虚拟内窥镜的中心线提取与交互式成像分析

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1、复旦大学硕士学位论文虚拟内窥镜的中心线提取与交互式成像研究姓名：姚德民申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：宋志坚20040520虚拟内窥镜的中心线提取与交互式成像研究中文摘要虚拟内窥镜技术是医学图像可视化与虚拟现实技术相结合的产物，是近十年才出现的医学图像后处理系统。它可以降低诊断成本，提高诊断效率，有着巨大的应用潜力和社会效益，是近年来国际上热衷的研究方向。本文针对虚拟内窥镜研究中的中心线问题，交互式成像问题展开研究，提出了对原始数据场进行距离尺度变换，然后再采用最大代价生成树算法寻找中心线，试验结果表明它能够自动准确地寻找到结肠的中心线，并免受干扰信息的影响。另外就交互式

2、的虚拟内窥镜成像问题提出一种简单直观的坐标变换方法，并使用优化后的光线投射法进行体绘制重建，实现了对腔内解剖结构的快速显示，为达到交互、实时成像的目的奠定了基础。关键词虚拟内窥镜中心线交互式成像光线投射法AutomaticCenterlineExtractionandInteractiveVolumeRenderingforVirtualEndoscopyAbstractVirtualEndoscopy(VE)isthecombinationofMedicalImageVisualizationandVirtualReality(VR).ItisaMedicalImageProcess

3、ingsystememergedonlytenyearsago.Itcanreducethecostandimprovethepreciseofdiagnosis.Therefore,VirtualEndoscopyisapromisingtechniquewithgreatpotential.Itisahotspotresearchintheworld.AimingattheautomaticcenterlineextractionandInteractivevolumerenderingforVirtualEndoscopy,weapplythemaximum-costspanni

4、ngtreeAlgorithmtoextractthecenterline.Theresultsoftheexperimentshowthatitcanexactlyextractthecenterlineofthecolonandavoidtheinterferenceofsmallintestine.WealsoprovideaneficientcoordinatestransformforinteractivevolumerenderingofVirtualEndoscopy.Finally,wesimplifytheresamplestageoftheraycastingvol

5、umerenderinginordertoensuretheprecisionandimprovetherenderingspeed.Keyword:virtualendoscopy，centerlineextractioninteractivevolumerendering,Raycasting引言虚拟内窥镜是利用病人的影像数据，结合计算机图形学的方法重建和生成一组反映空腔器官内部表面形态的灰度或彩色图像。因类似光纤维内窥镜，故命名虚拟内窥镜。它具有光纤维内窥镜所无法替代的优点，如:安全、无创，适合于体弱者、婴幼儿、空腔器官重度狭窄者等，被视为光纤维内窥镜的有效补充。因此虚拟内窥镜的

6、研究具有很高的临床应用价值。虚拟内窥镜研究的关键问题主要集中在两个方面:首先是中心线的自动提取问题。虚拟内窥镜的视点通常是在器官内部，且最佳视点位置一般在空腔中心，这样便于四面观察，不会因为贴壁而造成视觉变形。由于人体内部空腔器官大多为管道结构，因此虚拟内窥镜的序列最佳视点实际上是落在一条中心线上。早期虚拟内窥镜视点的选择多是采用人工指定的方法Ill，其缺点是操作繁琐，且在二维状态下拖动一个视点移动来进行观察，需要相当的三维感觉和空间解剖形态知识，这在相当程度上限制了虚拟内窥镜的临床应用。传统的中心线自动生成方法上，主要有折线法[13〕和柱面近似法[14][15]其主要缺点是对扭曲或者

7、病理畸形的器官容易出错，且中心线难以保证位于中心位置。近年来许多研究应用图像距离尺度变换(DistanceTransform)方法，使组成肠腔等器官的各象素点都具有到肠壁的用距离尺度表示的距离特征，然后在此基础上采取表面逐层剥离的方式来寻找中心线，在此过程中要保证维持目标器官拓扑特征的“特征点”不被删除，理论上最后剩下的便是中心线，该方法也被称之为下hinging[16][171。不过这种方法的缺点是计算中常会出现一些错误分支[al需要大量的后