X射线摄影重建容积图像（CV）及体视化理论研究
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摘要
CT作为一种重要的医学图像扫描器件。目前已经成为放射诊断领域内不可缺少的一部分,是一种成熟的、在临床上普遍认可的检查方法。但是,任何技术的发展都有待提高和进一步改进的地方。
CT是利用X射线来达到成像的目的,X射线摄影可以获得被摄影对象的平面影像。由于CT机用机械的方式模拟Radon变换的扫描无法一次确定每条X光线所经过的物体的体素,所以用准直系统屏蔽了大部分的X光线,这样使得每次扫描所获得的数据只能是物体上的一个断层或几个断层的数据。由此导致扫描所重建的图像只能是一个断面或几个断面,再由多个断面重建物体的容积图像。这种机械模拟的方式大大限制了其扫描速度,为了提高扫描速度CT技术采用的两种方式:增加探测器数量和改变扫描方式。这两种方式在增加CT制造难度的同时,没有取得更好的实际效果,重建出来的图像依然是断层图像。
本文由CT应用的两大技术受到启发,应用了航空摄影测量学的定位方法提出了另一种CT扫描理论—X射线摄影重建容积图像。该理论借鉴了摄影测量的定位方法在被摄物体上做多个标志点,通过标志点坐标和其在影像上的坐标的转换关系,使得每次摄影可以同时确定入射到X像片平面的所有X射线光束路径。这样重建出来的图像是整个物体的容积图像。CV理论改变了传统CT扫描的定位方式,该理论的实现能提高扫描速度、降低CT机的制造难度、提高重建图像的分辨率等综合性能。
同时,CV理论的实现改变了另一相关科学研究领域—医学图像体视化的方法和内容。基于CT断层图像的体视化需要将断层图像校正、插值等处理来通过不同的体视化方法显示物体的三维结构。而基于CV理论的体视化不需要这些操作,大大简化了体视化的方法步骤。为了更形象的说明基于这两种理论的体视化方法的异同,本文在MFC框架下调用OpenGL函数建立了一体视化框架,在这个框架下虚拟实现了基于CV理论的容积图像显示,并且对这一容积图像实现了两种不同的体视化显示方法,基于体视的显示方法和基于表面的显示方法。
本文是一篇理论性的文章,所有的知识点都是围绕X射线摄影重建容积图像这一理论而展开的,通过相关知识点的融合、比较和论证,得出了一个结论,如果CV理论的能够得以实现,可以说相对于现有CT技术是一次大的变革。但是该理论的可行性还需要进一步的实践来加以检验。
Computed Tomography is an important physical image scanning apparatus. In current days, CT has being becomes indispensable parts in radiology diagnosis fields and becomes maturated and indispensable inspect means in clinic. But, any technology always has itself disadvantage and need ameliorate place.
CT makes use of X-ray to reconstruct image. X-ray photographing can get a flat image about scanned object. At present, the scanning methods of CT utilizes rigid machine slip ring to meet Radon transform that cause no way to fix on each X-ray pass through those object voxel. So using filtration system shield a majority of X-ray. That a scanning only get one or several fault scanning data, thereby CT can but to reconstruct one or several fault images. And then make using of mult-fault image to reconstruct volume image. The machine simulative scanning methods right smart restrict its scanning velocity, CT technology development mainly focus on how to heighten its scanning velocity and efficiency, for the sake of it adopt two means: increasing detector number and alter scanning means. Those means increase the difficultly of machine manufacturing moreover no attaining expected result.
The paper obtains enlighten from CT application's two technological principles and adopts Remote Sensing orientation theory to present the other one CT scanning theory-X-Ray Photographing Reconstruct Volumetric Image(CV). CV using photographing method put multi-marked points on photographed object.and depending on marked-points coordinate and its image coordinator's transform relation. It can fix on X-ray path including all X-ray in X-image immediately. So the reconstructed image is three-dimensional volume image about scanned object. CV theory change orientation method about CT sanning image. Furthermore it comes true can debase the making difficulty of CT, heighten reconstruct image resolution and scanning velocity etc.
