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1、本科毕业设计论文题 目放射治疗计划系统轮廓识别的研究与实现设计论文 毕业 任务书一、题目放射治疗计划系统轮廓识别的研究与实现二、指导思想和目的要求1促进学生综合运用所学的基础理论知识和专业技术知识分析和解决生产开发工作中的实际问题，培养学生的开发能力。2学习和掌握利用各种资料、知识分析和解决实际问题的思路及方法。3了解有关平台的系统设计、更准确地把握软件开发流程。4加深对所学理论、技术知识的理解和掌握。 5通过实践，学习新知识，掌握新技能。项目将研究实现放射治疗计划系统，学生将在其中研究CT图像处理的算法，并实现对CT图像感兴趣区域轮廓的自动提取功能；以及根据病人的CT序列图像重建冠状面和矢状
2、面图像，实时显示出来；并用伪彩色将灰度图像显示出来。三、主要技术指标1.在dot net 2003 下用C+/MFC进行开发；2.对DICOM格式医学图像进行处理及显示；3.实现功能包括：软件框架搭建、CT图像的伪彩色显示、冠状面和矢状面图像重建、感兴趣区域轮廓提取；4.软件整体符合IEC62083医用电器设备放射治疗计划系统的安全要求系统规范。四、进度和要求12007-11-262007-12-9：了解毕业设计任务和熟悉开发环境，准备相关资料；22007-12-102007-12-30：设计基本方案、分析论证；32008-1-12008-2-20：设计方案研制开发；4中期检查：按进度与要求接
3、受教务部门的检查验收；52008-2-212008-3-20：系统调试、修改和完善；62008-3-212008-4-20：毕业设计论文及其相关技术资料文档的整理；72008-4-212008-6-20：毕业设计（论文）答辩，成果演示、验收五、主要参考书及参考资料1 侯俊杰.MFC深入浅出M.华中理工大学出版社,武汉 ,1998年2 张艳君，伽玛刀治疗计划系统中三维表面重建技术研究D.武汉:华中科技大学硕士学位论文，2004年3 周建，放射治疗计划系统中感兴趣区域的分割与可视化D.南京:东南大学硕士学位论文，2005年4 赵云达，基于医学图像的治疗计划软件系统的研究和开发D.西安:西北工业大学
4、硕士论文，2004年5 马兰亚，放射治疗计划系统中感兴趣区域的分割与可视化M.人民邮电出版社，2001年6 陆宗骐，C/C+图像处理编程M.清华大学出版社，2005年7 杨淑莹，VC+图像处理程序设计第二版M.清华大学出版社，北京交通大学出版社，北京，2005年8 National Electrical Manufacturers AssociationS.Digital Imaging Communications in Medicine(DICOM), 1999.29 陈志贤, 医学数字图像通讯(DICOM)标准的介绍J.中国医学影像学杂志，1995年，vol6，32-3510 唐果，赵晓
5、东，汪元美，三维医学图像分割与可视化研究J.计算机学报，1998年，vol3，45-4811 何斌，马天予，Visual C+数字图像处理M.人民邮电出版社,北京，2003年12 周正东，舒华忠，砖文学，罗立民，一种强调放射治疗逆向计划多目标混合优化方法研究J.中国图像图形学报，2003年，vol2，17-2013 严玉龙，鲍旭东，柏毅伽玛刀治疗计划系统GAMMA一TPS的研制J.中国生物医学工程学报，1999年，vol1，13-1614 Sherouse G W, Novins K, Chancy E.Computation of digitally reconstructed radiog
6、raphy for use in radiotherapy treatment designJ. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 1999，vol3， 35-38学生 _ 指导教师 _ 系主任 _目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 项目背景及意义11.1.1 项目来源和背景11.1.2 论文研究内容和意义21.2 国内外研究现状与存在问题4第2章 软件界面框架设计与实现62.1 软件界面框架的设计思想62.2 软件界面框架的实现72.2.1 文档模板的建立72.2.2 布局管理函数的编写72.2.3 布局管理函数的调用方式92.3 小结10第3章
