硕士三维重建算法研究与软件系统实现毕业论文.docx
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硕士三维重建算法研究与软件系统实现毕业论文
第一章.绪论
﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡
Ø医学影像系统PACS
Ø三维重建软件框架简介
Ø三维重建算法
Ø三维模型显示技术
Ø本论文所作的工作和组织
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医学影像系统PACS
伦琴发现X射线后的一百多年里,医学成像科学与技术对放射诊断学的主要贡献是创造了多种成像方式,例如:
CT、MRI、SPECT、PET、DSA、NM、US、CR等,这些新的医学成像技术为临床提供了丰富的影像学资料,极方便了医生的诊断,但与此同时所产生的大量的影像资料对医院的管理提出了更高的要求。
传统的胶片备份,人工管理的方法不仅要耗费大量的资金、场地和人力,而且存在着丢失资料、查找困难、存储时间短等问题。
显然这种方法已经远远不能满足医院迅速增长的业务要求,迫切需要一种自动化的影像管理系统来代替它,这已成为每一家医院面临的急迫需要解决的问题。
伴随着高速计算设备、网络通讯与图像处理技术的飞速发展而产生的“医学影像存取与传输系统[26][27]”(PictureArchivingandCommunicationSystem)为以上问题的彻底解决提供了一种先进的技术手段。
据估算,在一家医院中放射成像(radiography,即将医学影像成像到传统的胶片上)的工作,其工作量通常占影像室工作量的60%至70%。
PACS系统可以大大降低该工作量的比例,提高影像室的工作效率。
PACS系统的使用不但为医院达到无胶片化环境(filmlessenvironment)提供了解决的方案,而且为今后进一步实现远程医疗、远程教学、远程学术交流和计算机辅助的医学影像诊断提供了支撑环境。
PACS系统受到了医院的广泛欢迎。
PACS的最直接受益者是使用科室。
第一,在硬成本方面,可以减少胶片用量,节省相机、洗片机药水。
第二,在管理方面,智能化的诊断报告系统减少了医生的劳动强度,数据化存储减少了档案管理的麻烦。
第三,完整保留图像数据,对于科研、教学和解决未来可能的法律纠纷是最好的保障。
PACS对医院管理的益处也是多方面的。
建立HIS(医院信息管理系统)系统是医院管理改革的必要步骤。
在国外,做为HIS子系统的PACS,其影像的数据量达到HIS信息量的80%,超过其他信息的总和数倍。
医疗影像的管理对于提高全院的管理效率是不可或缺的。
PACS的影像管理也为远程诊断打下基础。
大型医院的专家可以通过INTERNET浏览偏远地区医院送来的图像并作出会诊,偏远地区的医院也可以把图像轻松地送给指定的专家学者。
数据传递缩短了时间和空间。
这对于提高医院的医疗水平,缓解医疗资源不合理分配,有很大的帮助。
一.1.1.PACS的应用围和功能
PACS可以指任何一种放射医学图像管理系统。
在实际应用中,可以把PACS应用划分为四类:
①在整个医院实施的完整PACS系统,目标是支持在医院部所有关于图象的活动,集成了医疗设备、图象存储和分发、数字图象在重要诊断和会诊时的显示、图象归档已与外部信息系统;②在医院某个部分实施PACS,目标是提高部门医疗设备的使用效率;③在医院部的图象分发系统,目标是帮助医院的其他部门,特别是急诊室(ER)和监护房(ICU)获得放射医疗部分生成的图象;④远程放射医疗,目标是支持远程图象传输和显示。
根据医院的实际要求,一个实际的PACS系统可能包含了上述四类应用中的一类或多类。
完整的PACS系统应该包括图象获取、图象存取与显示、图象处理、数据库管理以与用于传输的高速局域网络和支持远程数据传送的广域网。
PACS系统一般具有以下几方面的功能:
⑴将医院中已有的医学图象设备产生的图象通过直接或间接的方式转换为系统能够存储和处理的数字化形式。
随着DICOM标准的逐步应用,未来的医学影像设备将统一使用DICOM标准接口,图象获取会更加方便。
⑵存储和管理检查所产生的图象数据,这是PACS系统最重要的功能。
由于PACS系统中存储的图象数据量特别巨大,医院每天生成的图像总量可以从几百M到几十个G,需要有能够管理超大规模数据库的数据库管理系统。
当前尚无很成熟的产品,受存储器容量的限制,PACS系统的数据通常要分级存储,常用数据存放在再线2设备上,过期数据存放在离线设备中。
为减少存储容量,还要对数据进行压缩。
⑶图象显示和处理,这是医生接触和使用最多的功能。
在显示工作站上的软件应能满足医生最常用的功能,包括查询数据库中的图象记录,显示图象并且对图象进行一些简单的处理,如放缩、旋转等。
同时,医生还要在工作站上写出诊断报告、注释等文本信息。
⑷与HIS/RIS的接口。
PACS系统在医院中不是孤立存在的,为了与其他系统互连,PACS系统应当遵循一个信息交换的标准。
目前国际上的HL7(HealthLevel7)标准已为多数厂商认可。
一.1.2.PACS在国外开发应用情况
PACS系统是一个涉与放射医学、影像医学、数字图像技术、计算机技术、通讯技术、软件工程、图形图像综合与后处理(三维重建、剖面显示)技术等多学科的高新科技项目,它的开发与应用将对放射医学、影像医学、现代医疗技术、远程医疗、远程科研教学的发展与医院信息化建设起重大作用。
PACS的出现才短短十几年时间,已成为国际医学图像界研究开发的热点。
美国ACR(美国放射学全)与NEMA(国家电子制造商协会)共同组成的联合委员会于1993年11月发布了DICOM(医学数字影像与通讯)3.0标准,其中包括了一致性、信息目标定义、服务分类的技术指标、数据词典、信息交换、网络通讯、点对点通讯、文件格式等容。
从而,为PACS的研究开发提供了统一规和依据。
目前,在美国和欧洲,数字化医学图像通讯技术己进入了高速发展的实用阶段,许多相关领域的著名厂家(医疗影像设备制造商、计算机制造商、影像设备外设与胶片生产厂家等)都积极参与了PACS的开发、生产和推广。
在1994年的北美放射学会上,有近40个厂家展出了PACS技术和产品,而且,美国1994年PACS总销售额为3.98亿美元,1995年为4.73亿美元,1999年已达到10亿美元以上的规模。
在美国,PACS已与国家级的通讯网络相结合,成为美国军队和许多大型医院提供影像诊断效率和节省成本的必备系统。
在欧洲,PACS已与医院信息管理(HIS)相融合,形成日见扩展的医学信息网,且应用领域逐渐扩大。
在我国,PACS的研究开发尚处于起步阶段,与国外的PACS系统相比还有相当的距离;国一些医院正在考虑建设PACS,个别医院甚至已经在部分试验性地运行PACS,但至今还没有一家医院真正建立了完整的PACS,正有待于医院信息化建设的有识之士,在我国的PACS技术与应用领域开创出一片新天地。
一.1.3.PACS未来展望
目前,企业围图像分发已经在许多部分得到了初步应用。
在放射医疗科以外最需要图像显示的部门中已经采用了足够的显示技术,但还不能在任何地点方便地获得图像。
RIS和PACS的集成允许在工作站显示诊断报告。
PACS和RIS掌握病人在医院中的流动也很重要。
这有利于图像和检查的自动预取、路由和分发。
RIS与PACS的进一步集成仍在发展中。
随着PACS的增长,数据库的高可用性将变得越来越关键。
PACS系统的发展向以下一些技术提出了挑战:
大容量存储设备、数据库技术、用户界面、压缩和网络。
大容量存储设备分为以下四类:
磁介质、光介质、磁带与其它(如全息存储)让在发展中的介质。
目前PACS使用的归档介质是DLT磁带或MOD可反复读写光盘,某些情况下也使用CDR(一次写光盘)。
磁盘容量正在飞速增长,未来的方向是TB级桌面磁盘。