Commonly, CV theory has altered the other one mutuality science research fields' mehtods and contents about physical image volume visualization. Volume visualization based on fault image needs proofread and insert value fault image to display object's three-dimensional structure by various volume visualization methods. And that volume visualization based on CV theory no needs the above manipulations and maximum reduce means and approaches. For more detailed account for volume visualization method's distinguish based on the above two theory. This paper builded a frame of volume visualization adopting OpenGL API in MFC. And then realizing a volume visualization based on CV theory by virtual reality. Including realizing two vaious volume visualization display means surface based rendering and voxel based redering.
This paper is an academic article, all knowledge focus on X-ray photographing reconstruct volumetric image. After syncretizing, comparing and demonstrating all viewpoints, as a result, that CV will become true, it is a new innovation for currently CT technology. But the theory feaibility is yet must more practicing and testing.
CT是利用X射线来达到成像的目的,X射线摄影可以获得被摄影对象的平面影像。由于CT机用机械的方式模拟Radon变换的扫描无法一次确定每条X光线所经过的物体的体素,所以用准直系统屏蔽了大部分的X光线,这样使得每次扫描所获得的数据只能是物体上的一个断层或几个断层的数据。由此导致扫描所重建的图像只能是一个断面或几个断面,再由多个断面重建物体的容积图像。这种机械模拟的方式大大限制了其扫描速度,为了提高扫描速度CT技术采用的两种方式:增加探测器数量和改变扫描方式。这两种方式在增加CT制造难度的同时,没有取得更好的实际效果,重建出来的图像依然是断层图像。
本文由CT应用的两大技术受到启发,应用了航空摄影测量学的定位方法提出了另一种CT扫描理论—X射线摄影重建容积图像。该理论借鉴了摄影测量的定位方法在被摄物体上做多个标志点,通过标志点坐标和其在影像上的坐标的转换关系,使得每次摄影可以同时确定入射到X像片平面的所有X射线光束路径。这样重建出来的图像是整个物体的容积图像。CV理论改变了传统CT扫描的定位方式,该理论的实现能提高扫描速度、降低CT机的制造难度、提高重建图像的分辨率等综合性能。
同时,CV理论的实现改变了另一相关科学研究领域—医学图像体视化的方法和内容。基于CT断层图像的体视化需要将断层图像校正、插值等处理来通过不同的体视化方法显示物体的三维结构。而基于CV理论的体视化不需要这些操作,大大简化了体视化的方法步骤。为了更形象的说明基于这两种理论的体视化方法的异同,本文在MFC框架下调用OpenGL函数建立了一体视化框架,在这个框架下虚拟实现了基于CV理论的容积图像显示,并且对这一容积图像实现了两种不同的体视化显示方法,基于体视的显示方法和基于表面的显示方法。
本文是一篇理论性的文章,所有的知识点都是围绕X射线摄影重建容积图像这一理论而展开的,通过相关知识点的融合、比较和论证,得出了一个结论,如果CV理论的能够得以实现,可以说相对于现有CT技术是一次大的变革。但是该理论的可行性还需要进一步的实践来加以检验。
Computed Tomography is an important physical image scanning apparatus. In current days, CT has being becomes indispensable parts in radiology diagnosis fields and becomes maturated and indispensable inspect means in clinic. But, any technology always has itself disadvantage and need ameliorate place.
CT makes use of X-ray to reconstruct image. X-ray photographing can get a flat image about scanned object. At present, the scanning methods of CT utilizes rigid machine slip ring to meet Radon transform that cause no way to fix on each X-ray pass through those object voxel. So using filtration system shield a majority of X-ray. That a scanning only get one or several fault scanning data, thereby CT can but to reconstruct one or several fault images. And then make using of mult-fault image to reconstruct volume image. The machine simulative scanning methods right smart restrict its scanning velocity, CT technology development mainly focus on how to heighten its scanning velocity and efficiency, for the sake of it adopt two means: increasing detector number and alter scanning means. Those means increase the difficultly of machine manufacturing moreover no attaining expected result.
