计算机辅助诊断系统中三维CT与超声数据融合技术的研究及实现

论文摘要

临床诊断中,医生经常需要综合使用来自不同医学影像设备或不同时刻、不同角度的医学图像互为补充的形态和功能信息进行辅助医疗诊断。但由于各种成像模式的机理以及成像环境不同,导致不同图像分辨率和对比度的差异以及空间位置的变化,因此需要进行图像融合。所谓图像融合,就是通过寻找某种空间变换,使两幅图像的对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。三维CT与超声数据的融合技术,是对术中实时采集到的三维超声数据和术前的CT进行配准,对配准后的数据融合并显示。目前,对于三维双模数据的配准算法国外主要基于CT和MRI,CT和超声比较少,自动配准更处于起步阶段。由于超声成像有斑点噪声这一固有特性造成其对于MRI和CT三维配准比较成熟的算法无法应用于超声和CT,因此需要结合超声和CT本身成像特性,找到一种适应于三维的自动配准算法。在此背景下本文的研究工作如下:1.在配准前对图像进行预处理。本文对图像进行腐蚀、膨胀、开启等的处理,这样可以减少图像的内在信息,计算输入图像的梯度值,使我们获得的图像轮廓更为清晰,同时减少了图像的噪音,从而降低了配准时噪音的干扰。2.在回顾当前融合技术原理及发展现状的基础上,研究并实现了三维CT和超声的融合的方法,即通过前期预处理、CT图像的超声的模拟、配准以及综合显示达到精确融合的目的。3. CT图像的超声模拟从医学超声图像的采集模型的原理着手,根据超声波在体组织中的传输以及反射特性等实现了一种应用于医学超声的计算机仿真图像生成算法。4.研究并探讨了两种相似性测度—基于互信息(MI)的相似性测度和基于法向量信息(NVI)的相似性测度在三维CT和超声融合中的应用基础,并在系统实现的基础上以实验为依据做出分析比较,验证这两种技术的现实可行性。5.在医学图像处理后实现二维显示、三维显示等多维综合显示。在三维可视化系统中,能够同时对二维和三维进行显示,同时对CT、超声以及融合后的图像显示,然后进行操作。6.能够分别从轴状面、矢状面和冠状面对融合的解剖器官进行标识、缩放、旋转等。而且根据需要,还可以进一步通过路径设置,显示任意剖切面即三维图像的任一平面信息,然后进行该路径的动态演示,满足多元用户需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 三维CT 和超声医学超声图像
• 1.3.1 CT 成像原理
• 1.3.2 超声
• 1.4 论文主要内容以及章节安排
• 第二章 医学图像融合综述
• 2.1 引言
• 2.2 医学图像融合技术概述
• 2.2.1 医学图像融合的基本思想
• 2.2.2 医学图像融合主流算法
• 2.2.3 在三维 CT 与超声图像融合中的运用原理
• 2.3 医学图像的配准技术概述
• 2.3.1 医学图像配准的原理
• 2.3.2 配准的分类
• 2.3.3 图像配准的流程
• 2.3.4 图像配准的空间变换
• 2.3.5 图像配准的相似性测度函数
• 2.3.6 图像配准的优化策略
• 2.3.7 图像配准的插值方法
• 2.4 图像综合显示和信息提取
• 2.4.1 二维显示的分类
• 2.4.2 三维显示的分类
• 2.5 本章小结
• 第三章 三维医学图像自动融合中的相似性测度
• 3.1 引言
• 3.2 基于互信息的相似性测度
• 3.2.1 互信息的理论基础
• 3.2.2 基于互信息测度的计算
• 3.3 基于法向量测度的配准技术
• 3.3.1 基于NVI 的理论基础
• 3.3.2 基于法向量测度的计算
• 3.4 MI 和NVI 方法的噪音健壮性评估
• 3.5 本章小结
• 第四章 三维CT 和超声自动融合技术实现
• 4.1 引言
• 4.2 三维CT 和超声的融合方法
• 4.3 CT 图像的超声模拟
• 4.4 超声和CT 配准
• 4.4.1 图像预处理
• 4.4.2 基于NVI 的配准算法
• 4.4.3 基于互信息的三维配准算法
• 4.4.4 插值
• 4.5 综合显示
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统设计
• 5.1 开发平台
• 5.1.1 开发环境
• 5.1.2 ITK 分割与配准开发包
• 5.1.3 VTK 可视化平台
• 5.1.4 Atamai 手术导航平台
• 5.2 系统配置与设计
• 5.2.1 系统配置
• 5.2.2 系统设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验结果和分析
• 6.1 实验环境
• 6.2 数据来源
• 6.2.1 CT 图像扫描
• 6.2.2 超声图像采集
• 6.3 图像预处理
• 6.3.1 超声滤波去噪
• 6.3.2 超声边缘提取
• 6 3.3 CT 数据的超声模拟
• 6.4 融合结果分析
• 6.4.1 误差计算和融合结果验证
• 6.4.2 CT 超声配准效果
• 6.5 综合显示效果
• 6.5.1 二维融合显示
• 6.5.2 三维融合显示
• 6.5.3 任意剖切面的显示
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文