基于CT数据的两相骨骼体网格生成

摘要

在人体的三维重构中，骨骼的体网格生成不但具有重要的意义，而且亟待解决。随着骨骼的受损几率的增大（各种车祸、骨瘤等），有些骨骼（如骨盆）本身的形状和解剖结构的复杂，为更好地理解骨骼在各种外力作用下的受力情况及损伤机制，并为骨骼损伤的研究提供一种准确、可靠的模型及分析工具都需要对骨骼进行体网格生成。而现阶段对于骨骼的体网格生成还处于较粗糙的阶段，单凭医生通过二维断层图像的想象，难以满足要求。又由于人体骨骼是天然的异质材料，由皮质骨和小梁骨2部分构成，皮质骨致密，小梁骨疏松，而且具有较明显的界限。以往的骨骼模型及生物力学分析中，一般忽略这种差别。但是在医学中又常见皮质骨完整，小梁骨中断等情形，所以对骨骼中共面异质体的网格生成具有很大意义。
　　 本文针对两相骨骼的体网格生成问题，提出一种直接从任意数据量的体数据生成单层等值面进而对共面异质体进行自适应四面体生成的方法，且在划分小四面体时得到的为最小二面角最大的最优化划分。
　　 本文通过不用再次初始化的水平集方法得到人体两相骨骼的分界阈值—330HU。基于此用CUDA加速的Ray-Casting体绘制方法绘制出了两相骨骼的图像。然后，在预定义的背景栅格中通过MT(Marching Tetrahedron)方法生成单层等值面，基于等值面对所有的立方体进行最小二面角最大的最优化四面体划分。最后，改进了质点-弹簧优化方法，并用此对得到的非边界四面体单元进行优化。实验结果表明，该方法可将两相物质的交界处通过共面四面体划分开来，并生成更多高质量的四面体和更少数量的边界四面体。
　　 以上述算法为基础，结合VTK、TetGen等实现了两相物质的四面体生成系统，对系统的输入和输出文件及系统各模块的功能进行了说明，介绍了系统的总体流程及网格优化时的流程，并给出盒子、圆球和头颅实例的网格划分情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要内容及组织结构

第二章 两相骨骼图像的分割

2．1 图像分割的定义

2．2 图像分割的分类

2．2．1 基于边缘检测

2．2．2 基于区域

2．2．3 基于人工神经网络

2．2．4 基于模糊集理论

2．2．5 水平集方法

2．3 两相骨骼结合处的CT值

2．4 CUDA加速的两相骨骼体绘制

2．4．1 主机端(Host)

2．4．2 内核(Kernel)

2．4．3 体绘制结果

2．5 本章小结

第三章 网格划分与算法分析

3．1 CT

3．1．1 CT简介

3．1．2 CT相关知识

3．1．3 DICOM格式文件

3．1．4 rawiv格式文件

3．2 网格划分

3．2．1 网格划分的基本步骤

3．2．2 网格划分的基本原则

3．3 网格生成算法

3．3．1 Delaunay三角化法

3．3．2 推进波前法

3．3．3 八叉树法

3．4 网格优化

3．4．1 网格质量评判标准

3．4．2 网格优化的分类

3．4．3 弹簧模型

3．5 本章小结

第四章 两相物质的四面体生成算法

4．1 八叉树的划分

4．2 四面体的生成

4．2．1 等值面的生成

4．2．2 最优化四面体的划分

4．2．3 T节点的消除

4．3 网格优化

4．4 实例及比较分析

4．4．1 骨骼实例

4．4．2 盒子实例

4．4．3 圆球实例

4．4．4 头颅实例

4．4．5 比较分析

4．5 本章小结

第五章 两相物质的四面体生成系统

5．1 实验平台

5．2 系统概括

5．3 数据结构

5．4 应用实例

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 下一步的工作

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、在校期间获奖情况