（检测技术与自动化装置专业论文）超声图像的三维重建与显示技术的研究.pdf

摘要 医学超声图像的三维重建技术在现代医学临床诊断中起着十分重要的作用。将传统的二维断层图像 用三维超声重建系统进行处理，能在计算机屏幕上形象逼真地显示人体器官和组织的立体视图。通过人 机交互，可以对重构出的图像进行诸如旋转、缩放等操作，使医生能够更充分地了解病灶的性质及其与 周围组织的三维结构关系，从而更方便直观地做出临床诊断。 本文首先阐述三维超声成像技术的国内外发展现状及其主要研究领域，并概述了医学图像三维重建 所涉及的基本技术和算法，在总结前人工作并分析了实际应用要求的基础上，提出了实现人体肝脏血管 医学超声图像三维重建与显示的方法和算法。 在超声图像数据处理方面，本文探讨了适合于b 超图像的预处理和分割算法。针对b 超图像灰度 暗、对比度低、斑纹噪声严重等问题，讨论了图像增强和噪声抑制的方法。基于最大类问方差法( o t s u 法) 提出了一种三维分割算法，该方法适于b 超序列图像的区域分割，并取得了良好的分割结果。 在三维重构和显示方面，本文探讨了由一组二维轮廓线重构三维形体的方法，即首先从序列图像中 提取出物体的边缘轮廓，再通过单轮廓线、多轮廓线之间的重构思想实现三维重建。针对以往算法中存 在的问题，本文采用了一种新的轮廓匹配方法，并给出了实验结果。最后采用o p e n g l 技术实现了重建 物体的真实感显示。论文还讨论了三维重建系统的结构，对系统功能进行了模块划分，分析了系统的程 序流程。 最后，对研究工作进行了总结并对以后的改进工作提出了建议。 关键字：超声图像图像分割二维轮廓线轮廓匹配表面重构其实感显示 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h l l i q u eo ft 1 1 r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) r e c o n 譬叽l c t i o n 丹o mm e d i c a lu l t r a s o l l i ci m a g e sp l a y sa n i m p o n a l l tr 0 1 ei nm o d e mc l i n i c a i 印p l i c a t i o n t h e3 ds t n l c t i l r eo ft h e 廿s s l l ec a nb er e a l i s t i c a l l yd i s p l a y e do n c o m p u t e rc r tb y3 du 1 廿a s o l l i cr e c o n s 廿u c t i o ns y s t e m ，w h i c hp r o c e s s e s 订a d 试o n a lt w o d i m e n s i o n 础( 2 d ) u l t r a s o n i ci m a g e s v i am a n _ m a c h i n ei m e r a c t i o l l ，t h ed o c t o rc a nm a n i p l l l a t et h e3 ds 廿u c t u r e 丘e e l ys u c ha s r o t a t i n g ，z o o m i r 培o u t ，z o o m i n gi i l ，e t c i tp m v i d e sc l i n i c a ld o c t o r ss p a t i a ld i s 仃i b u t i o no fd i s e a s e dp a r ta n d 砥 s u r r o l l l l m n g si nam o r ec o m p r e h e n s i v ew a y ，s oa st oh e i pt 1 1 e mm a k ee x a c tc l i n i c a ld i a 驴o s i s i nt h i sp a p e lw i t ha no v e r v i e wo f 吐1 ek e yp r o b l e m sa 1 1 dd e v e l o p m e n to f3 du 1 廿觚o n i ci m a g i n g ，t h e d e m a 工1 d sa 工1 dt e c h n i q u ef e a s i b i l i t yo f 3 dr e c o i l s 自m c t i o n 行o mm e d i c a l i m a g e sh a v eb e e ni n v e s d g a 七e d b a s e do n t h es u m m a r yo ff o r m e ra c h i e v e m e n t sa n da n a l y s i so f 印p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h em e t h o d sa 1 1 da l g o r i t h m sf o r 3 dr e c o n s t m c t i o nf r o mu l t r a s o n i