医学成像技术之三维重建技术讲义
医学图像重建PPT课件
一 图像重建概述
不同密度体对射 线的吸收不同
对射线吸收相同的 物体，密度分布不 一定相同
入射线
高密度体
少透射
入射线
低密度体
多透射
入射线
6ห้องสมุดไป่ตู้
222
入射线
6
141
等强度射线穿透不同组织的情况
投影重建时需要一系列投影才能重建图像。
一 图像重建概述
➢ 分类：
➢ 根据被用于图像重建的数据获取方式不同，可以分为透射 断层成像、发射断层成像和反射断层成像。
插值法：
▪ （一）基于图像灰度值的插值方法,如最邻近法、线性插值、样条插值等 ,它是在原始灰度断层图像序列中,补充若干“缺少”的切片,这些插值方 法插值精度不高,产生的新断面通常会出现边缘模糊,由此重建出的三维 真实感图像表面会产生伪像,当断层间距较大时这一点尤其明显. 造成这 种情况的主要原因是这些方法没有考虑到物体几何形状的变化.
二 医学CT三维图像重建
➢ 投影切片定理给出了图像在空间域上对X轴的投影与 在频率域u轴的切片之间的关系。
➢ 如果投影并非是对X轴进行，而是对与空间域的X 轴成 任意的角度θ的方向进行投影，是否频率域上存在与u 轴成相同的θ角度方向上的中心切片与之相等？
➢ 回答是肯定的，二维傅里叶变换的旋转定理。
3) 为了增强三维逼真效果，突出显示不同组织的边界面，可以采样表面 并进行明暗计算。
➢ 根据成像所采用的射线波长不同，可以分为X射线成像、 超声成像、微波成像、激光共焦成像等。
二 医学CT三维图像重建
（1）现实意义
在医疗诊断中,观察病人的一组二维CT 断层图像是医生诊断病情的常 规方式. 现有的医用X 射线CT 装置得到的序列断层图像,虽能反映断层内 的组织信息,但无法直接得到三维空间内组织的形貌(如肺部肿瘤的表面 纹理) 和组织间相互关联的情况,而临床上组织形貌对组织定征(如肿瘤的 恶性或良性判断) 却是十分重要的. 仅靠CT 断层图像信息,要准确地确定 病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织之间的空间关系,是 十分困难的.因此迫切需要一种行之有效的工具来完成对人体器官、软组 织和病变体的三维重建和三维显示. CT 三维重建技术就是辅助医生对病 变体和周围组织进行分析和显示的有效工具,它极大地提高了医疗诊断的 准确性和科学性。
CT三维立体成像技术.
山西省运城空港医院 曲佩红
目的
GE公司PROSPEED I螺旋CT (SCT)对于19 例骨关节结核进行CT三维及多平面重建 多平面重建（MPR）、三维立体成像 （SSD）技术在骨关节结核诊断方面提供 的信息更详尽
显示骨关 息
立体、多方位地显示骨关节结核患者导致 的骨质破坏范围以及引起的畸形和病理性 脱位
上胸段多发结核三维成像
上胸段多发结核二维成像
足部结核
足部结核三维成像
.胸椎结核破坏畸形多处窦道平片及 造影
MPR及SSD成像显示椎体内部及周 围多窦道腔形成椎管受累
结论
多平面重建（MPR）、三维立体成像 （SSD）技术实现是通过调整CT域值而实 现，在调整域值时显示CT值差别较大的组 织之间的解剖关系
美国GE PROSPEED I 螺旋CT，仰卧前后 位，扫描范围依临床体征及X平片显示的部 位决定 层厚2～5mm,重建间隔1～2mm,螺距1～ 1.5连续断层螺旋扫描 多平面重建（MPR）以及三维立体成像 （SSD） 在骨窗和软组织窗观察
结果
螺旋CT(SCT) 扫描后多平面重建（MPR） 三维立体成像（SSD）重建
选择手术入路、术中病变清除范围、是否 以及如何合理使用内固定以及手术中避免 副损伤提供了更加直观的科学依据
提高了诊断准确率以及手术质量与疗效
谢谢谢谢！ ！
病例资料