2000年时价格下降到3美分/MB,在光学存储设备中,DVD是目前的热点,DVD目前可以作备份介质,但作为存储介质仍有不足之处,可擦写的DVD还不成熟,也没有统一的标准。
磁带的新进展包括磁道记录、磁阻式磁头和允许随机访问的新型格式等。
磁带的价格很有吸引力,但不能防潮,也不能接近磁场,对存放场所的要求比较严格。
数据库的性能、可靠性和容量与PACS系统的性能直接相关。
PACS系统中图像的每一次流动都与数据库有关。
但目前对PACS的数据库技术还需要有大量的研究工作。
当PACS集成到HIS系统中时,其重要性将会进一步体现,随着用户对PACS的依赖性增强,数据库的高可用性技术将会越来越重要,分布式数据库将会得到广泛的应用。
在用户端,分析功能的增强和图象增强技术的集成非常重要,语音识别可以将自然语言转换为正文存储在系统中,对生成诊断报告的效率有很大的影响。
基于组件的软件将会出现,软件工具(如三维显示应用)可以在应用程序和系统之间进行拖放操作,这是个人用户界面的新发展,用户界面和应用程序能根据需要分布。
基于Web的显示方式是其中一例。
Web技术和基于组件的软件将缓慢集成。
PACS需要告诉通信网络支持,尤其是在放射医疗部门部,而在临床监护时可以用低速网络。
目前的发展方向之一是使用ATM,但ATM的功能还没有完全利用起来,特别是ATM传输活动影像以与影像与静止图像同传的能力。
随着通信技术和Internet的发展,远程连接可以使用2M/s或更高的带宽,这将改变PACS的应用围,特别是在家庭领域的应用将会有较大的发展,在医院,将开发更高的带宽用于活动影像和其他信息的传输。
一.1.4.DICOM标准
DICOM是医学数字图象通讯标准(DigitalImagingandCommunicationinMedicine)的英文缩写,是在医学信息领域中有关医学图象的事实上的国际标准。
它详细描述了医学图象的存储格式,与网络间图象传输的协议和消息的格式,使医学图象设备的制造厂商和用户可以在标准网络上实现设备互连,简化了各种类型的医学图象系统的开发和应用。
目前,大部分知名的医学图象设备制造厂商都采用DICOM作为其通讯互连的标准。
因此可以说,理解和实现DICOM标准是实现PACS系统的基础。
1.DICOM发展历史
医学图像设备之间需进行图象与其相关信息的交换,而图象与其相关信息的格式、传输句法与通讯协议等的不一致,将严重阻碍PACS的发展。
为此,美国放射学会(AmericanCollegeofRadiology,ACR)和美国的全国电子厂商联合会(NationalElectricalManufacturersAssociation,NEMA)认识到急需建立一种标准,以规图象与其相关信息的交换。
因而,美国放射学大学(ACR)和国家电子制造商协会(NEMA)在1983年形成了一个联合委员会来发展标准,其目的是:
推广数字图象信息的通讯,不分设备厂商;促进PACS的发展和扩展,PACS也可以与其他的医院信息系统接口;允许诊断信息数据基础的产生,这些数据可以自通地由广泛的不同的设备分布的查看。
1984年,JosephGitlin博士第一次组织了有关医学图象设备间接口标准的会议。
随后,ACR和NEMA联合组成新的委员会,在参考了其他国际标准(CNETC251、JIRA、IEEE、HL7、ANSI)的基础上,着手开发一个医学数字图象通讯标准,其目的在于:
提供与制造商无关的数字图象与其相关信息的通讯;便于发展PACS,利于PACS和HIS(RIS)接口;便于建立方便查询的诊断数据库。
1985年,DICOM标准的前身ACR-NEMA标准1.0版本(ACR-NEMAStandardsPublicationsNo.300-1985)推出,它定义了一个点对点的连接和数据交换协议:
两台成像设备通过ACR-NEMA接口平面实现连接。
在1.0版本推出以后,ACR-NEMA标准不断发展,并于1988年推出了2.0版本(ACR-NEMAStandardsPublicationsNo.300-1988),它包含了1.0版本与其修正版的全部容,并且新增加了支持显示设备的命令,引入了层次方法来标识图象,在描述图象时以增加数据元素(dataelements)的方式来增加图象特性。
