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1、CT图像处理及三维重建技术1 1.1.问题的提出及其研究意义问题的提出及其研究意义2.2.国内外的研究现状国内外的研究现状3.3.图像处理基本理论及方法图像处理基本理论及方法4. 4. 三维重建基本理论及方法三维重建基本理论及方法5.5.参考文献参考文献2 1.问题的提出及其研究意义问题的提出及其研究意义 随着医学数字成像技术的飞速发展及其在临床诊断中的广泛应用，先进的医学断层仪器，如计算机断层扫描等医学成像设备采集人体器官1、骨骼2、关节3等部位的影像数据为医学研究与诊断提供高质量的二维断层图像信息，同时也为反求工程在医学上的应用提供了良好的条件。同时ct技术也已经广泛应用于建筑学，混凝土中
2、的破损机理的分析，实现了混凝土技术的三维重建4；人们也利用ct采集无损原木的切片图像，实现图片重建，这对无损检测具有重要意义5；在工业上，利用三维重建技术，实现ct图像的可视化研究，提高无损检测准确性6。3 图1 切牙牙断层线框图、曲面模型和实体模型（从左到右）图2 曲面模型图图3 实体图4 图4 重构的原木图像图5飞机叶片照相图和三维重建图像5 2.2.国内外研究现状国内外研究现状 国外已经有医学断层图像反求的商业化系统，在基于断层扫描数据设计人工骨骼方面己经有一些成功的应用。加拿大的Allegro系统是一个独立于设备的系统，它能根据用户需要，与不同厂家的cT扫描设备或MRI设备连接7。以色
3、列Elscint公司和美国通用电器公司生产的螺旋CT扫描设备则配有基于图形工作站的医学图像可视化系统，诊断和治疗提供非常方便可靠的手段，但是这些统非常昂贵目前逆向工程在医学应用方面的相关软件较多，如MIMIcs，Geomagie，Imageware，Rapidform，surfaee等，但在医学上的实际应用程度与医学数据的兼容性存在6 很大差异，其中较有代表性的是比利时Mater1alise公司的MIMIcs软件8-11，它是交互式医学图像控制系统的简称，其相对而言较成熟、应用功能较多。 我国浙江大学反求工程CAD实验室是国内进行反求工程研究比较早的单位之一,在CT复原三维模型方面开展了大量的
4、工作，推出了RE一SOFT软件系统，解决了该软件和他CAD软件的数据转换问题。上海交通大学逆向工程在医学上的应用起步较早，与临床结合好，己取得很多实际成果，如开发了与Mimics功能相近的Quickform软12 ，并应用于临床，取得很大的成功，在国内影响很大，同时它在医学假体CAD/CAM等领域取得较大成果。以CAD/CAM为基7 基础的定做式人工髓关节也己经应用到医疗实践中13。清华大学激光快速成型中心可以进行ct反求方面的工作。148 3.3.图形处理基本理论及方法图形处理基本理论及方法 要实现CT断层图像的三维重建，首先要对二维CT图像处理，提高图片质量。由于医学cT图像本身就是一种数
5、字图像，数字图像处理的基本理论及方法也适用于CT图像。本章系统地介绍了第四章医学图像处理及三维重建软件开发中所运用到的图像预处理、灰度图像二值化、图像增强、图像分割等基本理论及相关的算法。9 3.13.1灰度图像二值化灰度图像二值化 灰度图像二值化的目的是对图像进行分割，对于CT图像的分割，主要是骨组织和软组织的分割，而二者的灰度值相差很大，所以可以采用阈值分割法将其分离出来。具体的方法就是根据灰度图像的分布，选定一个灰度值作为标准值，然后将图像矩阵中每像素的灰度值与标准阈值比较，这样就将一幅灰度图像转化为一幅黑白二值图像，实现关节软组织和骨主体边界轮廓的清晰区分实现图像分割10 3.23.2
6、中值滤波中值滤波CT图像的形成中会引入不同的噪音，为了确保图像的质量，需要去除噪音，中值滤波能够有效地去除尖峰信号，削平振动噪音，而对阶梯或陡然下降信号却能很好地保留，因此它既能有效地抑制噪音，又能很好地保留有效信号。另外，中值滤波不需要做乘除运算，处理速度也较高，因此非常适合于CT图像的平滑和去噪处理。中值滤波是抑制噪音的一种非线性的信号处理。11 3.33.3图像的平滑与锐化图像的平滑与锐化 在图像数据的获取过程中，各电子器件的随机扰动不可避免地会带来噪音，造成图像质量的退化、降低。为确保图像质量，需对图像进行预处理，以去除噪音。噪音去除的方法很多，但一般采用不同的滤波方式借助模板结合邻域
