基于医学图像的三维非均质生物组织建模理论及方法研究.pdf

§1-1 课题研究的背景及意义

二十世纪后期，信息技术与制造技术的结合带动了制造业的飞跃发展，快速成形技术作为一项新兴

的先进制造技术也迅速发展成熟起来。在二十一世纪，生命科学和生物技术将领导科技的潮流，改变人

类的社会形态和生活方式。制造技术作为社会发展的基础和支撑，必须面向未来，从过去的为工农业提

供支持，转向与生命科学结合，为人类的生命质量的提高服务，同时借鉴生物生长规律发展制造科学与

技术，使制造科学发生一场新的革命。从非数字制造到数字制造；从非精密制造到精密制造；从替代体

力的机械制造到代替脑力的机械制造（智能制造）；从宏观制造到微观制造（微纳制造）；从非生态化

制造到生态化制造（绿色制造）；从无生命制造到有生命制造；这些发展趋势，预示着制造工程将进入

一个新的发展时期。

制造科学与生命科学相结合，是制造科学发展的重要趋势。这种结合体现在三个方面：第一个方面

是仿生学，即研究生物、模仿生物的各种特征，自然界是人类永远学习和模仿的源泉；第二个方面是利

用生物过程进行加工和制造，即利用生物体的生物过程和生命活动特性实现材料的制备、加工；第三个

方向是生物制造工程（Biological Manufacturing Engineering），即生命体的人工制造，这是制造科学与

技术发展的崭新方向。生物制造技术是随着现代制造技术、生物材料等工程学科与现代生物医学技术的

发展与融合产生的新兴技术领域，其应用包括整形内植体、组织工程化的修复物、人工器官等。由于生

物制造技术所蕴涵的巨大发展潜力和社会意义，已引起了各国政府和机构的重视。

生物制造工程的概念在 20 世纪 70 年代就有人提出，但是直到最近几年，随着生命科学和制造科学

的快速发展，尤其是快速成形技术在生命科学领域的日益广泛应用，其定义才逐渐清晰明确起来。1995

年清华大学颜永年教授在第八届制过程信息控制问题国际会议中发表的《现代成形科学和快速成形》一

文中提出生长成形的概念，文中将生长成形、去除成形、受迫成形和离散堆积成形并列为四大成形工艺，

从学科高度概括了当今和未来的成形方法，这是文献中最早有关生物制造的阐述。1998 年，美国“21

世纪制造业挑战展望委员会”主席J．Bollinger博士在《2020 年制造业挑战的展望》中首次明确地提出

了生物制造的概念。2000 年，西安交通大学先进制造技术研究所吴永辉、李涤尘、卢秉恒在《基于快

速成形的生物制造工程研究》一文中也提出了这一概念[1]。

经过十多年的研究，目前普遍认为，广义的生物制造包括仿生制造、生物质和生物体制造，涉及到

生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造的范畴，用 BM（Bio-manufacturing）表示。狭义的

