医学图象三维重建及可视化技术研究.ppt

医学图象三维重建及可视化技术研究秦绪佳浙江大学CADCG国家重点实验室2001.9.28,1绪论,1.1引言1.2基于三维数据的建模与可视化1.三维数据的来源与分类2.三维数据建模及可视化研究内容数据预处理建模绘制与显示,3.数据建模技术综述三维几何模型基于三维数据的建模方法1)基于断层轮廓的表面重建2)基于体素的等值面重建3)几何变形模型4)体素建模,1.3医学图象三维重建技术综述1医学图象的预处理2医学图象的分割3三维重建方法4模型的网格简化,1.4医学图象三维重建在医疗中的应用1在医疗诊断中的应用2在手术规划及放射治疗规划中的应用3在整形与假肢外科中的应用4在虚拟手术及解剖教育中的应用,1.5论文背景及主要工作1论文背景及研究意义2本文的主要工作1)图象预处理，组织器官分割与提取2)MC、MT算法构建表面几何模型3)模型表面网格简化，剖切与开窗4)由表面几何模型转换成实体几何模型5)适用于适形放射治疗规划的医学图象三维重建系统的开发,2医学图象预处理与人体组织的分割,医学图象预处理分割流程,图2.1三维医学图象分割流程,2.2CT、MRI图象的获取与输入2.2二维图象处理与规则体数据封装1二维图象滤波(1)邻域平均法(2)中值滤波法(3)保持边缘滤波法,2断层图象间插值3三维规则体数据封装(1)内存记录方式(2)体数据文件格式,图2.4体数据内存记录方式,2.3交互分割过程1三维图象二值化,二值化结果,图2.8断层图象二值化结果,2数学形态学操作进行区域修整(1)二值形态学操作简述,(a)原图象(b)结构元素,(c)对原图象的腐蚀(d)对腐蚀图象的膨胀,图2.9开启操作,(a)原图象(b)结构元素,(c)对原图象的膨胀(d)对膨胀图象的腐蚀,图2.10闭合操作,3种子填充法进行组织提取,图2.12交互分割结果,图2.13对分割区域的重建,3基于规则体数据的三维表面模型的构建,3.2.1体素模型,(a)方向无关的三线性插值模型(b)方向有关的三线性插值模型,图3.1体素模型,3.2.2等值面（IsoSurface）定义1三线性插值结果2等值面定义,等值面是三次曲面,3.3移动立方体（MarchingCubes）算法抽取等值面1MC算法的基本原理a体素中等值面剖分方式的确定1）如立方体顶点的数据值等值面的值，则定义该顶点位于等值面之外，记为“0”；2）如立方体顶点的数据值等值面的值，则定义该顶点位于等值之内，记为“1”。8个顶点，每个顶点共有2个状态，因此共256种组合状态根据互补对称性,256128根据旋转对称性，25615,(1)体素中由三角片逼近的等值面计算(2)三角片各顶点法向量计算,2等值面连接方式上的二义性,(a)连接方式二义性的二维表示,(b)连接方式二义性的三维表示,图3.5拓扑不一致造成孔隙,图3.4MC方法的二义性,3.3.3渐近线判别法消除二义性,3.3.4MC算法的重建结果及分析,256256109MRI表皮重建,（b）12812893CT颅骨重建,（c）12812893CT表皮重建,三角面片：696889顶点：347322,三角面片：187559顶点：94015,三角面片：137799顶点：69331,图3.8MC算法重建的表面模型,3.4移动四面体（MarchingTetrahedra）算法抽取等值面3.4.1MT算法的基本原理,图3.9立方体的四面体剖分,图3.10四面体中的等值面,3.4.2四面体剖分的一致性处理,图3.11立方体剖分为四面体的不同方式,图3.12两相邻立方体剖分不一致时共有面的剖分情况,图3.13相邻立方体公共面上的剖分一致性,3.4.3相关性处理加速MT重建速度1体素内的相关性处理2体素间的相关性处理,图3.14剖分后立方体的顶点及棱边编号,3.4.4MT算法的重建结果及分析,(a)128128113CT颅骨重建,（b）104185220CT脚骨骼重建,(c)128128113CT表皮重建,三角面片：423998顶点：211905,三角面片：365858顶点：183056,三角面片：331290顶点：165808,图3.15MT算法重建的表面模型,4.