7、操作来完成，根据滤波功能又可分为平滑(低通滤波)和锐化(高通滤波)。平滑的目的是模糊，在提取较大目标前去除太小的细节或将目标内的小间断连接起来，并消除噪音;锐化的目的是增强被模糊的细节。12 3.43.4图像的边缘检测与增强图像的边缘检测与增强 边缘是指图像局部强度变化最显著的部分。使图像的轮廓更加突出的图像处理法叫做边缘检测和边缘增强。边缘增强是一种重要的区域处理。在对图像进行特征提之前，一般都需要先进行边缘检测，然后再进行二值化处理边缘增强将突出图像的缘，边缘以外图像区域通常将被削弱甚至被完全去掉。处理后边界的亮度与原图中边周围的亮度变化率成正比。所有边缘增强方法都削弱了图像的低频部分，处
8、理后图像亮度保持不变，像素值变化缓慢的区域变黑，而像素变化剧烈的区域被突出。13 4.4.三维重建基本理论及方法三维重建基本理论及方法 由一系列二维CT断层图像上的轮廓线重构三维形体，即医学图像的三维重建实质上个三维数据的生成及显示的可视化问题。三维重建技术能充分利用CT、MR工等医学图像数据。 医学图象的三维重建就是根据输入的断层图象序列，经分割和提取后，构建出待建组织的三维几何表达，这种三维几何表达的模型最常用的就是表面模型。表面模型一般以平面片特别是三角面片来逼近表示，对于封闭的表面，构成一多面体，这时也称多面体模型。医学图像三维重建的方法主要有面绘制和体绘制两类。14 面绘制方法是基于
9、二维图像边缘或轮廓线提取，通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构的，称为基于表面的三维面绘制方法，又称为间接绘制方法。 体绘制方法则是直接应用视觉原理，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，又称为直接绘制方法。15 5.5.参考文献参考文献ll张建华张建华, , 甘新莲甘新莲等等. .多层螺旋多层螺旋CT CT 三维重建技术在孤立三维重建技术在孤立性肺结节的临床应用价值性肺结节的临床应用价值J.J.中国医学影像技术，中国医学影像技术，20042004，2020（1212）：）：1907-19101907-191022张玉兰张玉兰 郑晓林郑晓林等等. .多层螺旋多层螺旋
10、CTCT后处理技术在下颌骨骨后处理技术在下颌骨骨折中的应用折中的应用J.J.中国中国CT CT 和和MRI MRI 杂志，杂志，20102010，8 8（3 3）：）：51-51-535333王胜林王胜林. .多层螺旋多层螺旋CTCT三维重建在髋关节疾病及人工关节三维重建在髋关节疾病及人工关节置换中的临床应用置换中的临床应用J.J.中国组织工程研究与临床康复中国组织工程研究与临床康复，20082008，1212（2626）：）：5113-51165113-511644田威，党发宁等田威，党发宁等. .混凝土混凝土CT CT 图像的图像的3 3 维重建技术维重建技术J.J. 四川大学学报，四川大
11、学学报， 20102010，4242（6 6）：）：12-1612-1616 55陈雷，杨丽娟等陈雷，杨丽娟等. .原木原木CT CT 图像的三维重建图像的三维重建J. J. 国外电国外电子元器件，子元器件， 20082008，（，（9 9）：）：77-7977-7966曾理，安贝贝等曾理，安贝贝等. .工业工业CTCT图像中小间隙裂纹的亚像素测图像中小间隙裂纹的亚像素测量方法量方法J. J. 计算机工程与应用，计算机工程与应用， 20102010，4646（3030）：）：230-230-2362367 Nieolas J.Dusaussay7 Nieolas J.Dusaussay，Rob
12、ert N.Yaneey et al.Robert N.Yaneey et al.Image Proeessing for CTImage Proeessing for CT一一Assiste ReverseAssiste ReverseEngineering and PartCharaeterizationJ.IEEEEngineering and PartCharaeterizationJ.IEEE，vol.4vol.4，no.2no.2，2002.2002.88鲍春雨鲍春雨 ，刘晋浩等，刘晋浩等. .基于基于CTCT图像人体脊柱腰椎节图像人体脊柱腰椎节段逆向工程研究段逆向工程研究J.J.
