醫(yī)學(xué)圖像處理及三維重建技術(shù)研究

前言

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得醫(yī)學(xué)圖像信息分析與處理手段不斷改進(jìn)，診療水平大大提高，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已越來越離不開醫(yī)學(xué)影像。醫(yī)學(xué)影像在臨床診斷、教學(xué)科研等方面正發(fā)揮著極其重要的作用。人體組織器官的二維圖像（CT圖像和核磁共振圖像MRI等）對(duì)于醫(yī)生分析患者的病情、輔助診斷起到了積極的作用。但由于人體組織器官的形態(tài)多樣、構(gòu)造復(fù)雜，醫(yī)生僅通過肉眼觀察二維圖像，難以準(zhǔn)確地確定病灶的空間位置、大小、幾何形狀及其與周圍組織的空間關(guān)系。同時(shí)，僅依靠二維圖像進(jìn)行診斷的方式，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)圖像中所蘊(yùn)涵的人體組織器官的信息遠(yuǎn)沒有得到充分的利用。利用計(jì)算機(jī)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化等方面的知識(shí)和技術(shù)，對(duì)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析與處理，對(duì)人體組織和病灶進(jìn)行三維建模，確定組織和病灶的空間位置、大小、幾何性質(zhì)及其與周圍組織的空間關(guān)系，并將復(fù)雜的三維信息及其相互關(guān)系實(shí)時(shí)、直觀地顯示給醫(yī)生，可以幫助他們進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析，設(shè)計(jì)精確的治療計(jì)劃，提高診治的準(zhǔn)確性和有效性，從而提高醫(yī)療診斷水平。因此，醫(yī)學(xué)圖像處理及其三維重建技術(shù)的研究和應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前，世界上有很多國家的研究機(jī)構(gòu)正致力于這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)工作，并且已經(jīng)研究出一些面向臨床的醫(yī)學(xué)影像三維可視化系統(tǒng)，國內(nèi)外的研究者在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果，但由于醫(yī)學(xué)圖像的研究對(duì)象是如此的復(fù)雜和神秘，研究所涉及的領(lǐng)域和學(xué)科是如此的寬廣，因此這個(gè)領(lǐng)域還有很多方面有待于進(jìn)一步探索，有待于提出新的、有針對(duì)性的理論和方法來進(jìn)行研究。有鑒于此，我們結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的有關(guān)研究成果編成此書。醫(yī)學(xué)圖像分析與處理的研究歷史雖然相對(duì)較短，但成果卻十分豐富。因此，本書在取材和章節(jié)安排上頗費(fèi)心思。考慮本書的讀者對(duì)象和國內(nèi)教學(xué)的實(shí)際情況，力圖在書中較為完整地介紹若干典型的醫(yī)學(xué)圖像分析和處理方法及實(shí)例，而不追求面面俱到。因此，本書難免有掛一漏萬之憾。本書引用了大量國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，沒有他們的創(chuàng)造性工作，就不可能有本書的問世，在這里對(duì)他們的辛勤勞動(dòng)和貢獻(xiàn)表示崇高的敬意和感謝。鑒于作者的水平有限，書中疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)、指正。