三维模型的网格简化与模型的剖切,4.2基于边收缩的网格简化算法1网格简化算法简述,（1）抽样（Sampling）（2）自适应细分(Adaptivesubdivision)（3）删除(Decimation)（4）顶点合并（Vertexmerging）,2基于边收缩的网格简化算法Hoppe采用显式能量函数E（M）来度量简化网格与原始网格的逼近度Hoppe96：其中Edist(M)为M的距离能量，它定义为点集到网格的距离平方：Espring(M)为弹性能量，这相当于在的每条边上均放置一条弹性系数为k的弹簧，即：Escalar(M)度量M的标量属性的精度，而Edisc(M)则度量了M上视觉不连续的特征线（如边界线、侧影轮廓线等）的几何精度。,边收缩过程示意图,(a)收缩前(b)收缩后图4.1边收缩过程,4网格简化结果,MT重建结果简化50简化90简化90表面绘制,MC重建结果简化50简化85简化85表面绘制,4.3三维模型的剖切4.3.1模型三角面片的剖切处理1平面方程的确定ax+by+cz+d=0,2三角面片与剖切平面的求交检测,定义空间一点P（X,Y,Z）,定义“距离”D：D=aX+bY+cZ+d则有：1）若D0，P点处在A半空间；2）若D0，P点处在平面上；3）若D0，P点处在B半空间。,图4.6切面与三角面片的交,3三角面片与剖切面的切割运算4表面模型的剖切(1)边表和顶点表均为动态链表结构(2)表面模型的剖切计算,classCedgeclassCedgeVertex,4.4剖切截面的生成4.4.1边界多边形包含关系检测与确定1封闭环的检出2封闭轮廓的包含性检测,夹角之和检验法:,4.4.2剖切面区域的三角剖分1.任意平面多边形Delaunay三角剖分示意图,图4.11图4.7对应轮廓的三角剖分,4.5手术开窗操作开窗操作一般是用立方体或棱柱对重建模型进行切割，模型处于剖切体之内的部分被切割掉，之外的部分被保留下来。,4.6实验结果分析,图4.12模型的剖切与开窗,(a)剖切(b)开窗(c)开窗,5由基于轮廓重建的表面模型构建实体几何模型,5.1引言5.2相关工作（1）提取边界轮廓线（2）提取轮廓线上的特征点（3）轮廓对应（4）三维表面重建,（a）轮廓线,（b）基础轮廓表面模型,（c）左分支表面模型,（d）右分支表面模型,图5.3轮廓及表面子模型,5.3实体几何模型的构建1边界模型的数据结构,图5.4系统B-rep模型的数据结构及半边的结构示意,2实体造型的基本操作欧拉特征关系：其中v、e、f、s、h分别代表顶点、边、小面、壳和孔。基本的欧拉操作包括如下互逆的5对：MVFS，MEV，MEF，MEKR，KFMRH；KVFS，KEV，KEF，KEMR，MFKRH。其中M表示构造，K表示删除，S、E、V、F、R、H分别表示体、边、顶点、面、环、孔。,3由轮廓重建的表面模型重建实体几何模型的方法用图5.10(a)的表面模型说明构建实体的主要步骤：,(a),(b),（b）光照图,图5.11实体模型,（a）线框图,实体几何模型的构建结果,6适用于适形放射治疗规划的医学图象三维重建系统的开发,图象输入二维图象预处理图象分割与提取三维重建（CT/MRI）（滤波、插值）（自动分割、手工勾画）（MC、MT表面重建）,病变体投影轮廓照射射束设置效果显示几何操作（由此计算光栅廓线）（放射治疗规划）（颜色、半透明）（剖切、手术开窗）图6.1三维重建过程示意图,重建系统结构,图6.2系统结构,系统程序流程,图6.3系统程序流程,系统数据结构,图6.4系统数据结构,系统界面,治疗射束安排与光栅轮廓线计算,7结论与展望,7.1工作总结,(1)对输入图象进行了滤波、断层插值并封装成规则体数据。定义了体数据的内存记录方式及外存文件格式，压缩存储空间。(2)提出并实现了三维医学图象交互分割的方法，交互分割的技术路线是：先分析断层图象，交互给定分割阈值，对图象二值化，然后选择适当的形态学操作进行区域修整，最后用种子填充的方法填充出所要区域。(3)实现了MC算法和MT算法构造表面模型。针对MT算法，为避免体元棱边与等值面交点的重复性插值计算，提出了相关性处理方法。采用相关性处理，加快了MT算法的重建速度。,(4)实现了Hoppe的边收缩算法，重建模型经简化90，依然能较好地保持原模型特征，基本不影响视觉效果。模型经网格简化，绘制时间大大缩短，提高了交互时绘制能力。(5)提出了对重建模型实施剖切及手术开窗的一种方法。(6)提出了基于轮廓重建的表面模型构建实体几何模型的方法实现步骤。可作为造型系统的一种造型方