13、机械设计，机械设计，20082008，2525（9 9）：）：16-16-181817 99李健李健, ,杨冬茹等杨冬茹等. CT. CT扫描结合扫描结合MimicsMimics三维成像软件对上三维成像软件对上颌第二磨牙的三维重建颌第二磨牙的三维重建J.J.现代口腔医学杂志现代口腔医学杂志，20082008，2222（5 5）：）：550-553550-5531010徐亮徐亮, ,周家镇等周家镇等. MimicsV1010. MimicsV1010软件软件STLSTL模块与模块与FEAFEA模块模块在医学三维重建中的关系在医学三维重建中的关系J.J.中国现代药物应用中国现代药物应用，20082
14、008，2 2（6 6）：）：17-1817-181111谢宏刚谢宏刚, , 徐亮等徐亮等. .对对Mimics V10. 0 Mimics V10. 0 软件三种三维重软件三种三维重建方法的研究建方法的研究J.J.西部医学西部医学，20082008，2020（5 5）：）：1089-10911089-109112 12 金刚，李德华，李泽宇金刚，李德华，李泽宇. .三维激光彩色扫描仪中物体三维激光彩色扫描仪中物体表面色彩信息获取表面色彩信息获取J.J.华中理工大学学报，华中理工大学学报，19991999，7.7.13 13 刘非，李涤尘等刘非，李涤尘等. .基于反求工程的个体匹配化骨骼制基于
15、反求工程的个体匹配化骨骼制造方法的研究造方法的研究J.J.西安交通大学学报，西安交通大学学报，20022002，9(36).9(36).18 14Alessandro Sarti14Alessandro Sarti，Roberto GoriRoberto Gori，ClaudioClaudioLamberti. A Physieally based model to Simulate Lamberti. A Physieally based model to Simulate maxillo faeial surgery from 3D CT images J.maxillo faeial s
16、urgery from 3D CT images J.Future Generation Computer SystemsFuture Generation Computer Systems，19991999，15.15.1515赵惠军赵惠军, , 王波王波. .基于基于MRIMRI的盆底组织结构三维重建的盆底组织结构三维重建J.J.第四军医大学学报第四军医大学学报，2008,292008,29（1414）：）：1317-1318.1317-1318.1616巩磊，傅戈雁巩磊，傅戈雁. .快速成型与逆向工程技术及其在医学快速成型与逆向工程技术及其在医学中的应用中的应用J.J.新技术新工艺新技术
17、新工艺，2006, 2006, （3 3）：）：67-69.67-69.1717游素兰，黄远亮游素兰，黄远亮. .应用应用M im icsM im ics软件建立下颌无牙颌软件建立下颌无牙颌三维有限元模型三维有限元模型J.J.口腔医学研究口腔医学研究，2008,242008,24（4 4）：）：381-381-3833831818黄磊，白光辉黄磊，白光辉. .多层螺旋多层螺旋CT CT 三维重建在先天性支气管三维重建在先天性支气管起源异常诊断中的应用起源异常诊断中的应用J.J.温州医学院学报温州医学院学报,2008,2008，383819 （3 3）：）：269-271.269-271.191
18、9 Boissonnat JeanBoissonnat Jean一一Daniel.Shape reeonstructionDaniel.Shape reeonstructionFrom Planare cross Seetions J.CVGIPFrom Planare cross Seetions J.CVGIP，19881988，44.44.20 Asheley S.From CAD Art to Rapid Metal Tools 20 Asheley S.From CAD Art to Rapid Metal Tools J. Meehanieal Engineering.1997,1
19、19(3).J. Meehanieal Engineering.1997,119(3).21 Fuehs H21 Fuehs H，Kedem Z MKedem Z M，Uselton S P. OptimalUselton S P. OptimalSurface Reconstruction from Plana Contours J.Surface Reconstruction from Plana Contours J.Commnication of the ACMCommnication of the ACM，19971997，20(10).20(10).22 C.T.Chen22 C.