19例患者中男8例，女11例，平均年龄35.6 岁 CT 扫描三维重建及多平面重建28例次 19例次进行了脊柱扫描（颈椎1例、胸椎5 例、胸腰段5例、腰椎8例） 骶髂关节结核2例，髋关节结核2例，膝关 节结核1例，足踝结核2例，肩关节结核1例， 肘关节结核1例 其中5例患者为多部位患病
CT层片图像的三维重构技术研究进展
CT层片图像的三维重构技术研究进展摘要:随着时代发展，3D打印技术凭借其优势逐渐在各个领域广泛应用，医学上借助该技术创建的实体模型应用广泛，而CT层片图像通过三维重构技术转化为LOM原型被认为是3D打印的基础。
本文主要就作用于转化CT层片图像的三维重构技术，实物模型的制作及其应用做一综述。
关键词：三维重构技术;三维模型;3D打印模型;CT层片图像;教学目前，随着医学影像技术的飞速发展，医学影像在临床诊断中发挥着越来越重要的作用，也在一定程度上加快了临床医学的发展进程。
通过三维重建和二维图像可视化，可以直观地显示复杂的三维器官结构，这将有助于医生进行全面、准确的分析，提高医学诊断水平。
因此，三维医学图像重建与可视化技术具有重要的实用价值。
1三维图像和医学图像重建技术三维医学图像重建技术是指利用可视化技术将从医学成像设备获取的二维图像数据转换为三维数据，显示人体组织和器官的三维形态，并进行定性和定量分析[1]。
目前，CT、MRI等影像技术广泛应用于临床诊断和治疗。
二维断层图像展示断层的解剖信息，不能以横向和三维方式显示病变的位置。
影像科室的技术人员只能将重建好的三维图像依照他们的想法选择几个部位、角度拷贝成二维图像提交到临床医生手中。
在普通计算机中，使用Mimics软件重建的三维模型可以动态旋转观察，任意切割和显示内部解剖结构，也可以编辑和修改[1-3]。
可更深入细致地定位、定性和定量分析损伤，以提高手外科手术成功的概率。
同时在Mimics软件中包括RP Slice模块、STL+模块、Simulation模块、MedCAD模块、FEA模块。
RP模块能通过Slice格式在Mimics与多数RP机器之间建立接口，自动生成快速原型系统模型所需的支撑结构，并将数据模型转换为实体模型。
Medical mimics图像处理软件是比利时materialist公司的一个用于交互式医学图像控制的3D数字系统。
它是一个高度集成的软件集，简单易用的3D图像生成、编辑和处理[4]。
医学CT三维重建
30
首都师范大学学报 (自然科学版)
2004 年
原始数据做“预处理”“, 图像重建”和“图像后续处 理”就可得到反映人体某断面几何结构的灰度图像. 例如 X 射线 CT ,此灰度图像反映了人体组织对 X 射 线的不同吸收系数 ,同一吸收系数具有相同的灰度 显示. 因为人体内不同组织的元素种类和密度不同 , 对 X 射线的吸收系数不同. 如果某一组织 (正常情 况下应具有相同的灰度) 的局部发生了病变 ,医生可 明显观察到此组织局部图像灰度的变化的直观显 示 ,从而帮助医生做出诊断.
下面分别对这几个过程中所涉及的关键技术进 行分析 :
1 获取断层图像信息
要进行三维重建 ,必须先得到清晰的二维断层 图像. 医学领域中 ,利用 X 射线 CT ,放射性核素 CT , 超声 CT 和核磁共振 CT 等技术获得人体断层图象. CT 图像向我们展示了人体内部有关病变的信息 ,把
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体素的获得有两种方法[4] : (1) 控制 CT 机使其 断层间隔减小 ,直至等于断层内的分辨率. 然而这将 增加检查成本 ,而且一般的 CT 机无法达到如此高 的分辨率. (2) 用计算机图像处理的方法 ,对现有的 断层图像进行插值运算 ,以获得立方体素表示的三 维物体. 插值后 ,断层图像数目增加 ,相当于层厚减 薄 ,这是国际上普遍采用的方法. 值得注意的是 ,插 值只是改变了断层间空间分辨率 ,使三维数据的处 理 、分析和显示更加方便 ,并没有产生新信息.
