(22)--第十六章数字医学影像的二维和三维重建.ppt

第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建二二 数字医学影像三维重建数字医学影像三维重建第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建1.断层重建断层重建2.基于基于体数据的二维断面体数据的二维断面重建重建第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建1.断层重建断层重建 CT MR（磁共振）现代超声成像仪第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建2.基于基于体数据的二维断面体数据的二维断面重建重建 (1)曲面重建（曲面重建（curve planar reconstruction，CPR）。(2)多平面重建（多平面重建（multiplanar reconstruction，MPR）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建2.基于基于体数据的二维断面体数据的二维断面重建重建 (1)曲面重建（曲面重建（curve planar reconstruction，CPR）。CPR可以观察管腔结构的腔壁病变（如斑块、狭窄等）。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建2.基于基于体数据的二维断面体数据的二维断面重建重建 (2)多平面重建（多平面重建（multiplanar reconstruction，MPR）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建 多多平面重建平面重建（MPR）（1 1）对从）对从CTCT或磁共振获得的二维断层影像进行降噪等预处理。或磁共振获得的二维断层影像进行降噪等预处理。（2 2）对对二二维维断断层层影影像像序序列列进进行行简简单单配配准准，一一般般仅仅对对影影像像进进行行简简单单的的刚刚体体变变换换即即可可。如如果果序序列列影影像像尺尺度度不不同同或或涉涉及及不不同同成成像像系统，则应进行较复杂的配准。系统，则应进行较复杂的配准。（3 3）对对配配准准后后的的序序列列影影像像进进行行叠叠加加和和插插值值（三三线线性性或或非非线线性性插插值值）形形成成体体数数据据，如如果果是是不不同同模模态态的的影影像像，需需要要进进行行融融合合才才能形成体数据。能形成体数据。（4）为了显示一个切面的影像，首先要确定这个切面的）为了显示一个切面的影像，首先要确定这个切面的方程方程（5 5）根据切面方程和体数据获得切面影像的数据，最后将切面）根据切面方程和体数据获得切面影像的数据，最后将切面影像在二维平面上显示出来。影像在二维平面上显示出来。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断一一 数字医学影像二维重建数字医学影像二维重建2 多多平面重建平面重建（MPR）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建（一）（一）三维三维重建重建的定义的定义三维重建就是指把断层数据经过一系列处理形三维重建就是指把断层数据经过一系列处理形成体数据，并把体数据绘制到二维平面的过程成体数据，并把体数据绘制到二维平面的过程。（1）体数据的形成或重建）体数据的形成或重建（2）体数据的可视化（绘制）体数据的可视化（绘制）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建（二）（二）三维三维重建重建步骤步骤1.获得获得二维医学影像数据并进行预处理（包括二维医学影像数据并进行预处理（包括去噪声、分割等，根据不同的目的进行不同的去噪声、分割等，根据不同的目的进行不同的预处理）。预处理）。2.对对预处理后的二维医学影像数据进行配准，预处理后的二维医学影像数据进行配准，可根据实际需要采用不同的配准方法。可根据实际需要采用不同的配准方法。3.将将配准后的二维影像数据按一定的顺序叠加配准后的二维影像数据按一定的顺序叠加并根据分辨率的要求进行插值运算形成体数据，并根据分辨率的要求进行插值运算形成体数据，插值方法可根据实际需求选择。插值方法可根据实际需求选择。4.对对体数据进行绘制。根据实际应用需求，选体数据进行绘制。根据实际应用需求，选择绘制方法。择绘制方法。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建（二）三维（二）三维重建重建步骤步骤第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建 4 绘制绘制（1 1）绘制）绘制涉及涉及的的基本概念和基础基本概念和基础知识知识 a 三维三维数据场数据场第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建4 绘制绘制（1 1）绘制）绘制涉及涉及的基本概念和基础知识的基本概念和基础知识 b.体素体素（数据坐标）（数据坐标）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建4 绘制绘制（1 1）绘制）绘制涉及涉及的基本概念和基础知识的基本概念和基础知识 c.体素体素（解剖坐标）（解剖坐标）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建4 绘制绘制（1 1）绘制）绘制涉及涉及的基本概念和基础知识的基本概念和基础知识 d.等值面等值面 第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建4 绘制绘制（1 1）绘制）绘制涉及涉及的基本概念和基础知识的基本概念和基础知识 e.光照模型光照模型和明暗效应和明暗效应所谓光照模型所谓光照模型，就是光线照射到体数据上发生就是光线照射到体数据上发生的的物理物理现象所遵循的现象所遵循的定律定律对应的数学模型。根对应的数学模型。根据这个数学模型将体数据绘制到平面上时，会据这个数学模型将体数据绘制到平面上时，会出现图像的亮度不均匀现象，这种现象会引起出现图像的亮度不均匀现象，这种现象会引起人眼对图像中人体组织和器官的明暗感知效果人眼对图像中人体组织和器官的明暗感知效果不同，这种效应叫明暗效应不同，这种效应叫明暗效应-可以让绘制出的可以让绘制出的图像具有一定的立体感。图像具有一定的立体感。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建4 绘制绘制面面绘绘制制：从体数据场中产生等值面，并将等值面通过特殊的技术显示出来的绘制方法。体体绘绘制制：通过投射技术对体数据进行投射而形成投影影像的绘制方法。面面绘制和体绘制相结合的混合绘制绘制和体绘制相结合的混合绘制。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建（1）面面绘制绘制 a.面面绘制算法概述绘制算法概述主要主要有有：立方立方块法（块法（cuberille）简单易行，便于并行处理；重建影像会出现严重的走样，影像中出现“块状”效应MC（marching cubes）算法算法面绘制中的经典算法（也叫移动立方体算法）面绘制中的经典算法（也叫移动立方体算法）剖分剖分立方体（立方体（dividing cubes）法）法。