泌尿系三维重建技术（精选8篇）
泌尿系三维重建技术 篇1
输尿管结构细长、左右各异, 长约20~30 cm, 因其特殊的生理结构, 一旦出现病变不易诊断, 临床上传统的X线静脉尿路造影和CT轴位扫描已不能满足临床诊断治疗要求。近年来, 随着64排螺旋CT泌尿系三维重建技术的进一步发展, 其能有效地诊断出输尿管病变原因、位置及周围生理结构状况[1]。选取我院2010年5月-2012年5月期间收治的64例输尿管病变患者, 对其行64排螺旋CT泌尿系三维重建技术, 对比手术病理, 效果令人满意, 现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2010年5月-2012年5月我院收治的64例输尿管病变患者为研究对象, 其中男31例, 女33例;年龄21~74岁, 平均年龄45.9岁;患者临床多表现为尿频、血尿、腰痛、腹部肿块或阵发性剧烈腹痛。
1.2 方法
对64例患者行64排螺旋CT泌尿系三维重建技术。患者取仰卧位, 行CT扫描和增强扫描, 扫描范围:肾上级至耻骨。采用高压注射器向肘静脉输入100 m L 300 mg/m L欧乃派克, 速度4~5 m L/s, SART阈值120 Hu, 扫描时间5~7s, 螺距1.375, 电压120 k V, 电流280 m As。增强扫描时间动脉期30 s、实质期48 s、层厚5 mm。根据患者的肾功能确定行三维重建技术的最佳时机, 若无肾积水, 肾功能正常时, 约3~5 min后行三维重建技术, 层厚为0.625 mm, 若有肾积水时, 延长30 min后行三维重建技术。值得注意的是, 若过度强调尿路充盈无限制延迟时间, 会使患者接受多次射线扫描, 在患者延迟扫描的时间内, 患者可下床活动, 尽量避免输尿管附近对比剂分布不均匀的现象。
行64排螺旋CT泌尿系三维重建后, 通过图像后处理技术对图像进行处理, 常用的图像后处理技术包括容积再现、最大密度投影、多平面重组以及曲面重组等。
1.3 统计学方法
本次所有研究资料均采用SPSS 18.0统计学软件处理, 计量资料采用±s表示, 计数资料采用t检验, 以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
经64排螺旋CT泌尿系三维重建图像和容积再现、最大密度投影、多平面重组以及曲面重组最终诊断64例患者中, 输尿管癌23例, 占35.9%, 输尿管结石29例, 占45.3%, 外压性梗阻12例, 占18.75, 64例病例经临床及病理诊断证实, 符合率为100%。
3 讨论
输尿管是一对细长的肌性管道, 临床未造影充盈时, 因与周围的其他组织不能清晰对比, 以致于轮廓不清。临床上诊断输尿管病变通常依靠腹部平片、MRI检查、X线静脉尿路造影、普通CT及B超检查, 但确诊率较低[2]。腹部平片和X线静脉尿路造影是临床上较为常用的传统诊断检查方法, 腹部平片分辨率较低, 因此多数情况下只适用于阳性结石的诊断。实施X线静脉尿路造影时要腹部压迫, 但考虑到临床检查时间较长, 行X线静脉尿路造影不能清晰地显示输尿管全段, 并且容易受到患者肾功能及周围脏器的影响, 不能较好地呈现小肿瘤病变。MRI检查虽然能够很好地呈现输尿管病变阻塞的情况, 但对结石敏感度较低。普通CT则极易受Z轴分辨率、呼吸和层厚的影响, 出现马赛克伪影, 以致于能较好地显示肿瘤纵向延伸的长度, 这可能造成小肿瘤遗漏。B超具有无辐射、无创伤、无危险、价廉等优点, 因此, 其较为广泛地用于输尿管病变的诊断, 但其受患者自身因素、腹腔肠气及分辨力等因素的限制, 在反映输尿管形态和肾功能等方面有一定的阻碍作用。与上述几种检查方法相比, 64排螺旋CT泌尿系三维重建技术有着极大的优势, 其具有X线静脉尿路造影及普通CT诊断特异性高和敏感性高的优点, 同时可较好地显示输尿管中充盈缺损, 判断输尿管病变原因[3]。64排螺旋CT泌尿系三维重建技术可在输尿管病变部位行多层面和三维重建成像, 可清晰地呈现输尿管、肾盂和膀胱的全貌, 这样有利于判断输尿管病变, 如畸形、扩张、变异和受压等。另外, 64排螺旋CT泌尿系三维重建技术无需腹部加压和肠道准备, 为患者的诊断提供了极大的方便。本文研究结果显示, 64排螺旋CT泌尿系三维重建技术无创、直观且准确, 临床及病理诊断证实, 符合率为100%, 可为临床手术提供参考依据, 因此, 值得临床推广和应用。
摘要：目的 探讨64排螺旋CT泌尿系三维重建技术在输尿管病变中的临床应用。方法 选取2010年5月-2012年5月我院收治的64例输尿管病变患者为研究对象, 对患者行64排螺旋CT泌尿系三维重建技术检查, 并通过图像后处理技术, 将检查结果与手术病理结果对照。结果 输尿管癌23例, 占35.9%, 输尿管结石29例, 占45.3%, 外压性梗阻12例, 占18.75%, 64例病理经临床及病理诊断证实, 符合率为100%。结论 64排螺旋CT泌尿系三维重建技术覆盖范围广、扫描速度快、图像清晰, 能够准确定性诊断临床输尿管病变, 值得临床推广和应用。
关键词：64排螺旋CT,泌尿系三维重建技术,输尿管病变
参考文献
[1]贾广生, 张在人, 李艳英, 等.64排螺旋CT泌尿系三维重建技术在输尿管病变中的临床应用[D].哈尔滨医科大学学报, 2011, 45 (1) :71-73.
[2]魏远, 李捷.双排螺旋CT扫描造影三维重建技术对泌尿系统病变的临床诊断价值研究[J].医药前沿, 2012, 2 (11) :127.
[3]黄忠雄, 何玉成, 胡六才, 等.16层螺旋CT尿路三维重建在泌尿系梗阻性疾病诊断中的价值[J].放射学实践, 2008, 23 (1) :59-61.
