超声心脏图像的三维可视化体绘制算法研究

论文摘要

最初的基于超声数据场三维重建方法是依靠分割、滤波等预处理方法，再用基于面片的面绘制将分割结果进行几何拟合，该方法严重依赖于分割的结果。近年来，随着直接体绘制技术的发展，对于超声体数据场的三维重建大都直接采用现成的传统直接体绘制算法、软件。但是最初直接体绘制算法的提出是针对CT、MRI数据场，并没有考虑到数据场中的Speckle噪声问题，因此如何建立适用于超声体数据场的阻光度传递函数，使之能有效地抑制噪声同时增强绘制图像的对比度成为直接体绘制算法应用于超声数据场的核心。超声图像本身所具有的较大的Speckle噪声、较低的动态范围、相当宽度的模糊边界区域以及表面不平及取向引起的伪边界等特点，使得超声数据场的三维重建十分困难。本文对超声数据场三维重建的研究中发现，直接体绘制技术的提出本身并没有考虑物理模型中噪声对绘制过程的影响，但是其强大的绘制功能可以实现在体素级设置物质的光学属性，因此可以利用直接体绘制技术中的阻光度传递函数来抑止超声图像中散布的Speckle噪声对采样过程的干扰。针对超声数据场难以得到有意义的重建结果，本文以直接体绘制算法为基础，通过研究不同坐标系下的体素亮度变化方向的规律，改进直接体绘制算法中的阻光度传递函数，加入了体素亮度变化方向这一分量，联合体素灰度值、梯度值大小，构建了三维的抛物线阻光度传递函数。本文同时研究了阻光度传递函数的构造形式，比较了分段线性，抛物线等不同形式的函数构造形式，通过试验发现，抛物线形式的阻光度传递函数更有利于提高重建结果的对比度。本文简化并模拟了三维重建的合成步骤，从深度对比度、组织对比度的角度出发，比较了抛物现形式的阻光度传递函数与传统线性阻光度传递函数对重建结果的对比度的影响。为验证本文建立的阻光度传递函数的有效性，本论文进行了测试数据场的试验，在数据场中使用不同的灰度的物体代表不同的组织，对比本算法与传统算法得到的重建结果，本算法较为有效的抑制了数据场中的speckle噪声。本文同时绘制了人体心脏在一个时相中的三维图像，并将绘制结果与传统Shear-Warp算法进行了对比。本文对超声数据场的可视化研究表明，阻光度传递函数是影响利用直接体绘制方法实现超声数据场三维可视化的重要因素。通过对比发现本文提出的算法能有效的克服Speckle噪声对绘制过程的强烈干扰，绘制结果能透过Speckle噪声窗帘较为清晰的展现人体心脏三维解剖学结构，具有较理想的对比度。本文对直接体绘制算法的核心算法，阻光度传递函数的改进，从根本上改变了传统超声医学三维可视化严重依靠预处理的情况，在阻光度传递函数中有效地实现了对超声体数据场的分割和阻光度的有效分配，对噪声进行了抑制，使得在合成算法之前噪声对最后绘制的影响大大降低，较好的实现了超声数据场的动态三维可视化

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 三维超声成像技术
• 1.1.1 发展历史
• 1.1.2 问题及发展趋势
• 1.2 超声医学图像三维可视化的研究目的及意义
• 1.2.1 超声图像的三维可视化在医学中的运用
• 1.3 超声图像三维可视化算法概述
• 1.3.1 三维可视化面绘制算法
• 1.3.2 三维可视化体绘制算法
• 1.4 研究设想
• 1.5 本章小结
• 2 直接体绘制技术
• 2.1 直接体绘制算法概述
• 2.2 阻光度传递函数
• 2.2.1 阻光度传递函数概念
• 2.2.2 国内外阻光度传递函数发展概述
• 2.2.3 多维阻光度传递函数概述
• 2.2.4 国内外超声阻光度传递函数
• 2.2.5 本实验室已开展的工作
• 2.3 光照模型
• 2.4 本章小结
• 3 改进Shear Warp快速体绘制算法
• 3.1 Shear-Warp快速体绘制算法原理
• 3.2 Shear-Warp快速体绘制算法的实现
• 3.3 改进的Shear-Warp快速体绘制算法
• 3.3.1 构造三维阻光度传递函数
• 3.3.2 改进阻光度传递函数构造形式
• 3.4 本章小结
• 4 实验结果及评价
• 4.1 测试数据场的绘制
• 4.1.1 测试数据来源
• 4.1.2 测试数据场的三维标定
• 4.1.3 测试数据场的三维重建
• 4.2 人体心脏超声数据场的绘制
• 4.2.1 超声图像的获取以及自身特点对体绘制的干扰
• 4.2.2 人体心脏超声数据来源
• 4.2.3 通过旋转插值算法构建超声三维体数据场
• 4.2.4 利用改进后的三维阻光度传递函数实现对超声数据场的三维重建
• 4.2.5 绘制结果评价
• 4.3 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 研究工作的总结
• 5.2 研究工作的创新点
• 5.3 研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表、录用的论文，参加研究的课题及获奖情况列表
• 致谢