生物制造，主要指生物体制造（Organism Manufacturing，简称 OM），是指运用现代制造科学和生命科

学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接或间接受控组装，实现具有新陈代谢特征的生命体的

成形和制造，经培养和训练，完成用以修复或代替人体病损器官或组织。

器官或组织的损伤和衰竭是威胁人类生命、影响人类生活质量的主要因素之一，器官或组织的移植、

修复和再造已成为现代医学的重要研究课题，特别是器官或组织的修复和再造。为了这一目标，1987

第二章 图像预处理及三维重建算法

§2-1 图像的预处理技术

图像的预处理技术是指在图像分析中，对输入图像数据进行特征抽取、分割和匹配前所进行的处理。

由于获取图像的工具或手段的影响，例如对于系统获取的原始图像，由于噪声、光照等原因，图像的质

量不高，使获取图像无法完全体现原始图像的全部信息。因此，对图像进行预处理就显得非常重要。图

像预处理的主要目的是改善图像数据，消除图像中无关的信息，恢复有用的真实信息，增强有关信息的

可检测性和最大限度地简化数据，从而改进特征抽取、图像分割、配准和识别的可靠性。预处理过程一

般有数字化、几何变换、归一化、平滑（滤波）、复原和增强等方法。

由于后续处理阶段的需要，本文在此只重点介绍图像的平滑处理方法。图像平滑主要是为了消除噪

声。噪声并不限于人眼所能看的见的失真和变形，有些噪声只有在进行图像处理时才可以发现。图像的

常见噪声主要有加性噪声、乘性噪声和量化噪声等。图像中的噪声往往和信号交织在一起，尤其是乘性

噪声，如果平滑不当，就会使图像本身的细节如边界轮廓、线条等变得模糊不清，如何既平滑掉噪声又

尽量保持图像细节，是图像平滑主要研究的任务。因此，对平滑处理的技术要求有两项：

（1）最大限度地保持图像信息不受损失，不能损坏图像的轮廓及边缘等重要信息；

（2）尽可能多地滤除噪声，使图像清晰、视觉效果好。

由于图像信息多集中在低频部分，故用低通滤波可以去掉很多噪声，而保留大部分其它信息不受影

响，但是低通滤波方法却会使图像的边缘细节变得模糊不清，使图像细节受到损失，而用高通滤波方法

虽然会使图像的边界得到加强，但图像的细节在频域反映为高频分量，与噪声的高频混淆。

图像的滤波技术通常有两类方法：空间域法和频率域法。空间域法主要是在空间域中对图像像素灰

度值直接进行运算处理。而频率域法就是在图像的某种变换域中（通常是频率域中）对图像的变换值进

行某种运算处理，然后变换回空间域。以下主要介绍空间域中的滤波技术。空间域中的滤波方法常用的

对于图像中的每一个像素，取一个以它为中心的区域，用该区域内各像素灰度的加权平均值取代该

像素的灰度值，这就是邻域平均法。具体的做法是取一个方形区域，称为平滑窗口（Windows）或掩膜

（Mask），它是权值的二维阵列。滤波过程是用窗口在图像上滑动扫描，窗口中心对着的像素根据式

（2.1）来更新其灰度值。当每个像素都被扫描一次之后，对一幅图像的平滑就完成了。这是空间域中

对图像进行平滑的一种最简单的方法。

设 f（i，j）是一幅待平滑的图像，平滑窗口 w 的大小为（2N+l）×（2N+l），则平滑后的图像可

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第三章 直接体绘制技术

§3-1 医学体数据场

体数据场（Volume Data field）是在有限空间中对一种或者多种物理属性的一组离散采样，可以表

示为：f（x），x∈Rn，{x}是n维空间的采样点（Sample Point）的集合，因此也将体数据场称为数据集

（Dataset）[37]。体素（Voxel）是组成体数据场的最基本单位。通常有两种体素定义：一种是把体素定

义为中心点在采样点上的小长方体，这个小长方体内的值是不变的，都等于该采样点的采样值。另一种

是以八个相邻的网格点{（i，j，k），（i+1，j，k），（i，j+1，k），（i，j，k+1），（i+1，j+1，k），

（i+1，j，k+1），（i，j+1，k+1），（i+1，j+1，k+1）}为顶点的小长方体当作一个体素，这个小长

方体内的值是变化的，体素内任一点的值可以用八个顶点上采样值的三线性差值计算出来。因此，三维

体数据场可以看成是由许许多多个体素组成的。当固定某一维，就得到一幅二维图像，称之为断层图像

（Sectional Image）或切片（Slice）。

计算机图形学一般采用几何模型，即点、线（直线或曲线）和面（平面或曲面）等图形基元来描述

形体。它主要有边界表示法、构造实体几何法和空间分解三种表示模型。几何模型是表示有形而且规则

的形体的理想模型，因此常用于机械、建筑设计上，但是它无法描述好烟云、肌肉等无形对象。几何模

