虚拟内窥镜关键算法的研究

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1、中国科学院研究生院博士学位论文虚拟内窥镜关键算法的研究姓名：李光明申请学位级别：博士专业：模式识别与智能系统指导教师：田捷20030601虚拟内窥镜关键算法的研究摘要虚拟内窥镜技术是随着医学影像技术、计算机图像处理、计算机图形学以及虚拟现实等学科的发展而逐步形成的一种交叉技术。与常规内窥镜相比，虚拟内窥镜是一种完全的无接触式检查手段，它无需往病人体内插入异物，从而极大地减轻了病人的痛苦，同时还能对常规内窥镜无法检查的区域(如血管等)进行检查，在医疗诊断及手术上有着重要的意义。虚拟内窥镜以计算机断层影像数据为信息来源，以医

2、学图像处理与分析技术为基础，以计算机图形学与虚拟现实技术为工具，以实现非侵入性的在人体内部漫游，完成对气管、血管、结肠等的检查为目标，从而成为疾病诊断的一种新手段，也是手术设计和手术施行的新辅助工具。虚拟内窥镜系统涵盖了医学影像处理的诸多方面，涉及到模式识别、图像处理、计算机图形学及虚拟现实等领域，是多个学科在医学领域内的交叉。本文主要内容就在于对虚拟内窥镜系统中几项关键技术的研究，如中心路径自动提取、光滑表面模型的生成、三维模型的快速绘制、自动以及引导漫游等。本文的主要贡献可以概括为以下几点：1．总结了一个完整的虚拟内

3、窥镜的技术框架，包括数据获取、图像分割、中心路径提取、光滑表面生成、实时绘制、视点控制及虚拟漫游等。分析了其中的关键技术，并有针对性的在各章中描述了我们的方法。2．提出了一种新的基于Hessian矩阵的中心路径提取算法。首先对分割结果进行距离变换；再对距离图上的每一个点通过其二阶导数构建Hessian矩阵，计算Hessian矩阵的特征值和特征向量，并以此来确定三维距离图的脊线作为初始路径；然后进行可视性检测，可视球的半径由该点的距离值以及Hessian矩阵的特征值自适应的确定；最后利用Dijkstra最短路径生成算法得到

4、中心路径。该算法一方面避免了可视球半径只能根据经验值进行选取的缺陷：另一方面脊线的提取也避免了可视性检测中对大量无用体素的检测，从而提高了算法的效率。实验证明，可视性检测的时问比ReliablePath方法可以缩短2—5倍。3．提出了一种改进的网格简化算法。该方法一方面将半边数据结构与QEM误差准则结合起来，利用半边结构在点、线、面邻接关系查询方而的优良特性，虚拟内窥镜关键算洼的研究大大提高了网格简化的速度，实验表明初始化速度大约提高1倍，面简化时间平均提高2-4倍：另一方面针对用MarchingCubes算法重建出的医

5、学模型的特点，对QEM误差准则进行了改进，通过在误差准则中加入顶点到正切平面的距离，将法向量信息融入到了初始化过程中，在一定程度上改变了边折叠的次序。提高了简化质量。4．通过对虚拟内窥镜图像特点的分析(灰度的强对比性)，提出i维模型存在阶梯效应的原因在于法向量计算不准确的看法。采用快速高效的报普拉斯平滑对法向量进行平滑，明显提高了三维模型的质量。5．提供了一种包括自动漫游、引导漫游以及全景映射在内的虚拟内窥镜辅助诊断方法。自动漫游中通过中心路径的曲率来确定视点的方向；引导漫游中充分利用分割时对物体、边界及背景的分类来保证

6、视点不会被移出模型之外：全景映射则以立方体的形式记录了相机周围360的全景，对于辅助诊断有着重要意义。关键词：三维医学影像，虚拟内窥镜，中心路径提取，网格平滑，层次细节模型，网格简化，细分，虚拟漫游，全景映射虚拟内窥镜关键算法的研究AbstractVirtualendoscopyisanintegrationofmedicalimaging。imageprocessing，computergraphicsand、，irtualrealitytechniques．Itismeaningfulformedicaldiagno

7、sisbecausecomparedtotraditionalfiberopicendoscopy．itisnoninvasive．cost-effective。highlyac—curate，andfreeofrisks，easilytoleratedbythepatient，andfurthermore，itcanmakephysiciansexaminetheregionsthattraditionalendoscopycannotreachsuchasbloodvesselVirtualendoscopyisan

8、ewtoolformedicaldiagnosis，surgeryplanningandopera-tion，whichuses3Dmedicalimagesasinformationsource．medicalimageprocessingandanalyzingtechniquesasbasis，computer