泌尿系三维重建技术 篇2
【关键词】 多层螺旋CT；三维重建成像；创伤性骨折；应用
doi：10.3969/j.issn.1004-7484（x）.2012.08.679 文章编号：1004-7484（2012）-08-2961-02
1 资料与方法
1.1 一般资料 选取了我院95例创伤性骨折的病人，男性病人是46例，女性病人是49例，这些患者年龄处于20岁以下就有15例，年龄处于20岁至40岁的病人就有有23例，年龄处在41岁到60岁的病人就有44例，年龄处于60岁以上的病人就有13例。依据国际统一定的相关分类系统，可以将这些病症划分为I型、II型、III型、IV型，因此，这些病人的類型倒数依次是：13例、44例、23例、15例。这些患者均有较为明显的外伤，经过医院治疗都获得康复。
1.2 检查方法 在检查中，我们使用了美国的Hispeed NX/i双层的螺旋CT机，它具有高分辨率，其扫描的螺距为1.5，层厚是3mm，间隙为3mm，管中的电流为120mA，管中电压是220kV，摆放姿势是仰卧定位，用它的轴面进行扫描，采用较为原始的二维图像范围作为全鼻。开始时他进行重建图像，采用以后重建的层厚2mm，间隔是0.5mm，重叠率为75%，重建后的图像约为113层，利用3D的软件来进行重建的图像处理。利用CT Bone来重建，分别在它的轴面、冠状面或是它的矢状面观察，就可以得到创伤性的全貌，在将它拿出来与二维的软件Rfrnt detl有效地进行对比，观察不一样之处。
1.3 评价方法 在评价体系中，我们要根据所得的X线片、三维的CT成像，这两种的影像资料来将他们细分为普通的X线片组、三维的CT成像组，对于病人中的骨折类型要按照Letournel的分类进行描述，并对实验中的骨折详细分类型，这样可以对骨折的类型进行比较分析。
1.4 统计学方法 本文中的所采用的数据都是用SPSS10.0的软件进行准确的统计分析，同时各组之间的比较也用了t进行检验，这些实验中的数据都是采用的平均值。P<0.05是差异的具有统计学上的意义。
2 结果
在我院治疗中发现，这组95例患者中，发现创伤性骨折的有100处，脱位的就有7处。通过X线的平片影像所显示出的骨折有85处，准确率为86.8%；漏诊10处，这样漏诊率就达13.2%。这些患者的创伤性骨折中颌面部骨折3处，跟骨骨折3处，脊椎骨折有1处，它的髋关节的骨折有2处，它的足跗骨骨折有1处X线的平片影像没有显示出来。通过这些事例可以发现，dr图像处理虽然清晰，但是在处理后可能有一些隐匿性的骨折没有被发现，这是人体骨头组织的复杂性和该技术的局限性所造成的。多层螺旋CT三维重建技术的图像可以清晰确切地把骨头坏损部位原始地反映出来，同时这项技术还可以很好地发现不易发现的骨折以及精确地观测到患者骨折的断端移位的程度、受损范围或者数目等，在平片影像中漏诊的10处骨折起了重要的作用。多层螺旋CT三维重建技术的图像可以全方位、立体地来显示出受损骨头中的骨折线走势、长短、受损骨折的分离、碎骨片的位置以及大小数目等，并且在这些基础上可以用平面的重组系列，来对图像的显示，进行更清晰逼真的处理。对此，我们可以得出，在创伤性骨折中的应用中，多层螺旋CT三维重建对于那些不易于检测或是不规则的骨折更具无可比的优势，是医院为患者检测的首选。
对这些患者经行长期的回访咨询，对一些结果我们进行比较后，可以发现一个比较明显的结果，创伤性骨折中采用多层螺旋CT三维重建技术的患者95例，依照国际通行的方法进行评分：优秀的病人有23例，良好的病人有41例，一般的病人有25例，较差的病人有2例；其中若按照先前我医院的一般X线的平片影像所抽选的患者95例，按照国际通行的方法进行评分：优秀的病人才13例，良好的病人有19例，一般的病人有23例，较差的病人就有15例。很显然，我们可以得出，I型和III型的三维重建技术要比一般X线的平片影像的评分高，但是两者之间没有统计学上的差异（P>0.05）；II型和IV型的三维重建技术要比一般X线的平片影像的评分低得多，这样两者之间的差异是有统计学上的意义（P<0.05），详细结果，见表1。
3 讨论
通过这次研究探讨，我们知道多层螺旋CT三维重建技术在创伤性骨折中的应用的优越性，采用多层螺旋CT扫描，使得扫描期间中的连续运动，缩短了达到我们所需目标的时间，并且能够产生大量高清晰质量的图像，进而获得我们素需要的立体多维的图像，没有必要进行二次或多次的扫描即可重建任意部位的图像。
综上所述，采用多层螺旋CT扫描骨折创伤处应当制定比较合理、规范的扫描参数，这样才能获得质量高的二维图像，并且对比各种图像的处理技术。通过这几种方法在骨折诊断中获知各自的优劣之处，同时充分结合病人的病情需要，采用多种的方法进行联合应用，突出重点，这样才能获得最好的图像质量，达到比较好的诊断效果。
参考文献
[1] 张伟雄，卿安蓉，陈国栋.多层螺旋CT三维重建在颌面骨折中的应用[J].中国CT和MRI杂志，2010年04期：16-18.
