（光学工程专业论文）医学层析图像重建和生物组织光传输的研究.pdf

天津大学博 卜 学位论文 摘要 医学图像的三维重建近儿年来一 直是一个热点，将三维重建引入到放射治 疗当中来，并结合蒙特卡罗方法进行剂量估计，是一种其有广阔发展前景的诊 断乎段。通过医学图像三维重建，可以方便的揭示出人体组织内的物理属性和 空间关系，为临床医学的诊疗和医学科学研究提供清晰的人体结构三维图像和 具有最佳效果的治疗计划。本文以医学图像三维重建为基础，通过对放射治疗 计划的研究，模拟放射治疗过程，给医学工作者和研究者提供一个立体影像数 据的平台和模拟手术的平台，并对放射治疗中剂量分布提供一种可行的分析工 具和数学模型。 三维医学图像重建的基础是所有医学图像的信息必须建立在一个公共的坐 标框架内，这样才能使多幅图像在空间域中达到几何位置的完全对应，达到三 维医学图像配准的要求。本文建立统一坐标系，使系统构建了准确的平台。 本文利用表面拟合方法进行三维重建。因此组织轮廓提取成为三维重建的 基本元素。半自动提取组织轮廓，将其 良好地与图像信息相匹配是论文的出发 点。本文利用插值和梯度匹配方法将轮廓曲线较好地和图像信息相吻合。拟合 后曲线庞大的数据量对于系统的实时性提出了 挑战。论文提出 基于经验阂值和 弧长理论的适应性轮廓采样方法，利用最少的点保留轮廓曲线最多的信息，适 应性的对轮廓进行采样，并存储数据。 本文讨论了图像重建的三个基本问题:轮廓对应、分叉问题和轮廓拼接问 题。论文对于轮廓拼接问题进行了着重分析，并结合小波理论提出自己的见解 和方法，构造出最佳相似函数，可以半自 动的提取出对应点，较好地解决了轮 廓拼接问题。对于另外两个问题，本文也提出了自己的见解，解决了轮廓的分 叉问 题，从而重建出高质量的三维图形。 一般的医学图像只提供一个方向l i j 片图像，通常是层状面，亦称为水平 面的图 像信息。对于矢/ 冠状面的信息， 初始数据是缺失的，不能完整的提供医 学图像的所有二维信息。论文分析了 现有的图像插值重建方法:灰度插值法和 对象插值法， 提出了 局部保有边界算法来进行插值重建， 得到图 像的矢/ 冠状面， 并利用得到的矢/ 冠状面来进行层状面图像的层间插值。 等剂量线的获得是放射治疗计划的最终目的。本文分析了光与组织的相互 关系，建立了蒙特卡罗模型，并利用该方法对等剂量线进行预测和评估，分析 影响剂量分布的因素，对于含有多层介质的组织体，进行了光传输模拟，得到 了等剂量的分布。对于系统中得到的离散等剂量点，提出了分象限八方向回溯 算法， 很好的解决了具有多条同种剂量的等剂量线的情况。 关键词: 三维重建， 轮廓提取， 轮廓拼接， 矢/ 冠状面，蒙特卡罗， 光传输， 等剂量线 天津人学博士学位论文 abs tract t h e r e c o n s t r u c t i o n o f 3 - d i m e n s i o n a l m e d i c a l i m a g e s is b e c o m i n g a h o t t o p ic i n r e c e n t y e a r s . t o i n t r o d u c e 3 - d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n i n t o r a d i o a c t i v e t r e a t m e n t , c o m b i n in g i s o d o s e e s t i m a t i o n b y w a y o f mo n t e c a r l o , i s a d i a g n o s e t o o l w i t h w i d e a p p l i c a t i o n s . 3 - d r e c o n s t r u c t i o n a n d v i s u a l i z a t i o n o f m e d i c a l i m a g e s c a n e a s i l y d i s p l a y t h e p h y s i c a l a t t r i b u t e a n d s p a t i a l p o s i t i o n o f b o d y t i s s u e s . i t i s a b l e t o p r o v i d e a v i v i d 3 - d b o d y s t r u c t u r e i m a g e a n d h e lp m a k i n g a o p t i m u m t r e a t m e n t p l a n . t h e d i s s e r t a t i o n b u i l d s u p a p l a t f o r m o f t h e r a d io a c t i v e t r e a t m e n t a n d s i m u l a t i n g o p e r a t i o n , i n w h i c h t h e r e l a t e d m e d i c a l r e s e a r c h p r o j