肺部CT图像血管分割算法与三维可视化研究

论文摘要

随着医学成像技术的飞速发展,开展以此为基础的计算机辅助诊断系统的研究,逐渐成为了该领域的热门话题。随着多层螺旋CT的出现,医学图像所提供的病人的信息也就越来越丰富,医生需要处理的图像信息量急剧增加,一方面医生的工作量越来越大,另一方面为高科技手术方式提供了准确的信息。在计算机辅助诊断系统中,医学图像分割是最关键的技术。由于医学图像的复杂性和多样性,使得传统的分割方法很难实现良好的效果,特别是对于肺部血管的分割。肺部血管因其结构微小,血管边界模糊,再加上CT图像本身存在噪声的影响,使得分割肺部血管成为肺部分割的难题。本文主要研究了一些对肺部血管进行分割的算法和三维可视化的算法。在血管分割方面,首先研究了图像的预处理,包括图像的去噪滤波、肺实质图像的分割。接下来针对肺实质进行血管增强提取,包括基于Hessian矩阵的增强算法和基于逆浓度传播模型的增强算法,并对这些增强算法进行了实验分析。实验结果表明,经过区域生长分割并三维重建后,基于Hessian矩阵的增强算法可以滤除一些非血管组织,但计算量较大,而基于逆浓度传播的增强算法,具有简单快速的特点,在血管分割中具有一定的可行性。水平集方法的提出,极大地促进了主动轮廓模型的发展,水平集方法和曲线演化理论的结合,克服了传统Snakes模型的许多缺点,本文主要研究了基于水平集方法的主动轮廓模型对血管的分割,该方法对于血管复杂的拓扑结构变化有着巨大的优势,并在此基础上提出了改进,改进的模型扩大了轮廓检测范围,提高了分割效果。本文还研究了三维重建可视化技术。在对血管分割和三维重建理论分析的基础上,结合图像分割算法工具ITK和可视化开发工具VTK,设计了结合MFC开发的血管分割平台,使得对分割结果可以进行三维重建及人机交互,并取得了良好的可视化效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 医学图像相关分析
• 1.3.1 图像分割概述
• 1.3.2 CT图像分析
• 1.4 本文研究内容和组织结构
• 第2章 肺部血管计算机辅助诊断相关问题研究
• 2.1 引言
• 2.2 医学图像分割方法分析
• 2.2.1 基于区域的分割方法
• 2.2.2 基于边缘的图像分割
• 2.2.3 基于特定理论的方法
• 2.3 肺部血管分割的可行性分析
• 2.4 ITK与VTK集成环境搭建
• 2.4.1 ITK与VTK
• 2.4.2 ITK与VTK的集成
• 2.5 本章小结
• 第3章 肺部血管增强结合区域生长分割算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 肺实质分割
• 3.2.1 常用肺实质分割方法
• 3.2.2 肺部CT图像去噪
• 3.2.3 图像阈值化和形态学相结合的肺部区域分割
• 3.2.4 肺实质分割实验过程及结果
• 3.3 基于多尺度hessian矩阵的血管增强算法
• 3.3.1 Hessian矩阵分析
• 3.3.2 线性多尺度增强滤波器的构造
• 3.3.3 实验结果分析
• 3.4 基于逆浓度传播模型的血管增强
• 3.4.1 模型的提出与分析
• 3.4.2 算法流程
• 3.4.3 实验结果分析
• 3.5 区域生长算法分割血管
• 3.5.1 区域生长原理
• 3.5.2 算法的具体步骤
• 3.5.3 实验结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于主动轮廓模型和水平集方法的血管分割算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 主动轮廓模型概述
• 4.3 水平集理论
• 4.3.1 曲线演化理论
• 4.3.2 水平集方法
• 4.4 几何主动轮廓模型算法
• 4.4.1 Mumford-Shah模型
• 4.4.2 Chan-Vese模型
• 4.4.3 基于水平集方法的CV模型数值求解
• 4.5 CV模型的血管分割
• 4.5.1 CV模型的改进
• 4.5.2 基于改进的血管分割算法
• 4.6 实验结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 肺血管树三维重建算法及可视化的研究
• 5.1 引言
• 5.2 三维可视化概述与基本方法
• 5.2.1 体素模型
• 5.2.2 三维数据场
• 5.2.3 可视化流程
• 5.3 三维图像的表面重建算法研究
• 5.3.1 等值面
• 5.3.2 Marching Cubes算法
• 5.4 三维图像的体积重建算法研究
• 5.4.1 光线投射法原理
• 5.4.2 体绘制中的关键技术
• 5.4.3 可视化算法比较
• 5.5 VTK实现血管树的重建
• 5.5.1 VTK的框架结构与运行机制
• 5.5.2 血管CAD系统实现
• 5.5.3 可视化的实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