The paper obtains enlighten from CT application's two technological principles and adopts Remote Sensing orientation theory to present the other one CT scanning theory-X-Ray Photographing Reconstruct Volumetric Image(CV). CV using photographing method put multi-marked points on photographed object.and depending on marked-points coordinate and its image coordinator's transform relation. It can fix on X-ray path including all X-ray in X-image immediately. So the reconstructed image is three-dimensional volume image about scanned object. CV theory change orientation method about CT sanning image. Furthermore it comes true can debase the making difficulty of CT, heighten reconstruct image resolution and scanning velocity etc.
Commonly, CV theory has altered the other one mutuality science research fields' mehtods and contents about physical image volume visualization. Volume visualization based on fault image needs proofread and insert value fault image to display object's three-dimensional structure by various volume visualization methods. And that volume visualization based on CV theory no needs the above manipulations and maximum reduce means and approaches. For more detailed account for volume visualization method's distinguish based on the above two theory. This paper builded a frame of volume visualization adopting OpenGL API in MFC. And then realizing a volume visualization based on CV theory by virtual reality. Including realizing two vaious volume visualization display means surface based rendering and voxel based redering.
This paper is an academic article, all knowledge focus on X-ray photographing reconstruct volumetric image. After syncretizing, comparing and demonstrating all viewpoints, as a result, that CV will become true, it is a new innovation for currently CT technology. But the theory feaibility is yet must more practicing and testing.
引文
[1]Jiang Hsieh.张朝宗等泽.计算机断层成像技术.北京:科学出版社,2006.
[2]贾永红.计算机图像处理与分析.武汉:武汉大学出版社,2001.
[3]马蔼乃.遥感概论[M].北京:北京大学出版社,1997.
[4]医用X射线机编写组主编.医用X射线机原理、构造与维修.北京:中国医药科技出,1997.
[5]赵荣椿.数字图象处理导论.西安:西北式业大学出版社,1995.
[6]王鸣鹏.实用CT检查技术学.北京:科学技术文献出版社,1999.
[7]余晓锷,卢光文主编.CT设备原理、结构与质量保证.北京:科学出版社,2005.
[8]Willi A.Kalender.崔世民,王冶,谢文石译.计算机体层成像.北京:人民卫生出版社,2003.
[9]包尚联.现代医学影像物理学.北京:北京大学医学出版社,2004.
[10]钱曾波.解析空中三角测量基础.北京:测绘出版社,1980.
[11]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学.武汉:武汉大学出版社,2001.
[12]陈鹰.遥感影像的数字摄影测量.上海:同济大学出版社,2003.
[13]康晓东..医学图像的数字化处理技术.北京:人民工业出版社,2002.
[14]康晓东.现代医学影像技术.北京:天津科技翻译出版社,2002.
[15]唐泽圣.三维数据场可视化.北京:清华大学出版社,1999.
[16]李爱玲.三维医学图像可视化的研究和实现.大连理工大学,2006.
[17]G.Herman,H.Liu.Three Dimensional Display of Human Organs from Computed Tomograms.Computer Graphics&Image Processing,1979,Vol.9.
[18]R.Drebin,L.Carpenter,P.Hanrahan.Volume Rendering Computer Graphics,1988,Vol.22,NO.4,pp65-74.
[19]朱秀昌,刘峰,胡栋.数字图像处理与图像通信.北京:北京邮电大学出版社,2002.
[20]王浩杰.基于虚拟现实的三维河流仿真系统.南京航空航天大学硕士学位论文,2006.
[21]张伟强.大规模散乱数据可视化技术的研究与实现.清华大学博士学位论文,1999.
[22]计算机职业教育联盟主编.Visual C++程序设计基础教程.北京:清华大学出版,2003.