e c t s c a n b e p e r f o r m e d . t h e b a s i s o f r e c o n s t r u c t i o n o f 3 d m e d i c a l i m a g e s i s t h a t a l l t h e i m a g e i n f o r m a t i o n m u s t b e i n a n u n i t e d c o o r d i n a t e , w h ic h h a s b e e n e s t a b l i s h e d i n t h i s p a p e r . i n t h e u n i t e d c o o r d i n a t e t h e i m a g e m u s t b e r e g i s t e r e d a n d m a t c h e a c h o t h e r . t h e e x t r a c t i o n o f t i s s u e s c o n t o u r i s t h e f u n d a me n t a l e l e me n t i n s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n . t o e x t r a c t t h e t i s s u e c o n t o u r s e m i - a u t o m a t i c a l l y a n d t o m a t c h t h e c o n t o u r w i t h t h e im a g e g r a d s i n f o r m a t i o n p e r f e c t l y a r e s t u d i e d . t h e h u g e c o n t o u r d a t a i s a g r e a t c h a l l e n g e t o t h e r e a l t i m e o p e r a t i o n . a c o n t o u r s a m p l i n g a l g o r i t h m w i t h v a r i a b l e r e s o l u t i o n , b a s e d o n t h r e s h o l d a n d a r c d i s t a n c e t h e o r y , i s p r e s e n t e d . m o r e c o n t o u r i n f o r m a t i o n i s g a i n e d t h r o u g h f e w e r p o i n t s . t h e c o n t o u r w a s a d a p t i v e ly s a m p l e d a n d s t o r e d i n m a t r i x . t h e p r i m a r y q u e s t io n s i n i m a g e r e c o n s t r u c t io n , a r e d i s c u s s e d , w h i c h a r e t h e c o n t o u r m a t c h , b r a n c h a n d c o n t o u r c o n n e c t i o n . t h e c o n t o u r c o n n e c t i o n i s e m p h a t ic a l l y d i s c u s s e d . t h e o p t i m a l s i m i la r i ty f u n c t i o n , w h i c h c o m b i n e d w it h w a v e l e t t h e o r y , i s c o n s t r u c t e d t o e x t r a c t t h e c o n t o u r m a t c h e d p o i n t s e m i - a u t o m a t i c a l ly . t h e n e w a p p r o a c h e s f o r b o t h c o n t o u r m a t c h a n d b r a n c h a r e p r e s e n t e d . a h i g h - q u a l i t y , v i v i d 3 - d m o d e l i s r e c o n s t r u c t e d . o r d in a r y m e d i c a l i m a g e i s o ft e n p r o v i d e t h e h o r i z o n t a l s l i c e im a g e . t h e c o r o n a l a n d s a g itt a l i n f o r m a t i o n a r e m i s