基于VTK的医学图像三维重建及交互研究

论文摘要

医学图像三维重建及交互是目前的一个研究热点问题,它是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用,在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用,具有重要的意义和应用价值。本论文首先介绍了医学图像三维重建的面绘制与体绘制方法,讨论了两种绘制方法的思想和优缺点,对常用的Marching Cubes算法和Ray Casting算法的原理和实现过程进行了阐述,并分析了可视化工具包VTK的实现机制。在VC++6.0平台下,结合可视化工具包VTK,分别基于Marching Cubes算法和Ray Casting算法对DICOM格式的CT图像序列进行三维重建,并给出了其实现的关键算法和3D可视化结果。通过人机交互,实现对重建后三维医学图像的旋转、缩放、平移等简单的交互操作。其次,通过设置虚拟切面的法向量和内点来埘重建后的三维物体进行切割并获得断面信息,并且在切割的同时可以同步显示出断面图像,进而实现了三维医学图像的任意角度断面图像提取;构造可控制的长方体,可以用鼠标控制长方体进行拉伸、缩放、平移、旋转等操作来对重建对象进行切割,实现用户对三维物体的实时交互切割:在三维空间中通过点击鼠标来获得空间点的三维坐标,实现三维空间中点的鼠标拾取,完成三维物体的空间定量测量。最终,实现对重建后三维医学图像的鼠标拾取、空间角度和距离的测量、平面切割、长方体交互切割、任意角度断面图像提取等交互操作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 医学图像三维重建在临床中的应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容及结构
• 第2章 医学图像三维重建技术
• 2.1 三维面绘制
• 2.1.1 体素级重建方法
• 2.1.2 切片级重建方法
• 2.2 三维体绘制
• 2.2.1 体绘制的原理
• 2.2.2 体绘制中的光学模型
• 2.2.3 体绘制的过程
• 2.3 面绘制与体绘制比较
• 2.4 面绘制中的Marching Cubes算法
• 2.4.1 MC算法的基本原理
• 2.4.2 MC算法抽取等值面的算法流程
• 2.5 体绘制中的Ray Casting算法
• 2.5.1 Ray Casting算法的基本原理
• 2.5.2 Ray Casting算法流程
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于VTK实现医学图像三维重建
• 3.1 三维可视化工具VTK
• 3.1.1 VTK简介
• 3.1.2 VTK类库的特点
• 3.1.3 VTK类库的结构
• 3.1.4 VTK类库进行绘制的过程
• 3.2 DICOM标准
• 3.3 基于Marching Cubes算法实现面绘制
• 3.4 基于Ray Casting算法实现体绘制
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 实验环境
• 3.5.2 CT图像数据获取
• 3.5.3 三维重建结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 空间测量和任意角度断面图像提取
• 4.1 三维医学图像的空间定量测量
• 4.1.1 空间点的三维坐标拾取
• 4.1.2 空间距离和角度的测量
• 4.2 任意角度的二维断面图像提取
• 4.2.1 二维断面图像参数设置
• 4.2.2 任意角度的二维虚拟切割
• 4.2.3 任意角度二维断面图像的显示
• 4.2.4 实验结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 平面切割与长方体交互切割
• 5.1 平面切割
• 5.2 长方体交互切割
• 5.2.1 通过vtkBoxWidget类实现交互
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