理学医学成像技术三维重建技术PPT课件

1、7.1 概述任务二维第1页/共86页发展早期探索阶段（1970s - 1980s） 主要针对心脏、肝脏、胚胎、神经等器官的三维重建；表面重建的算法：轮廓线提取算法、轮廓线对应算法、三角片镶嵌算法、曲面拟合算法等等； 第2页/共86页基础算法研究阶段（1990s） 基于体元的表面绘制算法：Cuberille，Marching Cubes，Dividing Cubes；直接体绘制算法：Raycasting，Splatting，V-Buffer；及各种加速算法； 第3页/共86页 实用系统研究阶段(90年代末) 外科手术模拟系统、放射治疗模拟、虚拟内窥镜、整形外科、解剖模拟。第4页/共86页应用领域

2、应用领域诊断医学： 在临床核医学研究中，CT图象、磁共振图象和超声图象的广泛应用是诊断的有力的手段。应用先进的可视化技术对这些图象进行处理、构造三维实体模型以及对其进行剖切显示，有助于了解复杂解剖特征的空间定位和随着时间所发生的变化。 第5页/共86页整形与假肢手术规划 可视化技术在整形外科中的应用是假肢设计（造型）。例如，在做髋骨更换手术前，需要根据病人的个体特征正确地设计所需髋骨假肢的外形，才能减少因假肢形状差异造成手术失败的概率。首先根据CT或MR图象重构假肢的精确三维模型，交工厂制作，然后进行手术更换。 第6页/共86页放射治疗计划 利用放射性射线杀死或抑制恶性肿瘤需要事先做出仔细规划

3、，包括剂量计算和照射点定位。如果辐射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。根据医学图象重建病人病灶区的解剖结构，并作出精确定位和剂量计算已是实际可行的。 第7页/共86页脑结构图及其功能研究 由于脑的复杂性，纯粹采用神经生物学家所常采用的简化方法无法对之作出进一步了解。可视化技术在通过组织切片、医学成象仪器（如超声波、CT、MR、PET等）、药物吸收和神经生理实验等手段获取脑的数字图象，并进行特征提取和脑图分析，重构三维脑的结构图和功能图，以适当的三维显示方式显示出来。第8页/共86页7.2 主要内容第9页/共86页第10页/共86页第11页/共86页二维分割三维分割

4、第12页/共86页第13页/共86页第14页/共86页面绘制体绘制第15页/共86页7.3 表面绘制第16页/共86页第17页/共86页第18页/共86页第19页/共86页第20页/共86页第21页/共86页第22页/共86页第23页/共86页第24页/共86页第25页/共86页第26页/共86页第27页/共86页第28页/共86页第29页/共86页第30页/共86页表面重建皮肤灰度阈值HU=500第31页/共86页表面重建皮肤HU=500骨头HU=1150第32页/共86页表面重建透明显示皮肤HU=500第33页/共86页表面重建透明显示皮肤HU=500骨骼HU=1150阻光度=0.8阻光度

5、=0.6阻光度=0.4阻光度=0.25第34页/共86页7.3 体绘制 在自然环境和计算模型中，许多对象和现象只能用三维数据场来表示。与传统的计算机图形学相比，对象体不再用几何曲面或曲线表示的三维实体，而是用体素（Voxel）作为基本造型单元。对于每一体素，不仅其表面而且其内部都包含了对象信息，这是仅用曲线和曲面等几何造型方法所无法表示的。体绘制的目的就在于提供一种基于体素的绘制技术，它有别于传统的基于面的绘制，能显示出对象体的丰富的内部细节。第35页/共86页第36页/共86页第37页/共86页体光照模型 体光照模型是研究直接体绘制的基础。从物理意义上讲，当光线穿过体素与光线遇到一曲面时，会

6、发生不同的光学现象。前者如光线穿过云层会发生吸收、散射等现象；后者如光线射到桌面上，有漫射、反射、透射等现象。不同的物理背景决定了体光照强度的计算与面光照强度的计算有不同的模型和方法。体光照模型就是研究光线穿过体素时的变化，将光线穿过体素时的物理现象用数学模型来描述。在目前的体绘制中，采用得较多的有： 源-衰减模型（Source attenuation） 变密度发射模型（Varying density emitters） 材料分类及组合模型（Classification and mixture） 第38页/共86页 源-衰减模型最早由Jaffery提出。该模型为体数据场中的每一体素分配一个源强

7、度和一个衰减系数，每一个体素作为一个质点光源，发出的光线在数据场中沿距离衰减后被投影到视平面上，形成结果图象。 第39页/共86页 当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。 为模拟这一现象，建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型。三维形体的图形经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。 计算某一点的光强度的模型。光照模型第40页/共86页第41页/共86页第42页/共86页 光源 法向量 入射光 反射光 视线 第43页/共86页入射光折射光2112s