s e d i n t h e p r i m a l m e d i c a l i m a g e . t h e r e f o r e t h e p r i m a l m e d i c a l im a g e c a n n o t p r o v i d e a l l t h e 2 - d i m e n s i o n a l i n f o r m a t io n . t h e e x i s t in g i m a g e i n t e r p o l a t i o n m e t h o d s , t h e i n t e n s i t y i n t e r p o l a t i o n a n d o b j e c t i n t e r p o l a t i o n , a r e a n a l y z e d . a n e w a l g o r i t h m , w h i c h m a i n t : .in s b o u n d a r y p a rt l y , i s a p p l ie d t o g e t t h e c o r o n a l a n d s a g i t t a l m e d i c a l i m a g e s . t h e l a y e r i n t e r p o l a t i o n o f h o r i z o n t a l im a g e i s r e s o l v e d b y s a m e a l g o r i t h m . t h e g a i n o f i s o d o s e c u r v e i s t h e fi n a l a i m o f r a d i o a c t i v e t r e a t m e n t . t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r a y a n d t i s s u e i s d i s c u s s e d . t h e mo n t e c a r l o m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d t o c o n c l u d e a n d e v a l u a t e t h e i s o d o s e c u r v e . t h e f a c t o r s m a y a f f e c t d o s e d i s t r i b u t i o n a r e a n a l y z e d . m u lt i - l a y e r e d m o d e l o f s k i n i s p r e s e n t e d t o s t u d y t h e l ig h t p r o p a g a t i o n a n d d i s t r i b u t i o n i n s k i n t i s s u e b y u s i n g m o n t e c a r l o t e c h n i q u e . t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a b s o r p t i o n e n e r g y a n d t h i c k n e s s i s s i m u l a t e d . a n e w 天津大学博 1 了 学位论文 c h a i n - c o d e a l g o r i t h m b a s e d o n e i g h t - d i r e c t i o n t r a c i n g i s p r e s e n t e d . t h r o u g h t h i s t r a c in g p r i n c i p l e , a l l c o n t o u r s i n f o r m a t i o n i n t h e c h a i n - c o d e a r e o b t a i n e d f in a l l y . t h e p r o b l e m o f i s o d o s e c u r v e s w it h s a m e d o s e a p p e a r i n g s e v e r a l t i m e s i n m e d ic a l i m a g e p r o c e s s i s s o l v e d b y t h i s t r a c in g p r i n c ip l e . k e y w o r d s : 3 - d r e c o n s t r u c t i o n , c o n t o u r e x t r a c t i o n , c o n t o u r c o n n e c t i o n , c o r o n a l / s a g i t t a l i m a g e , mo n t e c a r