虚拟内窥镜图像处理技术研究

论文摘要

虚拟内窥镜（Virtual Endoscopy,VE）是融合虚拟现实技术、计算机图形学技术、图像处理技术、科学计算可视化技术,以医学影像作为原始数据来模拟传统光学内窥镜的一种技术。是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它克服了传统光学内窥镜需把内窥镜体插入人体内的缺点,是一种非侵入型、完全无接触式的检查方法。虚拟内窥镜的研究旨在为医生提供诊断依据,还可应用于手术规划和医务人员的培训。 论文对虚拟内窥镜系统的主要关键技术进行了研究和探索,主要工作和创新如下: 1.研究了国内外关于虚拟内窥镜的实现技术,介绍了虚拟内窥镜的优点和特征,给出了虚拟内窥镜系统的技术构成,总结了虚拟内窥镜系统开发中图像预处理、图像分割、路径规划以及三维重建可视化等方面存在的主要技术难点。 2.在图像预处理阶段,采用图像校正、滤波、增强和插值等技术对CT和MRI断层图像进行预处理,提出了一种基于距离变换的断层图像轮廓插值算法,较好的消除了“台阶”现象,使插值后目标轮廓保持光滑。 3.在图像分割方面,分析了当前图像分割算法的优缺点以及适用条件,提出了一种基于简化Mumford-Shah模型的水平集图像分割算法,依靠具有图像全局性质的能量函数使演化曲线最终停留在目标的边界,对边界不连续或含有噪声的图像分割效果良好,对模糊图像具有较强的鲁棒性。 4.在路径规划方面,总结了中心路径的定义和特性,研究了目前主要的中心路径提取技术并进行了对比,实现了一种基于距离变换的中心路径提取算法,通过对三维数据场中离散体元进行距离编码完成中心路径的提取。另外,在研究中提出了利用元胞自动机模型进行虚拟内窥镜中心路径提取算法,利用元胞的演进进行中心路径搜索。 5.在三维重建和可视化技术方面,介绍了三维规则数据场中面绘制和体绘制代表算法的优缺点,提出了一种改进的动态体绘制算法,研究并实现了利用关键帧来生成动画和平滑动画的技术。在虚拟内窥镜系统中取得了良好的实验效果。 6.在虚拟人脑内窥镜系统中验证了算法的正确性和可行性,介绍了系统的主要技术构成,对以后研究工作中需要进一步深入研究的几个方面做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 内窥镜和虚拟内窥镜的概念
• 1.1.1 内窥镜及其发展史
• 1.1.2 虚拟内窥镜及发展史
• 1.1.3 虚拟内窥镜的应用领域和优点
• 1.2 医学可视化研究现状
• 1.3 虚拟内窥镜的主要技术构成
• 1.3.1 虚拟内窥镜主要硬件构成
• 1.3.2 虚拟内窥镜主要软件构成
• 1.4 论文篇章结构及主要研究内容
• 1.4.1 主要工作
• 1.4.2 篇章结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 医学影像的获取与预处理
• 2.1 医学影像的获取
• 2.2 医学体数据的表示
• 2.3 图像的预处理
• 2.3.1 像素亮度变换
• 2.3.2 图像校正
• 2.3.3 图像滤波
• 2.3.4 对比度扩展
• 2.3.5 图像增强
• 2.4 断层图像间的插值算法
• 2.4.1 基于场景插值法
• 2.4.2 基于对象插值法
• 2.4.3 动态弹性插值法
• 2.5 基于距离变换的轮廓插值算法
• 2.5.1 距离的表示
• 2.5.2 距离图
• 2.5.3 基于距离变换的图像插值算法
• 2.5.3.1 倒角距离算法
• 2.5.3.2 算法描述
• 2.5.4 实验结果及分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 医学图像的组织分割
• 3.1 医学图像分割的意义及算法特征
• 3.2 医学图像分割技术
• 3.2.1 基于最大熵原则的阈值图像分割
• 3.2.2 基于特征空间聚类的图像分割
• 3.2.3 基于梯度的图像分割
• 3.2.4 基于边缘检测的图像分割
• 3.2.5 基于形变模型的图像分割
• 3.3 基于简化Mumford-Shah模型的水平集图像分割
• 3.3.1 Level Set方法
• 3.3.2 基于简化 Mumford-Shah模型的水平集图像分割
• 3.3.2.1 Mumford-Shah模型的定义
• 3.3.2.2 Mumford-Shah模型水平集求解
• 3.3.2.3 算法描述
• 3.3.3 试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 漫游路径的规划
• 4.1 中心路径的定义及特性
• 4.1.1 中心路径的定义
• 4.1.2 中心路径的特性
• 4.2 中心路径的提取方法
• 4.2.1 手工标定法
• 4.2.2 拓扑细化法
• 4.2.3 最短路径法
• 4.2.4 模型法
• 4.2.5 距离变换法
• 4.3 虚拟内窥镜中心路径抽取技术
• 4.3.1 距离定义和表示
• 4.3.2 体数据的划分和编码
• 4.3.2.1 体数据的划分
• 4.3.2.2 体元的编码
• 4.3.3 路径生成
• 4.3.4 路径的优化与平滑
• 4.3.5 实验结果与分析
• 4.4 中心路径的元胞自动机搜索
• 4.4.1 元胞自动机模型
• 4.4.2 中心路径的元胞自动机搜索算法描述
• 4.4.3 实验结果及分析
• 4.4.3.1 实验结果
• 4.4.3.2 计算量分析
• 4.4.3.3 结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 医学图像的三维重建与可视化
• 5.1 三维规则数据场的等值面绘制
• 5.1.1 Marching Cubes方法
• 5.1.2 Marching Tetrahedra方法
• 5.1.3 Dividing Cubes方法
• 5.2 三维规则数据场的体绘制技术
• 5.2.1 光线投射体绘制算法
• 5.2.2 足迹表法
• 5.2.3 基于错切-变形的体绘制算法
• 5.3 交互式动态体绘制算法及其改进
• 5.3.1 交互式动态体绘制算法
• 5.3.2 改进的体绘制算法
• 5.4 两种绘制技术的比较
• 5.5 关键帧动画的生成
• 5.6 本章小结
• 第6章 虚拟人脑内窥镜系统
• 6.1 系统功能
• 6.2 系统实现
• 6.3 关键技术内容
• 6.4 虚拟相机的控制
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表和已经录用的论文
• 致谢