泌尿系三维重建技术 篇3
1 资料与方法
1.1 研究对象
选取2014年9月-2015年1月安徽医科大学第一附属医院因临床怀疑泌尿系结石行CT检查的56例患者,将其随机分为常规组和低剂量组,每组各28例。常规组男16例,女12例;年龄25~76岁,平均(53.6±12.1)岁;体重指数(BMI)19.1~33.2 kg/m2,平均(24.54±3.52)kg/m2。低剂量组男16例,女12例;年龄21~71岁,平均(49.5±13.4)岁;BMI 20.0~34.0 kg/m2,平均(24.22±3.47)kg/m2。根据2001年中国肥胖问题工作组推荐的中国成年人肥胖诊断标准[3],BMI<18.5 kg/m2为瘦体型,18.5 kg/m2≤BMI<24 kg/m2为中等体型,BMI≥24 kg/m2为肥胖体型,两组各有14例中等体型,14例肥胖体型。本研究经本院医学伦理委员会同意,所有患者均签署知情同意书。
1.2仪器与方法
采用Discovery CT750 HD(GE Healthcare,Milwaukee,WI,USA)能谱CT机, 患者扫描前0.5 h饮用300 ml饮用水。患者取仰卧位,扫描范围自T12水平至耻骨联合下缘,扫描过程中嘱患者屏住呼吸。扫描参数:常规组管电压120 k V,管电流范围10~400 m A,旋转时间0.5 s/r,螺距1.375∶1,噪声指数为13 ;低剂量组管电压120 k V,管电流范围10~400 m A,旋转时间0.5 s/r,螺距1.375∶1,噪声指数为25。
1.3图像后处理
采用滤过反投影技术(filtered backprojection,FBP)及ASIR技术对两组图像进行1.25 mm层厚重建,其中ASIR的权重依次设定为20%、40%、60%及80%,获得10组图像,并在GE ADW4.3工作站完成图像的测量工作。由2名具有5年以上腹部影像诊断经验的主治医师分别对各组图像进行观察,观察内容包括结石的数目、大小、部位及相关伴随病变、主观评分(图像质量、诊断可信度)及客观评价(噪声)等。
1.4图像主观评价
①图像质量:采用5分制评分,1分:图像噪声大,伪影重,结构显示不清,完全不能满足临床诊断;2分:图像噪声较大,大部分结构显示不清,不能满足临床诊断;3分:图像噪声一般,部分结构显示欠佳,基本满足诊断;4分:图像噪声尚可,组织结构显示清晰,可以满足诊断要求;5分:图像噪声小,结构显示清晰,完全满足临床诊断要求[8]。②诊断可信度:采用3分制评分,1分:无可信度;2分:基本可信;3分:完全可信[8]。
1.5噪声水平测定
选择肝右叶、体表脂肪层及腰大肌(L5水平)作为感兴趣区(ROI),大小约70~110 mm2,记录ROI CT值的标准差,作为图像的噪声水平。
1.6辐射剂量
分别记录两组患者的CT容积剂量指数(CT dose index of volume,CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product,DLP),根据公式(1)计算有效剂量(effective dose,ED)。
其中W表示转换因子,根据欧洲CT质量标准指南规定,腹部的转换因子为0.015[9]。
1.7手术与临床治疗
临床根据结石的大小、数目、位置及成分选择合适的治疗方案,其中对于直径<5 mm的结石选择药物保守治疗,对于5 mm ≤直径<20 mm的结石选择体外冲击波碎石,对于直径≥20 mm的结石根据结石位置可选择经皮肾镜碎石取石术、输尿管镜取石术、腹腔镜输尿管取石术及开放性手术治疗等。以外科手术取石或临床治疗后经尿道排石作为参考标准。
1.8统计学方法
采用SPSS 16.0 软件,两组辐射剂量及噪声水平的比较采用t检验,两组主观评分(图像质量、诊断可信度)比较采用Mann-Whitney U秩和检验,对观察者间的一致性采用Kappa检验,Kappa ≤0.19为差,0.20≤ Kappa ≤0.39为较差,0.40≤ Kappa ≤0.59为中等,0.60≤ Kappa ≤0.79为较好,0.80≤ Kappa ≤1.00为好,P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结果
2.1 手术与临床结果
常规组中,18例行经皮肾镜碎石取石术,6例行输尿管镜取石术,1例行腹腔镜输尿管取石术,3例行保守药物治疗。低剂量组中,21例行经皮肾镜碎石取石术,5例行输尿管镜取石术,1例行单侧肾切除术(肾结石合并患肾无功能),1例行保守药物治疗。
2.2 CT诊断结果
常规组28 例患者共检出结石127 枚,大小约1.0~44.8 mm,平均(7.4±6.8)mm ;其中20例继发肾盂及输尿管扩张积水,3例伴肾囊肿,1例伴肾周脓肿,2例合并肾萎缩。低剂量组28例患者共检出结石103枚,大小约1.0~32.0 mm, 平均(8.5±6.5)mm ;其中22例继发肾盂及输尿管扩张积水,3 例伴肾囊肿,1 例合并肾萎缩。两组结石的数目、大小及位置见表1。低剂量组中1 例微小静脉石误诊为小结石,后经手术证实,低剂量组诊断的敏感度为100.0%,特异度为97.0% ;常规组诊断的敏感度与特异度均为100.0%。2名医师在结石数目及位置的检出率一致性较好(Kappa=0.68 ~ 0.73)。
2.3两组图像质量主观评分与噪声比较
2名医师对两组图像质量评分的一致性较好(Kappa=0.622、0.741)。常规组FBP图像质量评分、诊断可信度评分高于低剂量组,差异有统计学意义(Z=-6.124、-5.631,P<0.05)。低剂量组20%ASIR、40%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分与常规组FBP图像比较,差异均有统计学意义(Z20%=-5.622、-3.371,P<0.05 ;Z40%=-4.879、-2.322,P<0.05);低剂量组60%ASIR、80%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分与常规组FBP图像比较,差异均无统计学意义(Z60%=-0.912、-1.427,P>0.05 ;Z80%=-0.575、-1.000,P>0.05)。见表2 及图1~3。
