基于PACS的三维影像后处理系统的设计与实现（可编辑）

基于PACS的三维影像后处理系统的设计与实现（可编辑） 浙江大学 硕士学位论文 基于PACS的三维影像后处理系统的设计与实现 姓名:李侃 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:肖国臻 20060501浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 摘要 :图像归档与通信系统作为医院数字化的信息平台已经变的越来越重要, 当前很多医院都在部署实施系统。针对不同的医院规模和需求,可以 分为全院、科室、单机三种应用方式。往往都包括信息登记、看图、中央调 度以及实现其他子功能的模块。通过平台,医生可以自由调阅和交换各种信 息,不断提高了医院的整体工作效率,这使得医生对图像进行处理变的更为方便。 医学成像设备的不断发展,检测手段的不断更新,为医生提供了 各种不同格式 的图像,但是这些图像成像原理不同,反映的信息也很有限,而且大多也只是把三 维的人体器官以二维的形式呈现出来,如果能对这些图像进行综合的处理,将使得 诊断更准确,因此这也成为医生的迫切需求。 图像后处理技术是利用计算机技术和图像信息理论对成像后的图像来进行各种 处理。二维的图像后处理手段如图像增强,通过平滑、锐化处理或者去处噪声或者 使边缘清晰;而伪彩处理则可把单调的灰度图像转换成彩色的图像显示出来;图像 分割则对不同图像实现对解剖结构或感兴趣区域的提取和描绘。三维的图像后处理 则包括各种面绘制和体绘制的三维重建,这可以把一序列的二维医学断层图像重构 成三维模型显示出来,提供了更丰富的解剖结构信息,让医生对待检组织和病征有 更立体更全面的认识,给出更科学的诊疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。配准融合也是一种复杂的后处理手 段,可以把多幅医学图像互补的融合成一幅图像,但是要达到较好的应用还需要不 断的成熟。 本文主要介绍了平台的特点和应用情况,详细讨论了图像平滑、图像锐 化、伪彩处理、图像分割、三维重构、配准融合等各种图像后处理技术的理论和算 法,最终设计并实现了一个三维医学影像后处理软件系统。该系统基于平台, 将提供各种图像后处理操作,帮助医生优化医学图像,提取更多的有用的信息,提 高了诊疗水平。 关键字:、图像增强、图像分割、三维重建、配准融合浙江大学硕士学位论文 基于队的三维影像后处理系统的设计与实现, 锄 . 锄’ 仃 . ’ , 池 : 锄 . 、 印 .. , 酉仃、 、叭 丘, ’ ., 毹 . , 仃 咖., 山, 印. ’ :. . 呼 吼 . . ’ . . “ . . 如 .. 拓 如, , . 印 ,印、 叩、 、 、 如. 、 血 ’‰.胁 :; 札 浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实 现 . .. 锄 订 . 叼唧:、 、 、 觚、画 ?浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 第一章绪论 计算机技术的发展无疑给全世界带来了深刻的变革,在各个领域中都发挥着 无可替代的巨大作用,并引领着一场全面的数字化信息革命。在现代医学中,医 学成像技术和计算机技术的结合,也大大的提高了临床诊断的精准性,给病患、 医生、科研人员都带了极大的便利。系统就是医院信息化的典型代表。而 即医学影像存储与传输系 统,正是用于对各种数字医疗设备所产生的医学影像信息进行采集、存储、管理、 诊断、后处理的综合应用系统【”。很多大型的医院以及科研机构已经开始实施应 用了,但是所提供的后处理手段有限,往往只有简单的二维效果, 所以三维影像后处理系统的开发与应用则显得很重要了,这将更大的丰富和扩充 的功能,使其起到应有的作用。 . 系统的特征及用途 系统最早提出是在上世纪七十年代,概念的完整形成则要持续到八十 年代,二十多年的发展使其经历了多代才得到不断的完善和扩充。医生或科研人 员可以通过系统的良好用户界面完成对各种医学信息和影像的数字化处 理。这改变了过去简单的医院信息系统加上放射科室的传统胶片的事物性管理模 式,而成为面向医疗服务的集病人信息和影像信息为一体的现代化医院信息系 统。典型的完整的:系统其实现的功能包括: 全面实现影像数字化,系统根据 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 获取并存储各种成像设备的医学图像,医 生可以通过网络在诊断、报告等工作站上独立的观察各种医学图像。 