速度快，使用于数据场密度很高的医学影像显示第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制 b.MC算法算法三三维维数数据据场场也也叫叫体体数数据据，体体素素是是体体数数据据中中的的最最小小描描述述单元单元，MC算法中，每一个体素都被看作一个立方体算法中，每一个体素都被看作一个立方体。MC算法的实现步骤包括体素中等值面剖分的获取算法的实现步骤包括体素中等值面剖分的获取、提取提取等值等值面、面、计算等值面中各三角面片的法向量计算等值面中各三角面片的法向量、显示显示等值面。等值面。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制b.MC算法算法 (a)获得获得体素中等值面体素中等值面剖分剖分 如果如果体素顶点的数据值大于或等于等值面的值，则定体素顶点的数据值大于或等于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之外，记为正点，即义该顶点位于等值面之外，记为正点，即“1”。如果如果体素顶点的数据值小于等值面的值，则定义该顶体素顶点的数据值小于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之内，记为负点，即点位于等值面之内，记为负点，即“0”。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制b.MC算法算法 (a)获得获得体素中等值面体素中等值面剖分剖分第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制 b.MC算法算法 (d)等值等值面的显示面的显示 等值面提取后，采用中心差分方法计算出等值面中各三等值面提取后，采用中心差分方法计算出等值面中各三角面片的法向量，选择适当的局部面光照模型，设置合角面片的法向量，选择适当的局部面光照模型，设置合适的参数，然后，利用适的参数，然后，利用OPGEL软件编程显示等值面。软件编程显示等值面。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(1)面面绘制绘制b.MC算法算法(e)MC算法的实验结果算法的实验结果 第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制体绘制的过程如下体绘制的过程如下：首首先先建建立立传传递递函函数数,利利用用传传递递函函数数对对体体数数据据中中每每个个体体素素赋赋值值，包包括括颜颜色色值值和和透透明明度度值值。然后然后进行投射和影像合成。进行投射和影像合成。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制a.传递函数传递函数传递函数指定了体数据的特征与光学特性（如颜色与不透明度）之间的关系。在体绘制中，可以根据某种映射关系将不同的类映射为不同的颜色值和透明度值，这种映射关系就是传递函数。传传递递函函数数的的设设定定主主要要有有手手工工、全全自自动动、半半自动三种方法自动三种方法。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制a.传递函数传递函数(a)手工方法手工方法 主要主要为累试为累试法法(b)全自动方法全自动方法 基于基于阈值的全自动阈值的全自动方法方法 基于基于概率的全自动概率的全自动方法方法(c)半自动方法半自动方法累试法和全自动法的累试法和全自动法的结合结合，以数据为中心的以数据为中心的方法方法，以影像为中心的方法以影像为中心的方法第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制b.医学影像合成医学影像合成(b)从前从前向后的影像向后的影像合成合成=()+第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制c.体绘制体绘制算法算法概述概述比较经典的体绘制算法主要有三种比较经典的体绘制算法主要有三种：(a)光线投射法光线投射法(ray-casting)(b)splatting体绘制体绘制算法算法(足迹法）足迹法）(c)shear warp体绘制体绘制算法算法（错错切切-变形法）变形法）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（a）光线投射法光线投射法光线投射法（ray casting）是基于影像空间的经典体绘制算法，是目前使用最广泛的体绘制方法之一。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（a）光线投射法光线投射法实现流程：第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（a）光线投射法光线投射法仿真结果：第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（a）光线投射光线投射法法光线投射体绘制加速算法光线投射体绘制加速算法：调整重采样调整重采样、减少、减少对空体素的采样或投影对空体素的采样或投影、减少、减少投射投射光线的数目、提前光线结束法及利用图形硬件实现加光线的数目、提前光线结束法及利用图形硬件实现加速。速。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（b）splatting 体绘制算法体绘制算法splatting体绘制算法（足迹法或溅射法）体绘制算法（足迹法或溅射法）是基于物体空间的经典是基于物体空间的经典算法算法。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制（c c）shear warpshear warp体绘制体绘制算法算法shear warp（错切变形法）体绘制（错切变形法）体绘制算法是算法是综合了影像空间和物体空间优点综合了影像空间和物体空间优点的混合的混合体绘体绘制算法制算法，是，是目前为止基于软件实现的最快的目前为止基于软件实现的最快的体绘制算法。体绘制算法。第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制d 体绘制体绘制重建模式重建模式1.MIP MIP(最大密度投影重建最大密度投影重建)2.MinIP MinIP(最小密度投影重建最小密度投影重建)3.VR VR（容积重建）（容积重建）第十六章 数字医学影像的二维和三维重建诊断二二 数字医学数字医学影像影像三三维维重建重建(2)体绘制体绘制 e 体绘制体绘制和面绘制的比较和面绘制的比较面绘制算法具有数据量小，速度快的特点，但包含的信息面绘制算法具有数据量小，速度快的特点，但包含的信息量也随之减少，影响了临床诊断。而体绘制则具有数据量大，量也随之减少，影响了临床诊断。而体绘制则具有数据量大，包含信息丰富的特点，不但可以显示人体的表面组织，也可包含信息丰富的特点，不但可以显示人体的表面组织，也可以显示内部结构，是目前应用最多的医学三维重建算法，但以显示内部结构，是目前应用最多的医学三维重建算法，但其速度较慢，必须经过硬件加速和其他优化算法才能实时交其速度较慢，必须经过硬件加速和其他优化算法才能实时交互互操作操作。