[23]张海棠主编.VC++编程指南.北京:航空工业出版社,1999.
[24]罗斌等.Visual C++编程技巧精选.北京:中国水利水电出版社,2005.
[25]姚领田,高守传等.MFC窗口程序设计.北京:中国水利水电出版社,2007.
[26]谭锋.Visual C++程序设计实训教程.北京:科学出版社,2003.
[27]候俊杰.深入浅山MFC第_二版.武汉:华中科技大学出版社,2001.
[28]OpenGL体系结构审查委员会.Dave Shreiner、Mason Woo、Jackie Neider等.OpenGL 编程指南(第四版).北京:人民邮电出版社,2005.
[29]利平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发·高级编程篇.中国水利水电出版社,2002.
[30]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发·系统开发篇.北京:中国水利水电出版社,2002.
[31]李颖,薛海斌,朱伯立等.OpenGL技术应用实例精粹.北京:国防工业出版社,2001.
[32]费广正,乔林.Visual C++6.0高级编程技术·OpenGL篇.北京:中国铁道出版社,2003.
[33]江早主编.OpenGL VC/VB图形编程.北京:科学出版社,2001.
[34]何援军.计算机图形学.北京:机械工业出版社,2006.
[35]Samuel R.Buss.唐龙译.3D计算机图形学.北京:清华大学出版社,2006.
[36]孙正兴,周良,郑洪源等.计算机图形学教程.北京:机械工业出版社,2006.
[37]Donald Hearn、M.Pauline Baker.蔡士杰,吴春镕等译.计算机图形学.北京:电子工业出版社,2002.
[38]乔木.基于OpenGL的虚拟场景建模技术的研究.郑州大学硕士学位论文,2005.
[39]徐俊波.基于OpenGL的科学可视化算法研究与实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文,2005.
[40]蒋洪涛.利用OpenGL实现公里线性三维动画技术研究.大连理工大学硕士学位论文,2003.
[41]秦芳.基于OpenGL的织物外观三维模拟.苏州大学硕士学位论文,2006.
[42]冯渊.OpenGL光照处理及外部模型数据化.电子科技大学硕士学位论文,2004.
[43]金岩通.基于OpenGL的视景仿真平台的开发.西北工业大学硕士学位论文,2006.
[44]辛海霞.基于OpenGL的三维河床地形实时可视化技术研究与实现.河海大学硕士学位论文,2005.
[45]韦宇炜.基于OpenGL技术的三维游戏引擎设计.广东工业大学硕士学位论文,2005.
[46]韩庆龙.虚拟心脏介入手术的几何模型构建技术研究.国防科技大学硕士学位论文,2005.
[47]范宜艳.基于NURBS的自由曲面重构技术研究及开发.天津大学精密仪器与光电子工程学院,2004.
[2]贾永红.计算机图像处理与分析.武汉:武汉大学出版社,2001.
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[39]徐俊波.基于OpenGL的科学可视化算法研究与实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文,2005.
[40]蒋洪涛.利用OpenGL实现公里线性三维动画技术研究.大连理工大学硕士学位论文,2003.
[41]秦芳.基于OpenGL的织物外观三维模拟.苏州大学硕士学位论文,2006.
[42]冯渊.OpenGL光照处理及外部模型数据化.电子科技大学硕士学位论文,2004.
[43]金岩通.基于OpenGL的视景仿真平台的开发.西北工业大学硕士学位论文,2006.
[44]辛海霞.基于OpenGL的三维河床地形实时可视化技术研究与实现.河海大学硕士学位论文,2005.
[45]韦宇炜.基于OpenGL技术的三维游戏引擎设计.广东工业大学硕士学位论文,2005.
[46]韩庆龙.虚拟心脏介入手术的几何模型构建技术研究.国防科技大学硕士学位论文,2005.
[47]范宜艳.基于NURBS的自由曲面重构技术研究及开发.天津大学精密仪器与光电子工程学院,2004.