ci m a g e so f h u m a n1 i v e rv e i n sa r ep m p o s e d t h ea l g o r i t h m sf o rb - t y p eu l t r a s o n i ci m a g ep r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gp r e p r o c e s s 协g 鲫ds e g m e n t a t i o n ，h a v e b e e ns t u d i e d t h en o i s er e d u c t i o na n di m a g ee r 血a n c e m e n ta l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d ，w 砒1c o n s i d e r a t i o no f u l t r a s o n i ci m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss p e c k l en o i s ee x i s t e n c e ，l o w e rg r a d ea n dc o n 把l s t b a s e do nm eo t s u m e m o d ，am o d i f i e da l g o r i 廿l mf o r3 du l t r a s o i l i c 皿a g es e g m e n t a t i o ni sp f o p o s e da i 】d 廿1 ee x p e r i m e n tr e s u ha r e s a t i s f k t o r y m u c hm o r ea 仕e n 廿o nh a sb e e np a i dt ot h et e c h n i q u eo fs l 】r f 如er e c o n s n l l c 廿o nf 0 mas e r i e so fp a r a l l e l p l a i l a rc o n t o l l r s ，w h i c ha r ee ) ( t r a c t e d 丹o ma2 du k a s o l l i ci m a g es e q u e n c e u n d e rt l l eg u i d e l i i l eo fc o n t o u r m a t c h i l l g ，a 工1i m p m v e ds o l u t i o ni sa c 1 i e v e db yl l s i i 培an e wc o m o u r - m a t c ：h i n gm e m o dt os 0 1 v em ep r o b l e m si 1 1 r c c o n s 廿u c t i o no f s i n g l ec o n t o u rl i n e sa 1 1 dm u l t l c o m o u rl i n e s 3 dr e a l i s t i cd i s p l a yo f r e c o n s 讥l c t e dh u m a nl i v e r v e i n si si m p l e m e n t e db yu s i n go p e n g lp r 0 f 猢i n g t h e5 y s t e ms 仃1 l c t u r e ，劬c t i o n a lm o d u l e sa n ds o 脚a r e f l o wa r ea l s ob r i e n yd e s c r i b e d f i n a l l y ，ac o n c l u s i o no f t l i sp a p e ri sp r e s e m e d ，f o l l o w e db ys o m es u g g c s t i o n so nf u m l e rr e s e a r c hw o r k 1 ( e y w o r d s ： u l t r a s o i ci m a g e s c o n t o u rm a t c h i n g i m a g es e g m e t a t i o s u r ，f h c er e c o n s t l u c t i o n i i p l a n a rc o n t o u r s 3 dd i s p l a y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盆函日期：之2 出 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名日期：多占5 第一章引言 第一章引言 在医学成像系统中，超声成像技术以其特有的优势在临床上得到了广泛的应用。与其它医学成像技 术( 如计算机断层扫描c t ，核磁共振成像m ) 相比，超声成像具有实时性好、操作无创伤、对患者 无电离辐射损伤、低成本等优点，因此深得医学界的推崇。与此同时，人体组织与器官的三维重建技术 已成为医学临床诊断与治疗规划的有效工具。