总的来说,版本1.0和2.0定义了传输图象与其相关数据的硬件接口标准、一个最小软件命令集和一个统一的数据格式集。
由于它们仅提供点对点的通讯模式,又缺乏网络层,只能通过网络接口单元(NIU)与网络连接,所以通讯速率较慢,不能利用网络技术的优势。
因此,一些专家学者就纷纷对其进行测试,并撰文提出修改意见。
ACR和NEMA也认识到这些版本的不足,于是在1993年又推出了功能强大的DICOM标准3.0。
2.DICOM信息模型
简单说,DICOM标准定义了医学图象与其相关信息的通讯、存储协议。
与ACR-NEMA的1.0和2.0版本相比,它做了许多重大的改进,其中最重要的是基本设计的改变。
ACR-NEMA的1.0和2.0版本是基于放射领域中不明确的信息模型,数据元素是根据设计者的经验进行分组,这样有可能造成传送的数据不完全,导致某些重要的东西没有传送。
相反,DICOM是基于明确而详细的信息模型,这些模型叫E-R(entity-relationship)模型,它们描述了“事物”(如患者、图像、诊断报告等)怎样参与放射诊断以与它们是怎样相互关联的,因而也就使医疗设备制造厂家和用户能够更加清晰地理解DICOM中的数据结构。
E-R模型是DICOM工作组根据调查PACS和HIS/RIS接口所得到的结论建立的,他们把放射科中的数据和操作模型化,并保证HIS/RIS与PACS之间的数据需要与操作协调。
应用E-R模型可清楚的表达描述事物所需的数据元素之间的关系,DICOM标准中广泛应用了这种模型。
DICOM标准中的数据结构是基于E-R模型并结合面向对象的设计方法,对现实世界实体进行抽象分析开发出来的。
面向对象的设计不仅提供描述信息的方法,而且提供描述对信息的操作方法。
在面向对象的设计中,对对象的操作与对象紧密相关。
DICOM应用了这些概念定义了许多如“存储图象”、“获得患者信息”等的服务(services),这些服务应用了操作(operation)或通知(notification)的结构。
DICOM定义了一系列操作和通知,叫做DICOM消息服务元素(DICOMmessageserviceelements,DIMSE)。
信息对象与这些服务的复合叫做服务-对象对(service-objectpair,SOP),一个信息对象可应用一系列服务并复合成为SOP类。
SOP类代表了DICOM定义的基本功能单元。
一个DICOM应用必须说明其遵从的SOP类以与其设备支持的角色,这样才有可能精确地定义一个DICOM功能子集,这个子集包括被交换消息的类型、消息中传输的数据和解释数据的句法。
对一个特定的SOP类,DICOM兼容的设备可作为两种角色中的一种:
服务类提供者(ServiceClassProvider,SCP),它提供SOP类的服务;服务类用户(ServiceClassUser,SCU),它使用SOP类的服务。
根据SOP类和角色,DICOM定义了通讯的一些基本原则,如哪种设备应该请求建立连接,哪种设备应该接受建立连接的请求。
3.DICOM标准应用
DICOM标准属于医疗信息系统领域,它主要用于医学图象设备之间数字信息的交换。
因为医学图象设备可能与其它医疗设备进行信息交换,所以DICOM标准的应用围有可能与医疗信息系统的其他领域重叠(DICOM标准没有具体规定其应用围)。
目前流行的PACS系统一般使用DICOM标准作为图象设备接口来获取患者图象。
例如,CT、X光机、MR等图象设备的共享打印系统就可以应用DICOM标准作为各种图象设备和打印机的网络互连接口,在图象设备来自多个制造厂商的环境里,这就意味着避免了定制不同设备的接口,减少了连接不同设备的费用和麻烦,简化了系统服务。
DICOM标准还应用于将PACS连接到其他信息系统,特别是连接到RIS或HIS。