20、T.Chen，et al. Medical image segmentation et al. Medical image segmentation by a constraint satisfaction Neural network J. by a constraint satisfaction Neural network J. IEEE Trans.Nuel.SCI,1991,38(2).IEEE Trans.Nuel.SCI,1991,38(2).23 M.Bhandark23 M.Bhandark，etal.An edge detection techniqueetal.An ed
21、ge detection techniqueusing genetic algorithmbased Optimization J.using genetic algorithmbased Optimization J.Pattern ReeognitionPattern Reeognition，19941994，27(9).27(9).20 Radilogy,2000,34.Radilogy,2000,34.24 Jones M.W.24 Jones M.W.，Chen M.A New Approach to the Chen M.A New Approach to the Construc
22、tion of Surfaces from Contour Data.Construction of Surfaces from Contour Data.EurographicsEurographics，9494，19941994，13(3)13(3).25 Lorensen W E25 Lorensen W E，Cline H E. Marinching cubes: ACline H E. Marinching cubes: Ahigh resolution 3D Surface Constructionalgorithlm high resolution 3D Surface Cons
23、tructionalgorithlm J. Computer GraphiesJ. Computer Graphies，19871987，21(4).21(4).26 Keppe1 E.Approximating Comlex Surfaces by26 Keppe1 E.Approximating Comlex Surfaces byTriangulation of ContourL1nes J.IBM J.Res.Dev.Triangulation of ContourL1nes J.IBM J.Res.Dev.19751975，19.19.272721 24 Kalvin A.D.24
24、Kalvin A.D.，Taylor R.H. Surfaces: PolygonalTaylor R.H. Surfaces: Polygonal Mesh SimPlification with Bounded Error J. IEEE Mesh SimPlification with Bounded Error J. IEEE Computer Graphics and ApplicationComputer Graphics and Application，19961996，15(3).15(3).25 Kerr J.P.25 Kerr J.P.，Knapp D.Knapp D.，F
25、rake B.,Sellberg M Frake B.,Sellberg M “True” color surface anatomy: mapping the “True” color surface anatomy: mapping the VisibleVisibleHuman to patient-specific CT data J.ComputerizeHuman to patient-specific CT data J.ComputerizeMedieal Imaging and GraPhicsMedieal Imaging and GraPhics，20002000，24.