其基础理论涉及到信号处理、图像处理、计算机视觉等领 域，随着图像处理与显示技术的发展，三维超声重建技术在现代临床医学中发挥了重要的作用。 1 1 三维超声成像技术的发展及其意义【l 】口 自从1 8 9 5 年伦琴发现x 射线以来，临床影像学的进展很快，特别是近三十年来，显像技术更加丰 富多彩，研究范围越来越广，在影像学的密度、时间和空间分辨率方面有了空前的突破，使得临床影像 学发生了质的变化。 随着医学影像技术的飞速发展和广泛应用，超声成像( u l 仃a s o u n dh n a g i i l g ) 、计算机x 射线断层 造影术( c t ，c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 、磁共振成像( m r i ，m a 鲈e t i cr e s o n a l l c ei m a g i n g ) 、核医学 成像( 如p e t 、s p e c t 等) 逐渐成为现代四大医学影像技术。其中，医学超声成像技术以其特有的优 势在临床上得到了广泛的应用。首先，它是一种非侵入无创检查的方法。对于病人来说，即使反复暴露 在标准能量的超声波之下，也是安全的。也就是说，与x 射线、c t 扫描和核磁共振相比，超声成像对 人体没有辐射。其次，超声成像速度快，具有实时性的特点。而核磁共振、x 射线、c t 扫描获取数据 的时间长，存在比较复杂的后处理过程，因此成像速度慢。再者，超声成像系统设备比较简单，成本较 低，操作方便，易于推广使用。因此，超声成像技术广泛应用于临床诊断和治疗中，它在人体内部组织 器官的定量分析、实时监控和治疗规划等方面都具有极大的潜力。 1 1 1 传统的二维b 超成像系统 超声诊断是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显 示和记录超声波，借以进行疾病诊断的检查方法。医学超声诊断是广泛应用于临床的主要诊断方法之一， 按照发展历程和使用频率，可以将其种类概括为a 型超声、b 型超声、d 型超声、介入性超声等。其 中，目前使用最广的是b 型超声检查( 简称b 超) ，即我们所说的超声显像法。这是因为超声显像设 备虽然不能形成c t 图像或m 雕图像那样的高分辨率的图像。但它具有很多优点，如价格低廉、可以 获得器官的任意断面图像、可实时地观察运动器官的活动情况、对人体的软组织具有高度的分辨能力、 成像快、操作简单、诊断及时、无痛苦与危险、无射线辐射、属于非损伤性检查等等。正是因为如此， 超声成像技术在医学界得到了广泛的应用，由此也推动了人们利用计算机技术和信息处理技术处理和分 析医学超声图像的研究进程。 b 超对心、腹部和盆部器官的检查应用较多，如对肝、胆、胰腺、脾、肾、膀胱、前列腺、肾上腺、 子宫、眼、甲状腺及乳腺等的检查及对妊娠的诊断都有相当的价值。b 超诊断本身也有定的限制，例 如由于超声的物理性质，使b 超对骨骼、肺和胃肠的检查受到限制。此外，由于声像图所显示的是器 官和组织声阻抗差的改变，缺少特异性，所以对病变性质的判断有时需要与其它影像学及相应临床资料 综合分析。当病变过小( 直径在0 5 c m 左右) 或声阻抗差不大时，超声波不能发生反射，此时病变也难 以在声像图上显示出来。此外，超声设备的性能检查人员的技术与经验也会影响诊断的结果。尽管如此， 超声成像技术仍以其独特的优点而广泛应用于临床医学诊断中。 超声成像技术是利用超声仪器的探头向人体内发射超声波，并接收由体内组织返回的回波信号，根 据回波信号所携带的有关人体内部组织的信息，进行检测、放大和处理，然后显示成像的技术。b 超的 显示方式采用亮度调制方式来显示回波信号的强弱，回波幅度大则亮度强，幅度小则亮度弱。b 型超声 的探头所发射和接收的超声波方向按一定规则扫查某平面，所显示的即为该平面的二维截面图像，传统 东南大学硕士学位论文 的二维b 超成像系统的原理及结构如图1 1 所示。 图1 i 二维b 超成像系统结构图 探头：即超声换能器，发射与接收超声波，一般有电子相控阵探头、电子凸阵探头和电子线阵探头。 发射电路：提供高压电脉冲给换能器，使探头发射超声波。 接收隔离与放大：接收微弱回波信号，并提供足够大的回放信号给后级处理，故需进行高增益放大； 同时为了防止高压发射脉冲损坏增益放大器，必须加接收隔离电路。 检波：检出回波信号的振幅。 信号处理与视放：视放将检波后的信号放大到显示器所需电平，信号处理则根据不同的显示方式和 要求而放大。 显示器：以适当方式显示出回波信息。 时序电路：提供发射触发电信号、控制信号、显示器时基等。 7 0 年代以来，医学超声技术的不断革新，推动了超声诊断广泛而深入的发展，多元超声换能器技 术、灰阶成像技术、数字扫描变换技术、数字声束形成器和相干图形形成器等新技术的开发应用是促进 b 型超声成像诊断技术发展的源动力。但随着临床应用的深入，人们发现二维平面上的超声图像诊断技 术有着明显的不足。传统的b 型超声成像系统允许操作人员移动超声探头来观察感兴趣的物体结构， 然而它只能提供人体某一断面的二维图像，不能够提供立体的生物结构。医生必须根据自己的经验对多 幅二维图像在大脑中进行合成，以理解其三维解剖结构。这一过程需要长时间的训练和相当的熟练程度， 对医生提出了很高的要求，也使某些方面的诊断有一定的局限性。 