l o , o p t i c a l p r o p a g a t i o n , i s o d o s e c u r v e m 独创 _ 三 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得k% 达燮 生 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 张导签字日 期: 2 10 v it 年 5月 i o 1 l 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解一 五建人生- 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定。 特 授 权 - a- 生人燮 立 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。同意学 校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 二 ; 尺 字导师签名: 签字日期: 2 o v + f 年 5 月 阳 日签字日 期: 0 2 v 0 4年 犷月/ 口日 第一章 绪论 第一章 绪论 过去的半个世纪中， 各种新的医学成像方法的临床应用，使得医学诊断和 治疗技术取得了很大的进展，同时将各种成像技术得到的信息进行互补，已共 同为临床诊疗及生物医学 研究提供了 有力的 武器， 如x线断层成像( x - c t : x - r a y c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) 、 磁共振成像( m r i : m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ) , 动 态空间 重建器d s r ( d y n a m i c s p a c e r e c o n s t r u c t e r ) 、 磁 共振成 像( m r i : m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g in g ) 、 功能 磁 共振 成 像 ( f m r i ) 、 单 光 子 发 射断 层 成像 ( s p e t : s in g le p h o t o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y ) 、正电 子发射断 层成像( p e t : p o s i t i o n e m i s s io n t o m o g r a p h y ) . 数字 血 管 减 影 成 像 ( d s a : d ig it a l s u b tr a c t i o n a n g i o g r a p h y ) , 超 声 成像 ( u s : u l t r a s o n o g r a p h y ) 、 脑磁图 ( m e g : m a g n e t o e n c e p h a l o g r a p h y ) 、 显微 成 像 ( m i c r o s c o p y i m a g i n g ) 等， 均各有 特长，已 能 够分别以 不同的时 空分辨率提供 各种解剖信息和功能信息。如今临床诊断、治疗计划的制定以及评价，都经常 需要以上多种模态图像的支持。医学成像技术发展到今天，己 经能够提供复杂 物体及复杂过程的三维信息，这就使得对医学图像可视化新方法的需求变得日 益重要和紧迫起来。 科学 可视化( s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 是一 个计 算机科学 领域术语o l ， 它包含 用户界面、 数据表达、处理算法、 视觉表达及其它感官的感觉表达( 如听觉或触 觉 ) ， 而 数 据 可 视 化 ( d a t a v i s u a li z a t io n ) 的 概 念比 科 学可 视 化范围 更 广 2 1 。 因 为( 1 ) 其数据来源不再局限于科学或工程计算;( 2 ) 除科学可视化外， 数据可视化还涵 盖了统计方法等各种标准数据分析技术。 1 . 1 科学可视化的研究动态 1 . 1 . 1 三维重建方法 医学可视化利用c t , m r i 图像等一系列的二维图像重构出三维形体， 其方 法大致可分为三种:1 .通过断层间的轮廓线拟合表面;2 .直接从三维体数据 生 成等值面( i s o s u r f a c e ) ; 3 .