低剂量组FBP图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声明显高于常规组,差异均有统计学意义(t脂肪=-11.462,P<0.05 ;t肝右叶=-14.310,P<0.05 ;t腰大肌=-12.548,P<0.05)。低剂量组80%ASIR图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声与常规组FBP图像比较,差异无统计学意义(t脂肪=0.069,P>0.05 ;t肝右叶=1.291,P>0.05 ;t腰大肌=1.568,P>0.05)。见表2。
注:与低剂量组FBP比较,*P<0.05 ;与常规组FBP比较,▲ P<0.05 ;FBP :滤过反投影技术;ASIR :自适应统计迭代重建
图 1 女，62 岁， 右 肾 囊 肿（箭）， 低 剂 量 扫 描（噪 声 指数 =25）图像。FBP 重建图像颗粒感较粗，结构显示欠佳，病灶边界不清（箭，A）；当使用60%ASIR（B）及 80%ASIR（C）处理时，病灶结构清晰，能较好地满足临床诊断（箭）
图 2 男，24 岁， 左 肾 结 石（箭），低剂量扫描图像（噪声指数 =25）。FBP 重建图像示结石边缘稍毛糙，周围软组织结构显示欠佳，边界不清（箭，A）；60%ASIR 重建（B）及 80%ASIR重建（C）图像示结石边界清晰，周围软组织结构显示分明（箭）
2.4辐射剂量
低剂量组CTDIvol、DLP、ED较常规组分别降低了69.29%、69.00%、68.96%,两组比较差异均有统计学意义(t=13.83、12.81、12.81,P<0.05)。常规组BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED与本组BMI ≥24 kg/m2患者比较,差异均有统计学意义(t=3.24、3.27、3.26,P<0.05);低剂量组BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED与本组BMI ≥24 kg/m2患者比较,差异均有统计学意义(t=3.02、2.94、2.94,P<0.05)。见表3。
图3 女，65岁，左肾及左输尿管上段结石，常规剂量扫描（噪声指数 =13）。FBP 重建图像示结构显示清晰，边缘光整（A）；40%ASIR 重建（B）、60%ASIR 重建（C）及 80% ASIR 重建（D）图像示结构更加清晰，能很好地满足临床诊断
3 讨论
3.1 自动管电流调节技术降低辐射剂量
随着CT技术的发展,低剂量CT扫描成为可能。常用降低辐射剂量的方法有增大螺距或降低管电流,增大螺距可降低辐射剂量,但造成图像在Z轴上的空间分辨力下降,遗漏小病灶的几率增大[10],减低管电流成为降低ED的最常用手段[11]。本研究采用ATCM技术进行剂量调控,低剂量组患者接受的辐射剂量为(2.03±1.26)m Sv,较常规组的(6.54±1.37)m Sv下降约68.96%。既往研究[4,5]表明使用低剂量扫描辐射剂量下降76%~77%,与以往研究相比,本研究的辐射剂量下降程度稍低。研究中,对于BMI <24 kg/m2的患者,ED下降约75.8%,与以往研究结果相似;而对于BMI ≥24 kg/m2的患者,ED下降约63.5%,这是因为BMI较大的患者,扫描过程中管电流往往达到预设最大值,患者接受辐射剂量较多,提示辐射剂量的降低程度可能与管电压、噪声指数值及BMI有一定的关系。
注:与常规组所有患者比较,*P<0.05 ;与本组BMI≥24 kg/m2患者比较,▲P<0.05 ;CTDIvol :CT容积剂量指数;DLP :剂量长度乘积;ED :有效剂量;BMI :体重指数
3.2 ASIR技术改善图像质量
降低辐射剂量的同时,会增加图像噪声,导致图像质量明显下降。常用的降低图像噪声的重建方法有FBP及ASIR技术。FBP法由于其重建速度快,成为CT图像重建的“金标准”[12],但易产生各种噪声及伪影,不能较大幅度地降低辐射剂量。本研究采用ASIR技术降低图像噪声,研究结果发现ASIR技术对降低图像噪声、改善图像质量有显著效果。贾楠等[13]在ASIR的初步临床研究中发现,与传统重建方法相比,ASIR算法可以使剂量减低50%以上,而图像噪声无明显提高。低剂量图像对大多数结石均能清晰显示,但对软组织结构的显示有不同程度的影响。本研究低剂量组中有22例继发肾盂及输尿管扩张积水,3例合并肾囊肿,在低剂量扫描FBP处理时结构显示欠佳,病变边界模糊不清,随着ASIR权重的增加,图像质量提高,当ASIR权重设定为80%时,标准差值降至最低,图像质量评分最高,可较好地满足临床诊断需求。Mclaughlin等[14]在使用不同权重ASIR(40%、70%、90%)对腹部图像进行处理时,认为ASIR可明显改善图像质量,70%ASIR时图像质量最好,本研究结果与之相似。
3.3本研究的局限性
本研究的局限性在于研究样本量较小,在今后的研究中将进一步扩大样本量;研究中设定的噪声指数及管电压较为单一,能否在满足临床诊断的前提下设定更佳的扫描参数,进一步降低辐射剂量,有待进一步研究及探索。
大豆叶片三维重建及形变技术研究 篇4
近年来,虚拟植物形态建模和可视化已经获得了广泛的研究,如冬小麦叶片模拟[1];大豆生长模型的建立[2];植物叶脉的模拟[3];小麦叶片形态三维建模[4]。在这些虚拟植物形态的研究中,植物叶片形态几何建模是研究的重要组成部分。
大豆叶片是大豆株形态模拟的重要组成分,是制造有机养料的重要器官,对大豆植株的生长发育及后期大豆的生成关系密切。因此,对大豆叶片的模拟具有重要的意义。
