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39200字硕士毕业论文基于ITK和VTK概念的医学图像处理系统的设计与实现

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39200字
论点:图像,绘制,可视化
论文概述:

本课题主要研究对医学图像的相关处理和三维显示。课题中主要对医学图像三维可视化关键的技术部分进行了研究,分析和总结相关现论的同时,实现了医学图像的简单处理和可视化。

论文正文:

介绍

1.1简介
医学图像三维可视化作为医学成像领域的一个重要分支,是当前医学图像处理的研究热点。它利用计算机将二维图像数据序列重建成三维图像模型。它可以满足人们对医学图像的三维可视化,弥补医学成像设备的不足,直观、逼真地显示人体器官、组织和病变的内部结构,有效提高[1】。然而,由于医学数据的特殊性,对三维可视化技术提出了更高的要求。硬件平台、操作系统、数据传输和网络通信等条件对重建效果也有一定影响。为了快速重建清晰真实的三维图像,方便观察图像中感兴趣的部分,借助图像分割和配准工具包ITK和可视化工具包VTK,成功构建了一个简单的医学图像处理和显示系统,并利用经典三维重建算法重建二维图像序列,实现对医学图像三维可视化技术的更深入分析和理解。

1.2研究背景和应用意义
在当今社会,可视化技术已经越来越多地应用于涉及计算机的所有领域,例如天气预报、石油勘探、航空航天空和医学图像处理。这些使用方面帮助和改变了人们的现实生活,可视化技术在医学领域得到了广泛的应用。因此,医学图像可视化技术和可视化系统的发展成为一个热点。随着科学技术的发展和生活水平的提高,人们对医学技术的要求越来越高,医学图像预处理技术变得越来越重要。最早的医学成像技术可以追溯到1895年伦琴发现x光的时候。当一束具有均匀强度的x光照射到人体上时,一部分被吸收和散射,而另一部分继续沿着原始方向穿过人体传播。由于人体各种器官和组织的密度、厚度和其他方面的差异,透射通过人体的x光改变其强度并携带人体信息。人眼可见的x光图像是通过以某种方式获取、转换和显示其强度分布为具有不同强度分布的可见光而形成的。由于x光的出现,许多医疗诊断设备也被使用。与此同时,随着科学技术的进步,x光摄影经历了从早期干板摄影到胶片/增感屏结合的过程。然后在1981年,日本富士公司发布了x光的计算机射线照相术,接着又出现了直接数字x光成像、数字减影血管造影术和x光ct。随着计算机和微电子技术的飞速发展,医学影像领域受到了风靡全球的计算机网络、通信技术和数字技术的广泛而深远的影响。大量全新的成像技术已经进入成像领域,如断层扫描、磁共振成像、超声成像、红外成像、正电子发射断层扫描等。这些成像技术不仅改变了x光胶片/屏幕成像的原始面貌,在很大程度上丰富了形态学诊断的领域和水平,而且提高了形态学诊断水平,从而实现了诊断信息的数字化目标。虽然这些技术提供了多种视觉诊断方法,并且深刻地改变了疾病的检查和诊断,但是这些成像技术仅显示二维断层图像,而不能客观和真实地显示三维立体图像。因此,医生只能停留在熟悉的人体解剖学知识和多年的临床经验中来了解人脑中的结构器官和组织,从而估计病变的位置、病变的大小和形状以及日常组织结构的边界。然而,由于医生的主观意识和临床经验以及人体器官的复杂性和形态多样性,这些估计远远不够,甚至导致误诊和严重的医疗事故,给治疗带来很大困难。为了客观准确地分析和判断病变,20世纪80年代末出现了医学图像三维可视化技术。该技术主要在计算机上重建从计算机断层扫描、磁共振、超声等医疗设备获得的2D断层图像。重建的橱柜图像具有真实的三维效果,能够直观显示人体组织、器官宫和患病体的形态和内部结构,给医务人员一种直观的感觉,结合多年的临床经验,为进一步确定治疗方案和实施手术奠定了坚实的基础。通过三维可视化和虚拟现实技术的结合,医生可以对手术进行规划和模拟,从而大大提高手术的成功率。综上所述,娱乐图像处理和三维可视化技术的研究以及可视化系统的开发具有重要的意义和应用价值。

