基于輪廓線的由醫(yī)學(xué)圖像生成三維cad模型算法

1、基于輪廓線的由醫(yī)學(xué)圖像生成三維CAD模型算法,主要內(nèi)容,研究背景,如今，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振、PET和B超等，被廣泛用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)規(guī)劃中。隨著計(jì)算機(jī)成像和掃描技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以由醫(yī)學(xué)圖像（如CT)生成醫(yī)用三維模型。 重建后的三維模型可以提供寶貴的醫(yī)療信息，可以作為一個(gè)強(qiáng)大的診斷工具使外科醫(yī)生能夠了解人體復(fù)雜的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，還可以用于制造人造器官（人造骨，血管）和各種醫(yī)學(xué)仿真和分析。,醫(yī)學(xué)

2、圖像生成三維CAD模型,對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建，現(xiàn)在存在著很多方法，但大多數(shù)可以歸為兩類：,基于體素的方法,,基于體素的方法,基于輪廓線的方法,,基于輪廓線的方法,輪廓數(shù)據(jù)提取 醫(yī)學(xué)圖像可以看作一個(gè)三維點(diǎn)陣，掃描方向沿著軸線方向，則每個(gè)截面就是一個(gè)二維矩陣。這就可以通過(guò)人工構(gòu)描法或者采用圖像邊緣檢測(cè)算法，提取出每個(gè)截面的輪廓線數(shù)據(jù)。 運(yùn)用形態(tài)學(xué)操作和輪廓跟蹤算法處理，生成封閉無(wú)缺口的輪廓線。 完成圖像的輪廓線提取后，醫(yī)

3、學(xué)圖像就轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗信帕芯o湊的封閉輪廓線。,基于輪廓線的方法,輪廓線的平滑處理 一旦有了輪廓數(shù)據(jù)，就可通過(guò)連接相鄰輪廓線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建表面模型。但醫(yī)學(xué)圖像的人為因素較多，有時(shí)相鄰輪廓的形狀差異變化很大，這導(dǎo)致擬合后形成的模型表面粗糙，多褶皺。這就需要用平滑算法處理輪廓數(shù)據(jù)，減緩輪廓數(shù)據(jù)中的突變，獲得較為平滑的輪廓線，進(jìn)而通過(guò)蒙皮算法生成較為平滑的模型表面。,基于輪廓線的方法,,雙向平滑濾波,輪廓線的平滑處理的第一步，目的是為了在

4、雙方向上（平行于橫截面方向和垂直于橫截面方向）對(duì)輪廓線組進(jìn)行平滑濾波，消去噪聲，并確定相鄰輪廓線之間的連通性，方便模型表面的生成，避免模型表面的扭曲和褶皺。,u方向的輪廓線重構(gòu),u方向的輪廓線重構(gòu)是基于弦長(zhǎng)，對(duì)單條輪廓線軌跡進(jìn)行平滑處理的步驟。 首先要確定取樣比（sampling ratio），然后計(jì)算所需弦長(zhǎng)。 弦長(zhǎng)公式：,u方向的輪廓線重構(gòu),輪廓線的重建：一條輪廓線：Ck={P1,P2, ....,Pm}, 共m個(gè)

5、點(diǎn)；根據(jù)弦長(zhǎng)與實(shí)際兩點(diǎn)之間的距離的比較分為兩種情況，通過(guò)用新的整形點(diǎn)來(lái)取代原有點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)輪廓線的重建。,u方向的輪廓線重構(gòu),新的整形點(diǎn)Pnew點(diǎn)在Ci中插入到Pi和Pi+1之間,u方向的輪廓線重構(gòu),u方向的輪廓線重構(gòu),s是符合下式的最大整數(shù)： 弦長(zhǎng)余量：得到的新整形點(diǎn)Pnew點(diǎn)在Ci中取代被覆蓋的{Pi+1,...,Pi+s+1},u方向的輪廓線重構(gòu),傳統(tǒng)的高斯濾波和均值濾波等濾波器同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓線的平滑處理，但是同

6、時(shí)隨著算法迭代次數(shù)的增加會(huì)引起輪廓線的過(guò)度收縮和對(duì)輪廓線形狀的篡改。 相比之下這種輪廓線重構(gòu)的方法不僅可以消除輪廓線上形狀的突變和噪點(diǎn)，還能夠防止輪廓線的過(guò)度緊縮，防止丟失輪廓線上的形狀細(xì)節(jié)。,u方向的輪廓線重構(gòu),a. CT圖像上的最初輪廓線b. 高斯濾波處理c. 均值濾波處理d. 輪廓線重構(gòu)處理,u方向的輪廓線重構(gòu),橫坐標(biāo)：迭代次數(shù) 縱坐標(biāo)：輪廓區(qū)域面積,相鄰輪廓的連通性,u方向的輪廓線重構(gòu)結(jié)束后

7、，相鄰輪廓之間的連接決定了垂直方向上的形狀，因此在垂直方向平滑濾波前需要預(yù)設(shè)相鄰輪廓線間的連通性，確定相鄰輪廓線上采樣點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)的連接關(guān)系。整個(gè)預(yù)設(shè)過(guò)程是通過(guò)將輪廓線組進(jìn)行參數(shù)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要步驟如下：,相鄰輪廓的連通性,1. 輪廓組的參數(shù)化定義參數(shù)：u方向： 其中：i=1，2，3……m；k=1，2，3……n；u1=0v方向： 其中：j=1，2，3……n； Zk 是第k個(gè)輪廓在Z方向上的高度,相鄰輪廓的連通性

