医学图像的处理及三维重建

MRI图像
PET成像设备
发展特点
逐步从模拟成像向数字化成像技术发展
● 从组织的形态学成像向组织的功能性成 像发展
●从平面成像（2D）向立体（3D）成像技 术和动态成像技术（4D）发展
医学图像处理的目的
医学图像处理是应用图像处理技术处理 医学图像。
医学图像处理的目的是研究人体相关生 理、病理的信息的提取并将信息转换为 直观的图像或者对已经获得的图像加以 处理。
表面曲面表示法经典的算法： 立方块法(Cuberille)， 移动立方体法(Marching Cubes)， 剖分立方体法(Dividing Cubes)等
面绘制示例
面绘制步骤
重建数据的采集 边界轮廓曲线表面绘制 设置图像的颜色及阴影效果 设置图像光照效果 设置图像的显示效果
面绘制显示
A. 分割出颅脑（去除头皮与骨骼）； B. 滤波（降噪）； C. 插值（增加层数）； D. 三维重建颅脑。
分割前图像
颅脑阈值分割
阈值与形态学结合的方法分割颅脑（以第4幅图为例）。
分割后图像
采用中值滤波的方法处理分割后的颅 脑横断位图像（1-17）
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三维重建的方法
面绘制（Surface Rendering）方法 体绘制（Volume Rendering）方法
面绘制
面绘制可以提供三维物体的表面信息。它 的基本思想是先对体数据中待显示的物体 表面进行分割，然后通过几何单元内插形 成物体表面，最后通过光照、明暗模型进 行渲染和消隐后得到显示图像。
体绘制步骤
重建数据的采集 重建数据预处理 计算数据集在显示平面累计投影 构造三维体重建碎片 设置图像的颜色、阴影及显示效果
体绘制显示
体绘制方法的优缺点
优点：由于直接研究光线通过体数据场时 与体素的相互关系，无须构造中间面。体 素中的许多细节信息得以保留，结果的保 真性大为提高。从绘制结果来讲，体绘制 的图像质量通常要优于面绘制。
面绘制方法的优缺点
优点：可以采用传统图形学的绘制方法 和现有的交互算法、图形硬件和图形设 备，计算量小，运行速度快。
缺点：可能会丢失三维数据场中的一些 细节信息，从而降低结果的保真性。
体绘制
体绘制技术的中心思想是为每一个体素指 定一个不透明度(Opacity)，由光线穿过整 个数据场，并考虑每一个体素对光线的透 射、发射和反射作用，这里体素就是将三 维图像中的每一像素看成是空间中的一个 六面体单元。体绘制的步骤原则上可分为 投射、消隐、渲染和合成等4个步骤。
“真实”地绘制并显示出来。
三维重建的研究意义
多排螺旋CT等的应用使的使用三维形式显 示组织和器官变得可行且必要。
图像三维显示技术可以更好的显示数据和 诊断信息，为医生提供逼真的显示手段和 定量分析工具。
三维显示还可以避免医生陷入二维图像的 数据“海洋”，防止过多浏览断层图像而 造成漏诊率上升。
面绘制的方法
边界轮廓线表示法：首先通过分割对二维断 层图像提取轮廓线，然后把各层对应的轮廓 线拼接在一起表示感兴趣物体的表面边界。
表面曲面表示法：基于表面曲面的表示方法 是由轮廓重建物体的表面，用三角形或多边 形的小平面(或曲面)在相邻的边界轮廓线间 通过特定的算法填充形成物体的表面。
经典算法
PET图像
医学图像处理的研究内容
医学图像处理的主要研究内容有：图像 增强、图像复原、图像分割、图像重建、 图像的配准与融合等。
三维重建（3D reconstruction）
三维重建的定义 ●三维重建的研究意义 ●三维重建的方法 ●颅脑的三维重建
三维重建的定义
医学图像三维重建是研究由各种医学成像 设备获取的二维图像断层序列构建组织或 器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上
颅脑的三维重建
目的：采集颅脑磁共振横断位断层影像； 编程实现Biblioteka Baidu脑的三维重建；对重建图像进行 比较分析，评价临床应用。
●材料：万东i-open 0.36T MRI设备、 Matlab7.0软件、志愿者一名。
重建步骤
➢ 薄层、多重复次数获得部分脑的横断位图 像（共17幅）。
➢ 将17幅颅脑横断位图像导入Matlab软件 中，进行颅脑的重建：
伦琴发现X射线
医学图像的分类
根据成像设备是对组织结构成像还是对组 织功能成像，将医学图像分成两类，即医 学结构图像和医学功能图像。 医学结构图像：X线图像、CT图像、MRI 图像、B超图像等 医学功能图像：PET图像，SPECT图像、 功能磁共振图像（fMRI）等
CT成像设备
CT图像
MRI成像设备
体绘制的方法
空间域方法：直接对原始的体数据进 行处理显示
变换域方法：是将体数据变换到变换 域，然后再进行处理显示
经典算法
基于空间域的经典方法：光线跟踪法(Ray Casting)，抛雪球法(Splatting)，错切一形 变法(Shear-Warp)等。
基于变换域的方法：频域体绘制法 (Frequency Domain Volume Rendering)，基于 小波的体绘制法(Wavelet．Based Volume Rendering)等。
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未滤波时重建的颅脑
滤波后重建的颅脑
插值前颅脑横断位图像如图所示（共 17幅图像）
插值后颅脑横断位图像如图所示（共 51幅图像）
未插值时重建的部分颅脑
插值后重建的部分颅脑
颅脑重建效果（颅底）
发展前景
可以预见体绘制的绘制速度很快能达 到实时交互的要求．当前体绘制技术的 研究可根据现有的硬件条件与具体的应 用要求，寻求图象品质与绘制速度之间 的最佳方案。
最高 高
较低
绘制速度 快 快 慢 较慢
慢 较快
快
算法特点
内存开销小
简单快捷，内存开销 小
算法实现简单，但内 存开大
针对三维数据场具有 很高密度的情况提出 来的，内存开销较小
体素寻址困难，内存 开销大
提速寻址快捷，加速 技术多样，可实现渐 进显示，内存开销小
利用硬件处理数据， 绘制速度较快，但内
存开销很大
缺点：对硬件的要求很高，运行速度较慢。
不同算法的特点
绘制算法 边界轮廓线表示算法
Cuberille算法
Marching Cubes算 法
Dividing Cubes算法
Ray Casting算法
Splatting算法
3D Texture·Mapping
Hardware算法
图像质量 低 低 高 中等
医学图像的处理 及三维重建
Processing of medical images and 3D reconstruction
医学图像处理
（Processing of medical images ）
医学影像技术的发展 ● 医学图像处理的目的 ● 医学图像处理的研究内容
医学影像技术的发展
现代医学影像技术的发展源于德国科学家伦 琴于1895年发现的X射线，自伦琴发现X线以 后不久，X线就被用于对人体检查，进行疾病 诊断，形成了放射诊断学(diagnostic radiology)， 奠定了现代医学影像(medical imageology)的基础。