8、insin第44页/共86页idstvIIIII第45页/共86页第46页/共86页第47页/共86页第48页/共86页0 . 1aI4 . 0aK8 . 0aK第49页/共86页第50页/共86页简单光照明模型第51页/共86页2, 0cosdpdKIIpIdKdI第52页/共86页)(NLKIKIIIIdpaade第53页/共86页第54页/共86页第55页/共86页第56页/共86页光滑平面I = Ip K scosna镜面第57页/共86页nspsKIIcosnspsRVKII)(或pI第58页/共86页简单光照明模型-Phong光照明模型第59页/共86页)()(nsdpaasdeR

9、VKNLKIKIIIII第60页/共86页Phong光照明模型的不足第61页/共86页Ie=0.75，Id=0.5 Is=0.25Ie=0. 5，Id=0.5 Is=0.25Ie=0.75，Id=0.75 Is=0Ie=0.75，Id=0 Is=0.75Ie=1，Id=0 Is=0.9第62页/共86页体绘制方法 体光照模型提供了体数据中各数据点光照强度的计算方法，体绘制方法提供的是二维结果图象的生成方法。 首先根据数据点值对每一数据点赋以透明度t和颜色值（R,G,B），再根据各数据点所在点的梯度及光照模型计算出各数据点的光照强度，然后将投射到图象。 平面中同一象素点的各数据点的透明度和颜色值

10、综合在一起，形成最终的结果图象。 根据不同的绘制次序，体绘制可以分为两类 以图象空间为序的体绘制方法-体光线跟踪法 以对象空间为序的体绘制方法-体单元投影法 第63页/共86页体光线跟踪法 - 光线投射法(Ray Casting) 以图象空间为序的体光线跟踪绘制算法是从屏幕上的每一象素点出发，根据视点方向，发出一条射线，这条射线穿过三维体数据场。沿这条射线选择K个等距采样点，由距离采样点最近的八个体素的颜色值和不透明度值做三线性插值，求出该采样点的颜色值和不透明度值。而后可以采用由后到前或由前到后的方法，将射线上每一采样点的颜色和不透明度组合起来，计算出屏幕上该象素点对应的颜色值。 光线跟踪算

11、法的主要步骤是： For 每条光线 Do For 每个与光线相交的体素 Do计算该体素对图象空间对应象素的贡献。第64页/共86页第65页/共86页第66页/共86页第67页/共86页第68页/共86页根据光子传输理论,有以下体显示方程:第69页/共86页体单元投影法 以对象空间为序的体绘制方法首先根据每个数据点的函数值计算该点的不透明度及颜色值， 然后根据给定的视平面和观察方向，将每个数据点的坐标由对象空间变换到图象空间； 接着根据选定的光照模型，计算出每个数据点处的光强；然后根据选定的重构核函数计算出从三维数据点光强到二维图象空间的映射关系，得出每个数据点所影响的二维象素的范围及对其中每个

12、象素点的光强的贡献； 最后将不同的数据点对同一象素点的贡献加以合成。 第70页/共86页单元投影算法的主要步骤： For 每一体素或单元 DoFor 该体素在视平面投影区域内的每一象素 Do计算象素点获得的光强。第71页/共86页 面绘制的最大的特点是采用曲面造型技术，生成数据场等值面的曲面表示，再采用面光照模型计算出绘制图象。与面绘制相比较，体绘制的一个特点就在于放弃了传统图形学中体由面构造的这一约束，采用体绘制光照模型直接从三维数据场中绘制出各类物理量的分布情况。等值面、等势面、等数据场的几何面表示方法是研究者们为了适应图形显示，人为地提出的一种数据场表示形式。体绘制的根本点就在于放弃了这

13、一做法，直接研究光线穿过三维体数据场时的变化，得到最终的绘制结果，所以有时体绘制也被称做直接体绘制。由于体绘制的这种直接性，非常符合人的视见过程，因此保留了大量的细节信息大大地提高了图象的保真度，这时图象质量已不在以来面地分割如何，而是集中在光照模型、绘制过程上。 面绘制与体绘制比较第72页/共86页 面绘制要构造中间曲面表示，必然要通过域值或极值等方法提取出中间曲面，这就是被称为分割（Segmentation）的过程。由于目前的分割基本上还是一种二者择一的方法，缺少准确有效的方法。通过分割，许多三维数据场中的细节信息被丢失，有些分界面被扩大，结果的饱真性较差。体绘制由于直接研究光线通过体数据场时与体素的相互关系，无须构造中间面，体素中的许多细节信息得以保留，结果的饱真性大为提高。 第73页/共86页 因而从结果图象的质量上讲，体绘制要优于面绘制。单从交互性能和算法效率上讲，至少在目前的硬件平台上，面绘制还是要优于体绘制的。这是因为面绘制采用的是传统图形学的绘制方法，现有的交互算法、图形硬件和图形加速板能充分发挥作用，在一些对细节要求不多，交互要求较高的环境中，面