对于数据压缩、图像分割、配准与融合、三维重建与绘制三角面片化简算法等进行了研究。复旦大学利用c t 、m r i 数据进行了三维重建和立。7体显示，其结果已用于临床诊断。山东大学使用自己制作的断面标本获取数据对网膜囊和肝段等结构进行了立体显示。厦门大学对虚拟眼睛进行了研究。在数字化人体大脑的研究方面，国外对数字化人体大脑模型的开发始于2 0世纪8 0 年代，模型多是基于m r 图像，如美国哈佛大学k i k i n i s 等人开发的全脑数据库、加拿大蒙特利尔神经研究所开发了 b r a i n w e b 数据集。由于当时扫描技术的限制，层厚最薄只能达到1 啪，且由于是灰度图像，存在容积效应，其2 d 信息不及真彩色标本图像真实、丰富，不能充分反映人体大脑详细的结构信息“”。美国科罗拉多大学s p i t z e r 等人用v h p 数据集开发的人体大脑模型，其标本切片间距为l 咖，为白种人数据“”目前在临床上使用的( f u n c t i o n a lm a g n e t i c4婴型查兰堡主堂竺丝奎r e s o n a n c ei m a g i n g 。f m r i ) 、( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 等的脑模型是基于一位5 6 岁法国妇女的脑标本切片图像制作的。该切片厚4 m 。且只有一侧大脑半球的数据。以上大脑的数字化模型都是基于西方人体的。难以准确反映东方人体大脑结构的特点具有东方人体特征的数字化大脑模型尚未公布，正处于研究之中。在安全工程领域，数字化人体是安全假人设计和制造的理论基础。安全假人作为人类的替身最早应用于汽车安全领域和航空航天领域。1 9 6 0 年，美国r s d公司的安德森教授和美国通用汽车一起发明了混合i 型假人( h y b r i did u m m y ) ，为进一步提高生物力学等效性，美国相继推出了混合i i 型假人( h y b r i d d u m m y ) 和混合i i i 型假人( h y b r i d d u m m y ) 荷兰( t n o 假人) 、瑞典( 欧洲侧碰假人e u r o s i d - i ) 和日本等国家也效仿美国制造类似的假人目前我国力学等效仿生假人尚处于引进和仿制阶段，理论研究与研制工作都刚刚起步2 0 0 3年空军航空医学研究所完成了中国男性飞行员人体尺寸的测量，并发布了国家标准，为理论研究和应用提供了重要依据。在仿生假人和虚拟人的动力学模型研究方面，同济大学进行了带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元仿真。湖南大学进行了人体颈部动力学响应分析。清华大学进行了高g 值着陆冲击条件下主要器官的损伤评价研究。吉林工业大学采用多刚体动力学原理建立了一般人体二维仿真模型，开发出汽车碰撞过程中人体仿真程序。四川大学在汽车碰撞假人、弹射安全假人、坠落安全假人等领域进行了深入研究，在飞行员人体阐述的选择计算；金属仿生骨架的设计制作：力学等效皮肤的设计合成；总体装配动、静态协调；质量，质心，转动惯量的调整等方面取得阶段性成果。1 3 本文的主要研究内容本课题所使用的人体实体切片图像来源于第三军医大学完成的中国首例数字化可视人体男性数据集。以人体实体切片序列图像为依据，从图像中提取出大脑器官的目标图像，完成大脑器官的三维重建、定量分析及误差分析工作具体工作如下：( 1 ) 大脑器官的三维重建为了消除数据获取的过程中因设备和环境等因素造成的影响，提高图像三维重建工作以及定量分析的精度，对人体实体切片序列图像进行了色彩校准、5婴型查笺堡主兰垒堡苎配准、滤波、增强等预处理；针对切片图像中大脑器官形态复杂、周围邻近的组织器官较多的特点，以采取模糊聚类原理和手工分割相结合的方法，进行目标图像的分割；采用数学形态学的方法提取目标图像的边缘轮廓；生成了目标边界的点云文件，利用三维曲面处理软件实现了大脑三维模型的可视化。( 2 ) 大脑器官的定量分析。从原始图像中准确提取标尺，计算图像像素与实物尺寸的比例关系；根据体素的大小，确定实物的大小；在目标图像的空间坐标中，用目标图像所包含的像素建立目标图像切片面积的数学模型；根据积分逐层叠加原理计算大脑的体积和表面积。( 3 ) 实验验证及误差分析。本课题采用人体模型作为实验对象，验证三维重建及定量分析原理和方法的正确性。人体大脑模型的体积的数据可以通过实测获得，该数据作为实验的标准数据( 真值) 。在c t 机上对人体大脑模型进行断层扫描，获得序列c t 图像。用论文提供的原理和方法对序列图像进行三维重建，并计算大脑的体积。将计算结果与真值进行比较。分析误差产生的原因，提出减小误差的措施。