论文摘要
在临床医疗诊断中,对人体内部器官的直接观察是非常重要的诊断手段。科学家们已经发明了多种此类医疗技术,内窥镜技术就是其中一项重要的技术。内窥镜技术采取入侵方式,将软管插入器官内部,通过仪器直接观察病人器官内壁情况。但是除器官内壁之外医生无法获得其它更多信息,包括周围组织内部情况和全局信息,而且操作过程不便,还会给病人带来较大的痛苦。近年,随着计算机图形学和医学影像学的不断发展,计算机辅助医疗成为研究热门。其中,虚拟内窥镜（Virtual Endoscopy--VE）技术从提出走向了快速发展的过程。本论文所研究的虚拟血管镜（Virtual Angioscopy--VA）系统技术是虚拟内窥镜技术的一个细分领域,处于初步探索阶段。随着医学影像技术特别是计算机断层扫描（Computed Tomography--CT）和磁共振成像（Magnetic Resonance Image--MRI）等技术的发展和成熟,使得虚拟内窥镜成为可能,其相关技术成为了研究热点。国内外许多高校及研究机构开始研究并开发出针对各种器官的虚拟内窥镜系统,但对虚拟血管镜系统研究还比较少,这主要是由于血管这种器官处理难度较大的原因。但随着技术的不断革新与发展,现在已有了一些研究进展。论文在总结国内外已有的关于虚拟内窥镜研究工作的基础上,展开了关于虚拟血管镜的一系列算法和技术研究,并在PC平台上成功实现一个虚拟血管镜系统。论文旨在解决虚拟血管镜中关键技术和算法,针对血管和其他器官的巨大的不同,研究能够满足血管需要的相关算法和技术,同时尽可能优化,提高运行效率,以及提高运行质量,并在各步骤主要技术都已经得到解决的基础上,提供一个可以使用的虚拟血管镜系统,为以后的应用和走向临床打下基础。本文首先综合介绍了虚拟内窥镜系统的历史和发展;阐述了虚拟血管镜系统的处理过程和系统构架;然后详细讨论了虚拟血管镜系统中各主要模块的技术和本论文在算法和实现方面的研究成果。具体而言,本文的主要工作有如下几方面:（1）在血管数据分割中,综述了流行的3D医学图像分割方法,并提出了针对血管的快速分割算法,并辅以人工修正,提高精确度;（2）在虚拟导航中,论文重点讨论了血管中心线的提取办法,基于对各种中心线算法的比较,确定选用细化算法（腐蚀法）,主要以六方向拓扑细化算法为基础,设计出针对血管内腔的中心线自动生成算法,基于此算法得到的血管中心线,完成在血管内部虚拟导航路径的生成技术;针对细化算法的特殊性,对其产生的结果进行处理,包括修剪细小分支、平滑化、建立拓扑顺序等,确保中心路径质量,此外还试探采取体素裁剪的办法,在保证路径质量的前提下,大大提高运算速度。同时设计和考察了一个基于血管表面体素点的中心线提取办法,与细化算法进行比较,虽然在最后实现的虚拟血管镜系统中没有使用该算法,但其算法思想和方法在设计虚拟导航路径中得到应用;（3）在虚拟场景绘制中讨论了经典的移动立方体（Marching-Cube）算法重建血管内壁模型,还重点讨论了直接体绘制算法,尝试使用基于图形处理器（Graphics Processing Unit--GPU）的直接体绘制加速算法。