不构造表面， 对每个体素赋予颜色和阻光度， 进行 第一章 绪论 第一章 绪论 过去的半个世纪中， 各种新的医学成像方法的临床应用，使得医学诊断和 治疗技术取得了很大的进展，同时将各种成像技术得到的信息进行互补，已共 同为临床诊疗及生物医学 研究提供了 有力的 武器， 如x线断层成像( x - c t : x - r a y c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) 、 磁共振成像( m r i : m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ) , 动 态空间 重建器d s r ( d y n a m i c s p a c e r e c o n s t r u c t e r ) 、 磁 共振成 像( m r i : m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g in g ) 、 功能 磁 共振 成 像 ( f m r i ) 、 单 光 子 发 射断 层 成像 ( s p e t : s in g le p h o t o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y ) 、正电 子发射断 层成像( p e t : p o s i t i o n e m i s s io n t o m o g r a p h y ) . 数字 血 管 减 影 成 像 ( d s a : d ig it a l s u b tr a c t i o n a n g i o g r a p h y ) , 超 声 成像 ( u s : u l t r a s o n o g r a p h y ) 、 脑磁图 ( m e g : m a g n e t o e n c e p h a l o g r a p h y ) 、 显微 成 像 ( m i c r o s c o p y i m a g i n g ) 等， 均各有 特长，已 能 够分别以 不同的时 空分辨率提供 各种解剖信息和功能信息。如今临床诊断、治疗计划的制定以及评价，都经常 需要以上多种模态图像的支持。医学成像技术发展到今天，己 经能够提供复杂 物体及复杂过程的三维信息，这就使得对医学图像可视化新方法的需求变得日 益重要和紧迫起来。 科学 可视化( s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 是一 个计 算机科学 领域术语o l ， 它包含 用户界面、 数据表达、处理算法、 视觉表达及其它感官的感觉表达( 如听觉或触 觉 ) ， 而 数 据 可 视 化 ( d a t a v i s u a li z a t io n ) 的 概 念比 科 学可 视 化范围 更 广 2 1 。 因 为( 1 ) 其数据来源不再局限于科学或工程计算;( 2 ) 除科学可视化外， 数据可视化还涵 盖了统计方法等各种标准数据分析技术。 1 . 1 科学可视化的研究动态 1 . 1 . 1 三维重建方法 医学可视化利用c t , m r i 图像等一系列的二维图像重构出三维形体， 其方 法大致可分为三种:1 .通过断层间的轮廓线拟合表面;2 .直接从三维体数据 生 成等值面( i s o s u r f a c e ) ; 3 .不构造表面， 对每个体素赋予颜色和阻光度， 进行 天津大学博士学位论文 直接体 绘( d i r e c t v o l u m e r e n d e r i n g ) 。 前两 种属于 基于面 绘制( s u r f a c e r e n d e r i n g ) 的 重 建 方 法， 第 三 种 属 于 基 于 体 绘 制 ( v o l u m e r e n d e r in g ) 的 重 建 方 法 3 1 。 人 们 在 三维重建与绘制的算法研究过程中，一直致力于解决两个方面的问题: .三维重建的效果，亦即重建结果的真实度与可视性，它要求重建结果能 够真实、客观地反映某解剖结构在其三维空间上的特征与细节。 .三维绘制的速度，亦即由医学体数据得到的空间几何信息数据按一定的 三维绘制方式投射到计算机屏幕上所用的时间。 一、 拟合表面 表面表示是表示三维物体形状最基本的方法， 它可以 提供三维物体形状的 全面信息。其具体形式有两种:边界轮廓线表示和表面曲面表示。 借助三维重建的思想，基于轮廓线的三维重建方法归结为以下的描述:物 体与平行截面的交线( 即轮廓线) 均为简单闭曲线，已 知轮廓线，求解物体外表 面，从而达到几何造型的目的。实现的方法是按照一定的规则连接相邻的两层 轮廓线的顶点，构造一系列彼此不相交、 互相不重叠的三角面片，利用三角面 片重建物体的三维表面a 1 最 初的 表面 重建 方法 采 用 基于 轮廓 线的 描 述方 式 5 1 ， 即 在断 层图 像中 ， 通 过手工或自 动方式实现目 标轮廓的 确定性分割， 然后用各层的轮廓线“ 堆砌” 在一起表示感兴趣物体的边界。 除了以轮廓线表示物体外，还可以由轮廓重建物体的表面来表示。最早的 方法是基于多边形技术，主要用平面轮廓的三角形算法，根据在不同切片图 像 上 抽取出 的一 组轮廓线， 用三角片 拟合这组轮 廓线的曲 面 151 . b u s s o n n a t 提出了 另外一种基于表面轮廓的d e l a u n a y 三角形方法， 解决了 系列表面轮廓的三维连 通性问题， 用三角形或多边形的小平面( 成曲 面) 在相邻的边界轮廓线间填充形 成 物 体的 表 面， 得 到了 分片 光 滑的 表 面 0 1 9 8 9 年l in 采 用从 轮 廓出 发的b 样 条 插值重建算法， 得到了 整体光滑的表面8 1 拟合表面方法其优点是方法简单， 数据量小， 交互和显示速度较快。 