7、图像的伪彩色显示113.1 引言113.2 处理方法介绍123.2.1 密度分割123.2.2 灰度级-彩色变换123.2.3 处理结果123.3 小结13第4章 冠状面和矢状面图像重建的设计与实现144.1 冠状面图像和矢状面图像重建的算法设计144.1.1 引言144.1.2 算法设计144.2 冠状面和矢状面图像重建的实现154.3 重建效果174.4 小结18第5章 感兴趣区域轮廓识别的设计与实现195.1 引言195.2 感兴趣区域提取流程205.3 迭代阈值图像分割225.3.1 算法设计225.3.2 实现过程235.3.3 处理结果分析265.4 图像腐蚀285.4.1 算法介
8、绍285.4.2 实现过程285.4.3 处理结果分析315.5 图像膨胀325.5.1 算法介绍325.5.2 实现过程325.5.3 处理结果分析355.6 图像关运算365.6.1 算法介绍365.6.2 实现过程365.6.3 处理结果分析365.7 图像开运算375.7.1 算法介绍375.7.2 实现过程375.7.3 处理结果分析385.8 轮廓提取385.8.1 算法介绍385.8.2 实现步骤395.8.3 处理结果435.9 轮廓跟踪435.9.1 算法介绍435.9.2 实现过程455.9.3 处理结果分析545.10 小结55第6章 总结与展望56致 谢57参考文献58
9、毕业设计小结59附录60摘 要本文以上海伽玛星科技发展有限公司生产的“GMX-I型陀螺旋转式钴-60放射外科治疗系统”为背景，论文设计实现了放射治疗计划系统RTPS（Radiotherapy Treatment Planning System）中CT图像的处理功能和软件主界面窗体分割功能。论文通过研究现有资料文献，分析其中的案例，研讨其优劣，提出了自己的功能实现方案。论文工作中，CT图像处理包括两部分：一，感兴趣区域的轮廓识别，它的实现用到了一系列图像处理算法，如迭代阈值图像分割算法、边缘提取算法、边缘跟踪算法、图像特殊标记定位。二，矢状面和冠状面图像的重建，利用线性插值方法根据横断面图像重建
10、冠状面和矢状面图像。论文研究的创新处如下：系统实现了对感兴趣区域轮廓的自动化提取，通过对跟踪算法的不断修改，提高了提取成功率和提取算法的容错率。本论文的研究成果已经在项目中投入实际使用，而且该项目已经成功交付给上海伽玛星科技发展有限公司。关键词：感兴趣区域，轮廓识别，图像重建AbstractThis thesis studies Radiotherapy Treatment Planning System (RTPS) using computer image disposition and form division of the software interface. The softwa
11、re is attached to the “GMX-I-Gyro Rotating Cobalt-60 Radiotherapy Treatment System” manufactured by Shanghai Gamma-star Technology Development Co. Ltd. The developing process mainly involves image, form division and so on.The article provides a kind of solution to achieve the function through resear
12、ching existing cases. Form division is designed and implemented to meet the requirements of the entire software interface which is based on multiple sub-form and dynamic switch layout. CT image processing consists of two parts: Firstly, identifies the contour of regional interest using a series of i