1 4 本章小结本章阐述了本课题的来源和意义，并分析了国内外在数字化的虚拟人体和数字化的仿真人体模型方面的研究进展和水平，针对数字化虚拟人体在未来的应用和需要提出了本文的研究内容和目的。6f四川大学硕士学位论文2 医学图像处理的基本原理2 1 图像文件常用存储格式本文采用的图像文件是b m p 位图文件b m p ( b i t m a p f i l e ) 位图文件是w i n d o w s 采用的标准图形文件格式，在w i n d o w s 环境下运行的所有图像处理软件都支持b m p 图像文件格式。w i n d o w s 系统内部各图像的操作都是以b m p 为基础的。w i n d o w s3 0 以前的b m p 位图文件格式与显示设备有关，因此把这种b 妒图像文件格式称为设备相关位图d d b ( d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ) 文件格式。w i n d o w s3 0以后的b m p 图像文件与显示设备无关，因此把这种b m p 图像文件格式称为设备无关位图d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 格式。但是，w i n d o w s3 o 以后的系统中仍然允许使用d d b 位图，目的是为了让w i n d o w s 能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图像b m p 位图文件默认的文件扩展名是b m p 或者b m p ，有时它也会以d i b 或r l e 作扩展名。b m p 位图文件的文件结构由4 个部分组成：位图文件头( b i t m a p - f i l evh e a d e r ) 、位图信息头( b i t m a p - i n f o r m a t i o nh e a d e r ) 、彩色表( c o l o rt a b l e )和定义位图的字节阵列，具体文件结构如表2 1 所示表2 1 位图文件结构图位图文件的组成结构名称符号位图文件头( b i t m a p f i l eh e a d e r )b i n t a p f i l e i 队d e rb m f h位图信息头( b i t m a p - i n f o r m a t i o nb i n l a p i n f o h e a d e rb m i hh e a d e r )彩色表( c o l o rt a b l e )r g b q u a da c o l o r s 图像数据阵列字节b y l ea b i t m a p b i t s 雕p 位图文件头包含有关于文件类型、文件大小、存放位置等信息。在w i n d o w s 3 0 以上版本的位图文件中用b i t m a p f i l e h e a d e r 结构来定义。位图信息头用b i t m a p i n f o 结构来定义，它由位图信息头( b i t m a p - i n f o r m a t i o nh e a d e r ) 和彩色表( c o l o rt a b l e ) 组成前者用b i t m a p i n f o h e a d e r 结构定义，后者用r g b q u a d结构定义。彩色表包含的元素与位图所具有的颜色数相同，像素的颜色用7四大学硕士学位论文r g b q u a d 结构来定义。对于2 4 位真彩色图像不使用彩色表( 同样也包括1 6 位、和3 2 位位图) ，因为位图中的r g b 值就代表了每个像素的颜色。彩色表中的颜色按颜色的重要性排序。r g b q u a d 结构描述由r 、g 、b 相对强度组成的颜色。紧跟在彩色表之后的是图像数据字节阵列。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。针对倒f 句d i b ，原点在图像的左下角，扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。正向d i b 的原点在图像的左上角，扫描行是由顶向下存储的。同时，每一扫描行的字节数必需是4 的整倍数，也就是d w o r d 对齐的。b m p 文件的数据存放是从下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素，然后是左边第二个像素，接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素。