理学医学成像技术三维重建技术.pptxVIP

7.1 概述任务二维三维发展早期探索阶段（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； 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； 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。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。 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。 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，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。 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。7.2 主要内容预处理分割模型构建模型网格简化绘制预处理分割二维分割三维分割重建绘制面绘制体绘制7.3 表面绘制Marching Cube 算法表面重建皮肤灰度阈值HU=500表面重建皮肤HU=500骨头HU=1150表面重建透明显示皮肤HU=500表面重建透明显示皮肤HU=500骨骼HU=1150阻光度=0.8阻光度=0.6阻光度=0.4阻光度=0.257.3 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。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） 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。 光照模型 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。影响观察者看到的表面颜色的因素①物体的几何形状②光源位置、距离、颜色、数量、强度、种类③环境遮挡关系、光的反射与折射、阴影④视点位置⑤物性材料、颜色、透明度 折射性⑥表面光洁度光源①几何性质点光源线光源面光源②光谱组成白色光等能量的各种波长可见光的组合彩色光单色光光的传播反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上折射定律折射定律：折射线在入射线与法线构成的平面上，折射角与入射角满足能量关系在光的反射和折射现象中的能量分布：下标为i,d,s,t,v的能量项分别表示为入射光强，漫反射光强，镜面反射