充分共享各种信息资源,保存的医院信息,登记的病人信息,都可以 利用局域网、广域网来通讯,甚至可以实现影像的远程交流和会诊。 规范诊断报告体系,由于可以实现对病人任意图像的调阅和不同文字信息的共 享,则诊断报告也就更详尽,提供更多的诊疗信息。 代替了传统的胶片管理,大大降低了医学的开销:系统用数字图像代替浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 传统的胶片大幅度的减少了制造和购买胶片以及相应的化学制品的费用,而昂贵 的胶片存档空间则被安放数据处理和存储设备的更小、更洁净整洁的场所代 替,当然也减少了管理胶片工作人员的费用,更解决了相当棘手的胶片老化的问 题。 而当代作为医学影像技术和计算机、网络技术等的产物,其自身也具 有其明显的特征: 高度依赖于医学专业工业标准: “ 标准和 标准是医学领域中的最重要的两个标准圆。 瑚 这些医学工业标准使得内部、各系统之间与 等其他医疗信息系统之间进行信息和数据的交换成为可能‘。 处理的数据量庞大:不管是大型医院还是小规模医院,全院信息化后的数据量 将显得异常庞大,尤其是病人的影像数据,不同成像设备生成的图像都需要通过 系统来管理,这就对系统提出了比较高的要求,可以通过图像压缩、改变存储策 略等等方法来解决数据庞大引起的传输速度问题。 系统功能模块化:系统的实施和应用几乎将影响到医院的所有科室,其功 能包括管理、存储、报告等等,如果只通过一个软件界面来实现的话,那基本上是 不可能浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 在国外,由于各界对和行业标准的重视,因此不同设备厂商 也严格遵循着标准来生产医疗设备,这样就使得不同设备之间的交互和通讯变的 比较简单和规范,也提高了稳定性。而为数众多的科研机构、大学和公司对 产品的研究与开发也保持着高涨的热情,尤其是美国,在这一领域是绝对的领导 者。医学图像通讯领域里的最重要的为全世界所公认并遵循的标准就是 由美国放射学会和联合推出的。美国的军方对在美国的发展也起 到了重要的促进作用。最早有关:的研究之一是年由美国军方资助的 远程放射项目】。另外,国外的医院在业务流程方面相对比较清晰规范,管理水 平相对也较高,对应用也比较有兴趣。正是因为厂家、科研机构和医院产 学研三方的良好互动,系统的应用水平比较高。 近几年来,国内医疗机构越来越重视医疗服务水平和医院现代化,因此 也开始获得了很大的关注。庞大的中国市场吸引了很多国外公司,比如、西 门子、柯达等都推出本地化的产品,但是这些公司收费非常昂贵,所获得 的效果也并不如预期那么理想,主要原因还是由于不符合中国的具体国情,产品 和国内医院兼容还不够。而国内的软件公司也越来越多的研制推广系统, 也产生了很好的经济效益,但是不同的开发厂商之间共享性不高,对标准的遵循 也不够严格,限制了应用。国内医院在体制管理、资金实力、计算机应用水平方 面都还与国外医院有比较大的差距,这也不利于系统的应用。总之,当前 系统的需求已经处于高速发展阶段,已经有不少医院开始实施了,但是还 需要软件厂家和医院共同努力,才能更好的促进的应用。 系统根据各级医院影像科室和规模的不同,主要可以分为三种类型: 全院 ::适用于整个医院的放射设备、核原子设备、超声设 备、内镜设备、病理显微镜设备等所有影像设备的连接。每个科室与联网。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 图. 示意图 :适用于整个影像科室的多台放射设备的连 科室版舭 接.采用集中存储的存储策略、网络附加存储的存储结构,存储设备可以考虑使 用磁盘柜】 图. 示意图 : 小型版 适用于一台影像设备的情况,可以采用集中存 浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 理,使之满足各种需要的一系列技术的总称【”。最典型的技术包括图像分割和三 维重建。图像分割通过一定的操作,切除任意不感兴趣的数据集,仅仅保留要处 理的部分。分割技术可以使得医生排除无关图像的干扰,看的更清晰,自然得出 的诊疗结论也更准确。而三维重建则是根据一系列二维的医学图像,经过多种处 理,提取不同物体的边界数据,实现出物体的三维模型,并允许对模型进行显示、 旋转、缩放等等操作。