13、mage processing algorithms, such as iterative threshold image segmentation algorithm, edge detection algorithm, edge tracking algorithm and image tag locating. Secondly, the sagittal and coronal images of the reconstruction using linear interpolation according to cross-sectional images.Innovation on
14、 the research as follows:It outlines the regions of interest automatically, through continuous improvement improve the successful rate of extraction algorithms and fault-tolerant rate.The research results have been used in the project, and the project has been successfully delivered to Shanghai Gamm
15、a-star Technology Development Co. Ltd.Key words: ROI, Contour Recognition，Image Reconstruction第1章 绪论1.1 项目背景及意义1.1.1 项目来源和背景目前，医学治疗肿瘤的方法主要有外科手术，化疗和放射治疗，而现代医学以微创伤、无创伤、精确治疗为发展方向，因此放射治疗在肿瘤治疗中的应用越来越广泛。统计表明，目前大约60%70%的肿瘤患者在病程的不同时期因不同的目的需要接受放射治疗3。理论上讲，如果放射剂量不受限制，那么病人的任何肿瘤组织都会被彻底杀灭。但是肿瘤细胞被正常组织所包围，杀死肿瘤的同时会损
16、伤正常组织。另外，由于肿瘤位置，病人呼吸等原因，普通放射的定位比较困难，治疗的同时也会将正常组织杀死，而且定位欠精确也会影响到肿瘤的治疗效果。因此，如何借助各种辅助工具和技术最大限度的提高肿瘤组织放射剂量，最大限度地减少正常组织的放射剂量，同时保证肿瘤组织所受剂量的均匀性是放射治疗肿瘤的关键技术，而这正是放射治疗计划系统的作用所在12。放射治疗技术的快速发展和计算机信息处理技术相结合，产生了放射治疗计划系统。它的出现不仅使得物理师从繁琐的手工计算中解脱出来，而且治疗的速度、准确性都有很大的提高，放射治疗计划系统已经成为放射治疗中不可或缺的一个部分13。放射治疗计划的主要功能是接受CT/MRI/
17、PET/输出的图像（通过网络、中间介质等），病变组织（靶点区）及重要器官和组织轮廓的勾画及重建，重建患者治疗坐标系，制订一个优化的治疗方案，输出治疗方案实施的细节到治疗机的控制计算机，以及到为实施该治疗方案所需的治疗辅助工具（如挡块、组织补偿等）制作器上。“陀螺刀”是上海伽玛星科技发展有限公司设计开发的“GMX-I型陀螺旋转式钴-60放射外科治疗系统”。该系统采用动态聚焦方式在运动过程中杀死肿瘤细胞并减少对正常组织的损伤，同时配合相关的辅助疗法进而对肿瘤进行治疗。该系统的重要组成部分放射治疗计划系统RTPS（Radiotherapy Treatment Planning System）用来帮助
18、医师制定针对病人的放射治疗计划14。“陀螺刀”放射治疗计划系统是在图形工作站上实现的软件应用系统,结合已有医疗器械,用于伽玛刀等立体定向放射治疗的计划系统和手术预演.系统实现的功能如下:医学图像数据库的建立和查询,包括CT医学图像数据的采集、编码、存储、显示、查询、二维放大;病灶和关键器官的三维重构,轮廓提取,立体放射定向,并通过断层间的轮廓线拟合表面,采用Open GL技术实现图形三维空间定位与显示,完成对图像的三维建模;可视化适形放射治疗系统,在伽玛刀的辐射治疗计划过程中,进行等中心点的精确定位和剂量的计算和评价,以及适形输出和优化。该系统流程可以描述为：病人CT/MRI图像数据及个人信息
