（计算机应用技术专业论文）细胞图像的三维视觉重建.pdf

坷海大学硕士学位论文 摘要 计算机三维重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中一个重要的研究 领域。三维重建是通过物体的两个以上二维投影图的输入，计算机进行自动检索， 获取物体的二维几何信息和拓扑信息，并建立起三维立体模型。 医学图像三维重建是目前的一个研究热点问题，是一个多学科交叉的研究领 域，是计算机图形学和图象处理在生物医学工程中的重要应用。目前，医学图像 三维重建的关键技术是基于断层数据的三维表面重建。运用计算机图形学和图像 处理技术，将计算机断层( c t ：c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 图像、核磁共振成 像( m r i ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 以及超声( u l t r a s o n o g r a p h y ) 等成像设 备得到的人体断层二维图像序列，在计算机中重建成三维图像，并在屏幕上形象 逼真地显示人体器官的立体视图。 本文主要对二维图像的三维可视化各个步骤的算法进行了研究，并讨论了它 在医学上的一种应用。针对细胞c t 图像的医学特性，本文采用了基于断层轮廓 的表面绘制技术实现可视化。论文主要从以下几个方面展开： 1 分析图像的成像原理，根据图像的特点介绍了几种图像预处理方法，本 文采用了几何变换和滤波处理算法。 2 介绍了图像分割的相关技术，然后利用阀值和k m e a n s 聚类算法实现了 图像轮廓的提取，完成图像分割工作。 3 介绍了基于断层轮廓的表面重建原理，改进d p 算法对轮廓线进行采样， 研究d e l a u n a y 三角剖分的原则，并借助于该思想提出了一种拼接算法， 即以三角片集的内角矢量最大为优化准则，使得组成重建表面的三角面 片在整体形态上达到最优。 4 根据统计学的知识，利用最小平方中值法的原理，提出了最优化椭圆体 算法，以此来对细胞的空间结构进行统计性的描绘。 关键词：三维重建与分析；医学图像可视化；断层图像；图像分割； 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et 呛c h n o l o g yo f3 dr e c o n s t r u c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fr e s e a r c h e si nt h e f i e l do fc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) a n dc o m p u t e rg r a p h i c s b yi n p u t t i n gt h e2 d p r o j e c t i o no ft w oo rm o r eo b j e c t s , t h ec o m p u t e ra u t o m a t i c a l l ys e a r c h e st h e2 d g e o m e t r i ca n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o n 3 dr e e o n s m l e t i o nu s c st h ei n f o r m a t i o nt o e s t a b l i s h3 dm o d e l ? 3 dr e c o n s t r u c t i o nf r o mm e d i c a li m a g e si sam u l t i - d i s c i p l i n a r ys u b j e c t i ti sa n i m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fc o m p u t e rg r a p h i c sa n di m a g ep r o c e s s i n gi nb i o m e d i c i n e e n g i n e e r i n g i tr e l a t e st ot h es u b j e c t so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rg r a p h i c s a n d , s o m er e l a t e dk n o w l e d g eo fm e d i c a l ，3 dr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o no f m e d i c a li m a g e sa r ew i d e l yu s e di nd i a g n o s t i c ，s u r g e r yp l a n n i n ga n ds i m u l a t i n g , p l a s t i ca n da r t i f i c i a ll i m bs u r g e r y , r a