其次将医生感兴趣的组织从断层图像中分割开来再次在相邻两断层图像间进行内因为断层扫描间距一般比二维图像数据的象素尺寸要大以产生空间三个方向具有相同或相差不最后将重建后的三维图像数据在计算机屏幕上进行立体感显示要对它进行各种几何变换的运算实现多种投影显式方式及几何尺寸的测量等完成任意方位断层的重构任意方位立体视图手术摸拟和医学教学等
三维ct成像原理
三维CT成像的原理可以概括为基于断层解剖学、计算机图像处理和重建技术。
以下是具体的原理细节：
首先，CT检查是X线电离辐射，穿透人体组织后，被探测器接收后形成数字信号，通过计算机系统处理成相应的影像。
在CT图像中，可以看到人体密度和组织结构的信息，这些信息是通过CT值来呈现的。
不同的组织结构具有不同的CT值，从而能够将不同的组织结构区分开来。
其次，三维CT成像能够显示人体的三维立体结构，这是通过计算机图像处理和重建技术来实现的。
通过连续扫描多个断层图像，可以重建得到三维立体结构。
在三维CT成像中，还可以进行多角度、多方位的观察，这对于临床诊断和治疗方案的制定具有重要意义。
在医学上，三维CT成像被广泛应用于各种疾病的诊断和治疗中。
例如，在骨折诊断中，可以通过三维CT成像技术清晰地看到骨折线的走向和骨折碎片的情况，这对于制定治疗方案具有重要的指导意义。
此外，三维CT成像还可以用于肿瘤的术前评估，通过重建技术可以看到肿瘤与周围组织的关系，从而避免手术风险。
总之，三维CT成像的原理是基于断层解剖学、计算机图像处理和重建技术来实现的。
通过连续扫描多个断层图像，可以重建得到三维立体结构，并可以通过计算机软件进行多角度、多方位的观察。
在医学上，三维CT成像被广泛应用于各种疾病的诊断和治疗中，为临床医生提供了更为全面、准确的诊断信息，具有重要的应用价值。
希望以上信息对您有所帮助。
如果需要了解更多关于三维CT成像的内容，建议阅读相关书籍或请教专业人士。
医学成像技术之三维重建技术讲义
概述
任务 二维
三维
发展
早期探索阶段（1970s - 1980s）
主要针对心脏、肝脏、胚胎、神经 等器官的三维重建；表面重建的算法： 轮廓线提取算法、轮廓线对应算法、三 角片镶嵌算法、曲面拟合算法等等；
基础算法研究阶段（1990s）
基于体元的表面绘制算法：Cuberille， Marching Cubes，Dividing Cubes；直 接体绘制算法：Raycasting，Splatting， V-Buffer；及各种加速算法；
n越小，表面越毛糙（散射现象严重）
简单光照明模型-Phong光照明模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反 射作用,光源为点光源
反射作用分为
物体间作用用环境光(Ambient Light) 漫反射(Diffuse Reflection) 镜面反射(Specular Reflection)
简单光照明模型-Phong光照明模型
体绘制方法
体光照模型提供了体数据中各数据点光照强度的 计算方法，体绘制方法提供的是二维结果图象的生 成方法。
首先根据数据点值对每一数据点赋以透明度t和 颜色值（R,G,B），再根据各数据点所在点的梯度 及光照模型计算出各数据点的光照强度，然后将投 射到图象。
平面中同一象素点的各数据点的透明度和颜色值 综合在一起，形成最终的结果图象。
一般取Ia= (0.02~0.2)Id
例子
简单光照明模型-漫反射
缺点：对于许多物体，使用上式计算其反 射光是可行的，但对于大多数的物体， 如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用 的，原因是这些物体还会产生镜面发射。
简单光照明模型-镜面反射
镜面反射
光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射
核磁共振成像原理及图像重建方法
核磁共振成像原理及图像重建方法核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种利用磁场和无害的无线电波产生高分辨率、高对比度、三维解剖图像的医学影像技术。
它通过探测人体内的核磁共振信号，生成具有空间分辨能力的图像，为医生提供可视化的解剖结构和生理功能信息。
本篇文章将介绍MRI的原理及图像重建方法，以帮助读者深入了解MRI技术的基本原理和应用。
MRI的原理基于原子核的磁共振现象。
原子核具有自旋运动和相应的磁矩，在外加静磁场的作用下，原子核的磁矩会沿着静磁场方向取向。
当施加一弱的高斯磁场同时加上垂直于静磁场的无线电频率脉冲，原子核的磁矩会被扰动，其取向会发生变化。
一旦取消无线电频率脉冲，原子核的磁矩将重新恢复到原来的取向。