19、的采集输入；病人定位标志点的标记，图像坐标的确定；病灶等感兴趣结构的确定和检测；三维图像结构重建；射野/焦点参数设定及优化；三维剂量分布计算和计划评估；剂量计划方案的可视化评估；计量计划输出。本论文致力于“陀螺刀”放射治疗计划系统中CT图像处理技术的设计与实现。1.1.2 论文研究内容和意义本论文包括以下四方面的内容：第一方面，软件界面的窗体分割。整个软件界面分成六个可供切换布局界面，它们是输入，存档，注册，轮廓，计划，评估和输出。其中每个布局界面由若干不同的子窗口组成，传统的动态分割由于有以下不足1：第一，每一个窗口都使用相同的View类，因此显示出来的东西前篇一律；第二，窗口之间并非完全独
20、立。同一水平列的窗口，使用同一个垂直的滚动条；同一垂直行的窗口，使用同一个水平滚动条，如图1-1。而静态分割的长处是动态分割的短处，它的短处是动态分割的长处，而且不管是动态分割还是静态分割，都存在各自分割窗口数目的限制-静态拆分窗口个数限制是16*16，动态拆分窗口的窗口个数限制2*2。如图1-2。因此笔者需要研究设计一种不同于以上两种分割方式的新方法来满足软件界面布局的需求。图1-1 动态分割. 图1-2 静态分割第二方面，对CT图像的伪彩色显示。CT图片和X光片中，往往有些灰度级相差不大，但包含着丰富的信息像素点。可是人眼分辨灰度级能力较弱，一般只有几十级，无法从图像中获得这些信息，但是人
21、眼对彩色的分辨率较强，达到几百种甚至上千种。因此通常将图像中的灰度级转换成不同的彩色，而且分割越细，彩色越多，信息表现的越丰富，人眼能提取到的信息也就越多，从而达到图像信息增强的效果，辅助医师更好地进行观察组织和诊断病情。第三方面，需要对CT图像感兴趣区域的轮廓进行识别和提取。由于近年来的微型计算机运算速度提高很快，应此，可以将CT图像感兴趣区域的轮廓改为由计算机自动提取为主。对个别有质量缺陷的图像辅助以人工提取，这样就能将医师从传统的繁琐的劳动中解脱出来。同时，还能减少因为人工提取可能带来的误差。轮廓的识别和提取涉及到如下算法：迭代阈值分割算法，边缘提取算法，边缘跟踪算法等。第四方面，根据横
22、断面CT图像构造冠状面和矢状面图像。由于当前的主流医学成像技术-计算机断层成像技术（CT）、核磁共振成像技术（MRI）、正电子发射成像技术（PET）和超声成像技术等，只能提供二维断层切面上的信息分布，而组织器官的几何形状、相对位置、生理参数的控件分布等三维信息无法直接从这些断面图中表达出来。医生只能通过观察断层面上的切面图像，在头脑中构想其三位结构，这样有如下缺点2： 由于人体结构复杂，个体差异较大，病灶形态和位置不可预知，判断二维图像需要丰富的解剖知识和临床经验。1) 不利于定量的分析和测量，从而为正确诊断和用药带来困难。2) 不利于医生之间，尤其是医生和工程技术人员之间交流信息。3) 设备
23、精度不够，或者采集数据的认为误差，造成二维断层面的丢失，使二维图像理解困难。因此，无论从提高诊断水平还是现代医学精确治疗的发展方向来看，用计算机实现根据CT图像构造冠状面图像和矢状面图像都很有必要和现实意义。1.2 国内外研究现状与存在问题从最初的瑞典人用固定式伽玛射线治疗头部肿瘤到现在的螺旋式伽玛刀，伽玛射线治疗肿瘤技术已越来越成熟，设备的机械运动越来越复杂，同时对控制精度的要求也越来越高，其发展思想是利用该射线对细胞的杀伤作用来杀死肿瘤细胞，并尽量减轻对正常细胞的伤害。目前国内的肿瘤放射治疗技术在世界上已经处于先进行列，大量的放射治疗设备正被用于临床治疗中。而与之配套的软件却显得有些滞后，