二、等值面法 医学图像三维表面重建的方法中， 直接从三维体数据生成等值面有多种不 同的方法， 其最具代表性的是1 9 8 7 年l o r e n s e n 提出的 移动立方体( m a r c h i n g c u b e s 即 m c ) 方法9 1 ， 该方法定 义由 相 邻层之间 8 个网 格点组 成的 数据单元为 体 第一章 绪论 素。并先确定一个表面闲值， 计算每一体素内的梯度值，并与表面阐值进行比 较判断，找出那些含有表面的立方体，利用插值的方法求出这些表面，这种等 值面存在情况有2 5 6 种之多。 它能真实的模拟三维图像， 但是效率很低， 而且还 存 在二 义性。 为此，国内 外学者 提出 各 种针 对其二义性的 解决办法 11 0 -1 2 1其中 比 较有代表性的 有移动四面体( m a r c h i n g t e t r a d e r a l 即m t ) 方法， 它将m c 方法中 的六面体的体素剖分成5 个、 6 个或2 4 个四面体。由 于四面体是最简单的多面体， 所 以 等 值 面 模 式 只 有 三 种 情 况 ， 减 小 了 m c 方 法 的 复 杂 度 13 1剖 分 立 方 体( d i v id in g c u b e s ) i4 1方 法 也 是 m a r c h in g c u b e s 算 法 的 改 进， 它 采 用 点 元 代 替 面 元 作 为 中 间 几 何 元 素。 此外， h e r m a n 提出了 立 方体( c u b e r i l l e ) 方法 1 5 1 ， 该算 法将三 维体数 据 分割成物体和背景两个部分，然后对物体数据的每一个采样点构建立方体、并 求出表面法向量， 把立方体体素的各个面投影到屏幕， 利用z - b u f f e r 算法判断遮 挡关系，显示出分割结果的等值面。由于等值面的构造是一个局部算子，它的 曲 面不 具 有c连续的 性 质。 等 值面法能 在子体素 精度上重构表面，并 且 采用灰 度梯度近似表面法向 量， 更充分的利用了 灰度信息， 具有显示表面更光滑、 更 逼真等优点， 但是计算时间长， 交互速度慢， 数据量大。 三、基于体数据的方法( 直接体视法) 由于表面重构的复杂性，近年来人们一直在探索在不构造表面的情况下组 织的 三维显示。 它 对每个体素计算阻 光 度( o p a c i t y ) 和颜色( c o l o r ) ， 然后 进行直 接体绘制。直接体绘制能够部分消除表面重构过程中二值化带来的负效应， 在 一定程度上显示组织的精细结构。 但是其重建时间一般较长，并且分割也是它 的难点之一， 因为最终决定生成图像质量的是体素的阻光度和颜色的计算方案。 由 于组织灰度的交叉重叠， 这个映射方案的定义域不应仅为灰度信息，还必须 考虑到体素所在组织，这就要应用分割结果。 体绘制的最大特点是不需要确立表面的几何表示，而直接基于体数据进行 显示，这样就避免了重建过程所造成的伪象痕迹，缩短了在体数据中寻找、计 算物体表面的时间。这种方法不丢失细节，更加准确地反映出体数据所包含的 形状结构，因此受到普通关注。直接体视法首先要对原始数据进行分类，即确 定每一体素中 不同生物组织的百分比。一般采用概率分类方法，然后给每个体 素 赋 予 相 应的 颜 色与 阻 光 度， 最 后 采 用 投 影 法 1 6 17 1或光 线 跟踪 法1 8 1 生 成 显 示图 象。 但是这种方法也存在运算量大，交互速度慢等缺点。 表面拟合显示方法因为实 现简单. 交互速度快等优点在实践中得到了 广泛 天津大学博士学位论文 的应用， 如现有的大部分肿瘤放射治 疗系统均采用表面拟合方法对肿瘤等病变 组织进行三维表面显示。 2 蒙特卡罗方法模拟光子输运问题 三维医学可视化系统通过对放射源和患者建模来模拟计划实施的放射治 而评价治疗计划的质量好坏，最直观的方法是观察各层切片上等剂量线的 浦.0 1.疗 分布 l 9 1 。 在治 疗计划中 除了 利用现有的公式 和图 表 进行等剂量线的计 算而外， 近几年国内外学者纷纷探讨利用蒙特卡罗方法来模拟光子在组织中的传输问 题，寻找对剂量分布的影响因素， 将三维医学可视化的 研究推向 一个更高的水 平。 在生物医学光学中，虽然目 前光吸收剂量可以由仪器和其他一些手段来测 量2 0 (2 11 ， 但均难以实现在活体上进行无损检测，而建立一个能正确模拟光子在 生物组织中传输过程的数学模型，在己经知道生物组织的光学特性的条件下就 能确切的计算出组织内部的光吸收剂量。因此建立这样一个数学模型是生物医 学光学迫切需要进行的工作，也是光剂量学迫切要求解决的问 题。现在， 组织 光学中已 有的描述光在复杂生物组织中传输规律的理论方法可分为两大类:一 类是 解析法， 如 b o lt z m 。传输方 程 及其 某 些条 件下 简化的 漫 射近 似理 论 i2 2 j k u b e l - m u n 理论等; 另一 类是数 值模拟 法， 主 要是 m o n t e c a r l 。 方 法2 3 1 。 所有的 解析理论都是在一定的近似条件下得出的，因此有特定的适用条件，与实际情 况常有较大差距。 