第 25 卷第 1 期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.25,No.1 2009 年 1 月 Journal of Qiqihar University Jan.,2009 医学 CT 断层图像三维重建的 Matlab 实现方法 穆伟斌，张淑丽 （齐齐哈尔医学院 医学技术学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：介绍了运用 Matlab 软件进行 CT 断层图像的三维重建的原理及实现方法。运用计算机图形学和图像处理技 术将计算机断层扫描（CT）等成像设备得到的人体断层二维图像序列，在计算机中重建成三维图像数据，并在屏 幕上形象逼真地显示人体器官的立体视图。可以对重构出的器官图像进行诸如旋转、缩放等操作，重建方法简单， 显示效果良好。 关键词：Matlab；DICOM；CT 图像；三维重建 中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2009)01-0033-03 计算机三维重建是近年来发展较为迅速的一门新兴技术，由于其在各个领域的巨大的理论和潜在应用 价值，越来越受到广大研究者的关注。计算机辅助的三维重建是指首先运用图像技术从二维图像中分割出 兴趣区的轮廓曲线，然后将一系列该连续二维图像输入计算机，经图像处理与图形处理后，在二维屏幕上 显示出三维结构，从而更加真实、形象地再现原物体的空间结构[1]。目前以 CT 为代表的医学影像设备中取 得的医学图像均为二维断层图像，对于患者病情的判断依靠的是医生的临床经验。医学图像三维重建为人 体结构提供了更加真实、直观的反映，便于医学人员对病灶的观察及手术的进行。所以医学图像的三维重 建在判断病情、手术设计、医患沟通和医学教学等方面具有很高的研究价值。本文尝试利用 Matlab 软件对 CT 断层扫描图像进行三维重建。 1 DICOM 格式图像 1.1 DICOM 文件的基本格式 目前，大多数影像设备遵从 1993 年美国放射学会（ACR）和电器制造协会（NEMA）联合制定的医学 数字图像与通讯标准 DICOM3.0。DICOM3.0 标准以信息对象、业务类描述的形式，采用规定的数据结构对 各种医学信息和图像数据进行编码，形成标准的 DICOM 文件格式。其数据结构采用数据元素（Data Element） 的存储方式，每个数据元素均由标签（Tag）、值的类型（Value Representation,VR）、值域的长度（Value Length） 和值域（Value Field）4 个基本单元组成，如图 1 所示。其中，“标签”作为数据元素的标识符唯一地定义 数据元素的物理意义（如病人姓名、年龄、设备、图像类型、图像窗值、图像数据等）；“值的类型”是 取决于 DICOM 语义的可选项，它描述了数据元素值域的数据类型（如字符串、整型数、浮点数等）；“值 域的长度”定义了“值域”的字节数；“值域”则含有该数据元素的值。 DICOM 提供了 3 种语义：IMPLICIT VR、BIG ENDIAN 和 LITTLE ENDIAN。这些语义规定了数据元素 的“值的类型”项是否出现、“值域的长度”项的字节数以及字节在内存中的存储次序等[2]。 数据元素 数据元素 …… 数据元素 数据集 传输方向 标签 值得类型 值域的长度 值域 图 1 DICOM 数据集和数据结构 收稿日期：2008-09-20 基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（编号：11521331） 作者简介：穆伟斌（1981-），男，黑龙江齐齐哈尔人，助教，在读硕士研究生，主要从事计算机技术及医学图像处理研究，mwb-007@163.com。 

·34· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2009 年 1.2 DICOM 图像的读入 Matlab 图像处理工具箱提供的 dicom read（）函数支持读入多种图像类型的 DICOM 格式。但为了更方 便的处理图像，尝试经过格式转换将图像转换为 BMP 格式，再进行三维重建。具体转换研究见参考文献[3,4]， 本文不做过多讨论。 2 CT 断层图像三维重建 2.1 三维重建方法分类 三维可视化方法，通常可根据绘制过程中数据描述方法的不同而分为三大类[5]： 1）通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构的，称为表面绘制方法，又称间接绘制方法。 2）直接将体素投影到显示平面的方法，称为体绘制方法，又称直接绘制方法。 3）对于既以绘制表面为目标，又采用了体绘制原理，或者既以反映数据整体信息为目标又以几何造型 做为显示单元的算法，可以将这部分算法归为第三大类，即混合绘制方法。 表面重建思想是从体数据中抽取一系列相关表面，并用多边形拟合近似后，再通过传统的图形学算法 显示出来。表面绘制方法的处理过程主要包括下面三部分：体数据中待显示物体表面的分割；通过几何单 元内插形成物体表面；通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学算法来显示有真实感的图像，并突出特定 信息。 体绘制技术的中心思想是该方法并不产生等值面，而是将体素看成一个半透明物质，并赋予其一定的 颜色和阻光度，由光线穿过整个数据场，进行颜色合成，该方法把体数据作为整体直接投射到图像平面上， 以得到体数据的全局图像。 