24、现有的系统较普遍地存在以下几点不足4：1) 不支持医学图像传输协议DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) 8，93.0或支持的不完善，没有体现电子医学影像方便交流处理的优点。DICOM3.0为当前国际通用的医学图像传输协议，现在主要用于影像存储通信系统PACS(Picture Archive and Communicate System)中，在放射治疗计划系统中还没有普遍被采用，部分已经采用了的系统对该协议支持的也不全面，没有充分发挥电子医学图像的优势，有必要在这方面对现有的放射治疗计划系统进行改进。2) 软件的自动化程度还不
25、够。目前的放射治疗计划系统普遍存在使用不方便，操作烦琐，随着计算机科学技术的发展，可以将更多的工作交由软件来自动处理，如轮廓的自动提取和跟踪，这样既能将医师从烦琐的劳动中解脱出来又能减少因人工因素带来的误差。3) 本系统的剂量计算属于海量数据计算，计算的数据量很大，因此计算的时间也比较长，很有必要对剂量计算的算法进行优化，并在精度允许的范围内，对某些计算进行简化，以提高运算的效率。同时，现在多核微处理器开始普及了。为了充分利用硬件的长处，可以把繁琐的运算在多核处理器上实现多线程并发运算。第2章 软件界面框架设计与实现2.1 软件界面框架的设计思想 图 2-1 软件界面框架结构图笔者研究MFC传
26、统的单文档界面SDI（Single Document Interface）的窗体分割方法时，发现传统的方法由于存在不少缺陷和不足，应此决定放弃用窗体分割器来进行分割。笔者联想到多文档界面允许存在多个子窗体，所以决定用多文档界面MDI（Multiple Document Interface）来实现。因为软件要求每个子窗口的显示内容是相互独立，所以笔者为每个独立的子窗口创建一个文档模板，同时分别将不同的子窗口和每个模板绑定起来。然后根据界面设计的要求，把一个或多个子窗体通过相应的布局函数管理界面布局。在主窗口的尺寸发生变化时，让软件自动调用当前页面的布局函数进行重新布局；在窗口主界面请求切换不同的
27、页面时，调用目标页面的布局管理函数。这样就设计出了整个软件界面框架，结构层次如图2-1，主框架类CMainFrame负责切换不同页面和管理各个页面的布局。2.2 软件界面框架的实现2.2.1 文档模板的建立在资源管理器里新建一个 IDD_FORMVIEW类型的对话框资源，然后在新建的对话框资源上点右键，在右键菜单里选添加类，这样就弹出了为刚才添加的窗口建立类的对话框，填写该窗体类的类名，然后选择基类为FormView，同时，将生成DocTemplate资源的选框选中，最后点确定。这样，该窗体的窗体类和文档模板就建立好了。在App类的InitInstance（）函数里面创建一个该文档模板类的实例
28、。对于所有的独立子窗体，重复以上过程，创建每个子窗体的文档模板类的实例。最后将所有新建文档模板类的默认窗体隐藏起来，把软件的主窗口显示出来。2.2.2 布局管理函数的编写布局管理函数都由四个int型的参数构成，分别是布局区域的横纵坐标值和布局矩形区域的宽度和高度逻辑像素值。函数内部主要工作是调整该布局管理器涉及到的窗口的位置和大小。将每个界面的布局管理函数写好以后添加到主窗体类里面。整个软件界面由相互切换六个主界面组成：1) 输入页面，该界面主要由一个关联文档模板的窗体构成，窗体的功能是显示用户浏览的DICOM文件的缩略图。该页面的功能是允许用户以缩略图的方式浏览DICOM文件，并根据用户对图
29、像序列的选择，为该序列的病人建立病例信息。2) 存档页面，该界面主要由一个关联文档模板的窗体构成，窗体的功能是显示病例信息报表。该页面的功能是对病例进行管理，如新建，修改，查询，删除能。3) 注册页面，该页面由四个不同的关联文档模板的窗体组成，具体如下：第一个，显示CT缩略图的窗体，该窗体显示当前病人的一个CT序列DICOM文件的缩略图。第二个，显示单个CT图像的窗口，该窗口用来查看CT图像，能实现对单张CT图像的缩放显示和平移操作。第三个，图像放大镜查看显示窗体，这个窗体显示第二个窗体的放大镜放大后的效果。第四个，显示重构的冠状面和矢状面图像的窗体，该窗体上有个按钮，点击按钮就能在显示冠状面
