医学图像可视化 ppt

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1.1 生物医学三维可视化
用计算机处理医学图象的过程是先对人 体有关部位扫描，将连续的、实际的人体解 剖结构数字化，然后再对这些离散化的体数 据进行加工和处理。还要用合适的显示技术 将处理结果显示出来，增强人们对有关解剖 与病理的观察和理解。医学图象的显示技术 主要包括色彩的运用和形态的真实再现。
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构型表的索引值可对每个顶点做二进制数字编码。 对用矩形网格表示的2D数据，用4位索引值表示16种状态。
选定某一合适的状态后，可以用内插法计算轮廓线与单元 边缘交点。该算法处理完一个单元后，然后移动或前进到 另一个单元。当所有单元都走过后，轮廓就完成了。
步进算法可总结如下： • 选择一个单元； • 计算该单元每个顶点的内/外状态； • 生成每个顶点二进制状态的编码索引值； • 用该索引值查构型表得到所需的拓扑状态； • 用内插计算构型表中每边的轮廓位置。
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形态的表示涉及3D图象重建技术。图象的重建就 是要从获取的采样数据恢复物体的三维结构，即物 体的原型。 从本质上说，重建是一个逆问题。
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医学图象的显示 问题还不仅是个重 建问题，由于许多 功能成像技术，使 我们不但能够看到 潜藏在内部的物体 结构，而且可以看 到那些就是使用介 入手术也无法看到 的人体功能信息。
一、医学图像可视化
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数据可视化（1）：数据曲线与图表
100.0 95.0
Noise=3% INU=20% Noise=3% INU=40% Noise=9% INU=20%
90.0
85.0
80.0
75.0
CSF
GM
WM
Cortex
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数据可视化（2）：引入形态表示
南极上空臭氧层
HURRICANE FRAN
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透射式显示：
类似于X射线成像原理，将反映医学图象 特性的图象强度看作对光线不同吸收的特性， 光线穿透物体的最大吸收或累加吸收效果构 成物体的结构图象。典型的技术有最大强度 投影（Maximum Intensity Projection，MIP） 及体绘制技术（Volume Rendering）。
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轮廓的二义性问题
仔细观察步进正方形的5号和10 号状态，步进立方体的3，6，7，10，12和13号 状态，都是一个单元可以用多于一种方式来提取轮廓。在2D或3D中，当对角 顶点是同一状态（1或0），而邻边上点为不同状态时，就会发生二义性。
2D图像的轮廓是由直线段连接而成，3D图像 的轮廓则复杂的多。3D图像的轮廓是由许许多多 的小三角形面片镶嵌而成的。
考虑到各构型的对称和互补性，上页的图给出 简化后的15种基本构型。对于3D图像遍历，根据 各体素的构型情况产生三角形面片镶嵌的表面轮廓 的方法称作移动立方体法。
实际应用中要用到全部256种构型，因为仅靠 15种基本构型的组合往往会在表面轮廓上产生空洞。
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1.2.1 基于体素的表面重建
这是一种直接从体数据提取物体表面的方法。 代表性的是Lorensen等人提出的移动立方体法 （Marching Cube）。下面以人脑图象为例加以说 明。在剔除大脑皮层、颅骨和其它非脑成分之后， 仅剩下大脑部分。由于我们感兴趣的是脑表面的 形态而不考虑其内部的细节，因此，要把位于大 脑表面上的像素与大脑内部分开，这个过程称做 轮廓提取（Contouring）。
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பைடு நூலகம்
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为了方便起见，实用的遍历法是对每个体素 用查表法。将体素的8个顶点与灰度阈值比较所产 生的逻辑值依序构成一个8位的二进制编码索引值， 全部256种构型的信息组成一个“构型—三角剖分” 查找表。它包含256个索引项，每个索引项包含索 引号以及指向该种三角剖分中的一个指针。通过 查表可以直接得到轮廓段的拓扑信息、哪一个边 与体素相交、应当使用那些顶点内插产生交点等。 对于每个体素，根据它的索引号在“构型—三角 剖分”查找表中确定其三角剖分形式。还要对相 邻正方形一致边合并。最终产生由小三角形面片 镶嵌成的表面轮廓。
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由于此过程是对每个单元单独处理， 不同的单元边界处可能重复使用一些顶 点或边缘，可以通过程序消除重复的运 算。注意，沿每条边的内插应按相同方 向进行。不然的话，数值舍入可能会使 产生符合的点不精确符合，不能正确地 合并。
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3D步进立方体法的15种基本构型
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与步进正方形相似，3D时为步进立方体法。 每个体素有8个顶点。根据这8个顶点与灰度阈值的 关系一共有28=256种构型。
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断层（剖面）显示：
不经3D重建，直接显示过空间某一 点的三个正交剖面的形态结构。有时 为了帮助理解，同时给出切除部分结 构的3D投影图。
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1.2 表面绘制技术 （Surface Rendering）
我们这里说的“绘制”一词，英文是 “Rendering”。还经常被译做“描绘”、 “渲染”、“重建”或“显示”等。它的 比较严格定义应该是：实际3D物体的2D照 相写真式表示。属于3D物体在2D平面真实 感投影，二者有严格定量关系及视觉真实 感。
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图象显示方式有多种多样，从大 的方面可以分为三类： (1) 反射式显示 (2) 透射式显示 (3) 断层（剖面）显示
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反射式显示：
从体数据的感兴趣区提取被观察 物体的表面，施以一定的光照模型， 选择某一视角从物体外部观察物体表 面形态的显示方式。典型的如表面绘 制技术（Surface Rendering）。
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1.轮廓提取
构型表 （Case Tables）
对一个单元及给定的该单元点的标量值组合计算所有可能拓扑
状态。
拓扑状态数取决于单元顶点个数及一个顶点可能对于轮廓值内
/外关系数。如果顶点灰度值大于轮廓线的灰度值（阈值），则认
为该顶点在轮廓之内。否则认为在轮廓之外。例如，如果一个单元
有四个顶点，每个顶点可以在轮廓内部或外部。因此，轮廓通过该
单元共有24=16种方式。
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物体的表面实际上是一个闭合的灰度的 等值面，其灰度值称做阈值。在该等值面 的内部，所有的像素灰度值都大于这个阈 值，在等值面的外部，所有的像素灰度值 都小于这个阈值（或相反），从而将物体 与背景分开。显然，等值面上的体素内部 灰度是不均匀的，即体素的一部分灰度大 于这个阈值，另一部分灰度小于这个阈值。