2.2 程序设计及重建效果 1）面绘制程序（见图 2 所示） D= imread('data220.bmp'); for i=216:-4:1 fname = sprintf('data%d.bmp',i); x=fname; d= imread(x); %使用imread（）函数读入图像 D = cat(3,D,d); %计算参考模板的参数 end D = squeeze(D); %装载数据 image_num = 8; figure; image(D(:,:,image_num)) axis image %colormap(map)%显示CT图像 x = xlim; y = ylim; %设定上下限 2）体绘制程序（见图 3 所示） clear all D= imread('data240.bmp'); for i=238:-4:1 fname = sprintf('data%d.bmp',i); x=fname; d= imread(x); D = cat(3,D,d);% 计算参考模板的参数 end D = squeeze(D); [x y z D] = reducevolume(D, [4 4 1]); …… colormap('default') %生成切片 figure; phandles = contourslice(D,[],[],[1,12,19,27],8); %体视化 view(3); axis tight set(phandles,'LineWidth',2) Ds = smooth3(D); …… set(gcf,'Renderer','zbuffer'); lighting phong isonormals(Ds,hiso) set(hcap,'AmbientStrength',.6) set(hiso,'SpecularColorReflectance',0,'SpecularExponent',50) D = smooth3(D); % 对数据进行平滑处理 p = patch(isosurface(x,y,z,D, 5,'verbose'), ... 'FaceColor', 'yellow', 'EdgeColor', 'none'); %定义图像颜色，光线 p2 = patch(isocaps(x,y,z,D, 5), 'FaceColor', 'interp', 'EdgeColor', 'none'); view(3); axis tight; daspect([1 1 .4]) colormap(gray(100)) camlight; lighting gouraud isonormals(x,y,z,D,p); 

第 1 期 医学 CT 断层图像三维重建的 Matlab 实现方法 ·35· 图 3 人体头部 CT 图像三维重建体绘制结果 图 2 人体头部 CT 图像三维重建面绘制结果 2.3 重建方法比较 面绘制对有明确表面的物体成像速度快，可以快速灵活地进行旋转和变换光照效果。与面绘制相比， 体绘制引入了透明度，由于要遍历数据场中的每一个体素，运算速度较慢，而且每次改变视角和光照时， 要重新进行投影运算，难以运用到实时绘制中。比较以上 2 种绘制方式，面绘制需要提取等值面，观察实 时度好、数据处理量小；模型针对某个或多个组织，适用于快速成型、有限元分析等场合。体绘制无需提 取等值面，观察实时度不良，数据处理量极大，人工渲染，适用于观察。 3 结束语 本文介绍了运用 Matlab 软件进行 CT 断层图像的三维重建的原理及实现方法。三维重建技术应用于医 学领域已有多年，但早期的重建效果多不理想。随着软硬件条件的进步，特别是高分辨率的 CT、MRI 及先 进的光学扫描仪等新设备的出现和一系列相关软件的开发，三维重建的效果有了质的飞跃。其应用范围也 逐渐覆盖了术前诊断、手术设计、术后预测和疗效评价等方面，效果也逐渐提高。然而，目前的技术仍有 很多不足，随着科学技术的不断发展，三维重建技术在医学领域必将发挥越来越大的作用。 参考文献 [1] 张威，隋天中，赵卫. CT图像表面重建技术中的边缘轮廓提取方法[J]. 机械科学与技术，2002，21（s1）：91－97. [2] 张尤赛，陈福民. DICOM医学图像窗口变换的加速算法[J]. 计算机工程与应用，2003，13：218－220. [3] 王立功，刘伟强，于甬华，等. DICOM医学图像文件格式解析与应用研究[J]. 计算机工程与应用，2006，29：210－212. [4] 王成波，陈伟，谢兵，等. DICOM图像与BMP图像的转换研究[J]. 医疗卫生装备，2004（1）：13－17. [5] 高艳，唐晓英，张军莉，等. 基于物体空间序法的CT图像三维重建算法的研究[J]. 北京生物医学工程，2003，22（3）： 180－183. Investigation and achievement of three dimensions reconstruction for CT fault image by Matlab MU Wei－bin，ZHANG Shu－li （Qiqihar Medical University Medical Technoligy College，Heilongjiang Qiqihar 161006，China） Abstract：Principle and application method of rebuilding three dimensions reconstruction for CT fault images by Matlab software. Computer graphics and image handling technique are used to convert anthropometric fault two dimensions image sequences obtained by imaging devices such as computer fault scanning(CT) into three dimensions image database, then three dimensions video of anthropometric organs will be vividly displayed on screen,meanwhile reconstructed organ images can be turned,zoomed etc.Thus,the rebuilding method can be simply manipulated and show effect is very good. Key words：Matlab；DICOM；CT image；three dimensions reconstruction