30、和显示矢状面之间切换。同一时刻只能查看重构的某层的冠状面或矢状面的图像。滚动鼠标滚轮，还能查看不同的层的图像。整个页面的功能是对图像进行注册。只有注册过的图像序列才能进行后面页面的进一步操作。4) 轮廓页面，组成该页面的子窗口和上一个页面介绍的4个窗口相同，布局也没有变化。但是该页面的功能却和上一个页面的不同，该页面主要完成CT图像感兴趣区域轮廓的识别与提取，同时允许医师对提取出来的轮廓进行查看和编辑。5) 计划页面，该页面由六个关联模板的子窗体组成，其中有三个窗体是在第三页面出现的第二、三和四号窗体。此外，还增加了显示计划序列图像的横断面、冠状面和矢状面的窗体。该页面主要用于制定放射治疗计划
31、。6) 评估和输出，评估和输出因为关系紧密，所以将两者放到同一个页面完成。组成该页面的子窗口和组成上一个页面的子窗口是相同的。该页接着上一页的工作，对制定的放疗计划进行评定和输出结果。其中输出页面的布局效果如下图2-2:图2-2输出页布局最后，创建一个能锁定子窗口的子窗口框架类LockChildFrame，该类的基类是CMDIChildFrame。添加该类的事件WM_WINDOWPOSCHANGEING的消息响应函数OnWindowPosChanging()，同时还在该类中添加一个是否锁定该窗口的bool类型变量m_bLocked。然后在里面添加如下代码：这段代码的功能是根据锁定标记的状态修改
32、窗体样式标记。巧妙地实现对窗体自由锁定的控制。2.2.3 布局管理函数的调用方式函数的调用组织包括如下步骤：1) 在主窗体类里面添加一个切换不同主界面的消息响应函数，该函数根据收到的消息信息，调用对应的布局管理函数，以切换到目标界面。需要提醒的是，在调用布局函数之前，要对涉及到变更的窗体的框架进行开锁操作，这样才能成功的对子窗体进行布局。调用结束后，对已经显示出来的子窗体，分别进行锁定操作。2) 在主窗口类里添加窗体尺寸改变事件WM_SIZE的消息响应函数OnSize（），函数里判断当前显示的界面是六个主界面中的哪一个，然后调用那个界面的对应的布局管理函数。布局管理函数的四个参数要从OnSiz
33、e（）的参数里面取得。以达到子窗口的尺寸随着主窗口尺寸改变而改变的目的。这样，就完成主界面布局和切换的准备工作。在需要切换主界面的地方，调用前面已经添加的界面切换函数即可。当软件主窗体的尺寸发生变化时，软件会自动重新计算当前界面的适形布局。至此，软件界面框架已完成了设计和实现工作。2.3 小结本章介绍了界面框架的设计思想，并根据此思想设计介绍了具体的实现过程，实现了软件界面要求的动态切换不同布局页面的功能，本界面为整合软件的不同功能提供了一个整体框架。第3章 图像的伪彩色显示3.1 引言灰度图像彩色化是计算机视觉领域一个很有趣的问题，给灰度图像加上颜色可以增加图像的视觉效果，例如旧黑白照片，医
34、学病理图片以及地理学土里等。此外，许多科学图像的信息内容通过使用颜色的变化能够明显的增强。如本论文中就是为了突出显示CT图像感兴趣区域的内容。伪彩色是一种常用的图像增强方法，它利用人们对彩色的辨别能力高于黑白色灰阶图像的特点，将黑白灰阶图像中不同灰度的像素用专门定义的彩色来表示。常用的方法是通过建立灰度级与颜色的一一对应关系，将灰度图像自动的转变为彩色图像。这种方法的优点是快速，简单，而且不改变图像的信息量。彩色化一幅灰度图像的工作包括给一幅仅在一维（亮度）发生变化的图像值赋予三维（RGB）像素值。由于不同的颜色有可能有相同的灰度值，但色调和饱和度不同，因此彩色化灰度图没有固定的恰当的解决方案
35、。由于这些不确定性，在彩色化的过程中，人类交互经常扮演了一个重要的角色。甚至在伪彩色化的情况下，即灰度值到颜色值的映射是自动化的，但映射图的选择一般都是由人来决定的。伪彩色处理一般利用一个转换函数，将一个单一的全局的颜色向量赋予给不同的灰度值。这种方法的好处在于它没有改变原始图像的信息内容，因为它没有引入额外的信息。但是，使用一个没有单调的增加灰度值的颜色映射图，伪彩色化后的图像可能产生了明显的形变。伪彩色处理技术不仅适用于航摄和遥感图片，也可用于X光片、CT图片及云图的判读等方面。例如在质量较高的CT图片和X光片中，往往有些灰度级相差不大，但包含着丰富的信息像素点。可是人眼分辨灰度级能力较弱
