本文關(guān)鍵詞： 虛擬大腸鏡 可視化技術(shù) VTK邊界距離場(DFB場) 中心路徑平滑 大腸分段 大腸剖分　出處：《南方醫(yī)科大學(xué)》2012年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展,促進了各種人體圖像信息采集設(shè)備不斷出現(xiàn),先后出現(xiàn)的計算機斷層掃描(Computed Tomography, CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)、數(shù)字血管造影(Digital Subtraction Angiography, DSA)、超聲波成像(Ultra Sound, US)、正電子發(fā)射計算機斷層造影(Positron Emission Tomography, PET)、單光子發(fā)射計算機斷層造影(Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT)等影像設(shè)備,為臨床診斷提供了大量圖像數(shù)據(jù)。與此同時,隨著計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等理論和技術(shù)的不斷發(fā)展,醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在數(shù)據(jù)上和技術(shù)上都有了充分的基礎(chǔ)。近年來,隨著醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備精度的不斷提高,以及科學(xué)可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬內(nèi)窺鏡的發(fā)展也越來越快,成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。虛擬內(nèi)窺鏡與傳統(tǒng)光學(xué)物理內(nèi)窺鏡相比具有無痛苦、無穿刺風(fēng)險、且適用不同患病程度人群的優(yōu)點,目前主要應(yīng)用于輔助診斷、制定手術(shù)計劃、實現(xiàn)手術(shù)的準確定位以及醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)等。虛擬內(nèi)窺鏡的診斷范圍主要是耳鼻喉、子宮、大腸等空腔器官,本文針對虛擬大腸鏡輔助檢查系統(tǒng)的開發(fā),重點研究了虛擬大腸鏡路徑導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù),并構(gòu)建了初步的虛擬大腸鏡輔助檢查系統(tǒng)。 本文首先綜述了虛擬大腸鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)組成,在此基礎(chǔ)上對虛擬大腸鏡導(dǎo)航技術(shù)的三個關(guān)鍵性問題：虛擬大腸的可視化繪制,自動提取中心線和自動/交互式虛擬大腸鏡導(dǎo)航技術(shù)進行了研究,最后結(jié)合這些關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建了初步的虛擬大腸鏡輔助檢查系統(tǒng)。 虛擬大腸鏡的檢查過程是一個對大腸內(nèi)部結(jié)構(gòu)和病變的瀏覽標示過程,對大腸繪制方法的選擇直接決定了大腸的診斷方式和過程,因此在虛擬大腸鏡系統(tǒng)的設(shè)計之初,必須首先確定大腸的可視化繪制形式。可視化技術(shù)中目前最成熟的是面繪制和體繪制兩種繪制方式,而VTK(Visualization Toolkit)是一個開源的、可用于計算機圖形學(xué)、圖像處理和可視化的軟件系統(tǒng)。VTK已集成了面繪制和體繪制兩種繪制方式,在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中常用VTK作為研究和開發(fā)工具。VTK在功能上支持各式各樣的可視化算法,包括：標量、向量、張量、紋理、容積方法等,同時,VTK還開發(fā)了先進的建模技術(shù)如：隱性建模、多邊形還原、網(wǎng)格平滑、切割、輪廓線、Delaunay三角剖分等,為系統(tǒng)開發(fā)提供了很大的便利,因此本文第二章首先介紹了VTK的基本特性,并詳細介紹了其集成的Marching Cubes面繪制方法和光線投射體繪制算法,最后在虛擬大腸鏡系統(tǒng)中選擇VTK的面繪制方法實現(xiàn)全大腸及大腸局部觀察的可視化繪制。 虛擬大腸鏡的中心路徑提取是本文的核心問題之一,為了保證虛擬大腸鏡系統(tǒng)輔助檢查的實時性,大腸中心路徑的提取算法必須滿足實時性要求。本文第三章在對比目前常用的于動指定中心點法、最大代價生成樹法、Dijkstra最短路徑法、拓撲細化法、水平集方法幾種中心路徑提取算法基礎(chǔ)上,著重介紹了基于邊界距離場(Distance from Boundary Field, DFB)的最大代價生成樹法的中心路徑提取算法,該方法具有較好的拓撲性和計算簡單的優(yōu)點。但由于大腸具有多褶皺、多彎曲的生理特點,該方法也存在提取出來的中心路徑突兀、多拐點,導(dǎo)致導(dǎo)航觀察過程會出現(xiàn)視野的劇烈跳動和旋轉(zhuǎn)的問題；同時,由于大腸長度長,提取的中心點數(shù)量過多,計算量大,使得中心路徑生成時間偏長。為了實現(xiàn)平滑的路徑導(dǎo)航,并提高中心路徑生成速度,本文提出了基于DFB的中心點消減算法,該方法能有效減少中心點數(shù)量,提高中心路徑的生成速度,之后,利用三次樣條插值算法平滑中心路徑,以減少導(dǎo)航過程中視野的跳動和旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)了光滑、快速的大腸中心路徑提取,為虛擬大腸鏡系統(tǒng)的實時導(dǎo)航提供了良好的基礎(chǔ)。 獲取大腸中心線后,以此中心路徑作為虛擬相機的導(dǎo)航路徑,下一步的工作是選擇合適的導(dǎo)航觀察方法實現(xiàn)對大腸空腔內(nèi)結(jié)構(gòu)和病變的檢查。 在導(dǎo)航觀察方法的選擇問題上,本文第四章綜述了目前虛擬大腸鏡的主要導(dǎo)航觀察技術(shù)：大腸內(nèi)導(dǎo)航觀察(fly-through模式)、大腸外翻觀察、以及虛擬展平模式。傳統(tǒng)的大腸內(nèi)導(dǎo)航觀察技術(shù)是模擬傳統(tǒng)光學(xué)物理內(nèi)窺鏡在大腸內(nèi)的觀察方法而形成的一種最早的檢查技術(shù),該技術(shù)存在可視空間小、不可見區(qū)域大的缺點；而大腸外翻觀察技術(shù)是將整個大腸內(nèi)壁與大腸外壁相替換,從而實現(xiàn)從大腸外部對整個大腸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察,該方法在大腸彎曲區(qū)域存在容易出現(xiàn)漏翻和多翻的錯誤；虛擬展平觀察方法是將整個大腸虛擬剖開后展平成二維平面圖,雖然該方法增大了觀察視野和區(qū)域,但該方法一定程度上破壞了空腔臟器的整體解剖形態(tài),觀察者需要通過展平的二維圖像來想象臟器原始的結(jié)構(gòu),在實際應(yīng)用中不太合理。本文開發(fā)了一種大腸剖分導(dǎo)航觀察方法,該方法首先沿著大腸中心路徑,將大腸自動分為若干腸段,隨后將每一腸段剖分為兩部分,最后將攝像機分別置于剖開的大腸段上方進行觀察。此觀察模式能有效觀察到大腸褶皺內(nèi)部區(qū)域,最大限度減少觀察死角。