基于CT图像的脊椎骨分割与分离技术研究

论文摘要

在计算机虚拟脊椎矫正系统中,为模拟钢钉打入椎骨后相关脊椎骨产生位移和旋转,需要建立患者脊柱的三维模型。由于脊椎结构复杂,空间位置相互交错,造成了在靠近上下椎骨连接区域的CT图像中既有当前椎骨的图像,还有相邻其它椎骨的部分骨组织图像的状态,用传统的分割方法很难从脊柱的CT序列图像中分割出单个的椎骨,无法用分割的结果来三维重建单个椎骨的图像,而是只能得到一个整体的脊柱三维图像。由于整体的脊柱模型上单个椎骨之间不能发生相对的位移,也就无法模拟矫正过程。为此,需要将单个的椎骨从重建好的脊柱模型上分离出来作为单独的模件,并利用虚拟装配技术将这些单独椎骨模件重新组装,这样在新得到的三维脊柱模型中单个椎骨之间就能根据需求产生相对的位移,从而模拟矫正过程。 本文的研究内容是计算机虚拟脊椎矫正系统的前期组成部分,主要包括:对原始的带噪CT图像进行去噪、插值的预处理;对预处理后的CT图像进行二维分割,仅保留脊椎部分图形;对分割后的结果进行三维重建,得到整个脊柱的三维模型;最终的目标是从脊柱三维模型上分离出单个的椎骨。论文相关研究成果有: 1.针对CT图像主要包含脉冲噪声和高斯白噪声的特点,提出了一种基于中值滤波的自适应小波阈值去噪方法。该方法在去除CT图像中混合噪声的同时能很好的保护图像的轮廓信息。 2.针对实验中部分CT图像中层厚过大的问题,利用匹配点对插值方法实现了对CT序列图像的插值。 3.分析和研究了主动轮廓模型(Snake模型),并对该模型的能量函数进行了改进。即在复杂凹形轮廓内部设置若干“吸引点”,并将“吸引点”和Snake上点的欧氏距离变换作为一个分量引入到Snake模型的能量函数中,从而迫使Snake快速的向凹形的轮廓收缩,克服了传统Snake模型对复杂凹形轮廓不敏感的缺点。 4.对经过分割后的脊椎图像,利用光线投射法实现了直接体绘制。 5.提出了一种直接从三维脊柱图像中分离出单个椎骨的方法,即:首先通过三维细化算法断开椎骨间相连的骨组织图像;在椎骨之间放置一个虚拟气球,并使其膨胀,利用膨胀的结果让计算机自动检测出椎骨间的缝隙;在该缝隙的矢状面序列图像里沿着椎骨的交界面生成一系列的点,并拟合成一条曲线(即椎骨之间的解剖线),再将矢状面中的这一系列解剖线拟合成一个曲面,这个曲面就把三维脊椎图像沿椎骨交界面分成了上下两部分;最后再利用生成的曲面对三维脊椎分别向上和向下剖切,即可得到不同段的椎骨三维图像。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 论文主要研究内容
• 1.2.1 带噪 CT图像的去噪
• 1.2.2 CT图像中的椎骨分割问题
• 1.2.3 三维脊椎骨图像分离问题
• 1.3 论文所做的工作
• 第二章 CT图像预处理
• 2.1 关于 CT图像和 CT值
• 2.2 CT图像去噪
• 2.2.1 传统 CT图像滤波方法分析
• 2.2.2 中值滤波算法
• 2.2.3 小波分析理论
• 2.2.4 基于中值滤波的自适应小波阈值去噪方法
• 2.2.5 实验结果
• 2.3 脊柱 CT图像插值
• 2.3.1 匹配点对插值问题描述
• 2.3.2 匹配点对插值实现方法
• 2.3.3 实验效果
• 2.4 本章小结
• 第三章 脊柱 CT图像的二维分割
• 3.1 基于 Snake模型的分割方法
• 3.1.1 Snake模型描述
• 3.1.2 Snake模型原理及算法
• 3.1.3 传统 Snake模型在检测椎骨轮廓时的缺陷
• 3.2 基于欧氏距离变换的 Snake模型用于脊椎分割
• 3.2.1 欧氏距离变换与最邻近特征点变换
• 3.2.2 在 Snake模型中引入欧氏距离变换
• 3.2.3 基于欧氏距离变换的 Snake模型算法
• 3.2.4 实验结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 脊柱三维重建
• 4.1 体绘制和面绘制
• 4.2 光线投射法
• 4.2.1 数据值分类
• 4.2.2 颜色和透明度赋值
• 4.2.3 重采样
• 4.2.4 图像合成
• 4.2.5 明暗处理
• 4.3 三维重建结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维椎骨分离方法研究
• 5.1 三维椎骨分离问题
• 5.2 局部骨组织分离及椎骨间缝隙检测
• 5.2.1 基于数学形态学的相连骨组织分离方法
• 5.2.2 虚拟气球算法
• 5.3 三维图像中的椎骨分离
• 5.3.1 分离方法描述
• 5.3.2 解剖线绘制
• 5.3.3 椎骨间曲面构造
• 5.3.4 曲面剖切
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文研究总结
• 6.2 不足以及下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