而mo n t e c a r l o 方法理论上可以处理任何条件下的光传输问题。 它以 光子的随机行走模型来模拟光在生物组织这种高散射介质中的传输过程， 被认为是最接近实际的方法，因而成为了 研究生物组织光学光传输问 题的主要 方法，甚至成为验证其他模型的工具。 自 从wi l s o n在1 9 8 3 年首次运用蒙特卡罗方法研究光在组织中的传输问 题 以 来 、2 4 1 ， 该 方 法在组织光学中的 应用获 得了 长足的 发展。 最初的 研究 报道主 要 针对均匀的半无限厚介质或平板状介质等单一类型的 生物组织中的 光分布规律 进行详细研究。 该时期的研究主要是将蒙特卡罗方法与试验测得数据进行对比， 验证蒙特卡罗方法的正确性， 其中 很有代表性的是s .t .f l o c k 等人在b i o m e d i c a l e n g in e e r i n g 发 表 的 一 系 列 文 章 (2 5 2 6 1 。 由 于 生 物 组 织 并 不 是 单 一 介 质 ， 而 是 含 有 多种介质， 如真皮、骨骼、 脑组织等多重介质的 层状结构， 各介质的光学参数 不 尽 相同， 光 在各 层之 间 的 传 输 行为 也 就 有 很 大 区 别 2 ? i ， 因 此 研 究不 同 参 数 的 第一章 绪论 层状组织中光的传输行为便更具实际意义。s h a n t h i 对人体内部器官的光传输问 题进行了 研究， 得到了漫反射率、 吸收率在胃、 肺等器官中的分布状况 j . k o o 对 光 在 有多 层 介质的生 物组 织的 传输问 题进行了 简单 探讨【2 9 1 a j .m . s c h m i t 模拟了 层 状生 物组 织中 的 光 传输问 题， 并得 到了 较 好的 模型 计算结果3 0 1 , s l o b o d a m d e v ic 提出了 一 种 新的 双能 量 c t 组织 量 子 化 试 验 方 法3 11 ， 并 用蒙 特卡罗 模 型 来 验证其精确性。国内学者对蒙特卡罗方法也进行了广泛的研究。李振华探讨了 复杂生 物体中光通量与深度关系3 2 1陆隧丽模拟了 无限窄光束、高斯光束、平 面圆光束等三种光束与血管内 膜组织相互作用时的光强分布，并分析了光强分 布的 变化 及导 致这种变化的 原因 3 3 1 。 来建成等 模拟了 面光源照 射下生 物组织中 光 传 输规 律 3 4 1 ， 分 析了 透 射 深 度与 入 射 光 源 分 布 对组 织中 光分 布 特点 的 影响 。 国 外有学者利用蒙特卡罗方法对放射治 疗中的等剂量分布进行模拟，并和试验 测 得 数 据 对比 ， 获 得了 非 常 理 想的 结 果 3 5 3 6 1 。 近 年 来， 一 些 研 究表明 ， 组 织 表 面时间分辨的漫反射光中同样包含了组织的光学特性参数，并携带有丰富的组 织结 构信息3 7 -3 9 1 ， 通过测量组织表面中的漫反射光的时间分布来反推组织中的 光学特性参数将是一种新的技术。 在组织光学的蒙特卡罗模拟研究当中，不能不提到p r a h l ，他在1 9 8 9 年首次 提 供了 完 整的 编 制 m o n t e c a r lo 程 序的 流 程图 和算 法 2 3 1 ， 特 别是 提 供了 各向 异 性 散 射和折射率不匹配条件下内 反射的 变换公式，为后来的研究提供了良 好的 基 础， 极大的方便了以 后的研究者，而该算法己 经成为事实上的一种标准。 此外 d r .l .h w a n g 从 9 3 年 开 始 陆 续 发 表了 多 篇 关 于 蒙 特 卡 罗 方 法 的 论 文 4 0 - 14 1 ， 分 析了 多层组织中光传输模型以 及卷积在模拟中的应用， 他的每一篇文章几乎都有所 发展，使之成为该领域中最著名的学者之一。 m o n t e c a r l o 方法的优点 在于， 不受维数的限制， 对高维问 题，多重积分特 别有效; 不受几何形状的限制， 对奇形怪状，内部结构复杂等问题也非常有效。 但由 于计算量大， 计算时间长而受到一定限制; 不过伴随 着计算机技术的发展， 计算机有了更高的运算速度和更大的存储容量，并且mo n t e c a r l o 方法本身也有 了改进，这个限制己不是那么重要了。 1 . 1 . 3 可视化软件开发现状 1 9 8 6 年， 美国 科学基金 会 ( n s f ) 首次 提出 了 科学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o n i n s c i e n t if ic c o m p u ti n g ) 4 5 1 。 其中 影 响 较大 的 计 划是 美国 国 家医 学图 书 馆1 9 8 9 年 提 天津大学博士学位论文 出 的 可 视 化 人 体 计 划 ( v i s ib l e h u m a n p r o j e c t , v h p ) 4 6 1 。 不 少 研 究 机 构 或 大 学 利 用v h p的连续断面图像数据， 已经或正在开发新的计算机人体模拟系统和实用 产品。 但是v h p目 前大多仅限于实验室研究， 在该计划启动之前，己有软件工作 者和工程技术人员针对不同 研究领域的不同用途开发出了许多可视化软件，解 决了许多数据场可视化的问题。