同時,針對大腸分段過程中易出現(xiàn)的錯誤分段問題,本文結(jié)合大腸生理彎曲特征,利用提取出的中心路徑能代表大腸拓撲結(jié)構(gòu)的特點,自動檢測出大腸中心線彎曲曲率,以此為基礎(chǔ),對大腸分段進行二次修正,并最終獲得連續(xù)和完整的分段。 在實現(xiàn)了虛擬大腸繪制、中心路徑提取以及導(dǎo)航顯示技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,本文第五章介紹了一個具備基本輔助檢查功能的虛擬大腸鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)以支持跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt作為開發(fā)平臺,應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷搿２捎霉艿懒鞯牟僮髁鞒?通過依次操作數(shù)據(jù)讀入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、DFB場的構(gòu)建、中心線提取顯示、大腸初次和二次分段、剖分、導(dǎo)航觀察的流程最終實現(xiàn)對大腸的輔助檢查,操作過程簡單明了。同時,系統(tǒng)還開發(fā)了手動導(dǎo)航功能,通過界面上的按鈕以及通過鼠標對繪制界面的交互操作共同實現(xiàn)對局部區(qū)域的全方位細致觀察和檢查。 最后,在已有研究工作基礎(chǔ)上,本文第六章對虛擬大腸鏡的發(fā)展前景和技術(shù)做了展望,并介紹了下一步的主要工作。
[Abstract]:In recent years , with the increasing accuracy of medical image acquisition equipment and the continuous development of scientific visualization technology , virtual endoscopy has become one of the most active fields in the field of virtual reality technology . In this paper , the structure and technology of virtual large intestine mirror system are reviewed firstly , and three key problems of virtual large intestine mirror navigation are discussed . The virtual large intestine visualization drawing , automatic extraction center line and automatic / interactive virtual large intestine mirror navigation technology are studied . Finally , the primary virtual large intestine mirror auxiliary inspection system is constructed in combination with these key technologies . VTK has developed advanced modeling techniques such as hidden modeling , polygon reduction , mesh smoothing , cutting , contour line , triangulation and so on . At the same time , VTK has developed advanced modeling techniques such as hidden modeling , polygon reduction , mesh smoothing , cutting , contour line , triangulation , etc . In order to improve the real - time performance of virtual large intestine mirror system , the central path extraction algorithm based on distance from Boundary Field ( DFB ) is presented . After acquiring the center line of the large intestine , the central path is taken as the navigation path of the virtual camera , and the next step is to select the appropriate navigation observation method to realize the examination of the structure and the lesion in the large intestine cavity . In this paper , the main navigation observation technique for large intestine is reviewed in chapter 4 , which is the fly - through mode , the observation of large intestine and the virtual flattening mode . On the basis of the key technologies such as virtual large intestine drawing , center path extraction and navigation display technology , this paper introduces a virtual large intestine mirror system with basic auxiliary inspection function . The system is used to support cross - platform C ++ graphical user interface application program development framework , which is used as the development platform , and the object - oriented programming thought is applied . Finally , on the basis of the research work , the development prospect and technology of virtual large intestine mirror are looked forward in chapter 6 , and the main work of the next step is introduced .

【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TP391.41;R318.6

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