PACS与HIS和RIS相连需要在两方面均采用相应的标准。
DICOM标准通过各种管理服务类来简化PACS方面的问题,RIS和HIS也应该采用相应标准(如HL7)来简化其相应问题。
这样就大大简化了两种系统互连的问题。
医学图像三维重建
利用光、声、电、磁等各种物理能的作用机制,配合化学染色剂或造影剂,再借助计算机软硬件技术,促使医学诊断可视化技术有了长足的进步,医学图像诊断装置日新月异。
在这种背景下,可视化成了新的需要。
可视化,顾名思义就是使原先不能直接反映在人们视觉中的事物或现象成为直观可见的。
医学图像诊断装置的出现也正是医学诊断走向可视化的表现。
科学计算可视化技术的立足点之一也是最具有代表性的正是医学三维数据场的可视化。
可视化技术的发展,促进了医学领域中科研、教学以与临床诊断的巨大变化,其影响深远,同时也给计算机科学技术在医学领域中的应用开辟了广阔的空间。
如何将这些断层切片图像进行三维重建并在显示器上显示,已越来越受到人们的重视,这是因为三维医学图像能提供比二维切片图像更加丰富的信息,得到人体组织、器官逼真的立体显示,从而摆脱了以前那种凭借医生临床经验,在大脑中重建器官三维结构的人为局面,使他们从繁重的大脑重建过程中解脱出来。
三维医学图像重建在临床的应用主要有以下方面:
(1)能使人们从任意角度观察人体结构,并对人体部各个组织的相对位置关系有一个整体了解,从而正确诊断出病变围、位置与程度;
(2)在外科手术的计划和模拟中发挥很大作用,医生可以通过计算机模拟复杂的手术过程,给手术一个定量的描述,还可以比较不同的手术方案和结果,为拟定最佳手术方案提供依据,以提高手术质量,减少医疗事故;
(3)放射治疗计划的制定也是三维医学图像系统的一个重要应用领域,对每个具体病例可以由系统精确地确定出放射源的位置和方向,以使病灶得到足够的照射剂量而其它组织器官尽量减少照射量;
(4)三维医学图像系统还能模拟人体解剖,改进传统的医学解剖教学方式,使学生在计算机上完成模拟手术;
(5)三维医学图像对关节修复、假肢的设计与制作都有很大的意义。
医学院第二附属医院是一间现代化的大型综合性医院,它担任着医疗、科研、保健等重要任务,同时,作为医学院的附属医院,它在教学方面扮演着非常重要的角色。
为了提高医生临床诊断的正确性、给医科学生提供直观的三维影像,医学院第二附属医院非常需要基于PACS数据来源的,具有完整功能和高效率的医学影像三维重建系统,以提高医疗、科研和教学质量。
一.1.5.三维重建数据流程
三维重建软件运行的过程如图1.1所示。
来自各种医学设备如CT、MRI或者X光片等的原始数据,由于各种医学设备的差异,有的符合DICOM标准,有的不符合DICOM标准,但是通过PACS系统中的DICOM网关后,所有的数据都转换为符合DICOM标准。
三维重建软件系统解析DICOM数据获得待成像数据,并进行了去除噪音、标尺设定、坐标归一化等预处理。
对预处理后的数据,我们采用两种不同的方法来进行重建[2]:
第一种:
通过三维表面模型重构算法得到由三角面片组成的三维表面模型。
采用MarchingCubes算法进行三维表面重构。
我们发现,重构得到的表面模型可以进行简化,从而使之更加适合三维交互显示。
第二种:
通过对每一个断层图像进行分割[1],提取出轮廓线,同时允许用户对轮廓线进行编辑,之后从轮廓线得到三维模型。
把多层轮廓线拼接成为三维模型,可以直接拼接轮廓,也可以从轮廓线恢复出三维数据场,然后对三维数据场使用MarchingCubes算法(操作方式如图1.2所示)
三维重建算法得到的三维模型,需要通过交互的方式显示出来。
我们用鼠标去模拟手,允许对三位模型进行缩放,旋转,移动,调整距离等功能,以达到最佳观察效果。
一.1.6.重建算法
目前医学断层图像三维重建的方法[2]主要有两大类:
一类是基于表面的方法,另一类是基于体数据的方法。
(1).表面表示方法。
它是表示三维物体形状最基本的方法,可以提供三维物体形状的全面信息。
其具体形式有两种:
边界轮廓线表示和表面曲面表示。
