医学图像三维可视化原理.doc

医学图像三维可视化原理 一．原理： 医学图像的三维可视化技术主要包括三维重建绘制的预处理技术及绘制技术。在对体数据进行绘制之前,要对图像 数据进行改善像画质、分割标注、匹配融合等预处理操作。 1.三维重建绘制的预处理技术及绘制技术： （1） 改善图像画质 改善图像画质主要使用四种技术:① 锐化技术,即突出图像上灰度突变的各类边缘信息,增大对比 度,使图像轮廓更加清晰;②平滑技术,即抑制噪声而达到改 善像质的措施;③复原技术,即根据引起图像质量下降的原因 而采取的一种恢复图像本来面目的处理措施;④校正技术,即 采用几何校正措施,去掉图像上的几何失真。通过以上技术 可以去除图像上的畸变及噪声信息,使图像更加清晰,以便用 目视准确判读和解释。 （2）分割标注 分割标注是保证三维重建准确性的关键 技术,分割效果直接影响三维重构的精确度[4]。图像分割的 目标是将图像分解成若干有意义的子区域(或称对象)。标注 则为了能够识别出各区域的解剖或生理意义。在医学图像领 域,常常简单地将分割标注的过程称为分割。 （3）可简单的将医学图像分割分为两类:基于边界和基于区 域。基于边界的分割寻找感兴趣的封闭区域;基于区域则是 将体数据分为若干不重叠的区域,各区域内部的体素相似性 大于区域之间的体素相似性[5]。在三维领域,由于各向异性, 往往是两种方法混合使用,以达到最佳的精度和效率。医学 图像分割的具体方法有聚类法、统计学模型、弹性模型、区域 生长、神经网络等。 2．医学体数据三维可视化方法通常根据绘制过程中数据描述方法的不同可分为两大类:一类是通过几何单元拼接拟合 物体表面而忽略材料的内部信息来描述物体三维结构的,称 为基于表面的三维面绘制方法(surfacefitting),又称为间接 绘制方法;另一类是直接将体素投影到显示平面的方法,称为 基于体数据的体绘制方法(directvolumerendering),又称为 直接绘制方法。 （1）面绘制方法 表面绘制是一种普遍应用的三维显示 技术,其首先是从体数据中抽取一系列等值面（,是指在一个网格空间中由在某点上的采样 值等于一定值的所有点组成的集合。）,并用多边形拟 合近似后,再通过传统的图形学算法显示出来。由于表面可 以简洁地反映复杂物体的三维结构,因此在医学图像中边界 面轮廓是用于描述器官的最重要特征。 （2）体绘制方法(其原理实质是将离散的三维空间数据转换为离散二维数据，将离散的三维数据场转换为离散的二维数据点阵)体绘制方法以其在体数据处理及特征信息表现方面的优势,已得到研究者越来越多的 重视,被越来越广泛地应用于医学领域。这类方法依据视觉成像原理,首先构造出理想化的物理模型,即将每个体素都看 成是能够接受或者发出光线的粒子,然后依据光照模型及体 素的介质属性分配一定的光强和不透明度,并沿着视线观察 方向积分,最后在像平面上就形成了半透明的投影图像。投影法和光线跟踪法就是两种体绘制方法。 投影法: 投影法(projection):首先根据视点位置确定每一体 素的可见性优先级,然后按优先级由低到高或由高到低的次 序将所有体素投影到二维像平面上,在投影过程中,利用光学 中的透明公式计算当前颜色与阻光度,依投影顺序(即体素可 见性优先级)的不同,投影法分为从前至后(front-to-back)算 法与从后至前(back-to-front)算法。 b. 光线跟踪法: 光线跟踪法(ray-casting):该方法是在体数据进行分 类后,从象空间的每一体素出发,根据设定的方法反射一条光 线,在其穿过各个切片组成的体域的过程中,等间距地进行二 次采样,由每个二次采样点的8个领域体素用三次线性插值 方法得到采样点的颜色和阻光度值,依据光照模型求出各采 样点的光亮度值,从而得到三维数据图像. 3.应用： 作脑部肿瘤放射治疗时,需要在颅骨上穿孔,然 后将放射性同位素准确的安放在脑中病灶部位,既要使治疗效果最好,又要保证整个手术过程及同位素射线不伤及正常组织。由于人脑内部结构十分复杂,而且在不开刀情况下,医生无法观察到手术进行的实际情况,因而要达到上述要求是 十分困难的。利用可视化技术,就可以在重构出的人脑内部结构三维图像的基础上,对颅骨穿孔位置、同位素置入通道、 安放位置及等剂量线等进行计算机模拟,设计并选择出最佳方案。不仅如此,还可以在手术过程中对手术进行情况在屏 幕上予以监视,使医生们做到“心中有数”,因而必将大大提高手术的成功率。在放疗中,由 CT 与 MR 图像的融合提供的 可视化图像为放疗提供指导。利用 MR 图像勾勒出肿瘤的 轮廓线,它描述肿瘤的大小;利用 CT图像计算出放射剂量的 大小以及剂量的分布,减少患者所受的辐射量,并及时修正治 疗方案。 虚拟内窥镜是利用 C