【硕士论文】医学图像三维体积重建中插值算法研究.pdf

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1、东南大学硕士学位论文摘要三维图像的处理和操作需要将一般的断层序列插值成为具有各坐标轴一致的分辨率的体数据，作为医学图像三维体积重建过程中的一个重要环节，通过对断层图像进行某种形式的层间插值，可以将非等分辨率的图像数据转变为等分辨率的数据，从而大大提高最终三维体积重建结果的质量。寻找和设计快速、有效、适用性强的插值算法，是三维体积重建工作的一项基础性工作。本文把多种无须人工干预的插值算法分为基于场景的插值和基于对像的插值两类做了系统的讨论。论文首先研究了基于场景的插值算法。基于场景的插值方法是用已有的切片体素数据直接决定被插值体素数据。包括最常见的最近邻域插值、线性插值和三次样条插值，还讨论

2、了B样条逼近方法。接着论文讨论了基于对象的插值方法，无须分割的基于对象的插值方法则从已有的切片体素中获取对象信息来寻找被插值体素数据。并介绍了一些常用的离散数据插值方法。在基于匹配点的插值方法中，用离散点插值方法对它作了两处改进。较好的解决了灰度插值可能引起的边界模糊问题，有效地提高了插值精度，同时对匹配参数的选择作了一定研究，得到几组效果较好的经验系数。论文重点讨论了基于自由曲面的非刚性配准的二维灰度图像配准方法，并介绍了配准过程中用到的一些关键技术，在已有的研究基础上对配准过程进行了一些优化，在保持配准效果的前提下提高了速度，然后用配准所得结果来引导后继的插值过程。论文最后介绍了基于光

3、线跟踪算法的医学图像体积绘制方法。并对不同的插值算法在层间距较大的断层序列插值中的效果进行了直观的分析。文章最后对上述算法的结果进行了比较，试验表明，基于配准的插值方法效果较好，比较精确的保存了图像中的轮廓和纹理信息，可以在实际的三维体积重建中使用。关键词：断层插值；三维重建；离散数据插值；匹配点插值；非刚性配准第一章绪论第一章绪论1．1课题背景和研究意义在现代临床医学中，作为诊断和治疗规划工具的放射医学图像已经得到广泛应用：x线透视、x—cT、超声图像等提供了人体组织器官的形态信息，而核医学图像(SPECT和PET)以及核磁共振图像不但提供人体组织器官的形态信息，还可以提供有关化学元素的

4、分布及其生物功能活动信息。医学影像在临床诊断、教学科研等方面正发挥着极其重要的作用。传统的影像技术只是获得人体某一断层的影像数据，然后医生通过胶片进行诊断或者通过显示屏幕进行观察。但是无论是胶片还是屏幕显示，医务人员所观察到的仍然是一组二维断层图像，且只能以固定方式对图像进行观察，所得到的诊断结果带有医生的主观判断，这在很大程度上取决于医生的临床经验。这种方法能够达到一般的诊断目的，如发现肿瘤或者病变等，但对于制定手术计划等需要理解复杂甚至变形的三维结构的临床任务，仅通过在脑中重建断层图像是非常难以完成的，而且这种方式很大程度上依赖于医生丰富的临床经验和空间想象力。三维重建技术的应用可以改

5、变这种状况。通过对一组二维断层图像进行处理，从而恢复物体三维形状，建立虚拟的器官和组织，以便使医生从多方位、多层次的观察角度对影像数据进行详细的医学分析，从而对病变体及其它感兴趣的区域进行定性直至准确的定量分析，比如放射治疗计划中三维剂量场的计算等。这无疑对提高影像数据的利用价值有深远的意义，而且对提高临床诊断的准确性和正确性有很大益处，同时大大减轻了医生的负担。因此三维重建技术具有很现实的意义。三维重建工作包括三维图像数据的获取、处理及显示。其中三维医学图像数据的获取一般通过对序列切片图像进行转换和插值得到。通常的医学成像系统(CTM砌等)都是以层的方式进行3D扫描的，受采集时间的限制和

6、为减少病人受照剂量和诊断花费等原因，一般断层图像相邻两层间的距离要大于同一层图像中相邻像素间的距离，这种图像数据如果直接用于显示，将会在边界处形成明显的台阶状结构，对于一些细微结构，如冠状动脉等，还会造成结构的断裂。图像插值正是解决这一问题的关键。通过对断层图像进行某种形式的层间插值，可将非等分辨率的图像数据转变为等分辨率的数据，从而大大提高最终三维重建结果的质量。因此，在图像的显示、处理和分析中，需要使用插值来获得所需分辨率的图像。寻找和设计快速、有效、适用性强的插值算法，是三维重建工作的一个重要内容，也是本课题的研究方向。东南大学硕上学位论文1．2国内外研究现状所谓图像插值就是一个图像

7、数据再生的过程——它由原始图像数据再生出具有更高分辨率的图像数据。若将一幅较低分辨率的图像再生出一幅较高分辨率的图像，这种插值可看作“图像内的插值”。若在若干幅图像之间再生出几幅新的图像，这种插值可看作“图像间的插值”。重点研究的是图像间的插值方法，对于这类问题引入如下约束条件：(1)插值图像要与原始断层图像相似；(2)插值图像与两个原始断层图像的相似度应该分别和它与这两个断层图像的距离成反比关系；(3)插值图像序列应该