三维模型的重构可以为医生提供多角度立体的视角,从而 使医生方便、快速的对病灶进行定量的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和处理,提高诊疗水平和效率。 三维影像后处理系统就是综合应用这些技术,在平台上,以视 图模块所获取的图像为基础,对其进行重建、分割等处理操作,使得医 生可以更全面的观察医学影像,从而扩充了:看图模块的功能,取得更理想 的诊疗效果。把图像分割和三维重建技术结合起来使用,将最大限度的发挥后处 理功能,诊断医生通过医院的系统得到病人的图像信息,在看图 模块中进 行简单的处理之后发现还不足以作出确切的诊断,于是利用三维影像后处理系统 先重建出病人检查部位的三维立体模型,分割操作可以去除不感兴趣的干扰部 分,各种旋转平移操作可以给医生更多的信息,最终作出合理的诊断。因此三维 影像后处理系统处理的影像来源主要是,各方面都要完成对的良好 支持,既可以成为:的辅助模块,也可以单独成为一个独立的软件系统。 .国内外的研究及发展概况 医学影像后处理的范围非常广,包括了一切成像后的处理过程,所以其相应的 研究也比较多,几乎是随着医学影像的不断发展而深入的。研究开始较早的超声 图像处理,就属于影像后处理了,而超声工作站也得到了比较广泛的应用。现在大 多数的超声工作站都具有视屏影像采集、影像处理、报告存储及打印等功能。但 是超声工作站更多的是注重文字信息方面,主要是要实现打印出具有病人超声图 像的报告,因此也只是简单的影像采集和处理。 图像分割是图像处理领域里的经典难题,尤其是对医学图像分割的研究,多 年来一直受到人们的高度重视,提出来的分割方法多种多样,比如说基于边界的 分割法、基于区域的分割法等等,后来又出现了一些和特殊理论相结合的方法,浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 如基于神经网络的分割方法。但是由于医学图像分割的特殊性,到目前为止,还 没有任何一种算法可以很好的解决这个问题。目前,大家都是综合多种方法,来 消除一些显著的缺点,获得能够接受的分割效果。 三维重建方面,国内外都进行了大量的研究,包括输入图像的预处理、图像分 割、表面重建、体绘制、三维高级后处理和虚拟内窥镜等主要研究内容.在国外, 已经有了可以显示三维医学图像的商品化系统,有的是一个独立的系统。例如,加 拿大的系统,它可以根据用户需要,与不同厂家的扫描设备或核磁共振 仪相连接.有的则是这类医疗设备的一个组成部分,如美国通用 电器公司出产 的螺旋扫描设备均附有基于图形工作站的医学图像可视化系统。国内在医学 图像三维重建及可视化研究方面浙江大学、清华大学、东南大学、中科院自动 化所等均做了大量研究,开发了一些实验系统,但目前国内尚无成熟的商用系统。 因此,开展这方面的研究,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 目前,临床上医学图像后处理主要是以医学成像设备厂商所提供的简单软件 来进行直接处理为主,成像设备的不断普及使得图像后处理在我国各级医院的临 床应用越来越广泛。这些软件具有一定的后处理功能,但是毕竟只是随设备安装 的,而且多为独立的脱机应用,并不能很好的与兼容使用,因此未来的图 像后处理软件系统的发展趋势肯定是要在平台的支持下发挥强大的后处 理功能。 . 全文 企业安全文化建设方案企业安全文化建设导则安全文明施工及保证措施创建安全文明校园实施方案创建安全文明工地监理工作情况 内容简介 本论文设计并实现了基于系统的三维影像后处理系统,选择的 平台是由杭州博颐医用新技术有限公司自主开发并通过成果鉴定的产品, 该产品目前已经在多家医院应用,具有完备的功能,良好的客户反响。论文的主 体将按照以下六章来组织内容: 绪论 概括的介绍了系统的功能特点,总结了当前的研究情况和应用 现状,描述了为什么需要三维影像后处理系统,并给出了相关技术及一般概念, 介绍了项目的研究背景和意义,最后介绍了论文各章节的组织和内容。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 系统的具体组成 介绍了本项目所基于的系统的基本框架组成和各个功能模块,重点叙 述了与三维影像后处理系统关联比较密切的看图模块的情况。 图像后处理技术 综合介绍了图像后处理技术的概念,介绍了二维图像后处理技术,如平滑锐 化伪彩等,接着阐述了图像分割的主要技术和算法思想,然后介绍了三维重建的 相关技术,分、、?、等四部分详细描述。 系统的整体设计和实现 从系统的需求分析开始,介绍系统的总体结构和关键技术的实现方法,然后 介绍了系统的模块的详细设计和实现。 