这种恢复会产生电磁感应信号，被称为自发发射信号。
这个信号随时间演化，可以记录下来并用于重建图像。
MRI图像的重建是通过对磁共振信号的采集、处理和分析来实现的。
首先，需要提供一个均匀的静态磁场，通常使用超导磁体来产生高强度的匀强磁场。
其次，在静磁场中放置患者，使其体内的原子核磁矩取向与静磁场一致。
然后，通过使用线圈发射脉冲磁场，使原子核的磁矩发生扰动，并记录自发发射信号。
图像重建的第一步是对采集的原始数据进行采样。
MRI使用一组线圈阵列来接收磁共振信号，这些信号代表了人体各个位置的原子核磁矩的状态。
采样过程中需要考虑空间分辨率和信噪比的平衡。
较高的空间分辨率可以提供详细的解剖信息，但信噪比可能较低；而较高的信噪比可以提高图像质量，但空间分辨率可能降低。
在数据采样后，需要对采集到的信号进行图像重建。
图像重建的关键是解决逆问题，即从有限的采样点恢复出连续的图像。
常见的图像重建方法包括快速傅里叶变换、滤波和插值技术。
其中，快速傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法，可以在频域上对信号进行分析和处理。
滤波技术可以通过去除高频噪声和增强图像细节来提高图像质量。
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医学图像处理三维重建
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医学图像处理三维重建
• 正确读取DICOM图像后，通过选择合适的
窗宽、窗位，将窗宽范围内的值通过线性 或非线性变换转换为小于256的值，将CT图 像转换为256色BMP图像。
医学图像处理三维重建
• 图像增强就是根据某种应用的需要，人为
地突出输入图像中的某些信息，从而抑制 或消除另一些信息的处理过程。使输入图 像具有更好的图像质量，有利于分析及识 别。
• 在提取边界时，首先采用逐行扫描图片的办法，
通过比较相邻点的像素值，找到图片边界上的一 个点，作为切片边界的起点。然后从边界起点开 始，逐点判断与之相邻的八个点，如果某点为图 片的边界点则记录下，并开始下一步判断，直到 获得所有的边界点。
医学图像处理三维重建
• 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
缘检测的要求比较高；
• 而体重建直接基于体数据进行显示，避免了
重建过程中所造成的伪像痕迹，但运算量较 大。
医学图像处理三维重建
医学图像处理三维重建
• 为了有利于从图像中准确地提取出有用的
信息，需要对原始图像进行预处理，以突 出有效的图像信息，消除或减少噪声的干 扰。
• 图像格式的转换与读写 • 图像增强
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光照模型
当光照射到物体表面时，光线可能被吸 收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为 热，反射、透射的光进入人的视觉系统，使 我们能看见物体。
为模拟这一现象，建立一些数学模型来 替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗 效应模型或者光照明模型。三维形体的图形 经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以 进一步提高图形的真实感。
皮肤
HU=500
阻光度=0.8
阻光度=0.6
表面 重建
透明显示Biblioteka 皮肤HU=500骨骼 HU=1150
阻光度=0.4
阻光度=0.25
7.3 体绘制
在自然环境和计算模型中，许多对象和现象只 能用三维数据场来表示。与传统的计算机图形学相 比，对象体不再用几何曲面或曲线表示的三维实体， 而是用体素（Voxel）作为基本造型单元。对于每一 体素，不仅其表面而且其内部都包含了对象信息， 这是仅用曲线和曲面等几何造型方法所无法表示的。 体绘制的目的就在于提供一种基于体素的绘制技术， 它有别于传统的基于面的绘制，能显示出对象体的
环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射
下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们 的环境光反射系数不同。
源-衰减模型（Source attenuation） 变密度发射模型（Varying density emitters） 材料分类及组合模型（Classification and mixture）