目前,关于大豆叶片形态特征方面的研究,已取得了一定的进展。例如,基于生长方程,建立大豆叶片模型[5];通过对大豆叶片生长信息进行数学分析,实现大豆叶片的动态生长模拟[6]。
上述这些关于叶片形态的模拟中,可分为动态的生长模拟和静态的几何形状的模拟。本文就静态叶片三维建模技术及形变技术进行了研究,为大豆叶片形态结构分析等提供可行的参考。虽然,目前可以实现静态叶片的模拟,但是这些研究大多是基于二维平面上的模拟,与真实的三维空间的叶片形态有一定的差距。
因此,本文提出一种大豆叶片三维建模及形变处理方法,生成大豆叶片的形态结构,建立真实的视觉效果,满足模拟叶片形态结构分析的需要,为特定环境下叶片的形变模拟等的可视化模拟奠定研究基础。实验结果表明,本文所提出的大豆叶片三维建模方法及形变处理技术灵活、方便、数据量少,能适应特定环境下对于叶片形态模拟的要求。
1 大豆叶片三维建模中的数据获取
本文对于大豆叶片形态数据提取分为对于叶片轮廓信息和叶脉的位置信息的获取。首先,采用扫描仪获取大豆叶片的数字图像。然后利用图像处理中的边缘检测技术[7]提取出大豆叶片形态数据。通过对大豆叶片的边缘检测,得到的是关于大豆叶片轮廓的一系列离散的像素点,且这些像素点都是一些二维平面数据。
利用计算机图形学中的三次参数样条曲线,并且结合已获得的叶形态特征点为型值点,可以得到大豆叶片轮廓曲线,如图1所示。
因为大豆叶脉遍布整个叶片,叶脉具有自相似特性,本文选用迭代函数(IFS)对大豆叶脉进行模拟。在三维空间里对大豆叶片的绘制是以面为单位的,以上面所获取的大豆叶脉数据为初始数据,构造羽状多分枝结构区域,根据迭代函数(IFS)和拼贴定理[8],以叶轮廓为边界绘制图形,递归生成具有自相似结构的羽状叶脉,如图2所示。
2 大豆叶片的三维重建
2.1 大豆叶片曲面的网格化
将上面生成的叶片轮廓曲线和叶脉曲线合并,可以生成叶片曲面。但是为了建立真实的叶片模型,需要对生成的具有简单多边形区域的叶片模型进行细化,添加足够多的细节信息。本文采用经典的Delaunay思想实现不规则多边形的三角化,首先按一定的间隔抽取缘线上的点,组成一个闭合的多边形;然后对该多边形进行Delaunay三角化。图3是对大豆叶片造型进行三角形网格化的结果。
2.2 大豆叶片曲面细分
由于真实的大豆叶片表面的特点,利用本文提出的基于三次参数样条曲线的方法和Delaunay三角化思想生成的大豆叶片几何形态,会将叶片曲面划分为一系列法向量相差很大的狭长的三角形,这使得叶片曲面渲染的结果看起来非常生硬,极不光滑。因此,需要对生成的三角化曲面进行细分,得到光滑的曲面效果。
网格曲面细分通常采用Loop算法[9]。Loop算法是一种基于三角网格的面分裂细分模式,其原理是在三角形的每条边上插入新点,将这些新插入的点两两相连,使每个三角形分裂成4个小三角形。根据大豆叶片曲面的实际建模需要,只需对叶片模型中曲率较高的区域进行细分,来获得光滑的大豆叶片曲面。
首先,利用Delaunay三角化方法来得到初始大豆叶片网格;然后,对叶片边缘进行边界标识。其次选择两个三角形的之间夹角小于设定的阈值的共享边,插入一个新的顶点。最后,利用新插入的顶点和原有顶点生成新的三角网格,重复以上步骤,直到达到指定的细分精度。细分后的结果如图4所示。
2.3 大豆叶片纹理生成
叶片本身的纹理信息是增强叶片模型真实感强有力的工具,本文取用进行叶片边缘检测时的真实数字图像的一小部分作为叶片纹理;然后,再添加上生成的叶脉模型,生成最终的叶脉纹理。
2.4 大豆叶片曲面的三维重建
利用前面的方法所生成的叶片模型只是二维的,但实际的大豆叶片具有三维特征,所以必须将二维叶片模型转换成三维模型才可以建立真正的大豆叶片模型。在叶片模型中,叶脉骨架(主脉和侧脉)和叶轮廓信息在叶片的三维重建中起决定性作用。本文以叶图像为参照,沿叶脉及叶轮廓的特征线,在关键点处添加三维变形控制点(x,y,z),指定控制点的高度信息z值。通过深入研究发现,采用解拉普拉斯方程的方法可以很好地实现二维叶片向三维曲面叶片的转换。定义一个三维参数曲面方程[10]:f(p,q)=[x(p,q),y(p,q),z(p,q) ],p,q为二维叶表面区域ϕ的坐标参数, ∂ϕ为二维叶轮廓边界, Γ为三维叶脉边界。设 g(q,q)为边界上Γ的受力函数,则可以得到拉普拉斯方程如下
ᐁ2undefined,(p,q)∈ϕ (1)
f(p,q)=g(p,q),(p,q)∈Γ (2)
undefined=0,(p,q)∈∂ϕ (3)
本文利用拉普拉斯方程来定义叶片模型在其轮廓及叶脉控制点影响下的形变效果。采用迭代求解的方法求解模型中的每个网点的拉普拉斯算子,从而得到网格点的新位置,将此过程反复迭代多次,就可以将二维平面叶片转换成三维曲面叶片模型。转换后的三维大豆叶片模型如图5所示。
3 大豆叶片曲面形变的实现
大豆叶片在高温或失水等条件会发生卷曲等形 状变化。通常叶片的形变是通过卷曲和扭曲来实现 的[11]。叶片的卷曲变形可以看作是,在叶片横方向上的每小段直线映射到一段长度合适的圆弧上的过程。如图6(a)所示,在横轴方向上的一小段直线BA映射为弧B1A1。在图6(a)中设A点的坐标为(x,y,z),o点坐标为(x0,y0,z0),A1点的坐标为(x1,y1,z1),由undefined为圆弧B1A1所在圆的半径)可以求出x1=x0+R×sin(θ),y1=y0+R×cos(θ),z1=z0。因此,可以通过改变圆弧的中心角度θ来修改叶片的卷曲度。叶片的扭曲变形通过将每条纵向直线上点的坐标y值直接映射到正弦曲线上,并且控制每条线的映射正好是整个周期。如图6(b)所示,将纵轴上任意点A(x,y,z),映射到正弦曲线点A1(x1,y1,z1)上,则x1=x,z1=z,y1=f·cos(α)。f是变形的幅度值,α=2·j·π/(N-1),其中j是点在直线上的排序序号。形变后的大豆叶片模型如图7所示。
4 实验结果与分析
本文以VisualC++6.0作为实验平台,使用不同形状的大豆叶片作为叶片静态模型模拟的实验数据,并以上述方法进行处理。实验结果表明:
1)采用边缘检测技术获取大豆叶片轮廓特征数据,能够较好地保持大豆叶片原有的轮廓特征。
2) 对于边缘平滑的大豆叶片,利用三次参数样条曲线生成的叶片几何模型简单。
3)将二维平面叶片模型转换成三维曲面模型时,通过拉普拉斯变换生成的三维模型效果好。
4)在进行叶片形变模拟时,通过卷曲与扭曲变化可以实现叶片的基本形变效果处理,但是对于复杂的形变还需进一步探索更好的方法。
5 结论
本文提出的静态大豆叶片三维建模以及形变处理方法,不仅可以应用于不同形状的大豆叶片的造型,而且可以应用于其它叶片边缘较平滑的植物叶片的三维建模。本研究为虚拟植物静态叶片模拟研究提供了必要的方法,具有重要的实践价值。
参考文献
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泌尿系三维重建技术 篇5
关键词：智能化焊接,视觉,三维重建,接缝,熔池
0 前言
焊接在工业生产中的应用领域越来越广泛,传统焊接品质的控制通过焊前工艺设计和焊后检测来保证,不能依据实际工况的变化在线调整,且效率低、效果差,已经不能满足高效优质低耗精密焊接的需求。由于熔池中包含丰富的信息,能够反映焊接品质,熟练焊工通过观察熔池和浮渣形态进行调整,达到焊接品质实时控制。焊接视觉传感的研究就是借鉴焊工经验行为,利用光学传感器拍摄焊接过程中的熔池图像,通过数字图像处理获取熔池几何形状信息,掌握熔池视觉特征与焊缝品质的关系规律,进而调整焊接参数实现焊接品质闭环控制。该技术能获得丰富直观的信息,近来年已成为焊接过程传感的重要研究方向,已经在熔池二维信息的获取、处理和分析方面进行了较为深入的研究[1,2,3,4]。但熔池高度、熔化金属下塌量、熔池侧壁熔合情况、熔透情况、熔池内部金属流动等信息与焊接成形紧密相关,迫切需要对熔池进行三维重建研究,获得更多的信息,建立更全面的熔池几何特征与焊接品质的关系模型。
另一方面,在核电站设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设维修等不适合人类亲临现场的环境都需要采用遥控焊接技术。传统的遥操技术通过延伸人的感知能力,获得现场信息,进行判断和决策,并控制执行机构(机器人)所有的运动。这种完全依赖于人的遥控操作方式效率低下,容易导致操作者疲劳。并且由于二维图像深度信息的丧失,难以完成一些精确的任务操作。同时,焊接机器人任务空间的三维传感也是机器人全自主焊接的发展需要,这样不仅能克服示教再现型机器人缺乏对环境自主适应能力的缺点,也能为离线编程系统提供任务空间的 CAD 模型,避免了离线编程标定的不便。开发具有全局感知能力的传感器可以感知工件和环境信息,提高焊接机器人柔性,扩展焊接机器人的应用范围[5]。同时,三维重建也是熔池数值模拟结果的有效验证方法。
1 计算机视觉
现实世界是三维的空间,人类通过两眼认识自然界物体的三维立体信息。但是一般的摄像系统只能把三维物体以二维的形式保存、记录下来,丢掉了大量的三维信息。计算机视觉就是用计算机模拟人眼的视觉功能,从图像或图像序列中提取信息,对客观世界的物体进行形态和运动识别。
计算机视觉的研究开始于20世纪50年代中期,当时的研究主要集中在二维景物图像的分析。利用二维图像解释三维目标的研究始于1695年Roberts对多面体识别中提出的“积木世界”。Roberts的研究开创了以理解三维场景为目的的计算机视觉研究。20世纪70年代中期,以Marr为代表的研究者提出了一整套视觉计算的理论来描述视觉过程,其核心是从图像恢复物体的三维形状。从20世纪80年代初到80年代中期,计算机视觉开始了全球性的研究热潮,计算机视觉得到了蓬勃的发展,在Marr视觉计算理论框架的基础上,新概念、新方法、新理论不断涌现。20世纪90年代初,关于计算机立体视觉的研究趋于成熟。
计算机视觉最主要的研究方向是三维重建,研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力,不仅使机器能够感知三维环境中物体的几何信息(形状、位置、姿态、运动等),而且能够对其进行描述、存储、识别和理解。计算机立体视觉就是利用计算机技术和光学手段从获得的一幅或多幅图像中还原出被摄物体的立体形状、位置等,从而获得三维数据值[6]。
基于视觉的三维重建技术的优势在于不受目标物体形状限制,重建速度快,可以实现全自动或半自动建模等,有广泛的应用前景。
2 三维重建方法
根据所用摄像机的数目,可将三维重建方法分为单目立体视觉法、双目立体视觉法和多目立体视觉法。
2.1 单目视觉法
单目视觉法是仅使用一台摄像机进行三维重建的方法。其中又包括两种方法,第一种是使用单视点的单幅(或多幅)图像,通过图像的二维特征推导出深度信息,这些二维特征包括明暗度、纹理、轮廓等。该方法的优点是使用单幅或少数几张图像就可以重建出物体三维模型;不足的是通常要求的条件比较理想化,与实际应用情况不是很吻合,重建效果较差。第二种方法则使用多视点的多幅图像,利用一台摄像机的旋转、运动或者对目标进行光路设计使不同视点的图像能够进入摄像机的靶面,通过匹配不同图像中的相同特征点,利用这些匹配约束求取空间三维点坐标信息,从而实现三维重建。这种方法在图像资源丰富、目标所受光照情况不改变、目标形状不发生变化的情况下重建效果较好,但是运算量较大,重建时间较长,需要知道摄像机的准确运动情况。
在焊接过程中,熔池反射电弧光的光强变化迅速,并且熔池处于流动状态,无法通过一台摄像机的运动获得多个视点的同步熔池图像,使得第二种单目立体视觉法在焊接领域不适用。第一种单目立体视觉法又包含阴影恢复法、结构光法、光度立体法、纹理法等,已有文献报道结构光法和阴影恢复法在在焊接熔池的三维重建的研究,将在第三节中进行归纳。
2.2 双目视觉法