与此同时，人体组织与器官的三维超声重建技术已逐步成为医学临床诊断与治疗规划的有效工具， 其基础理论涉及到信号处理、图像处理、计算机视觉等领域。随着图像处理与显示技术的发展，三维超 声重建技术在现代临床医学中所起的作用也越来越大。相应的超声成像技术被称为三维超声成像。 1 1 2 三维超声成像系统 与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有以下明显的优势： ( 1 ) 图像显示直观 医生可以在屏幕上直观地看到脏器的解剖结构，还可以利用计算机图形学方法从不同角度显示脏器 的切面或整体。这将有助于医生更全面地了解病情，对提高疾病诊断的准确性有重要价值。 ( 2 ) 在医学教学和手术规划方面有广泛的应用 通过人机交互的方式，医生可以从不同的角度观察脏器的解剖结构与疾病状况，并在计算机上研究 手术规划，完成模拟手术等。同时，三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段和方法。 ( 3 ) 可以进行医学诊断参数的精确测量 很多医学参数，诸如心室容积、心内膜面积等是心血管疾病诊断的重要依据。只有基于脏器的三维 结构信息，这些参数才能获得准确的定量结果。 ( 4 ) 准确定位病变组织 三维超声成像可以向医生提供肿瘤( 尤其是肝、肾等器官) 在体内的空间位置及其三维形态，从而 为进行体外超声治疗和超声导向介入性治疗手术提供依据。这将有利于避免在治疗中损伤正常组织。 2 第一章引言 ( 5 ) 可以缩短医生诊断需要的时间 二维诊断中，医生需要长时间检查人体器官以便在大脑中形成病变器官的三维形态。三维检查只需 短短几分钟就可采集到足够的数据，重构出很好的病变器官的三维形态，大大减少了诊断所需要的时间。 ( 6 ) 缩短数据采集时间 成功的三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据，并存入计算机。医生可以通过计算 机存储的图像进行诊断，而不必要在病人身上反复用二维探头扫查，从而缩短了检查诊断的时间。 由于以上原因，三维超声成像一直是超声诊断技术研究的前沿课题，也是医疗科技领域的热点之一。 在过去的几十年中，国内外研究人员对该领域进行了大量的研究与探索。三维超声成像的概念最初由 b a u n 和g r e e w o o d 在1 9 6 1 年提出，他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上，用叠加 的方式得到了器官的三维图像。在这之后，很多人进行了这方面的研究工作，试验了各种方法。诸如 d e k k e r 在1 9 7 4 年提出的机械臂方法，1 9 7 6 年m o r n z 提出的回声定位方法，1 9 7 9 年r 曲b 首次应用电 磁定位方法，以及d u k e 大学v o t l l lr a l l m 等人研制的二维面阵探头体积射束方法等等，这些方法都着眼 于获取三维重建的超声体积数据。成像方面，d e k k e r 在1 9 7 4 年完成了首例心脏三维重建，1 9 8 6 年m a r t i n 利用经食道超声探头获得了三维超声图像。近年来，胎儿三维超声重建与血管三维超声也有许多人员在 研究，在不少商品机型中已有初步应用。国外的大公司，如g e 、p h i l i p s 等，都相继推出了采用三维容 积探头的高档超声成像诊断系统，并能够完成连续的准静态三维显示，如腹部胎儿的面部、肢体显示。 目前，国内一些单位也在积极开展三维超声重建系统的分析研究工作。首先是一些大的医疗单位引进了 国外的成套系统，并开展临床诊断应用研究。在系统研发方面，国内的研究人员也在进行探索。例如， 浙江大学汪元美、吕维雪等在重建三维图像的研究中取得了一定成果；西安交通大学宋志坚、程敬之等 将取得的心脏断层图像，利用三次参数样条方法对其进行插值，实现了左心室的三维显示：陆平等应用 经食道超声探头对心脏进行三维重建，取得了较好的效果。 三维超声成像在临床上有广泛的应用前景。例如，在妇产科中对胎儿作三维成像有助于早期发现胎 儿先天性畸形。又如，血管三维超声成像可以提供血管内血栓、血管壁剥离等病变的直观形态、精确位 置和尺寸，从而提高诊断的准确率。 总之，三维超声成像的优越性及其在临床上广泛的应用前景，使之成为近年来医学超声工程界研究 的热点。随着三维成像技术的日益成熟，它必将在临床上获得愈来愈广泛的应用。 1 2 课题相关研究领域的发展现状f 4 l 【5 】 三维超声成像是在二维超声基础上发展起来的超声成像新技术，因此，它的研究主要包括超声数据 采集、数据分析、数据显示等几部分。另外，与大多数医学三维成像的过程类似，三维超声成像的关键 技术包括图像分割、三维重构、图像显示等，只是在三维超声成像的每一个环节中都有它特殊的问题与 解决方法。随着相关学科的发展，三维超声成像在这些研究领域都取得了令人瞩目的成就。 1 2 1 图像数据的采集方法 目前，三维超声成像系统大多是在二维成像的基础上完成的，即在采集一系列二维图像的基础上重 组出三维图像。图像数据的采集是三维超声成像的第一步，也是十分关键的一步，采集的二维图像的好 坏将直接影响三维图像的质量。 在三维超声成像中，数据采集的难点是： ( 1 ) 有些脏器( 如心脏) 在体外探查时只能通过有限大小的声窗将超声波射入体内，这样就不容易 采集到有规则地平行排列的二维图像。 ( 2 ) 医生在对病人检查的过程中需要不停地移动探头，从不同角度获取二维图像，这就需要有一套 定位系统能跟踪超声探头的空间位置与指向。 ( 3 ) 为了避免由于病人呼吸、心跳等原因引起的伪像或失真，数据采集的时间还应尽可能短。 东南大学碾士学位论文 为了获得每幅二维图像的空间位置信息，可采用机械定位方式，也可借助其它定位系统来获取位置 信息。数据采集所用的扫查方式主要有两种：一种是机械驱动扫查( m e c h a l l i c a l l yd r j v e ns c a n j l i n g ) ，将 探头固定于机械装置上，由计算机控制电动步进马达，带动探头作某种拟定形式的运动。其中常见的形 式有三种，分别为平行扫查、扇形扫查和旋转扫查。在机械驱动扫查中，探头按预先设定的逻辑轨迹运 动，获得一系列排列有序的二维图像。另一种是空间定位自由扫查，简称自由扫查( f r e e 山a n ds c a n n m g ) ， 由与探头连接的电磁场( 或声场) 发生器、空间位置感应器( 接收器) 和微处理器三部分组成。自由扫 查操作起来较为灵活方便，可对较大范围内进行复合扫查，例如对肝脏的整体扫查。 三维超声诊断仪容积扫查探头也有两种，一种是机械驱动式，即在探头内由一小的机械马达驱动一 组扇形排列的晶片( 即一个二维探头) 作扇形摆动，自动采集三维数据：另一种为三维电子相控阵探头， 它是由晶片排列成阵元( 例如1 2 8 1 2 8 阵元) 构成。容积扫查探头采集图像时无须移动探头，使用方 便，但采集的数据库较小，不适用于一次一眭大范围扫查采样。 1 2 2 医学超声图像处理技术 三维超声成像是在二维超声成像基础上发展起来的超声成像新技术，为完成图像的定量分析、精密 测量、以及最终三维显示的目的，就必须对采集的图像数据进行处理。我们知道，超声成像虽然有很多 优点，如低成本、无辐射、简便，但是超声图像的成像质量相对较差。作为医学数字图像处理技术的一 个分支，超声图像处理技术的研究内容包括很多方面，主要有：图像增强、图像滤波、图像分割及边缘 轮廓提取等。另外还包括其他的一些内容，如图像配准和融合以及伪彩色处理技术和纹理分析等。 目前，受成像设备等因素的制约，超声图像具有灰度级对比度低等缺点，特别是在某些局部细节上 没有明显的灰度差别，使得计算机处理较为困难。图像增强便是为了改善图像的外观，使之更适合于机 器的分析处理，其实质是有选择地加强图像中的某些信息，同时抑制另些信息，以增加图像的“可读 性”。 另外，由于器官或组织结构的不均匀性，一些微小的结构不能为超声所分辨，加上声波信号的干涉 现象，在超声图像中形成了特有的斑纹噪声，它大大降低了超声图像的质量。斑纹噪声在器官或组织边 缘处的作用严重影响了分辨结果，使得对图像细节的识别与分析更加困难。为了改善图像质量，需要用 图像滤波算法来抑制斑纹嗓声。超声医学图像滤波方法的发展与超声成像技术的发展密切相关。如前所 述，超声成像技术越来越受到人们的重视，一系列新的成像技术的出现，大大提高了超声图像的质量， 使图像处理的工作难度降低，效果更好。大量的白适应滤波算法的研究，以及其它超声成像相关技术的 研究，又大大促进了超声图像处理技术的发展及应用。超声图像的滤波算法正朝着自适应、并行、快速 和高效的方向发展，这就需要对超声的图像特征及滤波算法进行更深入彻底地研究。 图像分割和边缘轮廓提取是进行三维重建与显示的基础，分割的效果和轮廓的精度直接影响到三维 重建后模型的精确性，分割和边缘轮廓提取可以帮助医生将感兴趣的物体( 病变组织等) 提取出来，使 得医生能够对病变组织进行定性和定量的分析，从而提高医生诊断的准确性和科学性。图像分割就是把 图像中具有特殊涵义的不同区域分开来，这些互不相交的每一个区域都满足特定区域的一致性。它是图 像处理与图像分析中的一个经典问题，目前针对各种具体问题已经提出了许多不同的图像分割算法，对 图像分割的效果也有很好的分析结论。但是由于图像分割问题所面向领域的特殊性，至今尚未得到圆满 的、具有普适一陛的解决方法。图像分割技术发展至今，已在灰度阈值分割法、边缘检测分割法、区域跟 踪分割法等方法的基础上，结合特定的理论工具有了更进一步的发展。 1 2 3 超声图像的三维重建 医学超声图像三维重建的目的是使被检查的结构显示为三维效果立体图像，从而获得比二维图像 更多的诊断信息。三维效果图像可以在三维空间中任意移动、旋转、缩放，可以从任何角度来观察三维 效果立体图像，从而观察各组织结构或血管树的空间位置关系。可以说，在超声图像数据采集完成之后， 三维重建实际上就是一个软件处理的过程，主要包括重建算法和编程实现两个方面。 第一章引言 超声图像的三维重建技术可以归于医学三维数据场的可视化问题，属于医学图像三维重建的一个 研究分支。医学图像三维重建是研究由各种医疗成像设备获取的二维图像序列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。目前图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过 几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为表面绘制方法，它是基于二维图像边缘或轮廓 线提取，并借助计算机图形学技术及硬件实现的。