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1 引 言 1.1 课题研究背景 自从X射线发明以来,CT(计算机断层成像)、MRI(核磁共振成像)、CR(计算机X线成像)、B超、电子内窥镜等现代医学影像设备先后出现,使得传统的医学诊断方式发生了革命性的变化.从而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，使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。 但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标益加，不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学性，通过二维断层图像来构建人体器官、软组织和病变体等的三维模型并进行三维显示，可以辅助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时还在矫形手术、放射治疗、手术规划与模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用[1]。 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，就得到了大量研究与广泛应用。可视化的研究涉及到许多不同的领域，如计算机图形学、图像处理、计算机视觉、信息处理，计算机辅助设计及交互技术等。自从1987年，它作为一门学科确立以来，已经得到了长足的发展，并已广泛地应用于计算流体力学、有限元分析、医学图像处理、数学、物理、地学、气象预报、生命科学等等。近十年来，可视化技术一直是国际上计算机图形学的研究热点。为此，欧洲图形学会开辟了一年一度的可视化专题研讨会，而IEEE则每年举行一次可视化的年会，各种有关的杂志中也有大量的篇幅是关于可视化的。欧美许多发达国家的科研机构、大学和著名的公司均对可视化技术进行了广泛的研究，并促使它走向应用[2]。 医学图像三维重建在医疗中的应用主要有在医疗诊断中的应用、在手术规划及放射治疗规划中的应用、在整形与假肢外科中的应用和在虚拟手术及解剖教育中的应用等。 1.2 三维医学图像分割目的和意义 图像分割是图像处理和计算机视觉领域中一个十分重要的内容，也是一个经典的难题。图像分割是指把图像分成各具特性的区域并提取感兴趣目标的技术和过程，是由图像处理到图像分析的关键步骤，也是一种基本的计算机视觉技术。只有在图像分割的基础上才能对目标进行特征提取和参数测量，使得更高层的图像分析和理解成为可能。分割结果的精确程度至关重要，它直接影响到后续的处理，因此对图像分割方法的研究具有十分重要的意义。 例如医学研究、临床诊断、病理分析、手术计划、治疗方案、疗效评估、影像处理、计算机辅助手术、图像引导手术、手术摸拟、虚拟环境等等。在所有这些应用中，图像分割是一个不可或缺的预处理环节，常常成为应用中的瓶颈问题。成为了诊断和治疗体系重要的组成部分。 医学图像分割的目的是通过提取描述对象的特征，把感兴趣对象从周围环境中分离出来，分析和计算分割对象的解剖、病理、生理、物理等方面的信息，医学图像分割是对医学图像进行对象提取、定量分析、3D重建、体积显示、配准等处理的一个必不可少的步骤。医学图像分割对于医学应用方面的意义可以归纳为以下五个方面： 获取病理信息。提取有关解剖结构、病灶、病情、运动等信息，为临床诊断、病理的测量、建立解剖结构的信息数据库: 测量特征参数。对各个解剖结构进行几何的、物理的、病理的、统计的等特征参数的测量，建立解剖结构的信息数据库; 定位感兴趣的区域。确定解剖结构的位置、形状、分布区域，为放射治疗、化学治疗、超声治疗、热疗、穿刺、外科手术、计算机辅助手术、图像引导手术等治疗方案定位目标。此外在2D/3D/4D图像数据中对目标区域进行快速准确地定位; 获取解剖图谱信息。为医学图像的3D重建、3D显示、配准、融合、可视化、计算机辅助手术、人体虚拟现实系统和虚拟环境提供原始数据; 管理图像信息。图像分割后，各个区域分明，可以对它们进行取舍，重点关注那些目标区域。还可以在不丢失有用信息的前提下进行图像数据的压缩，便于存档、检索和传输。 2 三维医学图像分割理论 在图像的研究和应用过程中，人们往往仅对各幅图像中的某些部分感兴趣。这些部分常称为目标或前景，它们一般对应图像中特定的具有独特性质的区域。为了辨别和分析目标，需要将这些区域分离提取出来，在此基础上才有可能对目标进一步利用。图像分割就是将图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣的目标的技术和过程。这些区域是互相不交叉的，每一个区域都满足特定区域的一致性。在进行图像分割时，首先要根据目标和背景的先验知识来对图像中的目标、背景进行标记、定位，然后将等待识别的目标从背景中分离出来。 图像分割是由图像处理到图像分