系统的扩充 提出了扩充系统的构想,并介绍了扩充系统的必要性和可行性,然后重点介 绍了扩充系统所需要的图像配准和融合技术。 总结和展望 简单总结系统实现的功能,分析了系统存在的不足,并提出了改进不足的方 法,最后展望了配准融合技术与现有技术的结合完善软件系统及对系统的 意义。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 第二章系统的具体组成 因为要能够比较好的和兼容,所以要介绍后处理系统,就不得不提到 系统的基本组成和框架。本文所设计并实现的后处理系统是以杭州博颐医 用新技术有限公司所开发的为应用平台的,该架构根据不同规模、不同科 室的需求差异,并且基于将产品的各种功能模块分布到不同的组件中,这 样的产品设计灵活,不同的组合可以满足各级医院的需求,因此产品已经在多家 医院获得了实施,并获得了很好的反响。 .队系统的基本构架 系统一般包括如下几个部分:影像获取设备 、 、包含数据库的影像存储设备胁 /心 、诅、以及连接上述设备的高 影像输出设备 掣。要协调这些设备的复杂关系并正确 速网络嘶? 工作起来,需要合理的系统构架。 ?】所描述的视图,包括用例视图、 本文的系统以 逻辑视图、进程视图、部署视图和实施视图。 医疗单位有着不同的规模,大型医疗单位对信息的需求和要求必然比较高, 而中小型医疗单位则可能对信息采取选择性的策略;医疗单位的特殊性也使得其 涉及到很多安全领域,包括病人的信息,对病人的诊断,医患的互 动等;医疗单 位对需求也容易经常改变,要能及时的响应。 该系统的构架具有针对不同规模医疗单位不同需求的可伸缩性、针对 医疗行业所必须的安全性和针对不同医疗单位需求差异的可变更性,能很好的满 足上文所提到的要求。 浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 ?模块是观察各种格式的医学影像的平台,有很多二维的图像处理功能, 具有详细的标注工具、测量工具以及特殊的医学意义的工具,医生可以通过该看 图工作站完成对病人的诊断。其示意图如图.所示。 图.?模块示意图 、、模块是系统中比较小的但是又特别重要的模块。 可以把医学成像设备传过来的图像按照序列归档,这样?、 等模块能够很方便的打开图像,该模块还可以提供对图像的查询等服务; 则将一些无法直接提供图像的设备上产生的影像通过视频采集卡和相关 的程序转换为标准图像接入到系统中;血按照胶片打印机和系统 通讯 的信息和的标准 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 来设置正确的打印参数及完成编解码,就可以实现 打印胶片的功能。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 . 模块的详细介绍 ?模块是面向临床医生的重要组件,该模块允许医生从图像服务器的光盘 或者硬盘上获取到相应病人的影像信息并正确显示出来,除此外还提供强大的二 维图像处理功能,这些操作将帮助医生作出准确的诊断。 ?模块的图像处理功能除了放大缩小、移动、反色等基本功能外,还包括 窗宽窗位、序列显示、动态播放、测量等复杂的处理操作。窗宽窗位功能保证医 生可以设置骨窗、脑窗、腹窗、肺窗等固定值,还可以根据需求来设置不同的值; 序列显示功能允许医生根据病人的序列来排列图像,这不仅方便了医生处理病 例,更为以后的图像后处理作好了准备;动态播放功能通过连续快速的显示一系 列图像,可以给医生一个完整快速的印象;测量功能则提供各种形态的测量,相 对精确的测量有利于医生掌握病变的位置。因此,?模块有很大的应用范围, 其典型的用例视图如图.所示。 图. 模块的用例视图浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 第三章图像后处理技术 医学成像技术是不断的在发展,新技术的临床应用无疑使得医学检测手段发 生了革命性的变革。但是医学成像设备都只能是把三维的人体器官以二维的状态 采集下来,系统所呈现出来的也都是这些二维图像,从而损失了大量的有 用信息,而医生也只能根据临床经验来想象人体组织的三维立体结构。为了提高 诊疗水平和治疗规划的准确性和科学性,需要对成像后的医学图像进行各种后处 理,来提取更多的病征,如果能展现出人体器官的三维形态结构则更具有非常实 用的价值,是很值得科研人员去探索的。图像后处理技术就是在这样的背景下而 提出的,包括二维图像后处理、图像分割、三维重建等,这些技术手段的发展和 应用将提供越来越多的图像信息,帮助医生对病情作出正确的判断。 .二维后处理 计算机技术的发展和新的数学方法的出现带动了数字图像处理技术的发展。 近年来医学图像处理作为数字图像处理的一个重要分支也得到了快速的发展,新 的图像处理技术不断应用到医学图像处理中【】。数字图像处理百 是利用计算机完成对图像信息各种处理的基本理论和方法。其处理 过程主要包括图像采集、图像变换、图像增强、图像存储及图像分析和理解等 几方面的内容【。:系统可以完成图像采集变换存储以及简单的分析等步 骤,需要更好的分析和理解图像,后处理很重要。二维的后处理手段包括很多, 基本的缩小放大、测量标注等都属于这个范畴,但是更复杂的处理应用可以辅助 医生对病变体及其他感兴趣的区域进行定性直至准确的定量分 析,比如可以根据 多种算法进行图像增强、平滑、锐化等等,这些处理手段可以使医生对不同的组 织分辨的更准确更清晰。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 一 ? 一、 ? 一 一 一 一 ..伪彩 医学图像大部分都是黑白的灰阶图像,人眼对灰阶等级的分辨是不够敏感 的,但能分辨的色彩却很多,黑白图像转化为彩色图像之后可增强人眼对不同回 声强度的敏感度,也可帮助人们分辨图像中的细微变化,特别对于最有希望治愈 的早期病变,医生在阅片时就不容易漏诊。伪彩处理就是这样一种图像增强技术, 在后处理中起着相当重要的作用。 所谓伪彩处理,就是通过某种映射关系把黑白图像的各级灰度值 转变成彩 色,这样灰度图像就能以彩色图像显示出来。由于人体内的组织并不是呈现这种 颜色,而是人为赋值产生的,所以称为伪彩色图像。伪彩处理也可以归结为图像 增强技术中的一种,但它并不能去除图像的噪声,只能通过不同的伪彩方案,将 黑白图像中需要观察的部分以不同的色彩凸现出来【。假设,,分别 为选定的在三原色上的映射函数,则对图像,的伪彩处理的数学表示 如下: , ,】 ,,】 ,,】 则由此,,,”,,所形成的彩色图像就是,伪彩处理后的图像了。 本文主要采用的是指定伪彩色编码表来实现伪彩处理的方法。即不指定统一的公 式来映射,而直接指定每个灰度值与颜色值的对应关系,这种方法编程相 对容易,系统根据伪彩色编码表来改变灰度图的调色板基于的三维影像后处理系统的设计与实现 浙江大学硕士学位论文 .图像分割 图像的形成过程中就是各种真实信息的组成和显示。在对图像的研究和应用 中,不同的人对同一图像的不同部分感兴趣,这些不同的信息部分往往对应的是 图像中特殊的具有不同的性质的区域。于是为了方便处理和分析图像,我们需要 忽略掉不感兴趣的部分,将不同的部分分离提取出来,通过这样的后处理之后, 显然可以提高对图像的信息的利用,并为进行更复杂的后处理作好了充分的准 备。这样一种技术就是图像分割技术。 ..图像分割的应用 图像分割在科学研究中获得了广泛的应用,在工业自动化、保密监视、遥感 图像分析等各方面都取到了相当重要的作用,成为图像处理分析的关键。在生物 医学领域,成像设备产生了各种各样的诊断图像,如超声、、、附、 等等,通过图像分割来对不同图像实现对解剖结构或感兴趣区域的提取和 描绘,可以帮助医生研究解剖结构,完成病征的诊断和定量分析, 更好的提出诊 断计划。分割后的图像正被广泛应用于各种场合,如组织容积的定量分析、诊断, 病变组织的定位,解剖结构的学习,治疗规划,功能成像数据的局部体效应校正 和计算机指导手术。 ..图浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 ?对于所有的和,?,有 口 ?对于,,?,,有: ?对于?,有 ; ?对于,,?,,是连通的区域; ..图像分割的分类 图像分割技术是图像处理和计算机视觉领域里的难点,虽然几十年来,研究 人员在这个领域里获得了很大的进展,并提出了很多先进的算法,而且直到现在, 每年还是有很多相关的研究成果发表。不过,很多的方法是针对某个特殊的应用 而设计的,局限性很大,不仅在图像分割领域里无法建立一个统一的体系,而且 更找不到一种通用的分割方法。 医学领域中的图像分割则更是由于医学图像的复杂性和多样性而遇到很大 的困难。医学图像的成像原理和组织本身的特性差异使得图像的形成受到诸如噪 音、场偏移效应、局部体效应和组织运动等影响,医学图像和普通图像比较,不 可避免的具有模糊、不均匀性的特点。另外,人体的解剖组织结构和形状复杂, 而且人与人之间有相当大的差别。这些导致传统的分割技术或者完全失败或者需 。 