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47520字硕士毕业论文图形处理器的医学三维结构及功能

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:47520字
论点:可视化,医学,重建
论文概述:

本文完成了预期的课题研究内容,但是由于医学图像的可视化是一门新兴并高速发展的领域,它在理论和应用上都还需要不断的完善和发展。

论文正文:

第一章螺纹理论

1.1研究的意义

在修复外科、虚拟外科和解剖学教育等方面的应用。无论应用程序的哪个方面,都有一些共同的要求。三维重建模型的精度越高,对实际物体形状的描述越好,这有利于医生对患者病情的判断。三维重建越快,医务人员越能尽快发现病情,并制定计划尽快解决患者的痛苦。然后,三维重建模型和实际物体形状之间的相似性越大,重建速度越快越好。因此,提高准确性和实时性已成为科技人员关注的焦点。此外,病人的状况会在不同程度上造成病人的痛苦。治疗越早越好。因此,医学三维重建的实时性要求非常迫切。因此,医学三维重建对精度和实时性的要求非常迫切,需要我们的科技人员进一步研究这项技术。随着计算机技术的不断发展,应用技术的科研成果越来越多。可视化技术已经走出了科学计算领域,并被应用到医学、模具设计、地质勘探、地理图形、城市设计等领域。这些实际应用给各行各业的人们带来了极大的方便。然后,将这种可视化技术应用到医学领域来处理医学图像被称为医学图像可视化技术。

在当前医学中,医生对患者病变的诊断只能基于多年的医学经验和通过医学图像的综合判断。医学图像主要是计算机级x光摄影或磁共振成像二维图像切片。这些二维图像切片只能提供二维断层图像信息,只能在某一侧显示病变解剖信息,医生只能从二维平面观察。它不能从三维空间空观察到,并且显示方向也是有限的。只有患者病变的大小和形状可以基于不太直观的二维图像切片信息和多年经验来估计。医生用他的三维思维在他的头脑中构建病灶和周围器官之间的三维几何关系,所以在医生头脑中构建的三维几何关系不一定是正确的,也不能完全正确地显示客观事实,给诊断的准确性和治疗的有效性带来很大的困难。在放射治疗中,简单地叠加多个二维图像的数据信息

1.2研究现状

1.2.1外国研究现状

自20世纪70年代可视化技术提出以来,随着社会的不断进步,社会科学也在发展。例如,现代科学,特别是电子技术和计算机技术的发展,可视化技术不仅应用于科学和工程计算领域,而且还应用于医学,形成了一种新技术——医学可视化技术。20世纪80年代,发达国家提出并开始发展医学可视化技术的新研究领域。1986年,可视化人类项目(VHP)是医学可视化技术发展的开端。是国家医学图书馆(NLM)项目将两组男性和女性的电脑断层扫描和核磁共振成像数据集放在互联网上,供有全球需求的用户使用。1991年,NLM在科罗拉多大学医院建立了一个所有解剖结构的性别数据库。只需向NLM支付少量费用,用户就可以获得和使用世界各地这个庞大数据库中的数据,方便教学和科研。

第二章理论知识基础

2.1可视化技术

为了解决科学计算问题,提出了科学计算可视化的思想,并将其定义为科学计算可视化。计算可视化是计算机图形学研究领域的一个重要课题,也是计算机图形学领域的一个新的研究热点。科学计算中的可视化(visualization in scientific computing)是利用计算机图形学或通用图形领域的原理和方法,将实际工程和科学研究中数据计算产生的大规模数据转换成图形图像信息,并以更直观的形式显示出来的过程。科学计算可视化涉及许多科学研究领域,包括计算机图形学、计算机视觉科学、计算机辅助设计、图像处理和图像用户界面。