该算法所成的图像分辨率高，生成速度快，而且可以 快速灵活地进行旋转和变换光照效果。它适用于绘制表面特征分明的组织和器官。由于其对图像的表面 分割精确程度要求高，所以表面绘制方法对于其它一些应用，例如对形状特征不明显、有亮度变化特性 的软组织、精细组织或器官的三维显示，常常效果不佳。另外，表面绘制方法不能保留数据的完整性， 其物体仅显示为一个空壳，表面里面没有东西，不能提供结构体的内部信息。第二类是直接将体素投影 到显示平面的方法，称为体绘制方法。该算法不要求精确分割，而是直接应用视觉原理，经过体数据重 新采样，通过对体素灰度值的处理，最终得到具有三维半透明效果的图像。体绘制方法通常不要求对被 显示物做精确的分割，而是对体数据场中每个体素分别进行处理。因此，对于形状特征模糊不清的组织 和器官进行三维显示时，适合采用体绘制方法，但它的运算速度不高。虽然体绘制更能反映真实的人体 结构，但是由于算法的运算量太大，即使利用高性能的计算机，仍然无法满足实际应用中交互操作的需 要，因此表面绘制仍是目前的主流算法。 近几年来，随着电子学与计算机技术的发展，三维超声成像领域的研究工作取得了长足的进步。 但是要把它作为临床的常规检查工具来用还有待进一步的研究和实践。 从工程实现的角度上看，大幅度提高图像三维重建与显示的速度是必须要解决的问题。当然，新 型超声探头的设计以及大规模集成电路的应用对未来的发展来说是十分必要的基础研究。对于临床应用 来说，除了要求工程人员尽可能设计易于操作的计算机界面外，医务人员也需要努力完成从习惯于观察 二维平面图像到适应三维图像操作的转变。， 三维重建最终的研究目标应该是动态三维成像。例如，动态三维超声心动图像能够让医生观察到 心脏跳动过程中的空问位置、解剖结构，正常和非正常组织的空间关系，血液循环情况等，这使医生能 够更方便地诊断先天性间隔缺损、房室瓣关闭不全等疾病。同时三维超声心动图像也使医生有条件对左 心室容积、射血分数等重要的心功能参数进行精确测量。这就需要进一步完善二维切片图像的三维重建 理论及进一步提高重建速度，改善显示效果，扩大应用领域。 1 3 课题的任务 1 3 1 课题的研究背景 作为国家“2 11 ”工程资助项目“现代超声检测技术与医用超声诊断系统”的一部分，本课题在目 前超声成像技术的基础上，从二维超声序列图像中获取三维的结构信息并进行图像表面重建，力图解决 目前研究中的不足之处，建立行之有效的医学超声图像三维重建的理论和算法，为三维超声成像系统走 向实用化奠定了基础。 课题中所采用的三维超声成像装置是“基于p c 微机的线阵b 超诊断系统”，它在便携式线阵b 超 仪和p c 微机的平台上实现了较为强大的系统功能。系统硬件由b 超成像的前端电路与p c 微机组成， 前端电路对b 超扫描信号进行实时采样后送入p c 微机，在p c 上进行软件设计，实现诊断系统的基本 功能。主要功能包括成像与显示功能，图像处理、存储与诊断辅助，超声报告编辑与管理功能。该系统 将b 超诊断议的部分功能转移到微机上来完成，利用微机丰富的软硬件资源及通信能力，大大提高了 超声诊断仪的性能。系统提供的图像采集功能使得能够在p c 上直接得到b 超数字图像，而系统的大容 量的图像存贮功能则能获得b 超的序列图像。借助p c 平台提供的丰富硬件资源，我们可以实现超声图 像的三维重建与显示。 如图1 2 所示，本文采用的三维超声成像系统由一台便携式的二维b 超仪，一块系统接口卡和一套 微机组成，超声探头扫查得到的二维超声图像，通过超声三维重建系统处理，最终直观真实地显示出来。 东南大学硕士学位论文 探 1 3 2 本文的主要工作 图1 2 三维超声成像系统结构图 本文在基于p c 微机的b 超诊断系统的基础上，主要研究由医学超声图像二维断层序列来构建组织 或器官的三维几何模型的软件技术。论文主要工作包括如下超声图像三维重建的关键技术：图像的输入 与预处理，组织或器官的分割与提取，由二维轮廓线重构三维形体表面，咀及三维形体的渲染与显示， 至于数据采集部分则不在本文讨论范围之内。论文各章的内容简述如下。 第二章主要对医学图像三维重建技术进行了一个综述。目前图像三维重建的方法主要有两大类：一 类是间接绘制方法；另一类是直接绘制方法。文中对这两类绘制方法都进行了讨论，并对其中的典型算 法进行了比较，然后针对超声图像的特性，选择合适的三维重建方法，给出了具体的设计方案。 第三章主要论述对二维超声图像的预处理以及对需要重建的组织或器官的分割与提取。着重对图像 增强技术，斑纹噪声的抑制，以及图像分割等超声图像处理的基本内容进行了深入的研究。其中，图像 分割是关键，文中采用了一种基于最大方差法的三维分割方法对序列图像进行了有效分割。 第四章是本文的研究重点，主要讨论由二维轮廓线重构三维形体的方法，对从一组平行的平面轮 廓线重建三维形体的原理及实现方法进行了讨论，着重研究了“单轮廓线与单轮廓线”以及“单轮廓线 与多轮廓线”之间轮廓拼接的方法。采用了二维图像投影、轮廓点匹配等方法，运用切片图像的空间距 离及几何特征来判断不同切片图像间轮廓点邻域的相似性。并以相似性为标准，将轮廓分为匹配部分和 不匹配部分，然后根据不同的连接准则和目标函数来构造三角面片，连接对应轮廓线。 第五章介绍了超声图像三维重建系统的软件框架结构，对系统要实现的功能进行了模块划分，分析 了系统的程序流程，并给出了实验结果图。 