论文摘要
超声医学影像介入式治疗作为超声医学发展的重要分支,主要包括两个方面:一是超声医学影像导引下通过各种穿刺探头对病灶进行活检,以确定病变的性质;二是用超声医学影像导引对病变进行手术或输入药物等以达到缓解和治疗疾病的目的。与传统二维超声相比,三维超声在导引介入式治疗方面有其明显优势,不仅能使医生在屏幕上直观地观察到数据体内的组织结构及三维形态,从不同的角度显示脏器的切面或表面影像,更重要的是能直观地显示介入式器械与病人脏器之间的空间位置关系,避免介入式器械损害病人正常组织或器官,从而降低手术事故率。鉴于此,三维超声医学影像介入式手术导引与治疗已经成为目前超声医学影像的主流发展方向之一。三维超声导引介入式治疗过程中的一个关键技术是在同步扫描病灶得到的三维超声医学图像中,精确地确定介入式器械与病变组织的位置关系,从而为医生提供直观的空间形象,以利于医生手术规划的制定。本文针对三维超声导引射频消融治疗子宫肌瘤手术过程中,射频消融手术刀定位问题,对基于三维Hough变换检测、定位手术刀的方法进行了研究。二维Hough变换检测直线在二维图像处理中已经获得了广泛应用,本文的一个重要工作是将传统二维Hough变换拓展至三维,提出三维图像中的三维Hough变换直线检测方法。鉴于射频消融手术刀在三维超声图像中呈直线状,我们将拓展后的三维Hough变换应用到三维超声图像中的自动针检测中,以期能自动分割、定位出三维图像中的射频消融手术刀。论文主要研究工作包括:（1）提出了一种实时灰度Hough变换方法。结合相位编组思想和传统二维灰度Hough变换,提出了一种改进的实时灰度Hough变换。与传统Hough变换相比,该方法不需要进行二值化,并且运算速度大大加快,处理单张图片接近实时,方向误差小于1°,位置误差能优于0.5mm,满足二维超声图像导引手术治疗的需要。（2）将二维Hough变换拓展到三维。介绍了三维空间中直线描述的几种方式:标准点向式、4参数点向式、Denavit—Hartenberg直线表达式、Roberts直线描述方式、以及Pl（u|¨）cker坐标下的直线描述方式。讨论了基于这几种直线描述方式为基础的3DHough变换的形式,从数学描述形式、内存需求以及计算量等这几个方面对比分析了这几种3D Hough变换的优劣。综合考虑计算性能和内存需求,建立了以Roberts直线描述为基础的3DHough变换形式,我们称之为标准3D Hough变换形式（3DSHT）,并给出了算法的详细流程。在3D模拟图像中的实验结果表明,提出的3DSHT在有噪声和无噪声的环境中均能有效地检测出空间直线。（3）基于提出的3D Hough变换,提出了一种三维超声图像中的针检测算法,并采用插入水中、agar假体以及鸡肉组织中的针三维超声图像验证了本文所提出的算法的有效性。实验证明本文所提出的算法能有效地检测出在这三种组织的三维超声图像中的针状物体。同时,通过改变三维数据体裁剪尺寸以及针插入数据体的深度进一步验证了算法的适应性,结果表明在裁剪数据体时,若能有效保留三维数据体中的针,裁剪尺寸对检测结果影响甚微;针插入深度在1cm到15cm之间时,算法都能保证较高的检测精度。（4）基于标准的三维Hough变换,本文提出了三种快速算法:基于粗-精搜索策略的三维Hough变换,三维随机Hough变换以及基于粗-精搜索策略的三维随机Hough变换。通过对比、分析这几种方法的实验结果,发现基于粗-精搜索策略的三维随机Hough变换速度最快,在保证检测精度的同时,对于3MB以下的数据体分割时间小于0.5s,20MB以下的数据体,分割时间可控制在1s以内。
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