基于Freehand超声图像的三维重建方法研究

论文摘要

与CT和MRI等医学成像手段相比,超声成像技术具有无损性、实时性、灵活性、廉价性等优势,在临床上具有广泛的应用前景。三维超声成像克服了传统二维超声成像的缺陷,为医生提供解剖区域立体、直观的三维影像,可以使医生制定更加科学的介入手术规划,从而使介入手术更加安全、可靠。本文针对freehand方式采集超声图像的特性,研究了超声图像三维重建的关键技术,搭建了超声图像三维重建系统,系统包括超声仪、电磁定位仪、图像采集卡和计算机。由于freehand采集到的超声图像在空间排列的任意性,将电磁定位仪接收器固定在超声探头上以记录超声探头的空间位姿数据,并采用时间标定技术来确定超声图像与空间位姿数据之间的时间偏移关系,进而对电磁定位仪数据进行插值,以保证采集到的超声图像与探头的位姿数据一一对应。由于电磁定位仪采集到的位姿数据是电磁定位仪接收器相对于发射器的实时读数,而不是对超声图像平面位置的直接表述,因此需要通过空间标定来求解电磁定位仪接收器坐标系与超声图像坐标系的转换关系。在分析了现有标定模型的基础上,制作了结构简单的双层“Z”形模型,以模型斜线与超声图像平面的交点作为特征点,采用最小二乘法进行空间标定矩阵的求解,最终确立了从超声图像坐标系到世界坐标系的完整映射关系。采用基于最近邻像素的无插值算法对体数据进行三维重建,保证了重建算法的快速性和准确性。该算法的主要思想为:通过对物体进行充分扫描以减少空缺体素的数目;合理设定三维晶格的坐标系及体素的尺寸大小,以减少运算量;通过对超声图像进行预处理来保护图像细节、减少噪声;根据空间标定确立的三维映射关系,将像素从超声图像平面映射到世界坐标系中,为距离此三维位置最近的体素赋予灰度值;对于多个像素对应同一个体素的情况,采用灰度值最大的策略对像素进行取舍。为保证可视化的图像质量及实时性,本文基于VTK,采用光线投射算法实现了三维可视化的体视图技术,采用坐标转换实现了面视图技术。最后采用离体动物器官对本文所确立的三维可视化系统进行了功能实验,并对三维重建及图像定位的准确度进行了分析,实验表明本系统的三维重建准确度优于3.5mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 基于Freehand 超声图像的三维重建方法的研究现状
• 1.2.1 超声图像的采集方法
• 1.2.2 Freehand 扫描的时间标定
• 1.2.3 Freehand 超声图像的空间标定
• 1.2.4 超声图像的三维重建算法
• 1.2.5 超声图像的可视化技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 Freehand 超声图像的采集及时间标定
• 2.1 引言
• 2.2 Freehand 超声图像及位姿数据的采集
• 2.2.1 硬件系统介绍
• 2.2.2 数据采集的软件介绍
• 2.3 Freehand 超声图像的时间标定
• 2.4 本章小结
• 第3章 Freehand 超声图像的空间标定
• 3.1 引言
• 3.2 Freehand 三维超声系统空间标定问题的数学描述
• 3.3 标定模型及求解办法
• 3.3.1 双层“Z”形模型
• 3.3.2 标定矩阵的求解办法
• 3.4 标定实验与结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 Freehand 超声图像的三维重建及可视化
• 4.1 引言
• 4.2 基于最近邻像素的无插值三维重建算法
• 4.2.1 晶格划分模块
• 4.2.2 图像预处理模块
• 4.2.3 体素定位模块
• 4.2.4 体素灰度赋值模块
• 4.3 基于VTK 的可视化技术
• 4.3.1 光线投射算法
• 4.3.2 基于坐标变换的多平面重构
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统实验研究及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 离体动物器官的三维可视化实验
• 5.3 基于 freehand 超声图像的三维重建准确度实验
• 5.3.1 三维重建内部准确度实验
• 5.3.2 三维重建外部准确度实验
• 5.4 三维重建可视化图像定位精度实验
• 5.5 系统误差来源分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