要一些特殊的处理技术‘ 图像分割的方法很多,其分类也比较困难,我们根据和【的理论来 介绍常用的分割算法,他们从细胞学图像处理的角度将图像分割技术分为三大 类:特征阀值、边缘检测和区域提取。 一特征阀值法 阀值分割是一种简单的易于实现的方法,常结合其他分割方法一起完成图像 的后处理,其基本的原理是假设灰度图像的目标或背景内的相邻像素间的灰度值 相似,但不同的目标或背景的像素在灰度上有差别,在获得图像 的直方图之后, 计算出各个灰度级的概率分布密度,再依据某一准则选取一个或多个阀值,最后 将图像分为单个或多个目标以及背景达到分割的效果。因此阀值分割算法的关键 是选择合理的阀值。 阀值分割法在处理信息量比较大的医学图像数据时具有极高的运算速度,对基于的三维影像后处理系统的设计与实现 浙江大学硕士学位论文 不同类的物体灰度值或其他特征值相差很大时,也能获得较好的图像分割效果。 但是过分依赖图像灰度信息,忽略了空间信息,实际应用中会受到时空复杂度的 限制,在含有噪声干扰以及特征值相差不大的情况下,会影响图像分割的结果。 二边缘检测法 边缘检测分割法是人们研究最早也最多的方法,它主要基于图像灰度级的不 连续性,通过检测不同均匀区域之间的边界来实现对图像的分割。其数学实现往 往利用一阶导数的极大值点或二阶导数的过零点来检测出边界点,具体操作是利 用图像滤波来完成,核心也是设计合理的滤波器即边缘检测算子。常用的边缘检 测算子包括算子、算子等。 边缘检测技术可以根据执行顺序的不同而分为串行边缘检测和并行边缘检 测。边缘检测技术虽然包括很多算法,但是它们都不能得到连续的单像素边缘, 这是不利于图像分割的。 三区域提取法 区域提取分割技术主要分为区域生长和分裂合并两种基本形式。 区域生长算法的基本思想是对每个要分割的区域确定一个相似性准则和一 个种子像素,根据该相似性准则将种子像素的周围的类似的像素加入到种子区 域,如此往复,直到不能再加入新的像素,那么一个区域就形成了。这种算法中 最重要的就是对种子像素、相似性准则以及终止条件的选择。 分裂合并算法需要综合应用区域分裂和合并技术,按照某种准则先将待处理 图像的整体不断分裂得到不同区域,再将相邻的具有相似性的区域合并从而实现 分割。 区域生长算法在噪声敏感的情况下将导致抽取出的区域有空洞或者在局部 效应的情况下将分开的区域连接起来,当然它还需要开发人员对每个需要抽取的 区域确定种子点,要求较多的人工干预。分裂合并算法虽然不需要预先设定种子 点,但是对分裂合并的规则设计也是难点。 任何一种图像分割法都无力单独实现良好的分割效果,现实中大多是同时运 用多种分割算法,近年来,还将统计学理论、模糊集理论、神经网络、小波理论 等等引入图像分割中,能够很好的解决分割问题。浙江大学硕士学位论文 蚕雾争办鹫鞫犁曼裂爱鞘驯骜甓型骈烈:锯强靼稣涟浮争够刳剥鞴幽朝黼 耋非舞赫酣制黔醛矧辫孙巍稍茬和肌季浠堞点壤唱糯灞喇矗蒜渤溶侧游雨画。 书拍娄掰行了相对合理陷弹药我们定苎妻王藩疆黪醣鬟;月漭留筇瑚纠噬瞪 删怪灞漾臻埔淫曜连基纠基蕊矬簿妻姒堑黧塑雏鞘一墼窿罂翌暴共成员变量包括一个指向所有当前打开的 操作的逻辑变量等,当然其他比 图像的指针数组还有多个表示是否对图像进行各种 实现各种图像后处理功能的独立 较重要的变量则定义为保护成员变量。这样系统的 模块为例子,详细介绍其具 模块的类便可以自由的从该基类继承下来。这里以 体实现,其他模块则类似。 完成肝功能的类 是继承自类,其关系如图.所示。 承关系图 图. 类的继 类的部分变量: : ///最多打开张图片 ///所有的指针数组 丰 【: : 的尺寸,高和宽 ///真实的图片 ? 基于的三维影像后处理系统的设冉蓟到篷羹浙江大学硕士学位 论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 面。其优点是数据量小,绘制速度快,但是其缺点主要集中在需要 抽取可视化结 构的轮廓,这个抽取切断了结构轮廓与体数据的联系,而这种联 系在切片生成或 数据测量中可能是重要的,因为会丢失其他的体图象信息,另外, 由于可视化表 面的选定在轮廓抽取时就已经确定,因此不能实现交互、动态的表面绘制,最后, 由于表面块的离散特性造成在绘制表面上存在人为的虚假表面【?。 体绘制技术就是不构造中间几何面,直接对体数据场中每个像素进行处理, 把三维灰度数据投影显示出来,从而构造出三维模型。其优点是不需要先作表面 或物体的分割,保存了原始图像体数据值的前后关系,而且可以实现人机交互的 随意设定透明度、光照效果、颜色等等参数, 还可以对绘制的图像作剖面,观 察体图像中的实际图像数据,并对绘制的图像进行基于体素值的测量。