d i o t h e r a p yp l a n n i n g ，a n dt e a c h i n gi na n a t o m y s o s t u d yo n3 dr e c o n s t r u c t i o nf r o mm e d i c a li m a g e sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo n s c i e n c ea n dw o r t h i n e s si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n t , t h ek e yt e c h n i q u eo f3 d r e c o n s t r u c t i o nf r o mm e d i c a li m a g e si st h er e c o n s t r u c t i o no f t h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c e b a s e do nt h es l i c ed a t a b yu s i n gc o m p u t e rg r a p h i c sa n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w ec a l lo b t a i nas e q u e n c eo f 2 ds l i c ei m a g eb yc t , m i u u l t r u s o n o g r a p h ya n do t h e r i m a g i n ge q u i p m e n t s ，a n dt h e nr e c o n s t r u c tt h i ss e q u e n c et ob e c o m ea3 di m a g eo f h u m a no r g a n sw h i c hc a nb ev i v i d l yd i s p l a y e do nt h es c r e e n t h i sp a p e rm a i n l yd c a i sw i t ht h er e s e a r c h e so nt h ea l g o r i t h m si ne v e r ys t e po f t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n so ft h e2 di m a g e s ；m e a n w h i l e ，i ta l s od i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o no nt h em e d i c i n e i nv i e wo ft h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e l lc t i m a g e s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea c h i e v e m e n to fv i s u a l i z a t i o n0 1 1t h eb a s i so fs u r f a c e r e n d e r i n gt e c h n i q u e so nt h es l i c e - i m a g e s a n dh e r ea r et h em a i np o i n t st h a th a v eb e e n d i s c u s s e d ： 1 。a n a l y z et h ep r i n c i p l eo fi m a g ef o r m a t i o n s i n t r o d u c e s e v e r a li m a g e p r e p r o c e s s i n gm e t h o d sa c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h ei m a g e s t h i sp a p e r a d o p t st h em e t h o d so f g e o m e t r i c a lt r a n s f o r m a t i o na n df i l t e r i n ga l g o r i t h m 2 i n t r o d u c et h et e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ei m a g es e g m e n t a t i o n ，a n dt h e ne x t r a c t t h ei m a g ep r o f i l e sb yt h ew a yo ft h r e s h o l da l g o r i t h ma n dk - m e a na l g o r i t h m a st oc o m p l e t et