医学成像技术(三维重建技术)课件
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第七章
三维重建技术
7.1Baidu Nhomakorabea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；
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
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
简单光照明模型-环境光
假定物体是不透明的（即无透射光）
环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、
任何方向上强度一样,记为Ia
环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射
光源 入射光
法向量 反射光 视线
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 1 sin 2 sin
入射光
1 2
折射光
能量关系
在光的反射和折射现象中的能量分布：
Ii I d I s It I v
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，镜面反射光强，透射光强， 吸收光强
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。
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。
能量是守恒的
简单光照明模型
模拟物体表面的光照明物理现象的数
学模型－光照明模型 简单光照明模型亦称局部光照明模型， 其假定物体是不透明的，只考虑光源 的直接照射，而将光在物体之间的传 播效果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的 模型称为整体光照明模型
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能
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。
皮肤
HU=500
表面 重建
阻光度=0.8 阻光度=0.6
透明显示
皮肤
HU=500
骨骼 HU=1150
阻光度=0.4
阻光度=0.25
7.3 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。
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
③环境
位置、距离、颜色、数量、强度、种类
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
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。
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）
三维重建技术
7.1Baidu Nhomakorabea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；
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
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
简单光照明模型-环境光
假定物体是不透明的（即无透射光）
环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、
任何方向上强度一样,记为Ia
环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射
光源 入射光
法向量 反射光 视线
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 1 sin 2 sin
入射光
1 2
折射光
能量关系
在光的反射和折射现象中的能量分布：
Ii I d I s It I v
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，镜面反射光强，透射光强， 吸收光强
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。
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。
能量是守恒的
简单光照明模型
模拟物体表面的光照明物理现象的数
学模型－光照明模型 简单光照明模型亦称局部光照明模型， 其假定物体是不透明的，只考虑光源 的直接照射，而将光在物体之间的传 播效果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的 模型称为整体光照明模型
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能
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。
皮肤
HU=500
表面 重建
阻光度=0.8 阻光度=0.6
透明显示
皮肤
HU=500
骨骼 HU=1150
阻光度=0.4
阻光度=0.25
7.3 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。
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
③环境
位置、距离、颜色、数量、强度、种类
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
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。
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）