第六章对整篇论文的基本工作、创新点以及应用价值等方面进行了总结与展望，并对需要进一步研 究和探索的问题与方向提出了自己的看法。 6 第二章医学图像三维重建技术综述 第二章医学图像三维重建技术综述 超声图像的三维重建属于医学图像三维重建的一个重要分支，进行三维重建的主要任务就是实现三 维可视化显示、操作及分析，为诊断和治疗提供可靠的医学图像数据。三维可视化显示关心的是如何在 显示设备上绘制出具有真实感的人体组织结构：在操作方面，完成交互式显示组织结构的改变，如进行 手术导航等；而分析则是对人体组织结构进行形态或功能上的定量处理。从8 0 年代开始，就己经有许多 可视化的方法被提出并成功地应用于医学领域。目前图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几 何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构的，称为基于表面的三维面绘制方法( s 曲c ef i 埘n g ) ，又 称为间接绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法( d i r e c t v 0 1 u m er e n d 州n g ) ，又称为直接绘制方法。其中，表面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取， 并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来 合成产生三维图像州。 本章先综述医学图像三维重建的方法，然后对比各个算法的优缺点和应用环境，最后结合具体的应 用需求确定本文所采用的技术方案。 2 1 各类三维可视化方法的典型算法 图2 - 1 对三维可视化方法做了一个分类，下面分别介绍这些方法。 2 1 1 表面绘制方法 图2 1 医学体数据三维可视化方法分类示意图 由于表面可以简洁地反映复杂物体的三维结构，因此在医学图像中边界面轮廓是用于描述器官的最 重要特征。表面绘制是一种普遍应用的三维显示技术，它首先从体数据中抽取一系列相关表面，并用多 边形拟合近似后，再通过传统的图形学算法显示出来。而表面的提取通常是通过门限设定，必要时结合 手工描制完成的。 表面绘制方法的处理过程主要包括下面三部分：体数据中待显示物体表面的分割：通过几何单元内 插形成物体表面；通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学算法来显示有真实感的图像，并突出特定信 息。 7 医学体数据三维可视化方法 东南大学硕士学位论文 表面绘制有多种算法，但从重建过程处理的基本元素的级别上来分，可以把这些方法分成两大类： 体素级重建方法和切片级重建方法。 体素级重建方法是在物体表面通过的每一个体素内构造小面片( 通常是三角片) ，物体表面就是由 这些小面片组成。其中，组成三维图像的基本六面体单元称为体素。体素级重建方法可以直接对原始灰 度体数据进行操作，构造体数据的等值面。如果我们把体数据看成是某个空间区域内关于某种物理屙陛 的采样集合，非采样点上的值以其邻近采样点上的采样值的插值来估计，则该空间区域内所有具有某一 个相同值的点的集合将定义一个或多个曲面，称之为等值面。因为不同的物质具有不同的物理属性，因 此可以用适当的值定义等值面，该等值面表示不同物质的交界面。也就是说，一个适当值定义的等值面 可以代表某种物质的表面。 最早的体素级重建方法叫做立方块方法( c u b e r i l l e ) pj ，它是用边界体素的六个面拟合等值面，即 把边界体素中相互重合的面去掉，只把不重合的面连接起来近似表示等值面。而l o f e n s e n 等人于1 9 8 7 年 提出的移动立方体法( m “c h i n gc u b e s ) h j ，是最有影响的等值面构造方法，一直沿用至今。该方法先确 定一个表面阈值，计算每一体素内的梯度值，并与表面阈值进行比较判断，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。移动立方体法可以获得较高分辨率的图像，图像生成速度快，且易交互。 但是该法不能保证三角片所构成的等值面的拓扑一致性，会造成等值面上出现孔隙。为解决这一问题， c l i n e 和l o r e n s e n 提出了分解立方体法( d i “d i n gc u b e s a l g o r i t l l i n ) ，即将立方体分解，直至像素大小， 以直接绘制表面点j 。 体素级重建方法的计算简单，它的关键问题在于等值面的定义，在某些应用场合有所限制。例如， 在医学数据的可视化中，如果相邻两层切片图像之间的距离远远大于图像的分辨率，也就是z 方向的采 样十分稀疏，体素级重建方法将难于应用。又如，在人体断层解剖图像的可视化中，尽管相邻两片断层 图像之间的距离很小，但是目前的物质分类技术尚不能将共存的多种不同物质加以分类，阈值难以确定， 无法构建出精确表达组织或器官的等值面。 切片级重建方法又称连接轮廓线法【l ，它是由一组平行的二维平面轮廓线重构三维形体。