內(nèi)容概要

本書以醫(yī)學(xué)圖像三維成像過程的各個(gè)階段為主線，系統(tǒng)地介紹了醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理，闡述了圖像的分割、插值、網(wǎng)格簡化、繪制及應(yīng)用等方面的基本概念、基本理論、基本方法和應(yīng)用實(shí)例。全書共分7章，可分為三個(gè)部分，第一部分(第1～3章)介紹與醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理相關(guān)的主要技術(shù)；第二部分(第4、5章)詳細(xì)介紹醫(yī)學(xué)圖像的分割、插值及圖形圖像融合的相關(guān)理論、方法與應(yīng)用實(shí)例；第三部分(第6、7章)主要介紹三維成像過程的圖像簡化、三維建模、科學(xué)計(jì)算可視化等理論、方法和應(yīng)用技術(shù)。本書著重討論醫(yī)學(xué)圖像分析與處理中最基本和最成熟的方面，并在一定程度上反映了國內(nèi)外的當(dāng)前工作?！　”緯勺鳛楦叩仍盒８吣昙?jí)本科生、研究生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像分析與處理的教材或教學(xué)參考書，也可供有關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言 第1章 緒論 　1.1 引言 　1.2 醫(yī)學(xué)圖像信息處理 　　1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 　　1.2.2 醫(yī)學(xué)影像的配準(zhǔn)與融合 　　1.2.3 醫(yī)學(xué)影像的插值 　　1.2.4 醫(yī)學(xué)影像的分割 　1.3 醫(yī)學(xué)圖像重建與可視化 　　1.3.1 三維空間數(shù)據(jù)場可視化 　　1.3.2 三維數(shù)據(jù)建模 　　1.3.3 三維空間數(shù)據(jù)場可視化流程 　1.4 醫(yī)學(xué)圖像處理與重建技術(shù)綜述 　　1.4.1 醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理 　　1.4.2 醫(yī)學(xué)圖像融合 　　1.4.3 醫(yī)學(xué)圖像的插值 　　1.4.4 醫(yī)學(xué)圖像的分割 　　1.4.5 醫(yī)學(xué)圖像的三維表面重建方法 　1.5 醫(yī)學(xué)圖像處理與三維建模技術(shù)的應(yīng)用 　參考文獻(xiàn) 第2章 DICOM圖像處理 　2.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn) 　　2.1.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生及發(fā)展 　　2.1.2 DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容 　2.2 DICOM信息結(jié)構(gòu)模型 　　2.2.1 信息對(duì)象定義 　　2.2.2 服務(wù)/對(duì)象對(duì) 　　2.2.3 服務(wù)類 　2.3 DICOM文件格式 　　2.3.1 DICOM文件結(jié)構(gòu) 　　2.3.2 像素?cái)?shù)據(jù)的格式 　2.4 DICOM圖像顯示 　　2.4.1 DIB位圖 　　2.4.2 圖像類定義 　　2.4.3 顯示實(shí)現(xiàn) 　2.5 CT圖像的窗口變換技術(shù) 　2.6 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第3章 多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù) 　3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 　　3.1.1 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法 　　3.1.2 醫(yī)學(xué)圖像融合 　3.2 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn) 　　3.2.1 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的原理與基本步驟 　　3.2.2 幾何變換 　　3.2.3 圖像插值 　　3.2.4 相似性測(cè)度 　　3.2.5 優(yōu)化算法 　3.3 基于互信息的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn) 　　3.3.1 熵及互信息 　　3.3.2 互信息法的原理 　　3.3.3 互信息法的討論 　　3.3.4 算法分析與設(shè)計(jì) 　　3.3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 　3.4 醫(yī)學(xué)圖像融合 　　3.4.1 醫(yī)學(xué)圖像融合的分類 　　3.4.2 圖像融合的特點(diǎn) 　　3.4.3 醫(yī)學(xué)圖像融合的步驟 　　3.4.4 圖像融合效果的評(píng)價(jià) 　3.5 基于小波系數(shù)區(qū)域相似度的醫(yī)學(xué)圖像融合 　　3.5.1 基于小波變換的圖像融合 　　3.5.2 小波系數(shù)區(qū)域相似度 　　3.5.3 算法分析與設(shè)計(jì) 　　3.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析 　3.6 基于多小波變換的醫(yī)學(xué)圖像融合 　　3.6.1 多小波變換原理 　　3.6.2 基于多小波變換的融合過程 　　3.6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析 　3.7 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第4章 斷層醫(yī)學(xué)圖像插值 第5章 醫(yī)學(xué)圖像分割 第6章 三維模型構(gòu)建與網(wǎng)格簡化 第7章 三維繪制及可視化技術(shù)

章節(jié)摘錄

插圖：醫(yī)學(xué)是關(guān)系到千千萬萬人身心健康的應(yīng)用學(xué)科，醫(yī)學(xué)的發(fā)展水平體現(xiàn)了一個(gè)國家人民的生活標(biāo)準(zhǔn)，代表了一個(gè)國家的綜合國力。自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，醫(yī)療診斷方式已發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的緊密結(jié)合及其技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得醫(yī)學(xué)圖像信息分析與處理手段不斷改進(jìn)，診療水平大大提高，從而使得現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已越來越離不開醫(yī)學(xué)影像，醫(yī)學(xué)影像在臨床診斷、教學(xué)科研等方面正發(fā)揮著極其重要的作用。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備只是簡單地對(duì)人體某些斷層進(jìn)行掃描以獲得對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，然后由影像設(shè)備輸出到膠片或顯示屏幕供醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行觀察。但無論是通過膠片觀察還是輸出到屏幕顯示，醫(yī)務(wù)人員能夠依賴并進(jìn)行診斷的依據(jù)依然是二維影像，而且在觀察時(shí)只能以固定方式進(jìn)行，這樣所得到的診斷結(jié)果必然帶有醫(yī)生的主觀判斷，因此診斷結(jié)果的準(zhǔn)確與否與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系。圖像處理和三維重建技術(shù)的運(yùn)用可以將醫(yī)療影像數(shù)據(jù)的真實(shí)感官效果展示給診斷人員，使其準(zhǔn)確地確定病灶的空間位置、大小、幾何形狀及其與周圍組織的空間關(guān)系，可以對(duì)病人的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行多方位、多層次的觀察，減少主觀判斷和臨床經(jīng)驗(yàn)不足對(duì)診斷結(jié)果造成的影響。通過醫(yī)學(xué)圖像處理和三維重建還可以輔助醫(yī)生對(duì)病人已經(jīng)病變的組織進(jìn)行定性或者準(zhǔn)確的定量分析，從而使醫(yī)療影像設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的利用價(jià)值得到最大程度的發(fā)揮，提高診斷的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像的三維重建之前，首先需要從醫(yī)學(xué)影像設(shè)備輸出規(guī)定格式的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理以獲得高清晰的影像數(shù)據(jù)，并按照疾病診斷的需要進(jìn)行必要的分割。在獲得準(zhǔn)確的病灶分割圖像后，為保證重建的三維圖像的精確度，需要在不同的位片之間進(jìn)行圖像插值，形成一定數(shù)量的虛擬切片。為減少重建時(shí)的計(jì)算量，提高三維重建的速度，在三維重建之前必須建立三維模型并進(jìn)行簡化。

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