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电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA专业学位硕士学位论文MASTERTHESISFORPROFESSIONALDEGREE论文题目医学影像三维重建系统的研究与实现专业学位类别工程硕士学号201322070532作者姓名卢开文指导教师蒲立新副教授分类号密级UDC注1学 位 论 文 医学影像三维重建系统的研究与实现（题名和副题名）卢开文（作者姓名）指导教师蒲立新副教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士专业学位类别工程硕士工程领域名称控制工程提交论文日期2016年4月28日论文答辩日期2016年5月9日学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月28日答辩委员会主席邹见效评阅人金卫王子斌注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。RESEARCHANDIMPLEMENTAIONOFMEDICALIMAGE3DRECONSTRUCTIONSYSTEMAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MasterofEngineeringAuthor:LuKaiwenAdvisor:PuLi-xinSchool:SchoolofAutomationEngineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要医学影像三维重建技术通过二维切片序列重建出组织、器官的完整三维模型，并在重建后的三维图像上进行测量、标注、分割等操作。完整、准确的三维立体图像可以多角度、多层次的展示组织区域内部的细节信息，为临床诊断、外科手术、放射治疗、假肢制作等医学应用提供重要支撑。目前的医学影像三维重建系统已应用于医学领域，基本能满足临床对三维重建系统的需求，但还是普遍存在重建速度慢，过度依赖于硬件设备；特定组织重建效果不理想；大数据量序列图像重建失败等不足。针对当前医学影像三维重建系统的不足，更大的发挥三维重建技术在医学应用中的突出优势，为更多的医学难点提供解决法案，仍是当前三维重建技术研究的一个重点方向。本文针对当前三维重建系统绘制速度慢、交互不畅的问题，重点研究如何在保证绘制质量的同时提高绘制速度。深入研究了三维重建中的光线投影算法原理和图形处理单元GPU的硬件架构、工作原理。利用VTK可视化工具包结合GPU编程实现了基于GPU的体绘制算法，并与传统算法重建效果进行了对比试验，结果表明基于GPU的重建算法相对传统CPU的重建算法在重建速度上得到大幅度提升。针对心血管疾病的高发性和临床诊断的高难度问题，本文深入研究了医学图像格式、数字图像处理技术并结合心脏CT图像的影像特点，改进了模糊聚类算法和水平集分割算分，实现了高质量的心脏CT序列自动化分割，并将分割结果用于重建心脏的完整三维图像，为心脏疾病的诊断带来极大的便利。昀后，在Windows7系统、VS2010上结合ITK、DCMTK、VTK工具包搭建了64位工程，采用C++编程语言进行系统实现。实现了二维图像读取与显示、心脏序列自动分割重建、多平面重建、面绘制重建、体绘制重建和重建后三维图像的人工交互等功能。采用64位系统提高了系统的吞吐量解决了大数据序列重建失败的问题。关键词：三维重建，心脏分割，GPUABSTRACTIIABSTRACTMedicalimage3Dreconstructionisatechnologywhichreconstructsthetwo-dimensional(2D)medicalimagesequencesintostereoscopiceffectofthreedimensionalimageoforgan,andprovidesuserswithaseriesofinteractivefunctions,andthefunctionsofmeasurementandsegmentationonthethree-dimensionalimage.Completeandaccuratethree-dimensionalimagecanbemulti-angleandmulti-levelshowthedetailofinternalorgans,andprovideimportantsupportfortheclinicaldiagnosis,surgery,radiationtherapy,prostheticproductionandothermedicalapplications.Thecurrentmedicalimagereconstructionsystemhasbeenusedinthemedicalfield,canbasicallymeettheclinicaldemandforthree-dimensionalreconstructionofthesystem,butstillwidespreadhavetheproblemofreconstructionisslow,over-relianceonahardwaredevice,specifictissuereconstructionisnotideal,andcannotreconstructionlargeamountsofdatasequence,etc.Aimingatcoveringtheshortageofthecurrentthree-dimensionalmedicalimagereconstructionsystem,toplayagreaterthree-dimensionalreconstructionoutstandingadvantagesinmedicalapplications,formoremedicaldifficultiesprovidingsolutionsbillisstillafocusofthecurrentdirectionofthethree-dimensionalreconstructiontechnologyresearch.Inthispaper,inordertosolvetheproblemsofthecurrentsystemofdrawingthree-dimensionalreconstructionisslow,poorinteraction.Focusonhowtoimprovetherenderingspeedandensurequalitywhiledrawing.Depthstudyofthree-dimensionalreconstructionoftheraycastingalgorithmprinciple,thehardwarearchitectureandworkingprincipleofgraphicsprocessingunitGPU.UseVTKvisualizationtoolkitcombinedwithGPUprogrammingimplementsGPU-basedvolumerenderingalgorithm,andwiththetraditionaleffectsofreconstructionalgorithmcomparisontest.TheresultsshowthatalgorithmbasedonGPUrelativelytraditionalCPUhasbeenimprovedsignificantlyonthespeedofreconstruction.Inthispaper,in-depthstudyofmedicalimageformat,digitalimageprocessingtechnologycombinedwithimagingfeaturesofcardiacCTimages,Improvedfuzzyclusteringalgorithmandthealgorithmoflevelsetsegmentation,toachievehigh-qualitysequenceofcardiacCTautomatedsegmentation.Andthesegmentationresultsareusedtorebuildthecomplete3dimageofheart,forthediagnosisofheartdiseasehasbroughtABSTRACTIIIgreatconvenience.Finally,inWindows7system,VS2010combinedITK,DCMTK,VTKtoolkitbuilt64projects,usingtheC++programminglanguageforsystemimplementation.Toachieveatwo-dimensionalimagereadinganddisplay,automaticsegmentationofcardiacsequencereconstruction,multi-planarreconstruction,surfacerenderingreconstruction,volumerenderingreconstructionandhumaninteractionsreconstructedimageandotherfunctions.The64bitmedicalimage3Dreconstructionsystemimprovesthethroughputofthesystemsolvedtheproblemofbigdatasequencereconstructionfailure.Keywords:3Dreconstruction,cardiacsegmentationalgorithm,GPU目录IV目录 第一章绪论......................................................................................................................................1 1.1课题应用背景与研究意义...................................................................................................1 1.2课题研究情况.......................................................................................................................3 1.3论文主要工作.......................................................................................................................4 1.4章节安排.............................