36、，一般只有几十级，无法从图像中获得这些信息，但是人眼对彩色的分辨率较强，达到几百种甚至上千种。因此通常将图像中的灰度级转换成不同的彩色，而且分割越细，彩色越多，信息表现的越丰富，人眼能提取到的信息也就越多，从而达到图像信息增强的效果。3.2 处理方法介绍伪彩色常用的处理方法有两种，即密度分割与灰度级彩色变换6。3.2.1 密度分割密度分割是伪彩色处理技术中最简单便捷的一种，也是本论文采用的处理方法。设一幅黑白图像f（x，y）,在某一像素点的灰度值为f（x，y）=L上设置一个平行于xy平面的切割平面，对切割平面下面的即灰度值小于L的像素点分配一种颜色，相应的对切割平面上面的灰度值大于L的像素点分
37、配给另一种颜色，这样切割就可以将黑白图像只有两个颜色的伪彩色图像。若将黑白图像灰度级用M个平行于xy平面的图像去切割，就会得到M+1个不同灰度级的区域S0,S1,S2SM。对于这M+1个区域中的像素人为分配给M+1个不同颜色，这样就可以得到具有M+1中不同的伪彩色图像。密度分割伪彩色处理的优点是简单易行，而且处理速度快。还可以扩大用途，如计算图像中某灰度级面积等。但所得伪彩色图像视觉效果不理想，彩色生硬，不够和谐，为了减弱这些缺陷，必须增加分割级数。3.2.2 灰度级-彩色变换这种伪彩色处理技术（在遥感技术中常称为假彩色合成方法），可以将黑白灰度图像变为具有多种颜色渐变的连续彩色图像。这种伪彩
38、色变换后图像视觉效果好，其变换方法是先将黑白灰度图像送入具有不同变换特性的红、绿和蓝三个变换器，然后再将三个变换器的不同输出分别送到像素值的R、G、B三个值。同一灰度级由于三个变换器对其实施不同的变换。而使三个变换器输出不同，从而在显示器上合成某一种颜色。变换示意函数如下：。3.2.3 处理结果在图2-2中，图（a）的是原来的256色灰度图像，图（b）的是进行伪彩色处理后的图像。处理后，组织器官显示的较为清晰，差异明显。图3-1伪彩色显示（b）（a） 3.3 小结本章研究了常用的伪彩色显示方法，实现了用密度分割方法显示灰度图的功能，该功能解决了人眼对灰度图信息获取率不高的问题，强化了图像信息的
39、显示，以利于医师对病人的病情进行分析与诊断。第4章 冠状面和矢状面图像重建的设计与实现4.1 冠状面图像和矢状面图像重建的算法设计4.1.1 引言随着X射线、核磁共振以及CT 等医疗检测设备的迅速发展，由二维断层图像重建三维目标成为近年来十分活跃的研究和应用领域。一般而言，断层序列图像的层间的分辨率远低于层内的分辨率，这就严重地影响了三维目标重建的质量。为此，这就需要用图像插值方法在原来的断层图像之间再插值生成一些中间断层图像。目前，图层间的插值方式主要有两类：一类是基于灰度值的插值方式（本项目采取的方式）。另一类是基于图像形状的插值方式。前者直接利用两个原始CT图像的灰度值，在需要填充的断层
40、间线性插入灰度值。后者结合两个原始断层图像指定领域中提取出来的特征来提取其断层间对应像素的灰度值，该方式由于只能对某一感兴趣区域进行重建，而论文中要求能对整个重建面都能显示，所以只能使用第一种插值方式。4.1.2 算法设计本算法采用线性插值的方式对缺少的图层进行填充，它要求利用一系列CT横断面图像构造人体冠状面图像和矢状面图像。由于两种图像的构造不同之处仅在于抽取像素数组的方式不同而已，而插值方式是一致的，所以这里仅介绍其中之一-冠状面的构造思路。其过程如下：对同一个病人的同批次CT图像，分别抽取DICOM文件数据矩阵的第I行，然后根据该文件的成像坐标将抽出的数据插入到空白DICOM文件的数据
41、矩阵的对应行中。待处理完所有图像后，对新的DICOM文件数据矩阵的每空白行进行线性插值数据填充。最后保存DICOM数据到磁盘文件。即完成利用CT图重建冠状面的工作。如图4-1所示，一个小方格子表示一张CT图像的行或列的像素单元。以矢状面图像的重建为例，第I张CT图像那一列像素数组是从CT图像的某一行抽取出来的一列像素列数组，第J张CT图像的像素列是从和第I相隔最近的一张CT图像抽取出来的像素数组。由于CT断层序列图像的层间的分辨率远低于层内的分辨率，所以第I张图像和第J张图像间的像素值都没有办法获得，只能根据第I张图像和第J张图像来计算中间的图层的像素值。SK，N（K，N）表示需要插值的第K层