h et a s ko f s e g m e n t i n gi m a g e s 3 i n l r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h es u r f a c er e c o n s t r u c t i o nb a s e do ns l i c e - i m a g e s , a n di m p r o v et h ed pa l g o r i t h mt ot a k ep r o f i l e l i n es a m p l e s ，a n dt h e ns t u d yt h e p r i n c i p l eo fd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na p p r o a c hs o 勰t op r o p o s eas p i i e i n g i i 河海大学硕士学位论文 a l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc o n s i d e r st h ea s p e c tc h a r a c t e ro f t r i a n g l e sa n du s e s t h ea n g l e - o p t i m a lo ft r i a n g u l a t i o na so p t i m i z a t i o nc r i t e r i o ni nr e c o n s t r u c t i n g s u r f a c e b yt h em e t h o do f l o c a la d j n s t m e n t , s u r g ei so p t i m a l l yt r i a n g u l a t i o n b a s e do i lt h ep r i n c i p l eo f d e l a u n a yi r i a n g u l a t i o n 4 i na c c o r d a n c ew i t hs t a t i s t i c s ，p u tf o r w a r dt h em o s to p t i m a le l l i p s o i d a l g o r i t h mb yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fl m e d s ，f o rt h ep u r p o s eo fs t a t i s t i c a l l y d e s c r i b i n gt h ee e l ls p a t i a ls t r u c t u r e s k e y w o r d ：3 dr e c o n s t r u c t i o na n da n a l y s i s ；v i s u a l i z a t i o no fm e d i c a li m a g e s ；s l i c e i m a g e s ；i m a g es e g m e n t a t i o n ； 1 1 1 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 铲 2 0 0 7 年6 月 ，日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，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。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 7 年6 月 河海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 科学计算可视化( v i s c ：v i s u a l i z a t i o ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是2 0 世纪8 0 年代提出并发展起来的一个新的研究领域，是当前计算机科学的一个重要研究方 向。1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金会在华盛顿召开的一次研讨会上， b h m c c o r m i c k 在一份报告中提出了科学计算可视化这个术语，并给出了科学计 算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期的研究方向。会议认为“将图形和 图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家们不仅需要分析 由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。而这些都需 要借助于计算机图形学及图像处理技术”。从此，美国国家科学基金会设立的几 个大型国家实验室、超级计算机中心以及各大学都开始设立了相应的项目或相应 的专门实验室，稍后欧洲和日本也开始支持科学计算可视化的研究项目。