基于Matlab的脑部MRI图像三维重建与动画显示1
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2022-08-04
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ＡＲＴＩＦＩＣＩＡＩ ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＣＥ ＡＮＤ ＩＤＥＮＴＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ 人工 智能及 识别技术
基于 Ｍａｔｌａｂ的脑部 ＭＲＩ图像三维重建与动画显示
戴虹
（上海第二工业大学 电子 电气工程学 院，上海 ２０１２０９）
摘 要 ： 基 于 Ｍａｄａｂ软件编程 实现 ＭＣ算法对人体脑部 ＭＲＩ图像进行 面绘 制三 维重 建 ；利用三 维旋转 变换和动 画
函数对脑部 图形进行动画显示。实验 结果表 明 ，该算 法能 准确 地对脑部进行全方位显 示 ，运行 速度快且 占的内存 空
间较 少 。
关键词 ： Ｍａｔｌａｂ；三维重建 ；三维旋转 变换；动画
Ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ Ｂｒａｉｎ Ｍ砒 Ｉｌｌｌ￣ ｅＳ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ
ＤＡＩ Ｈｏｖｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈｍ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈｍ ２０１２０９）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ ＭＲＩ ｉｍａｇｅｓ Ｔｈｅ
３Ｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ ｉｓ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＭＣ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ａ ｒｏｔａｔｅ ａｎｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ ｉｓ ｃｒｅａｔｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｂｙ ３Ｄ
ｒｏｔａｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｉｍａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍａｔｌａｂ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ
ｑｕｉｃｋｌｙ，ｔａｋｅｓ ｕｐ ｌｅｓｓ ｓｐａｃｅ ｉｎ ｍｅｍｏｒｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍａｔｌａｂ；３Ｄ Ｒｅｃｏｎｓｒｕｃｔｉｏｎ；３Ｄ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ａｎｉｍａｔｉｏｎ
１ 引言
计算机断层扫 描 （ＣＴ）及磁 共振 （ＣＴ）成像 技术 已广泛应
用于疾病 诊断 中 ，但这些成像 手段 只能 提供人体 内部 的二维
图像 。近年来 ， 维可视化 技术 已成为 医学 图像 处理 的研究
热点 。该 技术能从 断层 图像 序列 中提取人 体组织 的三维 结构
信息 ，在辅助诊断 、手术仿 真和引导治疗方 而发挥重要作 用。
Ｍａｔｌａｂ是 美 国 ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公 司出品 的数学 软件 ，其 功能 十分
强大 ，用 于几乎所有 工程领域 的算法 开发 和数据分 析 ，且编
程简单 、易学易用 。
基 于 Ｍａｔｌａｂ软件编程实现脑部 ＭＲＩ图像 的三维重建 并产
生旋转动 画 ，可应用 于脑部疾 病诊断 与 医学 领域 的计算 机辅
助教学系统 中。
２ 三维重 建
采用 移 动立 方体 法 （Ｍａｒｃｈｉｎｇ Ｃｕｂｅｓ，ＭＣ）算 法 ，对 脑 部
ＭＲＩ图像进行 面绘制三 维重建。其基本思想 是 …：从 三维 数据
场 中根 据物体表 面特征 的信 息 ，抽 取每个体 素 的 “等值 面”，
由这些等值面组 成物体 的ｊ维表 面。步骤如下 ：
（１）等值面抽取
将脑部 图像序列按 顺序 叠加成 一个 三维体数 据集 ｆ ｆ
， “等值 面”实际上是指 空问 中的一张 曲面 ，在该 曲面上 ，
ｙ＇Ｚ）等于域值 ｋ。即
ｆ（墨 ｚ）＝ （１）
其 中 ｋ为域值 。 取分割脑部图像时 的阈值 ，ｋ＝２０。为产
生光滑表 而 ，在抽取 之前用 高斯低通 滤波器 对数 据集进 行平
滑处 理 。
（２）灯光效果设置
采用 ｐｈｏｎｇ模型进行灯光效果设置 。
３ 脑 部旋 转动 画显 示
为了从各 个方 向观察脑 部结构 ，可对 重建 结果 图形进行
三维旋转 变换 ，并 生成 动画进行显 示 。基 本思 想是 ：图形经
过 ｊ维旋 转 ，由于其等值 面连接方 式不 变 ，因而结构不 会发
生 变形 。脑 部图形绕其质 心旋转及 动画显示 的步骤如下 ：
（１）将 图形 的质心移 至原点 。齐次变换矩 阵 ［２１为 ：
１ ０
０ ｌ
０ ０
ｘ 一ｙ ｇ
０ ０
０ ０
ｌ ０
一
：ｇ １
∑一 ∑ ， ∑ ，
其中 ｌ＿；ｊ ： ｌ＿；Ｎ－－－数据集像素
总数 ； （Ｘｉ， ，ｚｉ）一 数据集中像 素 ｉ的坐标 。
（２）相对于原点 （即质心）作旋转变换 ，旋转变换矩阵为 ：
Ｒ 尺 Ｒ （３）
其 中
兄 ＝
１ Ｏ
０ ＣＯＳ
０ 一ｓｉｎ
Ｏ ０
Ｏ Ｏ
ｓｉｎ ０
ＣＯＳ ０
Ｏ ｌ
基 金 项 目：上 海 市 教育 委 员 会 重 点 学科 项 目：测 控 自动化
（Ｊ５１８０１）；上海第二工业 大学校重点课 程建设 ： （馓 字信号处
理》课程建设 （ＫＣ０９０１）。
作 者简介 ：戴虹 （１９７７一），女 ，讲师 ，在职博 士生 ，研 究方
向 ：医学 图像与信号处理 。
收稿 日期 ：２０１０—０７—０６
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