26、24.26 Lee T.Y.26 Lee T.Y.，Weng T.L.Weng T.L.，Lin C.H.Lin C.H.，Sun Y.N.Sun Y.N.Interactive Voxel Surface rendering in medical Interactive Voxel Surface rendering in medical Applications J. Computerized Medieal Imagine Applications J. Computerized Medieal Imagine and Graphiesand Graphies，19991999，23.2
27、3.27 27 Salvolini LSalvolini L，Seeehi EBSeeehi EB，Costarelli L et al.Costarelli L et al. Clinieal aPplications of 2D and 3D CT imaging of Clinieal aPplications of 2D and 3D CT imaging ofThe airways-review J. European Journal of The airways-review J. European Journal of 22 28 Foley J D,ct al. Compute
28、r GraphicsPrinciples28 Foley J D,ct al. Computer GraphicsPrinciplesand Practice (Second Edition) M.Addison2 wesley,and Practice (Second Edition) M.Addison2 wesley,1990.1990.29 Chen L, ct al. Surface Shading in the29 Chen L, ct al. Surface Shading in theCuberille Environment. IEEE Computer Graphics a
29、ndCuberille Environment. IEEE Computer Graphics andApplications,1985,5:332 43.Applications,1985,5:332 43.30 Artzy E, Frieder G, Herman G T. The Theory,30 Artzy E, Frieder G, Herman G T. The Theory,Design,Implementation and Evaluation of a Three Design,Implementation and Evaluation of a Three Dimensi
30、onal Surface Detection Algorithm Dimensional Surface Detection Algorithm Proceedings of the 7th Annual Conference onProceedings of the 7th Annual Conference onComputer Graphics and Interactive Techniques,Computer Graphics and Interactive Techniques,Washington,1980.22 9.Washington,1980.22 9.23 31Lore
31、nsen W,et al. Marching Cubes: A High 31Lorensen W,et al. Marching Cubes: A High Resolution 3D Surface Construction AlgorithmResolution 3D Surface Construction Algorithm Computer Graphics,1987,21(4):1632169. Computer Graphics,1987,21(4):1632169.31 Harvey R, Hanspeter P.Raycasting31 Harvey R, Hanspete
32、r P.RaycastingArchitectures for Volume Visualization. IEEEArchitectures for Volume Visualization. IEEETrans on Visualization and Computer Graphics 1999.Trans on Visualization and Computer Graphics 1999.32Laszlo S K, Vlastimil H, Benedek B,ct al. On32Laszlo S K, Vlastimil H, Benedek B,ct al. Onthe ef
33、ficiency of ray shooting acceleration the efficiency of ray shooting acceleration schemes. In: Proceedings of ACMSCCG02,budmerice,schemes. In: Proceedings of ACMSCCG02,budmerice, Slovakia,2002. Slovakia,2002.33 Yagel R. Towards real time volume rendering.33 Yagel R. Towards real time volume renderin
34、g.In: Proceedings of GRA PH ICON96,saint2 In: Proceedings of GRA PH ICON96,saint2 petersburpetersbur24 -Rg, Russia,1996:230-241.Russia,1996:230-241.34 WestoverL A. Interactive volume rendering. 34 WestoverL A. Interactive volume rendering. Proceedings of the chapel hill onworkshop volumeProceedings
35、of the chapel hill onworkshop volumevisualization.ChapelHill:Department of Computervisualization.ChapelHill:Department of ComputerScience, Univ of North Carolina,1989.Science, Univ of North Carolina,1989.35 Kaufman Arie E.Volume Visualization:35 Kaufman Arie E.Volume Visualization:Principles and Adv
