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基于VTK的虚拟内窥镜系统的研究

作　者: 孟晓林
导　师: 张煜；冯前进
学　校: 南方医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 虚拟内窥镜 图像去噪 图像分割 路径规划 三维重建 VTK
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 98次
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内容摘要


虚拟内窥镜是融合虚拟现实技术、计算机图形学、医学图像处理、科学计算可视化,以医学影像作为原始数据来模拟传统光学内窥镜的一种技术,是虚拟现实技术在现代医学中的应用。近年来,随着高分辨率医学图像(CT、MRI等)的出现和虚拟现实技术的不断完善、提高,虚拟内窥镜技术得到了迅速发展,成为虚拟现实技术走向实际应用最为活跃的研究领域之一。虚拟内窥镜克服了传统光学内窥镜需把内窥镜体插入人体内的缺点,是一种非侵入型、完全无接触式的医疗检查手段,在医疗领域得到了越来越广泛的应用。它的研究旨在为医生提供诊断依据,还可应用于辅助诊断、手术规划、实现手术的精确定位和医务人员的培训等。论文对虚拟内窥镜系统的主要关键技术进行了深入的研究。首先,研究了医学图像的预处理和组织分割技术。在图像预处理方面,实现了各向异性扩散滤波算法,并提出了一种基于CUDA的并行各向异性扩散滤波的方法。它在快速去噪的同时,能保留医学图像重要的边缘和局部细节。在组织分割方面,实现了区域生长算法,准确有效地提取出了人体结肠数据,此数据作为中心路径提取算法的测试数据。并提出了基于CUDA的C-V水平集分割方法,它解决了水平集方法计算费时的缺点,在保证分割效果的前提下,具有较快的分割速度；其次,针对虚拟内窥镜的路径规划问题,总结了中心路径的定义和特性,研究了目前主要的中心路径提取技术,结合距离变换技术,实现了一种基于边界距离场的中心路径提取算法,并对此算法进行了改进,利用多分辨率和优先查找表来加快最大生成树的生成,从而大大缩短了中心路径的提取时间；再次,在虚拟内窥镜的场景绘制算法研究中,介绍了三维规则数据场中的面绘制和体绘制算法,利用可视化工具包VTK实现了医学图像的三维重建；最后,在对虚拟内窥镜中的关键技术进行深入研究的基础上,提供了具有交互功能的虚拟内窥镜系统,给出了用户界面,验证了系统中所用算法的正确性和有效性,对以后研究工作中需要做更深入研究的方面作了展望。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-15
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 虚拟内窥镜系统的原理及关键技术  10-12
    1.2.1 虚拟内窥镜技术的原理及实现过程  10-11
    1.2.2 虚拟内窥镜系统的关键技术  11-12
  1.3 本文的研究内容和组织结构  12-15
第二章 医学图像的预处理与组织分割  15-32
  2.1 医学图像数据采集  15-16
  2.2 各向异性扩散滤波  16-22
    2.2.1 P-M各向异性扩散模型  16-17
    2.2.2 统一计算设备框架CUDA  17-19
    2.2.3 基于CUDA的并行各向异性扩散滤波  19-20
    2.2.4 实验结果及分析  20-22
  2.3 区域生长法  22-24
  2.4 基于CUDA的C-V水平集图像分割  24-31
    2.4.1 水平集方法  24-26
    2.4.2 C-V模型的定义及水平集求解  26-28
    2.4.3 基于CUDA的C-V水平集图像分割  28-29
    2.4.4 实验结果及分析  29-31
  2.5 小结  31-32
第三章 虚拟内窥镜的中心路径规划  32-43
  3.1 中心路径的特性  32-33
  3.2 中心路径规划的主要技术  33-34
    3.2.1 手工标定法  33
    3.2.2 拓扑细化法  33-34
    3.2.3 距离变换法  34
  3.3 基于边界距离场的中心线自动提取算法  34-42
    3.3.1 算法描述  34-35
    3.3.2 算法实现  35-39
    3.3.3 算法改进  39-40
    3.3.4 实验结果及分析  40-42
  3.4 小结  42-43
第四章 基于VTK的虚拟内窥镜系统  43-59
  4.1 可视化工具包VTK  43-44
  4.2 三维可视化技术  44-51
    4.2.1 面绘制  45-49
    4.2.2 体绘制  49-51
  4.3 基于VTK的虚拟内窥镜系统的实现  51-58
    4.3.1 三维环境的搭建  51-54
    4.3.2 虚拟相机  54-56
    4.3.3 虚拟漫游  56-58
  4.4 小结  58-59
第五章 总结与展望  59-61
  5.1 总结  59-60
  5.2 展望  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表或完成论文情况  64-65
致谢  65-66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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