8、,2. 確定各個(gè)點(diǎn)的參數(shù)位置將輪廓線中的點(diǎn)在上一步確定的參數(shù)域中進(jìn)行表述，各個(gè)參數(shù)點(diǎn)在u、v方向間距均勻地排布：,相鄰輪廓的連通性,3. 確定輪廓組垂直方向上的連接 參數(shù)域以及輪廓上各個(gè)點(diǎn)的參數(shù)值確定后，每個(gè)參數(shù)點(diǎn)表示為（ui，vj）的形式，輪廓組可以看作一個(gè)矩形二維點(diǎn)陣。 點(diǎn)陣中每一行中各個(gè)點(diǎn)的vj是相同的，代表各個(gè)點(diǎn)在同一個(gè)橫截面輪廓線中；每一列各點(diǎn)的ui值是相同的，代表各個(gè)點(diǎn)在同一個(gè)垂直方向的輪廓中。

9、 確定輪廓組垂直方向的連接就是將ui值相等的各相鄰點(diǎn)進(jìn)行連接，即將(ui，vj)點(diǎn)與(ui，vj-1)和(ui，vj+1)兩點(diǎn)分別連接。,垂直方向的平滑濾波,相鄰輪廓的連通性預(yù)設(shè)之后，模型在垂直方向的輪廓就確定了，下面就要對(duì)垂直方向的輪廓進(jìn)行平滑濾波，以消除垂直方向上的突變和噪聲。 垂直方向平滑濾波主要通過(guò)計(jì)算垂直方向離散曲率尋找最大缺陷點(diǎn)，再運(yùn)用拉普拉斯濾波方法進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)平滑處理。,垂直方向的平滑濾波,構(gòu)建垂

10、直方向輪廓線,通過(guò)計(jì)算離散曲率尋找最大缺陷點(diǎn) Pimp,在參數(shù)化的輪廓組點(diǎn)陣中尋找 Pimp的相鄰點(diǎn),運(yùn)用拉普拉斯濾波處理,是否滿意,結(jié)束,否,是,垂直方向的平滑濾波,拉普拉斯算子：λ：松弛因子； 迭代次數(shù)和松弛因子的值應(yīng)取適當(dāng)值，不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)引起輪廓線的大幅變化。,分支表面生成,,分支表面生成,已經(jīng)獲得了平滑的輪廓，并確定了相鄰輪廓的連接，要完成模型表面的生成要考慮兩種情況：與橫截面一一對(duì)應(yīng)的輪廓分支區(qū)域的輪廓。

11、 第一種情況可以采取蒙皮算法直接進(jìn)行模型表面生產(chǎn)，但是分支區(qū)域輪廓擬合成模型表面需要在分支區(qū)域構(gòu)建復(fù)合輪廓。 傳統(tǒng)的復(fù)合輪廓生成不能保證分支輪廓與基礎(chǔ)輪廓的平滑過(guò)渡，這里提出一種新的方法，這種方法引入了邊緣橋和二等分線，確保分支區(qū)域的平滑過(guò)渡。,分支表面生成,分支表面生成,1. 初始復(fù)合輪廓獲取 Zcom 平面：,垂直輪廓切向量：,分支表面生成,2.構(gòu)建邊

12、緣橋和二等分線,邊緣橋ei 是基礎(chǔ)輪廓上的點(diǎn)與分支輪廓上點(diǎn)之間的連線，定義公式： 其中，Dba是分支輪廓點(diǎn)到基礎(chǔ)輪廓的最短連線，Dbr是到另一個(gè)分支輪廓的最短連線。二等分線是一系列的邊緣橋中點(diǎn)的連線。,分支表面生成,3. 擬合生成復(fù)合輪廓,分支表面生成,應(yīng)用驗(yàn)證,基于此方法，使用C++和OpenGL圖形庫(kù)，開(kāi)發(fā)了軟件包“Med

13、iSurf”。其主要模塊： （1）輪廓提取模塊 （2）雙向平滑濾波模塊 （3）分支表面生成模塊 為了驗(yàn)證這種方法和基于其開(kāi)發(fā)出的軟件的有效性，使用一系列的股骨的CT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,應(yīng)用驗(yàn)證,1. 輪廓數(shù)據(jù)提取,a. 原始的股骨CT圖像b. 閾值圖像c. 形態(tài)學(xué)處理圖像d. 提取出的輪廓,應(yīng)用驗(yàn)證,2. 雙向平滑濾波,a.股骨頭模型輪廓線；b.沒(méi)有進(jìn)行濾波時(shí)形成的模型表面；c.經(jīng)過(guò)雙向平滑濾波

14、后形成的模型表面,應(yīng)用驗(yàn)證,3. 表面模型生成及應(yīng)用,從CT圖像中提取出的輪廓組；最終形成的表面模型；有限元模型，可用于醫(yī)學(xué)分析；運(yùn)用激光燒結(jié)成形技術(shù)制作出的股骨模型，可應(yīng)用于制作醫(yī)用植入物和手術(shù)仿真。,結(jié)論,從醫(yī)學(xué)圖像生成三維模型的整個(gè)過(guò)程包括三個(gè)步驟：（1）從醫(yī)學(xué)圖像提取輪廓；（2）輪廓的平滑處理；（3）建立表面模型。 本文針對(duì)第二個(gè)步驟提出了兩個(gè)新的算法：雙向平滑濾波算法和分支表面生成算法。進(jìn)行了應(yīng)用性的驗(yàn)證，