型只是描述了形体的表面，却无法刻画形体内部复杂的细微结构。从这个角度讲，它们只是表示形体的

外壳，而不能表示实际物体的内部信息。

与传统的计算机图形学描述物体的方式不同，体数据是对有限空间的一组离散采样，每个采样点上

的采样值可以是一种或多种，代表在该点上的一个或多个物理特性，例如用检测仪器对温度场、速度场

进行采样，其结果都是以有限个采样点来描述场空间。因此体数据是真正的三维实体，它含有物体内部

医学体数据场主要来源于各种医学影像设备，如非侵入诊断技术 X 射线计算机断层扫描装置

（Computerized Tomography，简称 CT）、核磁共振（Magnetic Resonance Imagining，简称 MRI）、B

型超声波诊断仪（Ultrasonic Show-B Diagnostic Equipment，简称 US）及正电子放射断层扫描（Positron

Emission Tomography，简称 PET）等。医学体数据场三维重建是是计算机图形学和图像处理技术在生

物医学工程中的重要应用，因此对体绘制算法在生物组织建模中的应用研究，具有重要的学术意义和应

§3-2 直接体绘制算法中的光学模型

体绘制是一种基于体素的绘制技术，也是一种基于光学映射的方法。这种方法通过模拟光线在物体

内部的一系列光学现象，使得到的体绘制图像更具真实感，便于分析和想象。体绘制技术可以在不构造

第四章 快速成形设备的数据接口

§4-1 快速成形技术在生物制造领域的应用

本课题以医学图像为数据源，首先将序列图像数据读入，获得原始体数据，经过图像的预处理，获

得感兴趣的组织体数据进行体绘制，由于不同密度的器官对应不同的灰度值，通过灰度值的不同来体现

不同的材料信息，从而进行三维非均质生物组织模型的建模理论研究，因此属于图像反求方法。近年来，

快速成形技术应用于生物医学领域已经显露出其强劲的发展势头，日益受到快速成形行业和医学界的关

注和重视。逆向工程与快速成形技术结合后在生物组织建模领域有很大的发展潜质。

从生物制造设备及工艺研究来看，目前的主要应用包括[43]：

（1）可应用在人体假肢制造和手术规划的病患个性化模型；

（2）可应用在病患康复和矫形过程中实用的连续矫正模型的批量订制制造；

（3）分级多孔结构制造则可以提供组织工程三要素之一的三维立体支架；

（4）材料梯度和结构梯度的非均质制造，可以使各种生物制品的材料分布、力学性能、微观结构

和生物性能更加优良，更加合理；

（5）细胞—材料单元和细胞直接操作三维堆积，可以提供对细胞进行三维空间排列的直接操控手

段，为生物组织的人工构建奠定基础。

人体器官或组织的解剖学模型是其快速成形制造的前提之一。基于 CT 等断层扫描技术获得的器官

或组织信息，尤其是器官或组织复杂的组织成分信息，如何转化为用于快速成形技术的制造信息，涉及

到几何建模、材料建模和功能梯度建模以及非均质实体的建模等多种理论和技术细节。

由第一章可知，目前用于生物制造的快速成形工艺有 SLA、SLS 等多种传统技术，但是这些技术

在制造非均质实体方面都有一些技术难度或无法克服的先天缺陷，因此需要开发新的工艺以满足现实需

求。三维直接受控组装工艺是清华大学先进制造技术研究所开发的新型工艺，其原理是在数字器官模型

的驱动下，将细胞、支架材料和生长因子进行受控和自组装，制造类似天然人体器官的方法。这种工艺

理念是好的，但是在实现上还是不能满足生物制造的诸多需求。新的工艺必须满足多种材料、多种微细

结构、功能梯度要求以及空间精确控制等标准。

§4-2 传统 CAD 系统与 RP 系统间的数据接口

传统的CAD系统生成的是三维模型，而RP系统处理的是二维的数据，因此两者之间必须有相应的

数据传递与转换过程。实现这一过程的方式有多种，其中包括使用三角形面片文件（如STL、CFL等）、

利用标准的数据交换文件（如IGES、STEP、DXF等）、直接使用层片文件和对CAD模型直接分层等。

目前常用的快速成形数据交换标准很多，下面介绍传统RP技术中常用的数据交换格式。

第五章 基于医学图像的三维非均质生物组织建模系统设计与实现

§5-1 VTK 工具包

5-1-1 VTK 简介

1993 年，美国 GE 公司研发部门的 William J.Schroeder、Kenneth M.Martin 和 William E.Lorensen 在

OpenGL 的基础上，采用面向对象的设计技术，重新设计和开发了用于三维计算机图形、科学计算可视

化、图像处理的 C++类库 VTK（the Visualization Toolkit）。VTK 是一个用于可视化应用程序构造与运行

的支撑环境，它将一些常用的算法和在可视化程序的开发过程中会经常遇到的细节封装起来，以类库的