双目立体视觉是一种将双目视差信息转换为深度信息的方法,这种方法使用两台摄像机从两个视点观测同一物体,获取在物体不同视角下的一对图像,然后通过左右图像间的匹配和三角测量原理,计算出场景中目标物体的几何形状和位置等三维信息。这一重建过程与人类视觉的感知过程相似,非常直观和易于理解,并且不需要人为设置辐射源,只需利用场景在光照条件下的二维图像来重建物体的三维信息,具有效率高、适应性强、精度合适、系统结构简单、成本低等优点,是目前研究最多、应用最广泛的立体视觉技术之一,特别是在非接触自动在线检测和质量控制等领域均具有很大的应用价值。
由于该方法结构简单,测量精度较高,已有焊接研究者利用该方法对焊接领域中的接缝坡口、焊接工件、遥控焊接任务空间场景及熔池进行三维重建,将在下一章详细归纳。
2.3 三目视觉法
三目视觉方法的基本思想是通过增加一台摄像机提供额外约束,该方法可以避免双目视觉方法中难以解决的假目标、边缘模糊、误匹配等问题,重建效果优于双目视觉方法。但由于增加了一台摄像机,设备结构更加复杂,成本更高,控制难度也大幅增加,并没有双目立体视觉法应用广泛。
3 焊接三维重建研究
由于焊接过程中存在着高温、飞溅、电弧等干扰,同时熔池体积小、温度高且分布不均匀、冷却速度快、熔池处于运动状态、填充金属的熔化和凝固过程同时存在等,直接对熔池进行三维测量十分困难,焊接中存在的电磁干扰和熔池的高温使得机械和电磁方法不适用,X射线方法和红外传感方法都能够获得焊缝熔透信息,但无法实时测量熔池高度信息[7]。熔池三维重建最有前途的方法是视觉传感法。
基于视觉的焊接接头三维重建技术能广泛应用于包括接缝轨迹规划、焊接品质控制、移动焊接机器人自主导航等焊接技术领域,进行焊接三维重建研究是智能化焊接发展的关键技术之一。目前焊接领域采用的三维重建方法主要有结构光法(单目主动立体视觉法、阴影恢复法(单目立体视觉法被动)以及双目立体视觉法(被动光法)三种。
3.1 结构光法
结构光三维视觉是基于光学三角法测量原理,通过光学投射器将一定模式的结构光投射于物体表面,在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。摄像机获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面高度。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时,由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面高度。
美国肯塔基大学张裕明博士在主动式视觉领域曾进行了一系列研究工作,获得了较好的研究成果[8,9,10]。他首次将结构光法用于焊接三维重建研究,通过计算熔池反射的结构光的变形量来获取熔池表面高度信息,于2007年设计了一套由面阵点状激光器和高电子快门摄像机组成的熔池视觉检测系统。脉冲激光器的平均功率为 20 mW,每次形成激光面阵中点数为19×19,激光波长为 685 nm,摄像机所采用的滤光片中心波长为 685 nm,滤光窗口宽度为20 nm。在激光脉冲持续时间内,激光点阵一次覆盖整个熔池表面,在摄像机曝光时间内激光的光强远远大于弧光的光强,有效的抑制了弧光干扰,获得了非常清晰的熔池表面点状反射图像。提出了EPA和OPA两种算法重建熔池表面,对比结果发现OPA方法得到的结果误差更小,熔池表面更光滑,图1为其使用的 GTAW 实验系统、利用OPA算法获得的熔池表面三维图像以及xz平面上重建点与实际点的对比[11],可以看到位于图像中间的点误差较小,而图像四周边缘的点误差比较大。王志江等[12]利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊熔池表面,由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹,利用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化,从而获得熔池表面的高度等三维信息。
结构光法应用于焊接领域进行三维重建可以成功地得到熔池的三维形状,但该方法算法较复杂,计算时间长,精度有待进一步提高。同时设备复杂,需要增加辅助光源,成本较高,不利于工业应用。
3.2 阴影恢复法
阴影恢复法(shape from shading,SFS)最早是美国科学家Horn为了解决月球表面的重建问题于20世纪70年代提出的,是利用单幅图像中的阴影线索(即灰度信息或图像的明暗变化)来恢复其表面各点的相对高度或表面法向量等参数值,即根据一个确定的反射模型建立物体表面形状与图像亮度之间的约束关系,并根据对物体表面形状知识建立表面形状参数的约束关系,然后对这些约束关系联立求解可得到物体表面的三维形状。该方法只需要单幅图像就可以解决表面重建问题,其关键技术包括反射图模型的建立和反射图方程的求解[13]。尽管有很多方法提出,SFS问题仍然很难获得精确的重建结果。由于实际反射的多样性,很难确定合适的反射模型,并且光源条件、图像品质等都难以得到保证,如何给出合适的约束条件成为许多研究者需要面对的难题。由于以上等原因,SFS方法的具体应用和效果都受到较大限制。在实际场景中的SFS方法重建结果往往会差强人意,尽管可以重建出局部较为细致的深度信息,但在整体深度上的偏差会比较大,而且由于平滑等约束,难以避免过平滑及丢失细小特征的结果[14]。
赵冬斌等[15]首次将SFS方法引入到焊接熔池表面高度信息提取上,通过对成像实际条件的深入分析,提出了符合实际成像条件的通用反射图模型,并提出了求解方程的基本算法;针对实际焊接熔池图像的特点,引入了表面光滑约束、边界条件、灰度加权调整,在基本算法的基础上形成了改进算法,成功地由单幅熔池图像获得了填丝脉冲GTAW低碳钢对接熔池图像熔池正面三维形状信息,如图2所示,其中Vf为送丝速度。该方法为提取熔池正面三维信息开辟了一个新的方向。李来平等[7]进一步研究了多种材料焊接过程中熔池图像特征,提出了脉冲 GTAW 熔池表面通用反射图模型,首先分析了熔池表面成像过程中的电弧光源特点、熔池表面的形状和反射特性和摄像机特性,建立脉冲GTAW熔池表面通用反射图模型,分别建立了低碳钢、不锈钢、铝合金脉冲GTAW熔池表面反射图模型并对反射图方程进行求解,实现了三种材料熔池图像的三维重建,铝合金熔池三维重建结果如图3所示。杜全营等根据熔池表面的成像特点,从提高运算速度的角度对三维恢复理论上进行改进,处理结果如图 4所示 [16]。