自1 9 9 0 年起，美国i e e e 计算机学会计算机图形学技术委员会开始举办一年一度的可视 化国际学术会议，这标志着科学计算可视化作为一个学科已经成熟，它的应用遍 及所有应用计算机从事计算的科学与工程学科，并获得了巨大的科学和社会效 益。 医学是可视化技术应用最早的领域之一。进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着计 算机断层扫描( c t ：c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) ，核共振成像( m r i ：m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ) ，超声( u s ：u l t r a s o n o g r a p h y ) 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，使的医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。但是，二维断层图像知 识表达某一截面的解剖信息，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 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。 本文所研究的医学图像三维重建是指：由细胞的c t 断层图像恢复出其三维 立体结构并进行显示，由此来估计该细胞中某一类蛋白质成分的空间位置。它属 于计算机可视化技术中的一个应用分支。因此，其中运用了许多科学计算可视化 技术的理论和方法。 河海大学硕士学位论文 1 2 科学计算可视化综述 1 2 1 科学计算可视化的含义 可视化或称为视觉化，它的实质是将科学计算过程中产生的大量非直观的、 抽象的或者不可见的数据，借助于计算机图形学和图像处理技术，用几何图形和 色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观、 形象地表达出来，并进行交互处理。实际上，随着科学技术的发展，科学计算可 视化的含义已经大大扩展。它不仅包括科学计算数据的可视化，如有限元分析结 果等。也包括工程计算数据及测量数据的可视化，例如应用于医疗领域的计算机 断层扫描及核共振数据的可视化，就是当前最为活跃的研究领域之一。 科学计算可视化将图形生成技术、图象处理技术和人机交互技术结合在一 起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解送入计算机 的数据。它涉及到三维数据场的可视化、计算过程的交互控制和引导、图形生成 和图形处理等领域技术。 1 2 2 科学计算可视化的应用 科学计算可视化的应用领域十分广泛，涉及自然科学及工程技术的诸多领 域。 1 医学 利用传统的二维成像技术，人们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大 小及形状，想象病灶与周围组织的三维几何关系，这给诊断治疗带来了困难。利 用可视化技术，可以由一系列二维图像重构出三维形体，并在计算机屏幕上显示 出来；也可以在手术期间实时构造手术操作时的内部情况，协助医生更好的掌握 手术操作，提高成功率。 2 地质勘探 地质勘探中，普遍采用地震探测和勘测井测量的技术，来了解大范围内的地 质构造，发现可能的矿藏结构。通过勘井数据了解局部的地层结构，探明矿藏的 位置、分布，并且估计出蕴藏量。由于地震数据和测井数据的数据量极其庞大， 而且分布高度不均匀，因而根本无法从纸面数据做出分析。利用可视化技术可以 从大量的勘探数据中构造出感兴趣的等值面、等值线，显示其范围和走向，为打 井作业做出指导，节约资金。 3 气象学 天气预报的准确性依赖于大量数据的计算和对计算结果的分析，科学计算可 视化可将大量的数据转换成为图像，在屏幕上显示，为预报人员提供参考。科学 2 河海大学硕士学位论文 计算可视化将大量数据转换为图像，显示某一时刻的等压面、等温面、云层的位 置及运动、风力大小及方向，从而使预报人员能对未来天气做出准确的分析和预 测。 此外科学计算可视化还可以在分子模型构造、计算流体动力学、有限元分析 等领域得到应用，本文就不再一一介绍了。 1 2 3 科学计算可视化的意义 计算机应用于科学计算已有五十年的历史，但是长期以来，由于计算机软硬 件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进行，而不能进行交互处理。在 向计算机送入程序和数据以后，使用者不能对计算过程进行干预和引导，只能被 动地等待计算结果的输出。而大量的输出数据又只能以人工方式处理，人工处理 数据十分冗繁，耗费大量时间，不仅不能及时得到有关计算结果的直观、形象的 整体概念，而且有可能丢失大量的信息。因此，科学计算结果的后处理已成为提 高科学计算质量和效率的主要问题之一。 随着科学技术的快速发展，待处理的数据量越来越大，来自大型计算机、地 球卫星、宇宙飞船、c t 扫描仪、核磁共振以及地质勘探的数据与同俱增，使得 科学计算数据的可视化和计算过程的交互干预和引导日益成为迫切需要解决的 问题。 