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小儿先心病超声图像的虚拟内窥镜关键技术研究

作　者: 陈滨津
导　师: 余建国
学　校: 复旦大学
专　业: 医学电子学
关键词: 医学超声图像虚拟内窥镜曲波变换拓扑导数区域互信息
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

先天性心脏病是一种较为常见的儿科类疾病,同时也是严重危及婴幼儿生命的主要病症之一。已有的临床诊断方法,大都是基于传统的二维超声成像技术对先心病进行诊断,难以提供较为全面的患儿影像信息。为了改善临床诊断的准确性与可靠性,我们设计、开发了一套基于虚拟现实技术的虚拟内窥镜系统,以期为医生提供一种针对小儿先心病的有效的辅助诊断工具。研究中,我们通过与上海儿童医学中心、上海交通大学医学院附属新华医院合作,对如何将虚拟现实技术运用到小儿先天性心脏病的定性和定量诊断方面进行了探索。斑点噪声是超声图像中的固有现象。斑点噪声的存在降低了超声图像的视觉质量。为基于超声图像的医学诊断环节带来诸多的不利影响。因此,对医学超声图像进行预处理将会对后续的虚拟现实可视化过程产生重要的影响。本论文的主要工作分为以下几个方面：(1)在图像降噪环节中,我们设计了一种新的针对超声图像的阈值降噪方法,这种方法使用了曲线波变换的多尺度特性和多方向性。在降噪阈值的确定过程中,利用无偏风险估计准则,并结合曲线波系数的邻域信息,提出了一种曲线波域最优阈值的降噪模型。实验表明,本文的降噪模型在对超声图像中的噪声进行有效抑制的同时,能够对于图像中的边缘细节信息进行较好的保持。(2)在图像的分割环节,我们提出了一种拓扑导数寻优与区域融合策略相结合的超声图像分割方法。首先使用区域融合技术,并结合图像的梯度信息对图像进行初始的预分割,预分割后的图像被划分为一系列具有匀质化特征的子区域。再利用拓扑导数的原理,将图像的分割问题转化为代价泛函的最优化求解过程,对前述的预分割的结果进行细化分割。经过实验验证,本文的分割方法能够实现对于心脏超声图像、尤其是图像中的瓣膜区域进行较好的分割。(3)为了消除在图像的采集过程中,由于患儿运动而产生的伪影。研究中我们使用了一种基于三维刚体变换的图像配准方法对心脏超声图像进行配准,以消除图像中的运动伪影。我们将图像的梯度信息与区域互信息相结合,作为配准过程中的相似性度量参数,同时使用粒子群算法对配准参数进行求解。结果显示,这种配准方法能够对于图像中的运动伪影进行有效的消除。(4)研究中,我们对于虚拟内窥镜系统的功能进行了扩充,增加了多视角显示和三维测量的功能,以期为临床医生提供更为全面的辅助诊断信息。同时,我们选取了16例小儿房间隔缺损(ASD)病例数据,对其进行三维可视化显示,对虚拟显示后的ASD面积、最大径和最小径进行了测量并与临床三维超声心动图的测量结果进行了比对。结果表明：虚拟环境下的测量值与临床三维超声心动图的测量结果具有高度的相关性,初步表明了心脏超声虚拟内窥镜系统将有助于提高诊断的准确性和可靠性,可以被应用于ASD的定性和定量检测中。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-19
  1.1 医学超声影像技术  9-10
  1.2 科学计算可视化技术和虚拟现实技术  10-13
    1.2.1 科学计算可视化技术  11-12
    1.2.2 虚拟现实技术  12-13
  1.3 虚拟现实技术在医学中的应用——虚拟内窥镜  13-14
  1.4 课题的背景和研究意义  14-16
  1.5 论文的创新点和章节安排  16-19
    1.5.1 论文的创新之处  16-17
    1.5.2 论文的章节安排  17-19
第二章基于曲线波变换的超声图像降噪研究  19-43
  2.1 超声图像降噪方法综述  19-20
  2.2 曲线波变换的基本原理  20-25
    2.2.1 连续曲线波变换  21-22
    2.2.2 离散曲线波变换  22-25
  2.3 无偏风险估计准则的基本原理  25-26
  2.4 本文采用的降噪方法的原理简述  26-29
  2.5 实验结果和分析  29-41
    2.5.1 对仿真图像进行实验的结果和分析  29-36
    2.5.2 对心脏超声图像进行实验的结果与分析  36-41
  2.6 本章小结  41-43
第三章心脏超声图像的分割研究  43-60
  3.1 图像分割的基本原理  43
  3.2 图像分割方法综述  43-45
  3.3 拓扑导数的基本原理  45-50
    3.3.1 相关的基础知识简述  45-46
    3.3.2 拓扑导数的计算方法  46-49
    3.3.3 基于拓扑导数的图像分割算法  49-50
  3.4 心脏超声图像的分割方法研究  50-52
    3.4.1 区域融合理论的基本原理  50-52
    3.4.2 本文采用的分割方法简述  52
  3.5 实验结果与分析  52-59
    3.5.1 仿真超声图像的分割结果与分析  53-56
    3.5.2 心脏超声图像的分割结果与分析  56-59
  3.6 本章小结  59-60
第四章心脏超声图像的配准研究  60-72
  4.1 图像配准方法综述  60-61
  4.2 互信息的基本原理及其在图像配准中的应用  61-63
  4.3 粒子群算法的基本原理  63-64
  4.4 基于互信息与粒子群寻优的图像配准方法  64-67
    4.4.1 刚体变的基本原理  65
    4.4.2 互信息测度的改进方法  65-66
    4.4.3 结合空间信息的互信息测度原理  66-67
  4.5 实验结果与分析  67-70
    4.5.1 单模态医学超声图像的配准实验  68-69
    4.5.2 心脏超声序列图像的配准实验与结果显示  69-70
  4.6 本章小节  70-72
第五章基于心脏超声图像的虚拟内窥镜系统  72-90
  5.1 心脏超声图像虚拟内窥镜系统中数据的采集方法  72-73
  5.2 心脏超声图像虚拟内窥镜系统中的三维可视化方法研  73-75
    5.2.1 虚拟内窥镜系统中的三维可视实现化流程  73-74
    5.2.2 VTK(Visualization Toolkit)环境下的三维可视化技术  74-75
  5.3 面向心脏超声图像的虚拟内窥镜系统的基本功能简介  75-77
  5.4 图像处理环节对三维可视化视觉质量的改善  77-83
  5.5 多视角的显示功能  83-84
  5.6 基于虚拟内窥镜系统的三维测量与房间隔缺损检测研究  84-88
    5.6.1 心脏超声图像虚拟内窥镜系统中的三维测量方法  84-85
    5.6.2 虚拟内窥镜系统在小儿房间隔缺损检测中的应用  85-88
  5.7 本章总结  88-90
第六章总结和展望  90-92
  6.1 本文的工作总结  90-91
  6.2 对未来工作的展望  91-92
致谢  92-93
参考文献  93-99
攻读博士学位期间发表的论文  99-100

小儿先心病超声图像的虚拟内窥镜关键技术研究

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