论文摘要
图像分割是虚拟内窥镜系统（Virtual Endoscopy）实现的基础,而路径规划是虚拟内窥镜实现导航的基础。本文就虚拟内窥镜的这两个基础关键技术展开深入研究。虚拟内窥镜系统检测的器官一般是狭长的管状器官,应用传统的分割算法常常会得到中间存有空洞、表面粗糙、甚至不连续的结果,虽然采用活动轮廓模型（Active Contour Model）能够得到一个平滑、连续的目标轮廓,但是具体在处理这种狭长的管状器官时,常存有边界泄露,演化速度慢等问题。同时目前的路径规划技术计算复杂度高,已成为制约虚拟内窥镜技术走向临床的瓶颈。基于此,本文对活动轮廓模型做了深入的分析及研究,并研究其在虚拟内窥镜的图像分割和路径规划技术中的应用。首先,针对VFC模型在扩大了传统Snake模型外力的作用范围时,带来的边界泄露问题进行了改进,提出一种改进的VFC Snake模型。该模型通过改进VFC的卷积核的定义,降低了VFC外力的作用范围对参数变化的敏感性,模型外力定义为VFC力场和图像势能力场的组合外力,缓解了图像强边界在抑制噪声干扰时,对弱边界作用范围的影响,从而有效防止了弱边界泄露问题。同时改进的VFC Snake模型对图像噪声具有鲁棒性,使得演化曲线能够精确收敛到目标边界上。由于VFC Snake模型不能处理具有拓扑变化的目标,因此将VFC外力推广到几何活动轮廓模型中,提出一种基于VFC外力的几何活动轮廓模型。该模型分两个阶段实现模型的演化,首先利用基于区域信息的LBF算法,快速收敛到目标边界附近,然后利用VFC具有长程作用力的优点,将处于目标凹陷区域的演化速度缓慢的演化曲线快速吸引到目标边界上。VFC几何活动轮廓模型在目标边界的内外都存有指向边界的长程力场,从而可以有效避免边界泄露,同时利用水平集方法求解模型曲线的演化,使得VFC几何活动轮廓模型能够处理目标的拓扑变化,将该模型应用到MRI脑室的分割及CT结肠的分割之中,起到很好的分割效果。然后,针对能量全局最小活动轮廓模型的最小作用曲面提取管腔轮廓时,常常出现的边界泄露问题,提出一种基于传递波（演化曲线或曲面）的平均能量来控制传递波传递的准则。将处于尾部的、能量低于平均能量的传递波“冻结”,仅让具有较大能量,处于首部的传递波继续传递,最终提取出狭长管腔器官的整个轮廓。该准则是基于全局能量信息的,对图像的噪声及低对比度有鲁棒性。其次,将活动轮廓模型应用到虚拟内窥镜系统的路径规划技术中,提出一种基于B-Snake模型的交互式中心路径规划算法。该算法通过定义移动正多面体中心化法,为模型样条控制点提供趋向腔体器官中心的外力,算法中省略了传统Snake模型的内部能量,使得B-Snake模型在参数设置上更容易,更简洁,并且由于B样条曲线硬约束,采用较少的控制点就能得到平滑、连续的中心路径,从而计算时间大大减小。该算法的另一个优点在于不需要预先对器官进行分割,可以直接对原始图像进行路径规划。最后介绍了一种基于图像分割的路径规划算法,该算法在利用区域生长进行图像分割的同时获取中心路径的关键点,并将其存入系列链式数据结构中,对序列切片图像分割之后,将所有的关键点以特定的方式连接,经过样条函数平滑处理,生成规划后的中心路径。作为中心路径提取的另一种方法,存在两个优点,一是在分割时充分利用了序列切片图像之间的数据信息相关性,二是将区域生长的种子点和中心路径的关键点有机结合,并用链式数据结构存储这些关键点,从而根据链式结构间,首尾节点的欧式距离,很容易的连接各个关键点。这对于腹部结肠那样迂回绕行的组织结构的中心路径提取十分有效。