依次类推，最后得到的是最上面一行的最右边的一个像素。另一种常用的医学图像文件是9 c m 格式文件，它是符合d i c o m 标准的一种通用的图像文件d i c o m 是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 n si nm e d i c i n e的英文缩写，即医学数字成像和通信标准。是美国放射学会( a m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ，a c r ) 和国家电子制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t o r e ra s s o c i a t i o n ，n e i a ) 为主制定的用于数字化医学影像传送、显示与存储的标准，该标准制定于1 9 8 5 年。目前版本为2 0 0 3 年发布的d i c o m3 0版本。在d i c o m3 0 标准中详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法，利用这个标准，人们可以在影像设备上建立一个接口来完成影像数据的输入输出工作。d i c o m 标准以计算机网络的工业化标准为基础，它有助于更有效地在医学影像设备之间传输交换数字影像，这些设备不仅包括c t 、m r 、核医学和超声检查设备，而且还包括c r 、胶片数字化系统、视频采集系统和h i s r i s信息管理系统等。论文中实验部分用到的c t 图像就是以d c m 格式存贮的。在图像处理时先进行数据转换，将d c m 文件转换为b m p 位图文件再进行操作。2 2 图像数据类型i 二值图像8婴型盔堂堡主兰垡丝塞在二值图像中，每一个像素用两个离散的数值0 或1 来表示。二值图像能用u i n t 8 或者双精度类型的数组来存储。由于二值图像所占用的数据量小，运行速度较快，在图像处理过程中普遍使用二值图像。本文用二值图像来记录大脑边缘以便快速生成点云数据。2 灰度图像灰度图像是一个数据矩阵，数据矩阵的类型为u i n t 8 灰度范围是 0 ，2 5 5 ，o f ( 表黑色，2 5 5 代表白色，中间的灰度值为从黑到白的过渡。由于灰度图像包含了较多的灰度信息，将彩色图像转化成灰度图像将使得计算量大为减少，因此可以将图像转化为r ，g ，b 三个通道的灰度图像进行研究处理。彩色图像转化为灰度图可以按照( 2 - 1 ) 式计算：g r a y = a x r + b x g + c x b( 2 1 )其中a ，b ，沩比例系数，满足a + b + c = 1 在本课题中，图像滤波、增强等预处理中都采用了灰度图像的类型。3 r g b 真彩色图像r g b 图也称为真彩色图，r g b 图像可以r h u i n t 8 ，u i n t l 6 或者双精度类型的数组表示一般用一个三维的m n 3 的数组来表示，r o t 和刀分别表示图像的行列数，3 表示三个颜色分量，每一个像素的颜色由相应位置的红、绿、蓝颜色分量共同决定。论文的原始图像就是r g b 真彩色图像，图像的分割也是针对彩色图像。这三种图像类型在不同的场合有不同的功能，从图像所需的存取空间来看，r g b 图像理论上可以包含2 “种颜色，红、绿、蓝三个分量分别占一个字节( 8b i t ) ，共需要三个字节( 2 4b i t ) ，需要的存储空间最大灰度图像其次，每个像素需要一个字节( 8b i t ) 。二值图像需要的空间最小，每个像素需要lb i t 。2 3 颜色模型的转换常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备，另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形面向硬件设备的最常用彩色模型是r g b 模型，而面向彩色处理的最常用模型是h s i 模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，也经常使用9四川大学硕士学位论文y u 、，色彩系统。1 r g b 模型r g b 模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如图2 1 所示。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值。在r g b模型立方体中，原点所对应的颜色为黑色它的三个分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为白色，它的三个分量值都为l 。