基于醫(yī)學(xué)斷層圖像的網(wǎng)格生成技術(shù)研究.pdf

1、隨著CT、MRI等醫(yī)學(xué)斷層掃描技術(shù)的發(fā)展，人體解剖結(jié)構(gòu)三維幾何信息能夠以醫(yī)學(xué)斷層圖像的形式很方便地獲取?；卺t(yī)學(xué)斷層圖像進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格生成，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用，也是開展虛擬手術(shù)仿真研究的前提與關(guān)鍵。基于醫(yī)學(xué)斷層圖像對人體器官組織進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格生成，當(dāng)前主要有兩種不同的技術(shù)路線，即基于輪廓的網(wǎng)格生成技術(shù)和基于柵格的網(wǎng)格生成技術(shù)?；谳喞募夹g(shù)路線首先從二維醫(yī)學(xué)斷層圖像中提取目標(biāo)輪廓序列，然后在相鄰層輪廓之間重建三維

2、面網(wǎng)格與體網(wǎng)格。這類方法能靈活控制網(wǎng)格生成的密度和精度，但當(dāng)幾何對象包含孔洞、分支等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，解決輪廓對應(yīng)、分支等拓?fù)鋯栴}有一定困難。在基于柵格的技術(shù)路線中，醫(yī)學(xué)斷層圖像序列首先被封裝成帶分類標(biāo)識的三維體數(shù)據(jù)，構(gòu)建背景柵格，然后從背景柵格中提取等值面作為表面網(wǎng)格，最后在等值面內(nèi)部剖分體單元以生成體網(wǎng)格。該網(wǎng)格生成技術(shù)線路能夠自然地處理拓?fù)溥B接問題，但生成的網(wǎng)格通常含龐大數(shù)量的單元。 因其良好的幾何特性，三角形網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格成為各類手

3、術(shù)仿真中使用最為廣泛的幾何模型。圍繞虛擬手術(shù)仿真中人體器官組織幾何建模問題，本文深入研究基于醫(yī)學(xué)斷層圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建幾何網(wǎng)格模型的相關(guān)技術(shù)，涉及醫(yī)學(xué)圖像處理、二維網(wǎng)格生成、三維網(wǎng)格生成、網(wǎng)格后處理等幾方面。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究醫(yī)學(xué)圖像分割與輪廓提取技術(shù)，提出一種改進(jìn)的Snake最短路徑算法。算法將經(jīng)典Snake模型的變形能量轉(zhuǎn)化成與圖像梯度相關(guān)的勢能圖，采用A*方法搜索勢能圖的全局最短路徑作為目標(biāo)輪廓。該算法有效降低了Sn

4、ake模型對初始輪廓的敏感性，將初始化工作簡化為指定若干輪廓特征點(diǎn)。能量極小化問題被轉(zhuǎn)化為搜索全局最短路徑，保證了算法的收斂性。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)的Snake最短路徑算法初始化工作簡單，能準(zhǔn)確快速地提取目標(biāo)輪廓。⑵給定斷層輪廓多邊形，研究平面域的二維三角形網(wǎng)格生成技術(shù)。算法采用耳尖移除法對輪廓多邊形實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格初始劃分，并結(jié)合最長邊平分技術(shù)和Delaunay邊交換提出DLEB網(wǎng)格加密方法，根據(jù)指定密度對初始網(wǎng)格逐步加密。實(shí)驗(yàn)表明，該算法適用于復(fù)

5、雜平面域的三角形網(wǎng)格生成，能較好地控制網(wǎng)格密度與單元形狀質(zhì)量。⑶給定斷層輪廓序列，研究上、下相鄰層間的三角形表面網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格生成問題。在三角形表面網(wǎng)格重構(gòu)方面，設(shè)計(jì)了一種綜合考慮覆蓋面積與距離的輪廓對應(yīng)系數(shù)，用于解決輪廓對應(yīng)問題；提出一種帶全局約束的面片連接規(guī)則，以保證層間面片連接的收斂性；針對輪廓分支問題，采用中軸插值法重構(gòu)分支軌跡。在四面體網(wǎng)格生成方面，提出一種基于組算子的AFT技術(shù)，從層間多面體的三角形表面網(wǎng)格出發(fā)，向內(nèi)部逐步

6、剖分四面體單元。前沿隊(duì)列中僅包含斷層平面上的邊界三角形，并采用組算子一次生成多個(gè)四面體單元。針對無法繼續(xù)剖分的內(nèi)核多面體，基于幾何特征計(jì)算Steiner點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的完全剖分。⑷給定帶分類標(biāo)識的三維圖像數(shù)據(jù)，采用等值面提取與填充方法重構(gòu)出三角形表面網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格。算法采用Dual Contouring方法從事先構(gòu)造的背景柵格中提取等值面作為表面網(wǎng)格，能較好地保持邊界幾何特征。定義了一套四面體劃分模板，實(shí)現(xiàn)等值面邊界區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域的四

7、面體單元剖分。對基于八叉樹結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)網(wǎng)格生成中出現(xiàn)的T型點(diǎn)問題，提出基于邊平分技術(shù)的T型點(diǎn)消除方法，以保證網(wǎng)格的拓?fù)湎嗳菪?。⑸研究網(wǎng)格平滑、網(wǎng)格重劃分和網(wǎng)格簡化等網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)，提出一個(gè)基于隊(duì)列迭代的網(wǎng)格后處理框架，同步實(shí)現(xiàn)四面體網(wǎng)格的質(zhì)量提升與規(guī)模簡化。篩選四面體網(wǎng)格中低質(zhì)量單元，形成待處理的單元隊(duì)列。采用收縮、平滑或拓?fù)渥儞Q等不同操作對低質(zhì)量單元進(jìn)行優(yōu)化處理，使其鄰域質(zhì)量得到提高。當(dāng)隊(duì)列中的單元全部處理完畢后，更新隊(duì)列并開始下一輪迭