边界轮廓表示是比较早期使用的技术,不易获得具体生动的形象,所以我们只考虑表面曲面表示方法。
最早的方法是基于多边形技术,主要用平面轮廓的三角形算法,根据在不同切片图像上抽取出的一组轮廓线,用三角片拟合过这组轮廓线的曲面。
Boissonnat提出了另外一种基于表面轮廓的Delaunay三角形方法[3],解决了系列表面轮廓的三维连通性问题。
用三角形或多边形的小平面(或曲面)在相邻的边界轮廓线间填充形成物体的表面,所得出的只是分片光滑的表面,Lin采用从轮廓出发的B样条插值重建算法[4],得到了整体光滑的表面。
Lorensen和Cline提出了一种称为“MarchingCube”的算法[5],这是一种基于体素的表面重建方法,该方法先确定一个表面阈值,计算每一体素的梯度值,并与表面阈值进行比较判断,找出那些含有表面的立方体,利用插值的方法求出这些表面。
在MC的基础上又提出了“MarchingTetrahedra”方法[6],该方法提高了运算精度。
为了化简MC或者MT算法生成的三角形面片[29][30],国外分别有不少研究。
同时对消除MC和MT算法的二义性也出现了较好的解决方法[7]。
(2).基于体数据的方法[8]。
它的最大特点是不需要确立表面的几何表示,而直接基于体数据进行显示,这样就避免了重建过程所造成的伪像痕迹,缩短了在体数据中寻找、计算物体表面的时间。
这种方法不丢失细节,更加准确地反映出体数据所包含的形状结构,因此受到普遍关注。
直接体绘制法首先要对原始数据进行分类,即确定每一体素中不同生物组织的百分比,一般采用概率分类方法,然后给每个体素赋予相应的颜色与阻光度(Opacity);最后采用投影法或光线投射法生成显示图象。
该方法的缺点是运算量很大,不利于实时显示。
一.1.7.三维模型的显示
随着计算机图形技术特别是硬件图形设备的不断发展,三维表面在计算机中的表示逐渐趋向于三角面片网格模型这一单一方法。
三角面片网格模型的优点在于:
一、简单性,三角形是最简单的多边形,处理起来简单快捷,特别适合由硬件实现;二、通用性,任何其他平面多边形最终都能分割成三角形来处理,而曲面则可以由平片三角面片的集合来近似。
当然,在三维物体的造型过程中,还有很多中表示方法,如NURBS、B样条等等,但目前最终的造型结果一般都表示成为三角面片网格。
所以,计算机图形学界的各种表面化简算法也都是基于三角面片网格进行的。
通过前一节中所述的表面重建算法得到的三维模型也是按照三角形面片的形式组织的。
OpenGL是独立于操作系统的、开放式的三维图形标准,用户可以方便地利用它创建出接近光线跟踪的高质量静止或动画的三维彩色图像。
OpenGL实际上是一种图形与硬件的接口,它包括了100多个图形函数,可以利用这些函数建立三维模型和三维实时交互。
与其他图形软件程序设计接口不同的是,OpenGL提供了接口定义非常清晰的图形函数。
利用这些图形函数,用户可以非常方面的显示各种数据源。
三维重建软件系统的模型显示方法就是利用OpenGL来绘制的,同时使用OpenGL建立自己的视点,指定观察角度、方向与观察围的大小,进行放大、缩小等变换以与完成设定颜色、光源等功能。
由于OpenGL的命令比较基础和琐碎,我们在编码的时候对它进行了封装。
本论文所作的工作与组织
本论文成功开发了“医学影像存取与传输系统”(PictureArchivingandCommunicationSystem,以下称PACS系统)中独立的子系统――医学影像三维重建软件My3d。
它接受符合“数字医学影像传输标准3.0”(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine3.0,以下称DICOM3.0)的数据作为输入,由用户选择待重建的器官组织后,就可以提供给用户易于观察和设置各种参数的三维影像。
在软件
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