2相关技术介绍

vtk提供图像处理和可视化功能。在VTK,二维图像数据和三维体数据都表示为VTK和马吉德对象。像素映射和位图都是二维图像数据的例子,体数据是三维图像数据对象。VTK在医学图像中的应用主要是重建三维医学图像。VTK将常用的医学图像三维重建算法封装成类,从而简化了医学图像的三维重建。例如,VTK库提供了一些用于渲染和体绘制的基本算法库。表面渲染算法包括三维立方体、轮廓表重建等。体绘制算法包括光线投射、2D纹理映射和基于硬件的体绘制。在医学图像的表面渲染中,VTK提供的类是vtkMarchingCubes。一般步骤是读入医学图像,设置等值面的值,用映射器映射,然后用染色机染色后显示。渲染算法的主要特点是渲染速度快,渲染效果逼真。通过交互、平移、缩放、旋转等操作,可以实现相反的渲染结果。在医学图像的体绘制中,VTK提供了三类实现光线投射算法的方法,即合成体绘制函数、等值面绘制和最大密度投影函数。在光线投射算法中,有三个重要的传递函数来实现体绘制的效果,即颜色传递函数(vtkColorTransferFunction)、+透明传递函数和梯度传递函数,其中颜色传递函数可以通过函数来实现,不透明传递函数和梯度传递函数可以通过AddSegmeiitO或AddPointO来设置,体挖掘的体积属性可以通过这些传递函数来设置。然后,医学图像的体绘制帧通过渲染器、绘制窗口和交互模式被完全显示。

3系统需求分析和设计........13
3.1系统要求概述........13
3.1.1系统设计目标........14
3.1.2系统环境集成........14
3.2系统总体设计........16
3.2.1医疗数据读取模块设计........17[/比尔/] 3.2.2三维重建设计........18 [/BR/] 3.2.3切割模块设计........23 [/BR/] 3.2.4图片格式转换模块设计........25 [/BR/] 3.2.5三标准交叉口显示模块设计........25 [/溴/]3.2.6 DICOM图像信息浏览模块设计........27
3.3本章概述........27
4医学图像三维重建算法........28
4.1三维重建技术简介........28
4.2表面渲染........28
4.3体绘制........32
4.3.1体绘制........33
4.3.2射线投射算法........33
4.4本章摘要........35
5系统操作和测试........36
5.1系统接口........36
5.2系统运行结果测试........37
5.3本章摘要........45

结论

系统采用Qt、ITK和VTK联合编程,实现了一个简单的医学图像三维可视化平台的开发,完成了医学图像的三维重建。系统的主要功能概括如下:
(1)介绍了三维可视化在系统中的研究背景、应用意义和实现方法。
(2)介绍了系统设计和开发中使用的一些核心技术,包括Qt编程机制、VTK类库和编程模式、ITK类库和编程模式等。本文对医学数据进行了分析,包括医学数据交换标准文件的基本概念和专业术语、文件格式、内部信息等。
(3)进行了系统的需求分析和总体设计。根据三维可视化在医疗中的重要作用,确定了系统的主要实现目标和集成方法。详细介绍了系统实现功能的总体需求分析和总体设计,以指导系统的开发和设计。
(4)分析、总结和实现了当前较为经典的医学图像三维可视化技术,包括表面渲染中的运动立方体算法和体绘制中的光线投射方法等。重点阐述了这些渲染算法的实现原理和特点,并对体绘制中的相关算法进行了算法评估。
(5)主要测试系统实现结果并解释显示结果。主要包括图像转换模块;三维重建模块:体绘制和表面绘制结果显示;切割模块:调整杆的方向,在任何方向切割图像;三个正交平面显示模块:滑动滑块显示三个正交平面的不同切片;DICOM图像部分信息显示等。

参考
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