从黑到白的灰度值分布在这两个点的连线上该线称为灰色线。立方体内其余各点对应不同的颜色。彩色立方体中有三个角对应于三基色( 红、绿、圈2 1r g b 模型单位立方体眺膝群捌z ，四川大学硕士学位论文圈 孰。篙12 1 翻c z 一。，2 4 图像的统计特征将一幅图像峁的坐标工，j ，及幅值离散化，取坐标离散点的函数值的过程称为图像采样。采样点的间隔的选取决定了图像质量“”根据一维采样定理，若维的信号g 钐的最大频率为缈，以，s 竺2 为间隔进行采样，则能根据采样结果g o d 一= ，一j n ，j 完全恢复g 伊。即：g ( f ) = g ( i t ) s ( t - i t )式中s 似= s i n l ( 2 f 7 r c o o采样示意图如图2 2 所示。( 2 - 4 )( 2 - 5 )四川大学硕士学位论文自令骖图2 2 采样示意图采样离散点的函数值称为样本。采样所得的像素是连续的，对样本像素的灰度值离散化称为灰度量化图2 3 说明了量化过程。若连续的灰度值用z 来表示，对于满足z ，z z h 。的z 都量化为整数吼，q ，称为像素的第f 级灰度值。灰度值量化后用一个字节表示。把由黑到白连续变化的灰度量化为0 2 5 5 共2 5 6 级灰度，表示亮度由深到浅。，图2 3 量化示意图对图像瓶纠取样，按取样点的相对位置关系得到数字矩阵，矩阵的元素称为数字图像的像素( p i x e l ) ，每个像素具有两个属性：位置和灰度。位置( 或称地址) 由扫描线内的采样点两个坐标决定，它们又称为行和列，表示该像素位置上亮暗程度的整数称为灰度嘲这个过程可表示为：f ( x ，纠扛班df ( x o 拶，) f ( x 1 y o ) f ( x ，l , y of ( x o ，y ，j )l职，夕b 【，m l 。j 马阢f i 儿。”绗神y ，i ) 图像具有随机性信号的性质，即一幅图像亮度的大小是随机变化的，且具婴型盔兰堕主兰些丝苎一有统计性质，因此统计分析是数字图像处理的基本方法。”1 ) 图像的信息量一幅图像如果有留级灰度，且出现的概率为p l , p j , p j 岛这根据香农定理，这幅图像的信息量可由下式表示：h = - 只坛易( 2 6 )h 通常称为熵，当图像中各级灰度值出现的概率彼此相等时，图像的熵最大图像的信息量表示一幅图像所含信息的多少，2 5 6 级灰度图像的最大信息量为8 -2 ) 灰度平均值灰度平均值指的是一幅图像中所有像素灰度值的算术平均值，它反映的是图像中不同对象( o b j e c t s ) 的平均反射强度，一般下式表示：俐7=型竺(2-7)。m n如果灰度平均值小于理想平均值1 2 8 ，说明图像整体上亮度偏暗，需增加亮度3 ) 灰度标准差灰度标准差反映各像素灰度值与图像平均灰度值的总的离散程度，它与熵一样是衡量一幅图像信息量大小的主要度量指标，是图像统计特征中最重要的统计量之一一般情况下，标准差越大，说明图像的信息量越大。灰度标准差计算公式如下：胁一纠盯= ! 竺z 竺( 2 8 )m n图像的灰度标准差小说明各像素灰度值与平均灰度值的离散程度较小，图像的对比度较差，需进行对比度增强处理2 5 医学图像处理的基本原理医学图像处理就是对影像设备获得的数据进行分析、处理、存储等操作一一一婴! ! ! 查兰堡主兰竺堡苎它可以作为协助医生诊断和治疗的有力工具。对人体实体切片图像处理包括了数据管理、图像预处理、切片重组、三维显示等几个环节，如图2 4 所示。数据管理是指存放、管理、显示以数字方式医学影像的信息，以便于进行图像的存储和查询。通过“数据转换”接口将互不兼容的数据进行转换，生成符合d i c o m 标准的影像数据。图像预处理主要包括对图像进行滤波、色彩校正、图像配准、图像分割、切片插值、切片分类等。通过滤波处理消除噪声，可以提高图像质量。色彩校正可以使图像的亮度和对比度一致。配准使得图像相同的结构的空间位置保持一致。通过分割可将原始数据分成物体、背景、骨骼、软组织等多种类型，并将感兴趣的区域提取出来。由于切片图像可能没有反映出期望位置的信息，切片插值处理可以在切片图像之间生产一系列的中间切片图像，帮助获得所需位置的切片。切片分类是对输入的图像数据进行聚类分析，将图像分成诸如背景、软组织、骨骼等各种不同的类，以便使三维体显示中能辨别不同的类，从而方便医生阅片。图2 4 医学图像处理与分析系统框图切片重组是从一组切片图像获得另一方向切片图像的方法。从医学成像设备上获取的一组切片图像往往是沿某一固定方向移动的切片数据，医生若想了解另外一个方向上的切片数据，就要重新扫描获取数据，而实际上由于硬件的1 4婴坐查兰要主兰竺丝苎限制，任意方向上的切片数据是不可能扫描得到的通过切