所以重构 后的三维图像比较逼真,质量要优于面绘制。但是其缺点是数据量太大,运算量 也很大,速度较慢。 ..面绘制技术 面绘制的基本思想是先从三维规则数据场中提取感兴趣曲线、边界曲面、等 值面等有用信息,并用多边形拟合近似,再用绘制算法进行消隐 和渲染得到所需 图像。这是一种在体素空间产生等值面的方法。所谓等值面就是在一个网格空间 中由在某点上的采样值等于某一给定值的所有点组成的集合。常用的面绘制方法 算法等。 包括连接轮廓线法、 算法、 算法 一 算法即移动立方体法,是由美国的和于 年提出来的,是一种应用相当广泛的面绘制方法。其基本思想是假设沿着立方体 的边数据场呈连续性变化,然后按顺序逐个处理数据场中的体素,分类出与等值 面相交的立方体,采用插值计算出等值面与立方体边的交点,根据立方体每一顶 点与等值面的相对位置,将等值面与立方体边的交点按一定方式连接生成等值 面,作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。因此,本方法在每一单元内等值 面抽取的两个重要计算是【: 体素中由三角片逼近的等值面计算;浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 三角片各顶点法向量的计算。 算法是基于沿着立方体的边,数据场呈连续线形变化这 因为 样一个假设的,因此如果一条边的两个顶点分别大于小于等值面的值,则在该条 边上必有也仅有一点是这条边与等值面的交点。确定立方体体素中等值面的分布 是基础。 因此首先要对立方体的八个顶点分类,来判定顶点是位于等值面之外还是位 于等值面之内,再根据所有顶点的状态,确定等值面的模式。 顶点分类的规则为: 如果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“”; 如果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 之内,记为“”。 考虑到每一体素共有个顶点,每个顶点个状态,再根据互补对称性和旋 转对称性,可以从简化到种基本的三角面片的剖分结构,如图.所 示。 其中的黑点表示标记为“”的角点。 图. 种基本的三角面片剖分结构浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 确定立方体体素内的等值三角面片连接方式之后,就要计算出三角片顶点位 置,这可以直接用线形插值的公式计算出等值面与立方体某条边的交点。我们还 应该利用中心差粉计算出体素各角点处的梯度,也就是各项点的法向,从而实现 等值面的绘制,体素的角点的中心差分公式如下: 它。坠:兰』:塾』坠兰型 .。,。,,.,~,.,?,? ,????:????二???一 :』竺堑垒:二』三::丝:三: 其中,?,?,?是体素的边长。 其算法流程可以简单描述如下: 仪;; 读入.,,和四层数据点值 ;” ;; . 由巧,,,,玛,,,, ,,,,,, ,组成当前立方体体素的个角点 ,,,...,,判定,,,...,与等值 面的相对位置内或外,由此决定当前体素的状 态表。 . 由状态表得到体素中的等值面的连接方式 . 由线性插值计算出体素棱边上的等值面的交点 位置和相应的法向量。 .将等值面放入输出的等值面的几何表示中。 浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 算法还存在一定的二义性,不过得到了不断的改进并获得了广泛 的应用。 算法 二 算法即剖分立方体法,是由和于年提出 算法之后,发现当三维数据场的密度很高时, 来的,他们在提出 由算法在体素上生成的小三角面片在很多情况下比屏幕上的像 素要小,此时 算法。其基本 通过插值来计算小三角面片已不再必要,因此提出 思想是通过生成对应于显示像素的点元直接形成显示图像。这种算法类似于 的等值面生成算法,不同的是相对于三维处理中的三角面片和二 算法生成的是点元,点的绘制速度要比绘制多 维处理中的线条, 边形快的多,从而节省了大量的时间【】。 其基本的实现原理是,首先确定等值面的特征值,这类似于其他的等值面生 成算法,接着开始遍历所有的体素,选出那些与等值面相交的体素。对于某个体 素,当所有顶点的标量值既大于也有小于等值面特征值时,认为等值面与这个体 素相交,然后当体素的投影面积大于一个显示像素的大小时,就再细分该体素, 直到每一体素均被绘制成一个表面点元,最后得出显示图像。 