实现科学计算的可视化可以大大加快数据的处理速度，使产生的庞大数据可 以得到有效的利用；可以在人与数据之间、人与人之自j 实现图像通信，而不仅仅 是文字或数字通信；还可以使人们对计算过程实现引导和控制，通过交互手段改 变计算所依据的条件来观察其影响；此外科学计算可视化还可以将计算结果用图 形或图像形象、直观地显示出来，使许多冗长烦琐难以理解的数据变得生动有趣 容易理解了。 总之，科学计算可视化极大地提高了科学计算的速度和质量，实现了科学计 算工具和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生了根本性的变 化。 1 2 4 科学计算可视化的现状 国外在三维重建方面研究最多的国家属日本，其次是美国和英国。发达国家 起步较早，研究的也比较深入。 1 9 9 5 年日本东京大学的h o s h i n o 、h i r o s h i 领导的小组用物体反射的m a r r a y c o d e d 光源影响对物体表面进行三维重建取得进展。用简单的设备通过这种方法 可以完成三维重建。 1 9 9 3 年美国芝加哥大学g o s h t a s b y 、a r d e s h i r 进行了“应用合理的高斯曲线 3 河海大学硕士学位论文 和平面，进行二维、三维图形的恢复和设计的研究”。目的是使用合理的高斯曲 线和平面，来恢复复杂图形并证明用这种方式，不需用传统的网格方式而是利用 分散设置的控制点来恢复外形的新方法。1 9 9 5 年美国哥仑比亚大学的 c h e h r o u d i b 带领的小组对细胞形状的三维重建进行了深入的研究，但是细胞核 的形状还是不可预见的。 英国1 9 9 5 年l i v e r p o o lj o h n m o o r e s 大学的p e a r s o n 、j e r e m y d 小组在( 人造) 电子配件自动检测方面的二维形状测量的阶段测量方法进行了研究，并证明了用 模型方法进行三维形状重建加工过程方法的可行性。 近年来三维重建技术成为我国医学研究领域的新热点。利用三维重建技术， 在c t 、m r i 和d s a 影像指导下，经计算机精确计算和仿真校验后，最后运用 新型高精度脑立体定向手术仪进行各种脑部手术脑血管疾病、脑血管造影三维重 建成像在脑动脉瘤、颅脑损伤诊断和治疗中所用。三维重建技术还应用在研究植 物体细胞胚发生中。近年来，透过三维重建手段呈现隧道地质三维影像又成为计 算机图形学的另一个重要应用。 国内1 9 9 4 工程图扫描输入及三维重建方法的研究，被四川省列为基础科研 项目；浙江大学c a d 与计算机图形学国家重点实验室的高玮、彭群生发表了基 于二维视图特征的三维重建，清华大学国家c a d 工程中心的刘世霞、胡事民、 汪国平、孙家广的基于三维视图形体的重建，分别从不同方向进行研究。 综上所述，国外在此方向上的研究起步较早，也取得了很多成果。但国内在 二维图形的三维重建上的研究还很少，面对现代化生产的快速发展和需要，在此 方向上的研究显得十分必要。 1 3 医学图像三维重建综述 1 3 1 医学图像三维重建的含义 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利用计 算机三维图像技术构建组织或器官的三维几何模型，并在计算机屏上“真实”绘 制与显示。这些医疗成像技术包括计算机断层扫描( c t ) 、核磁共振成像( m m ) 、 超声( 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【2 】。 基于这个模型医生不仅可以准确地获取病变体的空间位置、大小、形状、性质等 信息，而且可以进行手术计划和手术模拟，保证了手术的成功和手术完成的质量， 给临床诊断和治疗带来了巨大的进步。在计算机辅助手术( c a s ：c o m p u t e r a i d e d s u r g e r y ) 、图像引导手术( i g s ：i m a g eg u i d es u r g e r y ) 、微创手术( m i s ：m i n i m a l i n v a s i v es u r g e r y ) 等众多前沿领域里，三维重建技术都占有重要地位。因此，医 学图像的三维重建技术无论是在临床应用方面，还是在理论研究方面都具有重大 4 河海大学硕士学位论文 的意义，是当今医学影响领域研究的热点。 1 3 2 医学图像三维重建的应用 可视化技术已应用于诊断医学、整形与假肢外科手术规划、辐射治疗规划等 技术中。近几年的s i g g r a p h 会议上都设可视化、重建技术在医学中的应用专 题，如s i g g r a p h 9 8c o u r 2 3 “3 dv i s u a l i z a t i o ni nm e d i c i n e ”，s i g g r a p h 9 9 c o u r s e 3 3 “m o d e l i n gt e c h n i q u e sf o rm e d i c a la p p l i c a t i o n s ”，s i g g r a p h 2 0 0 0 c o u r s e 2 0 “m o d e l i n g f o rm e d i c a l a p p l i c a t i o n s ”。 