36、ances EB/OL. (2004-08)2005-Principles and Advances EB/OL. (2004-08)2005-2011.2011.36 Lacroute P, Levoy M. Fast Volume Rendering 36 Lacroute P, Levoy M. Fast Volume Rendering Using a Shear-warp factorization of the ViewingUsing a Shear-warp factorization of the Viewingtransformation. IEEE Computer Gr
37、aphics andtransformation. IEEE Computer Graphics andApplications 1994.Applications 1994.25 37 P Lacroute,M Levoy, Fast Volume Rendering37 P Lacroute,M Levoy, Fast Volume RenderingUsing a Shear-warp Factorization of viewingUsing a Shear-warp Factorization of viewingtransform. In:ComputerGraphics,Annu
38、al Conferencetransform. In:ComputerGraphics,Annual ConferenceSeries,1994:451458Series,1994:45145838 LaMar EC, Hamann B,Joy KI. Multiresolution38 LaMar EC, Hamann B,Joy KI. Multiresolutiontechniques for interactive texture2basedvolumetechniques for interactive texture2basedvolumevisualizationA. Ebert
39、 D, Gross M,Hamann B.IEEEvisualizationA. Ebert D, Gross M,Hamann B.IEEEVisualization99.San Francisco,1999:355-362.Visualization99.San Francisco,1999:355-362.39 Dunce N S, Rutt B. Interactive display of 39 Dunce N S, Rutt B. Interactive display of volumetric data by fast Fourier rojection.volumetric
40、data by fast Fourier rojection.Computerized Medical Imaging and graphics,1992,Computerized Medical Imaging and graphics,1992,16(4):237-25116(4):237-25126 40 Kwansik K, Wittenbrink C.A pang. Maximal-40 Kwansik K, Wittenbrink C.A pang. Maximal-abstact difference for comparaing direct volume abstact di
41、fference for comparaing direct volume rendering algorithms,2000-40.Hewlett-Packardrendering algorithms,2000-40.Hewlett-PackardReseach Lab Technical Report,2000.Reseach Lab Technical Report,2000.41 Baumrind S, Kom EL, Boyd RL. Apical root41 Baumrind S, Kom EL, Boyd RL. Apical rootresorption in orthod
42、on-tically treated adults. Amresorption in orthodon-tically treated adults. AmJ Orthod Dentofacial Orthop,1996,110(4):311-320.J Orthod Dentofacial Orthop,1996,110(4):311-320.42 chroeder WJ,Avila LS, Hoffman W. Visualizing42 chroeder WJ,Avila LS, Hoffman W. Visualizingwith VTK:A tutorial. IEEE Trans.
43、 on Computer with VTK:A tutorial. IEEE Trans. on Computer Graphics and Applications,2000,20(5):2027.Graphics and Applications,2000,20(5):2027.4343孙涛高孙涛高, ,东强东强. .基于基于CT CT 图像的个性化人骨三维建模方图像的个性化人骨三维建模方法法J.J.机械设计与制造，机械设计与制造，20102010，（，（9 9）：）：262-263262-26327 4444陈宁陈宁, ,卢佩等卢佩等. . 用用IDL IDL 实现基于实现基于CT CT
44、 图像的三维表面重图像的三维表面重建建J.J.仪器仪表学报，仪器仪表学报，20062006，2727（6 6）：）：2293-22942293-22944545王洪玲王洪玲, ,刘东旭等刘东旭等. .利用三维图像处理软件实现埋伏牙利用三维图像处理软件实现埋伏牙可视化的研究可视化的研究J.J.中国实用口腔科杂志，中国实用口腔科杂志，20102010，3 3（3 3）：）：149-151149-1514646孙泓泓孙泓泓, ,齐乃新等齐乃新等. .螺旋螺旋CT CT 三维重建技术在骨骼系统三维重建技术在骨骼系统疾病中的临床应用疾病中的临床应用J.J.现代医用影像学，现代医用影像学，20072007
45、，1616（3 3）：）：97-9997-994747梅康平，张红民等梅康平，张红民等. .基于基于VTKVTK光线投射法的光线投射法的CT CT 图像图像三维重建三维重建 J. J.计算机与数字工程，计算机与数字工程，20082008，（，（5 5）：）：1361364848黄金玮黄金玮, , 章建波等章建波等. CT . CT 图像的三维实体重建技术研图像的三维实体重建技术研究究J.J.计算机应用研究计算机应用研究,2004,(10):112-114,2004,(10):112-11428 4949胡君杰胡君杰, ,马晨欣等马晨欣等. .利用利用GPUGPU实现三维图像重建方法研实现三维图像重建方法研究究J.J.世界科技研究与发展，世界科技研究与发展，20082008，3030（1 1）：）：24-2624-265050马金瑞，胡熙芳马金瑞，胡熙芳等等. .多层螺旋多层螺旋CT CT 图像后处理技术的应图像后处理技术的应用用J.J.包头医学，包头医学，20062006，3030（2 2）：）：7-87-829