可视化软件平台的研究沟通了可视化理论与应 用， 为科学计算可视化的 应用提供了有力的支持， 国外在9 0 年代初己陆续推出 了一些较为成功的可视化软件系统，比较有影响的可视化软件系统包括 a d v a n c e d v is u a l s y s t e m公 司 的a v s , o h i 。 超 级 计 算中 心的a p e , s g i 公 司 的 e x p lo r e r 等 可 视 化 环境 与 工 具 4 7 1 国内也有很多研发机构、 科研院所开发出了自己的体视化软件。 其中包括: 开发较早，并已 产品化的东南大学影像科学与技术实验室开发的体部x刀治疗 计划软件系统4 8 1 ;中科院自 动化所人工智能实验室开发的三维医学图像处理和 分 析系统 4 9 1 ; 浙江大学c a d 中科院自 动化所人工智能实验室开发的三维医学图像处理和 分 析系统 4 9 1 ; 浙江大学c a d 灰度插值法和 对象插值法。 对象插值方法大都比较繁琐， 运算时间长， 算法复杂， 而灰度插 值方法本质上都相当于一种低通处理，忽略了图像的高频分量。论文采用局部 保有边界算法来进行插值重建，得到图像的矢/ 冠状面，并利用得到的矢/ 冠状 面来进行层状面图像的层间插值。 五、剂量分布的模拟和分析 等剂量线的获得是放射治疗计划的最终目 的。本文分析了光与组织的相互 第一章 绪论 关系，建立了蒙特卡罗模型，并利用该方法对等剂量线进行预测和评估，分析 影响剂量分布的因素，对于含有多层介质的组织体，进行了光传输模拟，得到 了等剂量的分布。对于系统中得到的离散等剂量点，提出了分象限八方向回溯 算法，很好的解决了 具有多条同 种剂量的等剂量线的情况。 在论文的结构上，作了如下安排: 第二章建立统一坐标和研究医学图 像二维信息的提取，建立半自 动的定位 方法， 将图像归一到统一坐标。 提取部分图像的轮廓， 并将其进行矢量化操作。 第三、四章研究图像重建理论，包括图像三维重建和二维重建。对于三维 重建，利用小波变换，提出新的轮廓拼接方法，同时实现了轮廓的半自 动对准 和提取，从而重建出高质量的三维图形。而图像的二维插值重建，利用层状面 重建出矢状面和冠状面，并由此得到层状面的层间插值图像。 第五章建立蒙特卡罗模型，分析放射治疗时的剂量分布，得到等剂量示意 图。 利用分象限八方向回溯链码跟踪算法绘制出平滑、封闭的等剂量线。 第六章介绍系统的整个构成，并对论文所作工作进行了总结和展望。 1 . 4 本文的创新点 本文通过一系列的图像处理技术，实现了医学图像的三维重建，并建立了 蒙特卡罗模型对剂量分布进行模拟。论文在研制过程中，做了大量理论上的探 索和实际的编程工作， 在以下几方面作了 创新性研究。 一、运用经验闭值和弧长理论，得到适应性轮廓采样方法 用层析理论对图像进行三维建模，需要提取出图 像轮廓。 但是轮廓点的数 量是巨大的，需要对轮廓进行重新采样。基于经验阖值和弧长理论的适应性轮 廓采样方法，可以保留曲线轮廓的大部分信息，并对微小褶皱存在情况可以良 好的解决。 二、提出基于小波的最佳相似函数 ( o s f ) 轮廓拼接问 题是图 像三维重建中的三个基本问 题之一。 论文分析了小波函 数中的g a b o r 小波滤波器不仅具有多尺度特性，而且还具有一般小波滤波器所 不具备的良好的方向特性。论文利用 g a b o r 小波体现图像局部特征的优点，结 合考虑对应点的灰度差异和距离差异，提出了用于检测医学图像层面特征点的 第一章 绪论 关系，建立了蒙特卡罗模型，并利用该方法对等剂量线进行预测和评估，分析 影响剂量分布的因素，对于含有多层介质的组织体，进行了光传输模拟，得到 了等剂量的分布。对于系统中得到的离散等剂量点，提出了分象限八方向回溯 算法，很好的解决了 具有多条同 种剂量的等剂量线的情况。 在论文的结构上，作了如下安排: 第二章建立统一坐标和研究医学图 像二维信息的提取，建立半自 动的定位 方法， 将图像归一到统一坐标。 提取部分图像的轮廓， 并将其进行矢量化操作。 第三、四章研究图像重建理论，包括图像三维重建和二维重建。对于三维 重建，利用小波变换，提出新的轮廓拼接方法，同时实现了轮廓的半自 动对准 和提取，从而重建出高质量的三维图形。而图像的二维插值重建，利用层状面 重建出矢状面和冠状面，并由此得到层状面的层间插值图像。 第五章建立蒙特卡罗模型，分析放射治疗时的剂量分布，得到等剂量示意 图。 利用分象限八方向回溯链码跟踪算法绘制出平滑、封闭的等剂量线。 第六章介绍系统的整个构成，并对论文所作工作进行了总结和展望。 1 . 4 本文的创新点 本文通过一系列的图像处理技术，实现了医学图像的三维重建，并建立了 蒙特卡罗模型对剂量分布进行模拟。论文在研制过程中，做了大量理论上的探 索和实际的编程工作， 在以下几方面作了 创新性研究。 一、运用经验闭值和弧长理论，得到适应性轮廓采样方法 用层析理论对图像进行三维建模，需要提取出图 像轮廓。 但是轮廓点的数 量是巨大的，需要对轮廓进行重新采样。基于经验阖值和弧长理论的适应性轮 廓采样方法，可以保留曲线轮廓的大部分信息，并对微小褶皱存在情况可以良 好的解决。 二、提出基于小波的最佳相似函数 ( o s