1 在医疗诊断中的应用 在临床和医学研究中c t 图像、核磁共振图像和超声图像的广泛应用是医疗 诊断有力的手段。利用三维重建技术对图像进行处理、构造三维几何模型，对 重建模型不同方向观察、剖切，使得医生对感兴趣的部位的大小、形状和空间 位置不仅有定性的认识，也可获得定量的认识。 2 在手术规划及放射治疗规划中的应用 利用放射线杀死或抑制恶性肿瘤需要预先做出仔细规划，包括剂量计算和 照射点精确定位。如果辐照定位不准或剂量不当，轻则造成治疗效果不佳，重则 危及周围正常组织。 由c t m r i 图像序列重建出病变体、敏感组织，重要组织的三维模型，在 手术规划中，医生可观察病变体、敏感组织、重要组织的形状、空间位置，确定 科学的手术方案。在放射治疗中，根据重建组织的三维几何描述，进行射束安排， 使射线照射肿瘤时不传过敏感组织和重要组织，不伤害正常组织或对正常组织伤 害尽量小，制定出最优的治疗方案。 3 在整形与假肢外科中的应用 医学图像重建及可视化技术在整形外科及假肢设计中有着重要应用。在整形 外科中，特别是颅面外科目前已有成功应用，如f i a l k o v 等首先将计算机辅助立 体定向导航系统( c a s s ) 应用于颅面整形外科中，h a s s f e l d 等将一套三维定向 导航系统成功地应用于颅面区域的手术，准确性达到2 m m 以内1 3 】。 在假肢设计( 造型) 中，如做髋骨更换手术之前，先要重建出髋骨及与之接 合部位的三维模型，根据重建模型设计所需髋骨假肢的外形，使之能与病人的个 体特征相吻合，才能减少因假肢形状差异造成手术失败的概率。 4 在虚拟手术及解剖教育中的应用 v i s i b l eh u m a n 计划是由美国国家医学图书馆发起，委托科罗拉多大学医学 院建立起一个男人和一个女人的全部解剖结构的数字化图像库( c t 、m r i 图像) 州。通过这些资源，研究者可以分析和重建人体内部的各种器官或组织并进行三 维显示，建立起具有真实感的虚拟人体，并可对重建的虚拟人体进行各种剖切、 河海大学硕士学位论文 透明效果设置等，便于了解人体各组织器官的解剖结构。这对医学教育及解剖分 析起着重要作用。 虚拟手术是一极具挑战性的课题，它涉及图形学、视觉、力学、机器人学和 医学等多学科领域【5 。可视现实( v i s u a lr e a l i s m ) 和实时交互是虚拟手术的基本 要求，它首先重建人体组织器官的三维几何模型，由几何模型加上生物、力学等 方面的知识构建其物理模型、动力学模型、变形模型、有限元模型等1 7 j 。虚拟手 术可模拟整个手术过程，对于医学教育、医学研究、检验手术方案的可行性与科 学性等方面有着重要意义。 1 3 3 基于c t 图像的可视化技术 图1 1 医学图像三维重建及可视化流程 本文所研究的三维重建是基于c t 图像的可视化技术，其涉及的研究内容包 括：医学c t 数据获取、数据预处理、医学图像分割、三维可视化，如图1 - l 所 示。下面先简单介绍这些内容： 1 医学图像c t 数据的获取 医学c t 数据的获取不同于一般光学图像数据的获取，目前，医学c t 数据 是通过x 射线层析成像技术( c t ) 来取获的。通过研究这些设备的成像原理， 对研究c t 图像的特点、提高医学c t 的显示质量和为后续处理方法的选择有着 重要的意义。因此，要对c t 数据进行富有成效的后处理工作，必须解决c t 数 据的获取问题。 2 数据预处理技术 医学影像与普通图像比较，本质上具有模糊性和不均匀的特点，因而利用图 像预处理技术对c t 数据进行各种预处理，可以取得较好的显示效果。常用的预 处理技术有滤波、增强、恢复、插值以及缩放、旋转、平移等几何变换技术。几 6 河海大学磺士学位论文 何变换可以矫正倾斜的c t 图像：滤波、增强、恢复操作可以消除影像数据中的 噪声，提高图像的质量，突出感兴趣的生物组织。 3 c t 图像分割 在医学c t 图像中，各组织及其组织之间具有灰度上的含糊性、局部体效应 和不确定性等弱点，为了弥补这些弱点，准确地分辨医学图像中的正常组织结构 和异常病变，需要对医学图像进行分割进而提取影像图像中特殊组织的定量信 息。常用的分割方法有：基于阈值的图像分割、基于模糊连接度的分割、交互式 图像分割、基于二元特征的分割、基于活动轮廓或形变模型的分割等等。针对不 同的医学图像和待分割对象的特点，可以选择不同的分割方法。 4 医学图像的三维可视化技术 目前，c t 、m r i 、p e t 等医学成像设备均产生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。在医学诊断中，医 务人员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，以此来研究 病变体的空间结构。这就难以准确确定病变体的空间位置、大小、几何形状及与 周围生物组织之间的关系。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，进行定性、定量分析。该技术可以从二维图像中获取三维 的结构信息，从而为医生提供更逼真的显示手段和定量分析工具。