42、图像的像素组中索引值为N的像素值，该值是需要计算得出的。SI，N（I，N）表示第I张CT图像像素数组中索引值为N的像素值，该值是已知的。SJ，N（J，N）表示第J张CT图像像素数组中索引值为N的像素值，该值也是已知的。那么该公式可以表示为如下：其中k为大于I且小于J的整数。N为大于0且小于CT图像像素矩阵的列数的整数。图4-1 间层插值示意图4.2 冠状面和矢状面图像重建的实现按照设计的算法，仅以矢状面的实现为例子，介绍实现过程。具体步骤如下：第一步，获取同批次所有DICOM的文件某列像素数组。函数short*getDcmColumn(CdicomImage*pDicomImage, int
43、divIndex)用来获取单个DICOM文件的数据。如果其运算成功，则返回像素数组的内存首地址；否则，返回NULL值。参数pDicomImage是待抽取数据的DICOM文件的指针，参数divIndex是要显示的矢状面的层次。显示的图层索引数决定了需要对哪列数据进行抽取。在内存中开辟一个数组，数组的长度是DICOM文件像素矩阵的行数。通过首地址将目标数据复制到开辟的内存，然后返回首地址即可。利用该函数，将每个DICOM文件的对应数据提取出来。第二步，对于每两幅相邻的CT图像，根据它们在重建图像像素矩阵中的列位置I和J（设JI），在两者之间插入J-I列数据，每列数据都需要先通过前面设计的公式计算出
44、来，然后保存到一个数组中。同样数组的大小为DICOM文件像素矩阵的行数。第三步，申请一个长度为WIDTHHEIGHT的short类型的空白数组空间，WIDTH表示DICOM文件数据矩阵的列数，HEIGHT表示DICOM文件数据矩阵的行数。将前两步获取出来的数组按各自列数复制到新开辟的数组中。所有的数组复制完后，数组中的内容就没有需要再保存了，释放前面申请的所有数据空间。由于前两步中数组的长度都是HEIGHT，而且一共有WIDTH个数组，所以长度为WIDTHHEIGHT的数组恰好能放下所有的数据。第四步，新建一个DICOM对象，将第三步计算出来的数组复制给DICOM的数据矩阵区域，复制完后释放原
45、数组内存空间。然后根据数据矩阵，初始化DICOM对象的一些关键属性。最后将DICOM对象输出到磁盘文件上。至此已经完成矢状面图像的重建工作，显示时再将需要显示DICOM文件加载到内存中即可。不过这样有个缺点，就是显示过程比较慢。比较好的做法是根本不保存DICOM文件，数据构造好以后直接现出来，而且是需要哪层图像直接就构造那层。这样切换不同层之间图像时显示速度就很快。4.3 重建效果图4-2 冠状面图像图4-3 矢状面图像图4-4 CT序列图像根据该算法，利用病人的CT序列图像-如图4-4，重建得到冠状面的图像如图4-2，矢状面的图像如图4-3，前两幅图中，横线表示源CT图像所在位置，两条横线之
46、间的图像信息是插值得到的。4.4 小结本章研究了线性图层插值方法，实现了利用病人的CT图像序列重构冠状面图像和矢状面图像的功能，降低了医师对病人身体结构分析的难度，帮助了医师观察分析病人病灶组织结构。第5章 感兴趣区域轮廓识别的设计与实现5.1 引言在医学图像分析识别中，为了进行图像描述和分析，需要将图像划分成若干个有意义的区域，这就是所谓的图像分割。在对医学图像的研究和实际应用过程中，一般仅对图像中的某些部分感兴趣，这些部分通常对应图像中特定的、具有独特性质的区域，常称为目标或前景（其他部分称为背景）。为辨识和分析目标并对其进一步利用，需要将这些有关区域分离提取出来，及对其进行特征提取。在放
47、射治疗计划系统中，为了给后续三维重建和靶点规划提供相应的数据，对于一张经过预处理的断层扫描图片，需要将其中体表和左右肺叶的轮廓提取出来。本文中论述的医学剂量图像都属于灰度图像。灰度图是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像。灰度值就是灰度图的“色彩”它表征了灰度图某一像素点的亮度信息，一般把灰度量化成256个级别，本文中用到的影像数据全部量化成了256级灰度图。基于灰度特征提取的算法在传统的注重几何特征的计算机视觉研究中没有得到充分的重视，但其相对于几何特征而言，一个灰度图的灰度值的分布具有一定的稳定性，其对大小，方向都不敏感，表现出相当强的鲁棒性10。同时在许多情况下，灰度值是描述一幅图像最简便而有效的特征。在对灰度特征提取的研究中，除了灰度直方图外，还有灰度矩，灰度集等方法，本文中主要研究两种灰
