论文总字数：29845字

摘 要

医学图像可视化技术的研究可以追溯到20世纪70年代。尽管它的发展时间并不长，但这个技术已经彻底改变了医学。现代医学的大部分诊断依赖于MRI和CT扫描仪的三维成像，二者都可以用二维切片表达三维图像。大部分外科手术和癌症治疗都依赖它。多平面重建是其中的一个常用技术。本文结合VTK、ITK实现了多平面重建。本文的主要内容有以下几点：

1. 平面重建：对指定的组织进行冠状面、矢状面、横断面、任意斜面的计算和显示。
2. 曲面重建：在平面重建的基础上，获取用户在冠状面、矢状面、横断面上画的折线，对折线进行拟合，然后基于拟合曲线生成目标曲面并映射到平面上进行显示。
3. 曲线拟合：采用B样条曲线和二次曲线拟合有序点集
4. 读取已实现目标分割的NIFTI数据，并叠加到原始NIFTI图像的冠状面、矢状面、横断面上显示

本文在Win10系统下，基于QT、VTK、ITK实现一个DICOM图像的可视化软件，提供医学图像读取和显示、多平面重建等功能。

关键词：医学图像可视化，多平面重建，VTK，DICOM，曲线拟合

Research on Multiplanar Reconstruction of Medical Images

71115112 Yu Zechen

Advisor Tang Hui

Abstract

The research of medical image visualization technology can be traced back to the 1970s. Despite its youth， these techniques have revolutionized medicine. Much diagnosis of modern medicine relies on the 3D imaging that is possible with magnetic resonance imaging (MRI) scanners and computed tomography (CT) scanners， which make 3D images out of 2D slices. Most surgery and cancer treatment rely on it. Multiplanar reformation (MPR) is a common technique in medical image visualization. This paper combines VTK and ITK to implement multiplanar reconstruction. The main contents of this paper are as follows:

1. Planar reformation: calculate and display the coronal， sagittal， transverse or arbitrary inclined planes of the assigned tissues.

2. Curved planar reformation (CPR): on the basis of planar reconstruction， get and fit any polygonal lines drawn by users on coronal， sagittal or transverse plane， and then the target surface is generated based on the fitting curve and mapped to the plane for display.

3. Curve fitting: use B-spline curve and quadratic curve to fit an ordered point set.

4. Read segmented NIFTI data and display them on coronal， sagittal and transverse plane of original NIFTI images.

In this paper， the DICOM image visualization software based on QT， VTK and ITK is built in Win10 system， which provides functions including reading and displaying medical sequence images， multiplanar reconstruction and so on.

KEY WORDS: Medical sequence images visualization， MPR， VTK， DICOM， Curve fitting

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2医学图像可视化技术的发展历史及现状 2

1.3论文主要工作及结构安排 3

第二章 多平面重建系统设计 4

2.1开发环境与开发工具包 4

2.1.1开发环境 4

2.1.2 VTK 4

2.1.3 ITK 5

2.2系统设计 6

2.3本章小结 6

第三章 DICOM数据模块 7

3.1 DICOM文件读取 7

3.1.1医学图像 7

3.1.2 DICOM 7

3.1.3实现 8

3.2图像插值 9

3.2.1最近邻插值 9

3.2.2线性插值 9

3.2.3三次插值 10

3.2.4实现 11

3.3本章小结 11

第四章 平面重建和曲面重建模块 12

4.1平面重建 12

4.1.1平面重建原理 12

4.1.2平面重建模块实现 12

4.2曲面重建 15

4.2.1曲面重建原理 15

4.2.2曲面重建模块实现 16

4.3本章小结 17

第五章 曲线拟合模块 18

5.1点集提取 18

5.1.1 VTK坐标系 18

5.1.2透视投影 19

5.1.3射线投射法 20

5.2曲线拟合 20

5.2.1样条曲线 20

5.2.2最小二乘法拟合二次多项式 22

5.3本章小结 25

第六章 图像融合模块 26

6.1 NIFTI 26

6.1.1概述 26

6.1.2 NIFTI文件 26

6.2图像分割 27

6.2.1阈值分割 28

6.2.2边缘检测 28

6.3图像融合模块实现 29

6.4本章小结 31

第七章 总结与展望 32

7.1总结 32

7.2展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

医学图像可视化技术因医学影像技术而生。医学影像技术则起源于X射线。1895年，物理学家伦琴发现X射线，并在之后将之应用于医学。用X射线穿透身体照射到胶片上以产生图像，这就是最早的医学影像技术。得益于二战中雷达与声纳技术的发展，二十世纪五、六十年代出现了另一个医学影像技术——超声波扫描。二十世纪七十年代出现了最早的数字成像技术，即计算机断层扫描(Computed Tomography Scanner，CT)技术。二十世纪八十年代之后出现了越来越多的数字成像技术，如磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、正电子发射计算机断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)等^[1]。数字成像技术有许多好处，如能够使用计算机技术增强图像、易于存储记录等。

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