三维医学图像 可视化技术作为有力的辅助手段，能够弥补影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， 并且能够使医生有效地参与数据的处理分析过程，在辅助医生诊断、手术仿真、 引导治疗等方面发挥极其重要的作用。因此，利用计算机进行医学图像的处理和 分析，加以三维重建和显示具有重要意义。 三维可视化实现中有两种绘制技术：表面绘制和直接体绘制。 面绘制最大的特点是需要先对二维数据场进行三维重建，生成体数据等值面 的曲面表示，再用光照模型计算出绘制图像。常用的三维重建方法有：轮廓线法、 移动立方体法( m c ：m a r c h i n g c u b e s ) 和移动四面体法( m t ：m a r c h i n g t e t r a h e d r a ) 等。这种绘制方法速度快，适合于实时性要求高的情形，比如交互操作、图像引 导手术等。 体绘制则放弃了传统方法中体由面构造这一约束，采用体绘制光照模型直接 从三维体数据中绘制各类物理量的分布情况。目前有三类直接体绘制方法：光线 投射法、投影成像法和频域变换法。直接体绘制计算量大、耗费时间长、不能实 时处理。 7 河海大学硕士学位论文 1 4 论文的研究内容及章节安排 1 4 1 相关概念 细胞接触介导的通讯是生物体内大多数的细胞与其它细胞间的通讯方式之 一，间隙连接细胞问通讯( g j i c ：g a p j u n c t i o ni n t e r c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n ) 被认 为在肿瘤的发生、发展和组织自身稳定的维持中具有重要作用。细胞间隙连接 ( g a pj u n c t i o n ) 基因是最近发现的另一类非突变型抑癌基因f 8 1 。通过该基因表达 的蛋白产物一间隙连接蛋白( c x ：c o u n e x i n ) 可以构成问隙连接通道，进行相邻 细胞问能量和信息的传递，在细胞生长、分化控制中起重要的作用 9 1 。同时，c x 表达的降低与多种肿瘤的形成及恶性程度相关【1 0 1 。其中，c x 4 3 ( 4 3 k d ) 是问隙 连接蛋白家族的成员之一。研究发现多种肿瘤的发生、发展与c x 4 3 的表达减弱 或缺失有关。 1 4 2 论文的研究内容 本文主要研究了二维图像的可视化技术，然后利用该技术建立一个医学图像 分析系统，分析癌变细胞的空间分布，尤其是c x 4 3 在癌变细胞中的空间位置， 并且自动检测癌变细胞。 关键技术的研究主要有以下几个方面： 三维重建的具体过程：首先必须对基本数据进行适当的预处理，建立起 相应的模型来表达数据；然后是对构建模型的绘制，把由数值计算或实 验获得的大量数据转换为人的视觉可以感受的计算机图像。 三维原理介绍：三维重建技术主要有面绘制和体绘制两大类。限于计算 机硬件发展水平以及医学图像数据的特征，目前对医学图像的重建主要 采用的是基于断层轮廓的表面重建。 夺三维重建的开发环境：o p e n g l 是近几年发展起来的一个性能卓越的三 维图形标准，i m a g e j 是一个开放的j a v a 图像处理程序，用户自定义插 件可以解决几乎所有图像处理和分析方面的问题。 基于以上理论，本课题具体的三维重建流程是：从一系列的二维断层图像中 提取细胞的外轮廓，然后利用d e l a u n a y 三角剖分原则和三维椭球体算法来完成 细胞图像的三维重建。 1 4 3 论文的章节安排 论文根据医学图像三维重建的实现过程共分为六章，各章内容安排如下： 第一章主要论述了科学可视化及医学三维重建的发展与现状，而且对论文的 8 河海大学硕士学位论文 研究背景、内容及章节安排作了简单介绍。 第二章从关于医学图像的基本概念入手介绍了c t 医学图像的采集、特点及 预处理过程。 第三章主要介绍了阀值和聚类两种医学图像分割算法，并借助这两种技术实 现了对本课题所研究的细胞图像的分割。 第四章首先叙述了三维重建技术的发展和几种重建技术，然后重点讨论了本 文采用的基于断层轮廓的表面绘制原理。本研究用四邻域边界条件提取了细胞图 像的轮廓线，在此结果的基础上借助d o u g l a s p e u c k e r 算法提取了轮廓线上的特 征点，最后根据d e l a u n a y 三角剖分原则构建三维网格，实现了模型重建。 第五章介绍了系统开发环境以及系统流程图，并且给出了实验结果。 第六章总结了程序开发过程中的经验，并对医学图像三维重建的发展方向做 出了展望。 9 河海大学硕士学位论文 第二章图像的采集及预处理 科学计算可视化是一个计算机科学领域术语，它包含用户界面、数据表达、 处理算法、视觉表达及其感官的感觉表达【l l 】，而数据可视化的概念比科学计算可 视化范围更广，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i l “。本文所 讲的医学图像三维重建实质就是基于c t 图像的三维数据的可视化。 c t 图像蕴含了丰富的信息，在临床的许多领域得到应用，提高了诊断的准 确度和可信度，是当今影像技术中不可缺少的重要手段。c t 医学图像的获取由 c t 影像设备生成，经图像传输、预处理即可用于图像三维重建。 本研究是基于细胞c t 图像的三维重建，c t 图像的获取过程中，影响设备 的扰动不可避免地会带来噪声，因此在分割重建之前要对c t 原始数据进行预处 理，以实现抑制噪声，增强图像特征，提高信噪比。