其算法流程可简单描述如下: ;; 读取相邻四层的图像数据; ;; ;; 计算出当前体素场,各顶点上的标量值; 等值面的特征值位于.所确定的最大值域内 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 浙江大学硕士学位论文 数据,但后者的计算量反而大于前者。下面介绍两种技术的代表算法:射线追踪 算法和光线投影算法。 一射线追踪法 射线追踪算法是目前使用最为广泛的一种体绘制算法,是由仕在 年提出来的,其基本思想是对显示图像上的每一个像素,让其向数据场投射光线, 该投射线穿越体数据空间,直接利用射线经过的各体素的值来计算强度,并按采 样顺序进行图像合成,得到结果图像,可分为光线生成,光照效应计算和图像合 成绘制三个部分。 基本的算法流程可描述如下: ;; 生成一条投射光线; ;; “该体素与光线相交 计算其对相应像素的贡献并叠加; 其中,为图像平面的像素点数,为体空间体素数。 二光浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 【该像素位于范围内 计算其获得光照强度并叠加; 其中,为图像平面的像素点数,为体空间体素数。 .. 、、、 医学图像可视化算法经历了一个发展的时期,因此虽然当前三维重建的真正 标准分类就是面绘制和体绘制两种技术,但是在现实医院应用中,往往分为 、、、等等,因为考虑到与临床医院实际应用紧密结合,本文 也按此分类来介绍其原理及应用。 即多平面重建,是指通过薄层的容积扫描以 像素为单位的图像采集获取数据,接着重建成以体元为单位的三维数据后,再用 冠状、矢状或横断面去截取三维数据,得到重构的二维图像。如果在冠状、矢状 或横断面上画任意的曲线,那么根据该曲线所确定的柱面所截取的二维图像就是 咖。如图.就是各截面的示 曲面重建法 意图。浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 图. 各截面示意图 利用三维的重建方法进行重建并重新获取不同截面的二维形式的图像, 所以是一种准三维处理手段,但其在临床医学中应用了很多年,是相对成熟的技 术。和可以在冠状面、矢状面、横断面以及任意截面获取二维图像, 而且在任意一个截面上选顶一个点,控制其移动,其他两个截面的图像上也会有 相应的变化,医生通过连续变化获得立体印象。操作简单,费时少,可以 在任意角度上重构,利于显示主动脉腔内结构及其毗邻关系,可以作为主动脉三 维重建的首选方法【】。 即最大密度投影法,是指把一组信号强度 【啪 最大的像素元通过投影方式叠加在一起,形成一幅只有高信号强度的影像。 能反映相应像素的线衰减值,较小的密度变化也能在图像上显示。 广泛应用于血管成像中,其操作结果将使血管和非血管的结构区别明显,很好的 帮助了医生辨识不同的组织结构。 最大密度投影法的运算量不大,远远小于体绘制的运算量,图像质 量也较好,但是不能区分信号近似的结构,不能充分显示重叠结构的关系,浙江大学硕士学位论文 基于的三维影像后处理系统的设计与实现 而且其结果缺少深度信息,会限制最大密度投影法的效果和运行速度,而且会造 成图像难以辨认。 而 即表面遮盖成像法,是指通过设定阀值,将 容积扫描数据按表面数学模式进行计算处理,将超过预先设定的阀值的相邻像素 连接重建出图像。的最明显特点就是与、不同,要在进行表面重 建的时候事先给定阀值,阀值的选择需要比较合适恰当,其大小对表面重建的效 果还是起着很大作用的,选择的阀值偏大就会造成图像偏白,导致表面轮廓和颅 内的脑组织这些区域无法看清,因为这些区域本身颜色偏白;选择的阀值如果偏 小的话,又会导致图像表面产生“破孔”现象。 主要用于血管表面、颅脑、支气管和肠道等部位,其优点是能够比较好 的显示复杂的、重叠结构的三维关系及相关结构的表面形态,而且仅需要简单的 计算机功能,费时不多即可获得最佳影像,而且立体感很强。但是其缺点就是如 果阀值选择不合理的话可能会损失相关的解剖结构,层厚也会影响而导致部分容 积效应和边缘效应。 曲即容积显示方法,是比较高级的三维成像方法,主要 是指结合多种技术,以假定的投射线从给定的角度扫描容积范围内的所有像素, 并定义不同的灰阶或伪彩形式显示出图像。容积显示法的优点是重建过 程中丢失的数据信息少,不需要定义明确表面,保存了原始数据的解剖空间关系, 产生的图像较图像精细,又有很强的立体感,尤其适合显示血管与临近结 构的三维关系,在心脏和冠脉成像中应用也比较多。但是由于涉及到的数据 和计算量比较大,对计算机的硬件要求比较高,而且需要较长的 时间。