心脏三维超声虚拟测量系统研究

论文摘要

手术仿真系统的研究旨在为外科医生提供可以反复使用的训练和模拟工具,可应用于手术规划、手术演练和进一步的实际手术中。手术仿真系统中一个重要的研究内容就是对交互式三维测量系统的研究。将手术仿真系统运用到先心病的诊断中能够在超声心动图的基础上进一步显示出心脏内部复杂三维空间结构,并可以做出三维测量、手术模拟等辅助医生诊断和治疗的措施,将会是一个重要的发展趋势。本研究通过与上海儿童医学中心和新华医院合作,对如何将虚拟现实中的方法运用到小儿先天性心脏病的定性和定量诊断方面进行了一系列研究,目的是为医生提供更直观的视觉感受,并给出测量结果,提高诊断和预测的准确性和可靠性,使得超声图像这一无创伤性诊断方式在临床上有更大的应用。本论文详细论述了以下几个方面的研究工作:1.超声图像的滤波:超声三维测量系统的基础是超声图像数据的处理。本文采用各向异性滤波方案,对超声图像特有的speckle噪声进行了很好的抑制,而重要的信息(如解剖结构的强度和边缘)基本得以保持。2.超声图像的分割:超声图像的分割的目标是计算机自动识别心肌和心腔两种物质,为可视化做准备。分割的主体框架是无需重新初始化的水平集方法;为了提高水平集的演化效率、减少迭代次数,水平集的初始函数用模糊隶属度来确定;为了减少分割错误的发生,在水平集面积泛函中加入一个由模糊隶属度函数所控制的停止函数。分割结果显示,该方法能较好地得到心肌与心腔的分类。3.虚拟现实中的三维测量:三维测量系统的主要内容是虚拟现实中点的坐标获取,以及三维环境下距离和面积的测量。本文实现了三维虚拟可视化环境中的人机交互测量,对手术仿真系统作出了初步的探索。本文的研究对象有在上海儿童医学中心门诊或住院接受心脏超声检查的正常小儿20例,先心病患儿41例,离体猪心模型10例。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的相关背景
• 1.1.1 医学超声影像技术
• 1.1.2 基于偏微分方程的图像处理方法
• 1.1.3 科学计算可视化
• 1.1.4 虚拟现实技术
• 1.1.5 手术仿真系统
• 1.2 本文的研究意义
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 数据采集和三维重建
• 2.1 心脏检查成像方式
• 2.1.1 主流心脏检查成像方式简介
• 2.1.2 三维超声成像方式
• 2.2 数据采集
• 2.2.1 TTO采样方式
• 2.2.2 Full Volume采样方式
• 2.2.3 两种采样方式的比较
• 2.3 三维数据重建
• 2.3.1 TTO采样方式
• 2.3.2 Full Volume采样方式
• 第三章 三维心脏数据处理
• 3.1 超声医学图像的特点
• 3.2 偏微分方程图像处理的发展及现状
• 3.3 三维心脏图像的滤波
• 3.3.1 斑点噪声模型及斑点滤波方法简介
• 3.3.2 各向异性扩散
• 3.3.3 引入中值项的非均质扩散方程
• 3.3.4 两层分辨率处理
• 3.3.5 三维情况下的方程
• 3.3.6 滤波结果与讨论
• 3.4 三维心脏图像的分割
• 3.4.1 医学超声图像分割简介
• 3.4.2 分割算法框架
• 3.4.3 分层的模糊聚类
• 3.4.4 水平集分割方法
• 3.4.4.1 水平集分割方法概述
• 3.4.4.2 无需重新初始化的水平集方法
• 3.4.4.3 无需重新初始化的水平集方法的数值实现
• 3.4.5 三维心脏图像分割的实现与讨论
• 3.4.5.1 分层的模糊聚类的阈值限制
• 3.4.5.2 水平集函数的初始化
• 3.4.5.3 加入停止函数控制面积泛函的行为
• 3.4.5.4 分割结果与讨论
• 第四章 三维可视化及虚拟现实环境
• 4.1 三维绘制算法
• 4.1.1 面绘制
• 4.1.2 体绘制
• 4.2 基于VTK的三维绘制
• 4.3 交互式虚拟现实环境
• 4.4 三维可视化及虚拟现实的结果与讨论
• 4.4.1 三维可视化结果
• 4.4.2 虚拟现实结果
• 第五章 三维心脏测量系统
• 5.1 三维测量的背景
• 5.2 三维测量的原理
• 5.2.1 三维物体测量的基本步骤
• 5.2.2 点的坐标的获取
• 5.2.3 距离的测量
• 5.2.4 面积的测量
• 5.3 三维测量的结果与讨论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