形式给开发工作以直接的技术支持，极大的简化了开发工作的难度，因此 VTK 使用方便，功能强大，

并且是一个开放源码、自由获取的软件包。其源代码是用 C++语言书写的，且有众多的翻译接口层，

包括 C、C++、Java、Tcl/Tk 以及 Python 等编程语言。

VTK 具有如下的特点：

（1）VTK 具有强大的三维图形功能，它既支持基于体素的体绘制（Voxel-based Rendering），又保留

了传统的面绘制，从而在极大地改善可视化效果的同时又可以充分利用现有的图形库和图形硬件；封装

了目前许多优秀的三维数据场重建算法，可方便地对数据集进行各种变换和操作；

（2）VTK 的体系结构使其具有非常好的流（streaming）和高速缓存（caching）的能力，可以支持对大

规模数据进行处理；

（3）VTK 能够更好地支持基于网络的工具，比如 Java、VRML 等。随着 Web 技术和 Internet 技术的发

展，VTK 有着很好的发展前景；

（4）生成图像的速度快，图像质量优秀，能够支持多种着色，如 OpenGL 等；

（5）支持多种语言环境，并具有多种程序语言之间的代码转换功能，VTK 具有设备无关性，使其代码

具有良好的可移植性；

（6）VTK 中定义了许多宏，这些宏极大地简化了编程工作，并且加强了一致的对象行为；

（7）VTK 具有更丰富的数据类型，支持对多种数据类型进行处理；

（8）采用面向对象的建模方法，类层次结构清晰，并且源代码开放，具有良好的扩充性，开发人员可

以方便地对源代码修改或增加自编的新类，嵌入自己的功能，对工具包本身进行改进和扩展；

（9）既可以工作于 Microsoft Windows 操作系统，又可以工作于 Unix 操作系统，极大地方便了用户。

VTK 类库从功能上看可以分为三个部分：计算机图形部分（Graphics Model）、可视化处理部分（The

Visualization Model）和图像处理部分（Image Processing）。

在 VTK 类库中，为了有效地管理庞大的类库，按照某一个类在类库中的作用，将类分为以下几个

生物制造工程是以制造复杂器官或组织为目标的交叉学科，是制造科学与生命科学相结合形成的新

的发展方向。快速成形技术以其独特的制造原理和工艺特点，能够兼顾生物制造对结构梯度、功能和生

物性能的多重需要，因此在生物制造领域有很大的发展潜力。本文从生物制造的应用需求出发，运用图

像反求理论和三维数据场重建方法，针对非均质生物组织建模以及面向快速成形技术的三维非均质模型

处理等关键技术进行了系统和深入的研究，取得如下研究成果：

（1） 本文以生物建模中的人体器官或组织建模理论和非均质材料的建模问题为切入点，以图像反求理

论为指导，充分考虑了人体器官或组织的非均质特性，将非均质的概念拓展到生物组织模型中；

（2） 在深入分析面绘制和体绘制两种三维重建方法优缺点的基础上，首次提出将体绘制算法应用于非

均质生物组织的建模，运用颜色映射函数和不透明度来表征生物组织模型中器官或组织不同的质

地属性、形状特征以及器官或组织之间的层次关系，解决了生物组织非均质特性的表达问题；

（3） 在非均质实体模型信息转换方面，提出了两种面向快速成形工艺的数据处理方法。一是将模型转

换为彩色 STL 文件；二是将模型直接进行分层，得到序列 BMP 格式文件，作为三维彩色喷墨打印

（4） 在 MFC 框架下利用 VTK 5.0.3 工具包开发了基于医学图像的三维非均质生物组织建模系统软件原

型，实现了生物组织模型的建立及其非均质属性的表达。

作为一个新产生的多学科研究领域，生物制造工程需要从与其相关的成熟技术及其交叉技术方向上

寻找突破点。本文以三维重建和 CAD 模型直接分层等较成熟的技术作为支撑点，这种方法是行之有效的。

论文工作对丰富生物建模理论和非均质实体建模理论，促进数字化生物制造技术的进一步发展，具有重

要的理论意义和工程应用价值。进一步研究可以在以下几个方面开展：

（1） 图像的预处理部分所做工作还不够。体绘制方法在实现的过程中可以不进行图像分割，直接对灰

度值分类，进行颜色映射和不透明度的设置，实现生物组织模型的非均质特性；也可以通过图像

分割得到感兴趣的区域进行三维重建，后一种方法可以作为下一阶段的方向之一。

（2） 可以在系统实现中引进 ITK（Insight Toolkit），因为 ITK 在图像分割和图像配准方面有强大的功

能，这样可以使得到的三维模型质量得到进一步提高。

（3） 基于医学图像的三维非均质生物组织建模系统需要进一步完善，系统的交互功能需要做进一步的

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