要使用 切片级重建方法恢复体数据中所蕴含的物体结构，首先必须应用分割技术提取每层图像上的物体轮廓， 然后用以轮廓线点为顶点的三角形将每层的轮廓线连接起来，从而拼接出物体表面。这种方法占用存储 空间少，速度快，便于进行三维实时旋转操作，而且可以纠正由于分类不当导致的错误结果。但该算法 中两相邻层轮廓线对应点的确定和连接常常是难以解决的问题。 基于表面的绘制方法主要优点是可以采用比较成熟的计算机图形学方法进行显示( 如裁剪，隐藏面 消除和浓淡计算等) 。计算量小，运行速度快，借助于专用硬件支持，可以实现实时交互显示。 2 1 2 体绘制方法 近l o 年来，体绘制方法以其在体数据处理及特征信息表现方面的优势，己得到研究者越来越多的重 视，被越来越广泛地应用于医学领域。这类方法依据视觉成像原理，首先构造出理想化的物理模型，即 将每个体素都看成是能够接受或者发出光线的粒子，然后依据光照模型及体素的介质属性分配一定的光 强和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在像平面上就形成了半透明的投影图像。 由于体绘制方法基于体绘制方程，在具体实现过程中表现出多种多样的思想，从而演绎出多种具体 算法，现分别介绍如下。 1 按算法中数据处理顺序分类 按照算法进程中数据输入及处理顺序，体绘制方法可以分为像空间序( i m a g e o r d e r ) 法、物体空间 序( o b j e c t o r d e r ) 法和混合序( h y b r i d o r d e r ) 法。 其中，像空间序法是按照像空间坐标顺序将体数据沿视线方向进行重采样滤波，再累积到像平面的 一种算法。视线跟踪算法( r 丑yt h c i n g a 培o r i 廿1 1 1 1 ) 【l ”就属于这类方法。由于算法的模型是沿着从像平 面上某个像素出发的视线向后追溯体素，进行累积，所以又称之为后向投影算法( b a c k w a r d p r o j e c 血g a 1 9 0 r i t l l i n ) 。 第二章医学图像三维重建技术综述 物体空间序法则是按照物体空间坐标顺序将体素投影到像平面上，以脚印法( f o o t p r i m a l g o r i t h m ) 为代表。这种算法实际上是体数据与一个低通滤波器卷积，再将各体素分别沿视线反方向投影累积到像 平面的过程，故又称前向投影算法( f o n a r dp m i e c 廿o na 1 9 0 枷m ) 。 混合序法是先生成一幅中间图像，但该图像像空间的一个坐标轴与对应物体空间的一个坐标轴方向 应一致，然后将其变换到视线方向。剪切形变法( s h e * w l 印f a c t o r i z a t i o n a i g o r i t h m ) 即属于该类方法。 这种算法中涉及两次变换：其一是将体数据变换到剪切空间，以便采用像空间序方法生成中间图像；其 二是将中间图像变换到摄终像平面这一过程，当然它是依照像空间序进行的。所以，我们称之为混合序 法。 2 按体数据域性质分类 体绘制方法按数据域性质可以分为空间域方法和变换域方法。其中，空间域方法即直接对原始的空 间数据进行三维显示。而变换域方法则是将体数据经过变换后再进行显示。目前讨论较多的变换域算法 是傅立叶断层投影体绘制法和基于子波的体绘制法。此外还有基于离散余弦变换( d c t ) 的体绘制法， 等等。 其中，傅立叶断层投影体绘制法是基于对断层投影重构逆问题的考虑而得到的一种体绘制方法。在 不考虑不透明度( 即所有体素的透明度为零) 的情况下，体绘制方程可以简化为对体数据沿视线方向的积 分。而对体数据做三维傅立叶变换，则是取过原点，并垂直于投影方向的断层，再经二维傅立叶逆变换 即可得到沿该方向的体数据二维投影图像。这种算法利用了快速傅立叶变换和逆变换( f f t i f f t ) ， 其绘制速度快，但绘制出的图像没有吸收特性，因而不能得到半透明图像。但可以通过加深度信息和浓 淡处理，在一定程度上改善效果。 基于子波的体绘制法是一种通过对体数据进行三维离散子波变换，以构成体数据的多分辨率表示， 然后代入到体绘制方程中，来生成三维图像的方法。目前，基于子波的绘制方法主要包括两种算法：第 一种是子波域光线跟踪法，即直接将体数据的子波近似结果代入到体绘制方程中求解。可见，这种方法 是视线跟踪法在子波变换域的实现，因此也是一种像空间序的方法。该算法可以保留吸收特性，并可以 加入任何光照特性，但计算量很大，通常只作为一种参考，不适于实用；第二种方法是子波脚印法，即 通过傅立叶断层投影法求出每个子波和尺度函数的脚印，再通过子波系数加权得到投影图像，因此它属 于物体空间序算法，其速度较快，但不能保留不同媒质的光吸收特性。 2 1 3 混合绘制方法 混合绘制方法分为两种：一种是表面的透明体素绘制法，它是以体绘制的原理来实现对一个或多个 表面的绘制；另一种是体数据几何单元投影法，即将由体素集合构成的单元投影转化为几何多边形显示。 其中，表面的透明体素绘制法是将所关心的表面提取出来，并赋予其所在的体素相应的光强和不透明度， 再运用体绘制方法来实现三维显示。而体数据几何单元投影法以往常被用于不规则网格体数据的三维显 示。可是对于规则网格体数据，它需首先将数据分解成同性物质的长方体，再按深度划分，并将长方体 的面扫描转换到像空间。最后在每个长方体的前后两个面之间，做体绘制积分，以计算