源-衰减模型最早由Jaffery提出。该模型为体数 据场中的每一体素分配一个源强度和一个衰减系数， 每一个体素作为一个质点光源，发出的光线在数据 场中沿距离衰减后被投影到视平面上，形成结果图 象。
整形与假肢手术规划
可视化技术在整形外科中的应用 是假肢设计（造型）。例如，在做髋 骨更换手术前，需要根据病人的个体 特征正确地设计所需髋骨假肢的外形， 才能减少因假肢形状差异造成手术失 败的概率。首先根据CT或MR图象重构 假肢的精确三维模型，交工厂制作， 然后进行手术更换。
放射治疗计划
利用放射性射线杀死或抑制恶性肿 瘤需要事先做出仔细规划，包括剂量计 算和照射点定位。如果辐射定位不准或 剂量不当，轻则造成治疗效果不佳，重 则危及周围正常组织。根据医学图象重 建病人病灶区的解剖结构，并作出精确 定位和剂量计算已是实际可行的。
光的传播
反射定律：入射角等于反射角，而且反射光 线、入射光线与法向量在同一平面上
光源 入射光
法向量 反射光 视线
折射定律
折射定律：折射线在入射线与法线构成的平 面上，折射角与入射角满足 1 sin
2 sin
入射光
1 2
折射光
能量关系
在光的反射和折射现象中的能量分布：
Ii Id Is It Iv
脑结构图及其功能研究
由于脑的复杂性，纯粹采用神经生物 学家所常采用的简化方法无法对之作出 进一步了解。可视化技术在通过组织切 片 、 医 学 成 象 仪 器 （ 如 超 声 波 、 CT、 MR、PET 等 ） 、 药 物 吸 收 和 神 经 生 理 实验等手段获取脑的数字图象，并进行 特征提取和脑图分析，重构三维脑的结 构图和功能图，以适当的三维显示方式 显示出来。
丰富的内部细节。
体光照模型
体光照模型是研究直接体绘制的基础。从物理意 义上讲，当光线穿过体素与光线遇到一曲面时，会发 生不同的光学现象。前者如光线穿过云层会发生吸收、 散射等现象；后者如光线射到桌面上，有漫射、反射、 透射等现象。不同的物理背景决定了体光照强度的计 算与面光照强度的计算有不同的模型和方法。体光照 模型就是研究光线穿过体素时的变化，将光线穿过体 素时的物理现象用数学模型来描述。在目前的体绘制 中，采用得较多的有：
下标为i,d,s,t,v的能量项分别表示为入射光 强，漫反射光强，镜面反射光强，透射光强， 吸收光强
能量是守恒的
简单光照明模型
模拟物体表面的光照明物理现象的数 学模型－光照明模型
简单光照明模型亦称局部光照明模型， 其假定物体是不透明的，只考虑光源 的直接照射，而将光在物体之间的传 播效果笼统地模拟为环境光。
三维重建技术
概述
任务 二维
三维
发展
早期探索阶段（1970s - 1980s）
主要针对心脏、肝脏、胚胎、神经 等器官的三维重建；表面重建的算法： 轮廓线提取算法、轮廓线对应算法、三 角片镶嵌算法、曲面拟合算法等等；
基础算法研究阶段（1990s）
基于体元的表面绘制算法：Cuberille， Marching Cubes，Dividing Cubes；直 接体绘制算法：Raycasting，Splatting， V-Buffer；及各种加速算法；
计算某一点的光强度的模型。
影响观察者看到的表面颜色的因素
①物体的几何形状
②光源 位置、距离、颜色、数量、强度、种类
③环境 遮挡关系、光的反射与折射、阴影
④视点位置
⑤物性
材料、颜色、透明度 折射性
⑥表面光洁度
①几何性质
点光源 线光源 面光源
光源
②光谱组成
白色光等能量的各种波长可见光的组合 彩色光 单色光
实用系统研究阶段(90年代末)
外科手术模拟系统、放射治疗 模拟、虚拟内窥镜、整形外科、解 剖模拟。
应用领域
诊断医学：
在临床核医学研究中，CT图象、磁共 振图象和超声图象的广泛应用是诊断的有 力的手段。应用先进的可视化技术对这些 图象进行处理、构造三维实体模型以及对 其进行剖切显示，有助于了解复杂解剖特 征的空间定位和随着时间所发生的变化。
7.2 主要内容
预处理 分割 模型构建 模型网格简化 绘制
预处理
分割
二维分割 三维分割
重建
绘制
面绘制 体绘制
7.3 表面绘制
Marching Cube 算法
表面 重建
皮肤
灰度 阈值
HU=500
表面 重建
皮肤
HU=500
骨头
HU=1150
表面 重建
透明显示
可以处理物体之间光照的相互作用的 模型称为整体光照明模型
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
简单光照明模型-环境光
假定物体是不透明的（即无透射光）
环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、 任何方向上强度一样,记为Ia