由于本文的核心是三维图像 的绘制，所以对图像的表示、c t 图像的采集和预处理作简要介绍。 2 1 基础知识 2 1 1 图像的表示 要生成一幅图像，就要对真实世界进行采样和量化。一幅图像一般是由二维 连续标量数据而来的，采样前图像可以用f c x ，纠表示。其中向，纠是图像平面上 任意一个二维坐标点，厂指出该点的标量值。一般图像用一个矩阵来表示，矩阵 中存放标量值，用矩阵的下标表示图像数据位置。一般是对图像，? 量，矽用矩形网 格采样。在二维平面上按一定自j 隔从上至下按行扫描，把扫描到的标量值离散化 而得到图像中每一点的值，离散化后每一点的数据我们叫做象素。每一行的象素 数是图像的宽度，行的数量叫图像的高度。设图像的宽为m ，高为n ，则图像 的大小表示为m x n 。m x n 也叫图像的分辨率。采样后的图像可以用形，力 ( i = o ，l ，2 ，m ，j = o ，l ，2 ，n ) 来表示。连续图像f c x ，纠经过采样和 量化后，就得到一幅数字图像。如图2 - l 所示。 1 0 河海大学硕士学位论文 石。 厶。 石2 以2 f l n 翻 m 乞 蝌 g t t2 - 1 二维i 鳘i 像矩阵 在三维空间上采集f ( x ，y ，力图像而得到的图像我们叫三维图像。三维图像 可以看作是石，y 平面上的二维图像在= 方向上的叠加。三维重建所要处理的数 据就是这种三维图像。三维图像我们这里也叫做体数据。 体数据不仅指三维图像，体数据还可以由扫描仪、科学计算结果、实地测量 等方法获得。体数据来源丰富多样，数据量及数据形式也随之有较大的不同。体 数据根据其三维空间上离散数据间的连接关系可分为：结构化数据、非结构化数 据、结构化和非结构化混合型数据。结构化数据是在逻辑上组织成三维数组的空 间离散数据，即这些空问离散数据的各个元素具有三维数组各元素之间的逻辑关 系，每个元素都可以有它自己所在的层号、行号和列号。非结构化数据由一系列 的单元构成，这些单元可以是四面体、六面体、三棱柱或者四棱柱等，但它不能 组成三维数组。 2 1 2 灰度直方图 灰度直方图1 3 1 是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的象素的个 数，其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率( 象素的个数) 。图2 - 2 ( b ) 是图2 - 2 ( a ) 的灰度直方图。 图2 - 2 ( a ) 原始图像图2 - 2 灰度直方图 河海大学硕士学位论文 常见的c t 、m r i 图像都是灰度图像，但是随着计算机硬件的发展，也出现 了越来越多的彩色图像：本论文讨论的c t 图像就是彩色r g b 图像。目前我们 所研究的分割、滤波、重建等算法都是基于灰度图像的，因此需要先对彩色图像 进行转换。现有的彩色图象处理方法基本上都是属于“颜色空间+ 灰度图算法” 这一类型。在实际应用中，可对彩色图像的各个分量进行适当的组合转化为灰度 图像【1 4 l ，然后利用对灰度图像的算法进行处理。 2 2c t 图像的采集 当x 射线穿过某种物质时，部分光子被吸收，x 射线强度成指数关系衰减， 未被吸收的光子穿过物体后被检测器接收并转换成电子流，经过放大得到模拟信 号，再将得到的信号转换成数字信号后输人计算机进行图像重建，即重建出供诊 断使用的c t 图像。 总的来讲，c t 的基本原理是采用准直后的x 射线束对人体的某一层面从不 同的角度进行照射，在射线穿过的另一端利用探测器接收多组原始数据，计算机 利用数学方法对c t 原始数据进行重建后得到用于显示的二维数据矩阵，通过显 示设备显示图像。 2 3c t 图像的特点 与其它很多成像系统一样，c t 成像也受到噪声的干扰。均匀物体的c t 影 像中各像素的c t 值参差不齐，它使图像呈颗粒性，直接影响其密度分辨率，尤 其以低密度的可见度为甚。把这种现象用统计学上的标准偏差方式表示出来，即 为c t 的噪声，它们影响着图像的质量，严重的噪声还会形成伪影。 在c t 图像上非真实的阴影或干扰称为伪影。它降低图像的质量，易造成误 诊或不可诊。它可分为由病人引起的伪影与c t 设备本身所造成的伪影两大类。 在由病人引起的伪影中，最常见的是在扫描取样时，病人自主或不自主的运动造 成的运动伪影。病人体内的金属异物也会引起放射状的伪影。 此外，医学图像与普通光学图像比较，本质上具有模糊性和不均匀的特点： 医学图像具有灰度上的模糊性，在同一组织中密度值会出现大幅度的变化，同时 由于技术上的原因带来的噪声信号往往模糊了物体边缘的高频信号，以及由于人 体内部组织的蠕动等生理现象也造成了图像在一定程度上的模糊效应；医学图像 还具有局部体效应，在一个边界上的体素中常常同时包含物体的两种物质，图像 中物体的边缘、拐角及区域间的关系都难以精确的加以描述。一些病变组织由于 侵入周围组织而使边缘无法明确界定。 总之，由于医学图像具有这些极其繁杂的多样性和复杂性，加上医学c t 设 1 2 河海大学硕士学位论文 备成像技术上的特点，使得一些生物信号被淹没在干扰和噪声信号中，从而为后 续的处理带来了很多的困难。所以，研究c t 图像的预处理具有重要的意义。 2 4c t 图像的预处理 2 4 1 图像预处理 图像预处理是指按特定的需