2.1.1科学计算的可视化

1987年,美国国家科学基金会在美国举办了第一次“科学计算可视化研讨会”。麦考密克等人根据会议的核心内容写了一份总结报告。科学计算可视化在总结报告中正式提出。会议提出,“计算机图像和图形技术在科学计算中的应用将是一个全新的科学研究领域。科学家不仅需要研究和分析计算机计算的数据,还需要掌握数据计算过程中数据的具体变化。所有这些工作都可以通过计算机图像和计算机图形处理技术来满足”。最后,这个新的研究领域被命名为“科学计算中的可视化”,可以简称为“科学可视化”。然后,科学计算可视化(scientific computational visualization)是研究通过测量获得的数值、从卫星传输的图像数据信息、医学计算机级x光摄影(CT)或核磁共振成像(磁共振成像)转换为三维视觉数据的计算方法,有助于人类理解。换句话说,科学计算可视化是计算机图形相关知识和计算机图像相关处理技术在科学计算和工程学科中的应用。

2.2医学三维重建技术

为了提高医疗水平和治疗效果,将二维断层图像转换为三维图像是可视化技术的热点问题之一。目前,医学三维重建技术可以分为三种类型:体绘制、表面绘制和混合绘制。其中,体绘制方法计算量大,重建质量相对较高。然而,在临床应用中,实时处理和交互式操作不足以满足实际需要。然而,表面渲染方法易于理解和实现,因此在实际应用中,表面渲染方法在流行的三维重建方法中得到了更广泛的应用。混合方法是表面渲染和体绘制算法的综合。为了实现不同的功能和满足不同的需求,这两种方法是不断平衡的。

第一章许上.......................................................................1

1.1项目研究的意义.......................................................................1

1.2研究现状....................................................................................2

1.3本文的主要研究内容是.............................................4

1.4本文的组织结构........................................................5

第二章理论知识基础...........................................6

2.1可视化技术........................................................6

2.2医学三维重建技术.............................................7

2.3传统移动立方体算法..............................8

2.4 GPU....................................................................................11

2.5本章总结..........................................................13

结论

科学可视化的发展促进了医学图像可视化的发展。医学图像可视化技术是将计算机技术三维重建技术有效应用于医学领域的有效手段,能够有效提高医务人员的工作效率和科学诊断,对国家的民生意义重大。迄今为止,医学图像可视化已经应用于许多医学领域的各个方面,如模拟手术、手术指导、医学课程的教学和培训、远程手术和医疗、机器人手术等。,大大提高了医务人员的工作和社会医疗水平。因此,医学图像可视化的研究具有重要意义。随着社会的不断发展,医学图像的实时性和准确性越来越高,图像的数据规模也越来越大。即使数据规模相对较大,保证三维重建的实时性和准确性也成为一个瓶颈问题。因此,针对以上实际应用和当前发展现状的不足,本文提出了两种改进算法,一种是改进移动立方体算法并将其转移到图形处理器上运行,另一种是优化三维模型。本文的主要工作就是围绕这两点进行研究。

(1)利用第三章提出的改进的移动立方体算法对预处理后的一组2D断层图像数据进行重建。移动立方体算法是可视化算法中较为经典的算法,应用最为广泛。等值面与立方体体素边缘的交点用三次线性插值代替传统的线性插值方法计算。计算简单,误差小于边长的0.125倍。改进的算法本身可以加快速度。然而,为了获得更好的实时性能,图形处理器的高并行计算能力和高速浮点计算能力又被用来加速,大大加快了三维模型重建的时间,能够满足医学过程中对医学图像三维重建的高实时性要求。

(2)对于第三章重建的三维模型,它是由三角形面片拼接而成的。这些三角形补丁有不同的尺寸。提出了一种以重心为分割点的分割算法,使得三维模型中三角形面片的面积更加均匀,呈现出均匀正态分布的趋势,使得三维模型更加精细。然后,将提出的能量函数用于优化。在不改变三维模型原始结构的情况下,利用导数的极值原理得到优化后的三角形面片顶点的新坐标。重建的三维模型更接近实际物体形状,提高了三维重建的精度。

参考

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