虛擬血管鏡的關(guān)鍵算法研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā).pdf

1、在臨床醫(yī)療診斷中，對(duì)人體內(nèi)部器官的直接觀察是非常重要的診斷手段。科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了多種此類醫(yī)療技術(shù)，內(nèi)窺鏡技術(shù)就是其中一項(xiàng)重要的技術(shù)。內(nèi)窺鏡技術(shù)采取入侵方式，將軟管插入器官內(nèi)部，通過(guò)儀器直接觀察病人器官內(nèi)壁情況。但是除器官內(nèi)壁之外醫(yī)生無(wú)法獲得其它更多信息，包括周圍組織內(nèi)部情況和全局信息，而且操作過(guò)程不便，還會(huì)給病人帶來(lái)較大的痛苦。近年，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療成為研究熱門。其中，虛擬內(nèi)窺鏡（Virtual

2、Endoscopy--VE）技術(shù)從提出走向了快速發(fā)展的過(guò)程。 本論文所研究的虛擬血管鏡（Virtual Angioscopy--VA）系統(tǒng)技術(shù)是虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，處于初步探索階段。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography--CT）和磁共振成像（Magnetic Resonance Image--MRI）等技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得虛擬內(nèi)窺鏡成為可能，其相關(guān)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多

3、高校及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究并開(kāi)發(fā)出針對(duì)各種器官的虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，但對(duì)虛擬血管鏡系統(tǒng)研究還比較少，這主要是由于血管這種器官處理難度較大的原因。但隨著技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，現(xiàn)在已有了一些研究進(jìn)展。 論文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于虛擬內(nèi)窺鏡研究工作的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了關(guān)于虛擬血管鏡的一系列算法和技術(shù)研究，并在PC平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬血管鏡系統(tǒng)。論文旨在解決虛擬血管鏡中關(guān)鍵技術(shù)和算法，針對(duì)血管和其他器官的巨大的不同，研究能夠滿足血管需要的相關(guān)算法

4、和技術(shù)，同時(shí)盡可能優(yōu)化，提高運(yùn)行效率，以及提高運(yùn)行質(zhì)量，并在各步驟主要技術(shù)都已經(jīng)得到解決的基礎(chǔ)上，提供一個(gè)可以使用的虛擬血管鏡系統(tǒng)，為以后的應(yīng)用和走向臨床打下基礎(chǔ)。 本文首先綜合介紹了虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的歷史和發(fā)展；闡述了虛擬血管鏡系統(tǒng)的處理過(guò)程和系統(tǒng)構(gòu)架；然后詳細(xì)討論了虛擬血管鏡系統(tǒng)中各主要模塊的技術(shù)和本論文在算法和實(shí)現(xiàn)方面的研究成果。具體而言，本文的主要工作有如下幾方面： （1）在血管數(shù)據(jù)分割中，綜述了流行的3D醫(yī)學(xué)圖像分

5、割方法，并提出了針對(duì)血管的快速分割算法，并輔以人工修正，提高精確度； （2）在虛擬導(dǎo)航中，論文重點(diǎn)討論了血管中心線的提取辦法，基于對(duì)各種中心線算法的比較，確定選用細(xì)化算法（腐蝕法），主要以六方向拓?fù)浼?xì)化算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出針對(duì)血管內(nèi)腔的中心線自動(dòng)生成算法，基于此算法得到的血管中心線，完成在血管內(nèi)部虛擬導(dǎo)航路徑的生成技術(shù)；針對(duì)細(xì)化算法的特殊性，對(duì)其產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行處理，包括修剪細(xì)小分支、平滑化、建立拓?fù)漤樞虻龋_保中心路徑質(zhì)量，此外還試

6、探采取體素裁剪的辦法，在保證路徑質(zhì)量的前提下，大大提高運(yùn)算速度。 同時(shí)設(shè)計(jì)和考察了一個(gè)基于血管表面體素點(diǎn)的中心線提取辦法，與細(xì)化算法進(jìn)行比較，雖然在最后實(shí)現(xiàn)的虛擬血管鏡系統(tǒng)中沒(méi)有使用該算法，但其算法思想和方法在設(shè)計(jì)虛擬導(dǎo)航路徑中得到應(yīng)用； （3）在虛擬場(chǎng)景繪制中討論了經(jīng)典的移動(dòng)立方體（Marching-Cube）算法重建血管內(nèi)壁模型，還重點(diǎn)討論了直接體繪制算法，嘗試使用基于圖形處理器（Graphics Processing