但是阴影恢复方法要求是表面反射均匀的漫反射体(符合朗伯漫反射模型),在理想的成像条件下(光源和摄像机无穷远),对反射图方程的逆求解过程,由图像灰度计算出物体的表面方向。然而,熔池是在强电弧光笼罩下,其表面成像镜面特性;并且用于传感熔池表面的摄像机也非无限远,是小孔成像,成像模型为投射投影模型。上述利用阴影恢复熔池形状法做了过多的假设,使得阴影恢复方法在熔池表现形貌三维恢复模型不再可靠[12]。并且阴影恢复法算法复杂度较高,大多数算法必须由迭代运算来逐步逼近真实结果,迭代的收敛速度会随迭代过程而减慢,由此带来较大的时间消耗。SFS方法处理的都是灰度图像,在重构前的去噪、降噪工作难度较大,容易把噪声带入后期重建中,而大多数研究方法是噪声敏感的,由此可能导致重建结果的失真。
3.3 双目立体视觉法
双目立体视觉三维重建包括立体图像对的获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维恢复等六个基本步骤。摄像机标定就是获得立体视觉系统的数学模型的过程,包括摄像机的内参数,两摄像机之间的位置关系,摄像机坐标系和世界坐标系的关系等。标定的结果相当于获得图像点对应的空间直线的方程。立体匹配就是寻找两图像上对应同一空间点的像素或者特征的过程,是立体视觉中最重要和最困难的步骤。在极线约束下,对应点的寻找是沿着某条线(极线)进行的,深度确定就是求两条直线交点的过程[5]。
焊接研究者利用双目立体视觉法来模拟焊工的双眼来获得焊缝和熔池的三维形状信息,在焊接领域已经得到较多的关注和研究。美国的Chris Mnich等人使用双目立体视觉法对GMAW的管道焊接熔池进行恢复。焊接方法为STT,焊接期间瞬间熄弧,两摄像机同时采集熄弧瞬间熔池图像,双目熔池图像对和恢复的熔池三维形状如图5所示[17]。可以看到恢复的熔池表面凹凸感明显,细节丰富,与熔池实际形状吻合度高。不足的是在光亮的无纹理匹配区域只能用平面来取代。虽然如此,该方法仍不失为一种整体精度高、适用性强的焊接熔池三维重建方法,值得深入研究。
a)熄弧瞬间熔池图像对 b)熔池三维重建结果
荷兰的C.X.Zhao和I.M.Richardson等人使用二维粒子图像测速仪(PIV)跟踪氧化物粒子的运动来确定熔池表面速度场,运用二维熔池图像来完成三维流体流速的重建,从而得到了熔池的三维流动情况[18]。
南京理工大学的王克鸿等[19]设计研制了结构激光双目立体视觉传感器,成功得到不同形状接缝的三维几何尺寸(图6)。
a) I形接头 b) U形接头 c) 搭接接头
上海交通大学使用双CCD拍摄焊缝图像,对摄像机进行标定后并获取焊缝的三维形状,发现机器人重复定位精度对视觉计算的影响标准误差不大于0.3 mm,而当工具中心点标定误差大于1 mm时,需要对机器人进行重新标定[20]。
华南理工大学的李鹤喜等人采用极线约束和激光标识相结合的立体视觉匹配方法,完成了管件相交马鞍形空间曲线焊缝的立体视觉检测[21]。
王军等对经典USF平面距离图分割算法进行改进,通过增加区域合并步骤,使之能够分割含有圆柱面的立体视差图,给出了马鞍形工件的立体视差图分割结果,证明了算法的可行性,结果如图7所示[22]。
a) 未区域合并 的分割结果b) 区域合并 后的分割c) 马鞍形工件 重建结果
哈尔滨工业大学梁志敏等建立了用于遥控焊接机器人任务空间三维重建的立体视觉系统,并完成了系统标定和极线校正。针对典型的焊接任务空间,进行了外围设备、焊接工件和焊缝的三维重建实验,并对系统标定误差和重建结果误差进行了分析。验证了立体视觉的三维重建算法可以克服焊接场景无纹理的缺点,获得精度较高的重建结果,能够满足遥控机器人任务空间的建模需要[5]。
国内利用双目立体视觉法的研究主要针对焊接中的接缝坡口、工件、焊缝和焊接外围设备等的三维重建,针对熔池三维形状研究鲜有报道。这种方法的难点在于熔池变化很快,使得对两摄像机的同步和对图像品质都要求很高。若存在强烈弧光干扰或熔池图像存在区域特征不明显,则匹配困难。
4 总结与展望
随着电子技术、自动控制技术以及图像处理技术、迅速地引入到焊接领域,焊接智能化的发展已经成为重要发展和研究方向,包括焊接品质的在线智能化控制和焊接环境的智能识别。
泌尿系三维重建技术 篇6
医学图像的三维重构显示分析技术, 是近年在生物医学工程领域最引人注目和发展最快的技术之一。随着新技术的不断涌现, 它成为人们探索生命奥秘, 以及疾病诊断治疗的重要手段。本书系统讨论了生物医学领域断层图像 (医学断层图CT、MRI等;光学显微镜生成的光学断层图像, 电子显微镜所生成的连轴切片图像;单颗粒技术所生成的切片图像) 的三维重建、显示、分割与分析等一系列相关的理论技术问题。通过改进、提高现有技术, 发展出对生物医学断层图像进行快速高质素三维重构显示, 以及实现对三维图像三维任意区域分割与定量分析技术。
依据这一系列技术手段, 应用到生命科学研究以及临床疾病的诊断治疗中。对CT等医学宏观图像进行重建、显示、分割、分析, 实现了计算机辅助整形外科手术模拟系统功能。对生物大分子如病毒、细胞器 (如线粒体以及花粉孢子) 进行重建、显示、分割、分析, 实现了三维显示体的任意区域的交互分割。对序列断层图像分析, 测量出了细胞膜的力学参量。
本书可以作为从事生物医学工程工作的相关人员以及生物医学工程专业的本科生、研究生的参考用书。
泌尿系三维重建技术 篇7
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泌尿系三维重建技术 篇8
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