应用于肝脏介入诊疗的超声图像分析与导航方法研究

发布时间：2017-06-28 11:07

  本文关键词：应用于肝脏介入诊疗的超声图像分析与导航方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着计算机技术、医学成像以及临床诊疗技术的发展,图像引导肝脏介入手术导航技术在临床疾病诊疗中发挥着越来越重要的作用。由于实时性好、无辐射等优势,超声成像成为肝脏临床手术诊疗最为重要的图像数据源之一。然而,由于受成像机理的限制,超声图像边缘较为模糊、噪声多且视野狭窄,病灶区域难以精确分辨。将术中实时采集的超声图像与术前采集的CT图像进行配准融合显示,可有效提高手术操作的精确度,减少手术时间并降低手术风险。本文针对超声成像技术特点,重点研究超声引导手术导航技术核心关键问题,包括:超声体数据重建、超声/CT图像配准等,为介入手术导航提供技术支撑,该技术的成功应用将大幅提高手术治疗的精准度,减小临床手术创伤,有效降低手术并发症发生的概率。本文的主要创新性工作包括:(1)针对超声图像模拟方法精度低、复杂度高的问题,提出一种基于CT切片的超声图像快速模拟方法。采用多尺度血管增强算法对术前采集的CT图像进行管状结构增强,基于超声的传播及成像规律,提出了一种超声图像灰度计算的相邻像素差值比重方法,求解超声在人体组织中传播的反射系数,实现对单换能器超声图像的快速模拟;采用离散窗函数Kaiser Window实现多换能器超声反射和衰减系数的快速计算及实时融合,完成基于CT切片的超声图像快速模拟。(2)针对超声体数据重建过程由于插值计算而易引起边界模糊的问题,提出一种基于全局模块最优匹配的超声体数据重建方法。构建了超声像素的特征描述方法,计算像素的最优贡献距离,实现对其相邻体素的赋值计算;针对超声体数据中空缺区域,引入数据项、平滑项和梯度项三种体素特征构建体素赋值权重,优化搜索最优匹配模块实现空缺区域修补,同时更新空缺体素赋值权重,反复迭代以实现整个超声体数据的三维重建。(3)针对超声/CT图像配准计算相似性测度易受噪声影响而导致配准精度降低的问题,提出了一种基于超声图像模拟计算的超声/CT图像配准方法。采用张量主成分分析方法对超声和CT图像进行滤波与增强,以待配准CT切片的超声模拟图像为中间模板,建立线性组合相关性测度,采用共轭方向加速算法优化变换矩阵从而实现超声/CT图像的精准配准。(4)基于提出的超声模拟方法、超声体数据重建方法和超声/CT图像配准方法,搭建了超声引导肝脏介入手术导航系统。引入图像网格化思想,根据图像弹性变换势能最小原理,采用共轭梯度法实现超声/CT图像弹性配准,解决呼吸心跳等因素造成的人体软组织变形的问题。建立多坐标系转换关系模型,完成术前CT图像、术中超声图像和定位系统间的空间位姿变换,同时通过电磁跟踪定位设备实时跟踪定位超声探头相对于CT图像的空间位置,并与弹性匹配后的超声/CT图像进行融合,由此搭建多模态图像引导的肝脏介入手术导航系统。
【关键词】：手术导航 超声图像模拟 超声体数据重建 超声/CT图像配准 图像融合
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 研究目的与意义13-15
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-24
• 1.2.1 超声/CT图像配准技术15-21
• 1.2.2 超声体数据重建技术21-24
• 1.3 研究内容与贡献24-26
• 1.4 本文组织结构26-27
• 第二章 基于CT切片的超声图像快速模拟方法27-46
• 2.1 算法概述27-28
• 2.2 CT图像预处理28-29
• 2.3 超声图像模拟计算29-35
• 2.3.1 基于薄板样条的图像映射30-32
• 2.3.2 单换能器超声图像模拟32-34
• 2.3.3 多换能器超声模拟图像融合34-35
• 2.4 实验结果35-45
• 2.4.1 多尺度血管增强结果评测36-38
• 2.4.2 超声图像模拟结果分析38-40
• 2.4.3 超声图像模拟效果评测40-41
• 2.4.4 超声图像模拟效率评估41-43
• 2.4.5 超声图像模拟培训系统43-45
• 2.5 结论45-46
• 第三章 基于全局模块最优匹配的超声体数据重建方法46-64
• 3.1 算法概述46-47
• 3.2 超声体数据重建系统搭建47-49
• 3.3 超声体数据赋值49-52
• 3.3.1 超声图像特征提取49-51
• 3.3.2 图像像素贡献范围计算51
• 3.3.3 超声体数据更新51-52
• 3.4 超声体数据修补52-55
• 3.4.1 体素修补权重计算53-54
• 3.4.2 最优匹配模块搜索54
• 3.4.3 体素修补权重更新54-55
• 3.5 实验结果55-62
• 3.5.1 超声体数据修补效果评测56-59
• 3.5.2 超声体数据重建精度评测59-61
• 3.5.3 超声体数据重建复杂度评估61-62
• 3.6 结论62-64
• 第四章 基于超声图像模拟计算的超声/CT图像配准方法64-83
• 4.1 算法概述64-65
• 4.2 超声/CT图像预处理65-70
• 4.2.1 自适应搜索窗.构建67-68
• 4.2.2 张量基底训练68
• 4.2.3 张量基底削减68-69
• 4.2.4 图像重建69-70
• 4.3 超声/CT图像快速配准方法70-74
• 4.3.1 线性组合相关性测度构建70-71
• 4.3.2 反射系数模拟计算71-73
• 4.3.3 变换矩阵优化搜索策略73-74
• 4.4 实验结果74-82
• 4.4.1 超声/CT图像预处理效果展示74-76
• 4.4.2 超声/CT图像配准方法比较76-81
• 4.4.3 超声/CT图像配准时间复杂度评估81-82
• 4.5 结论82-83
• 第五章 超声引导肝脏介入诊疗导航系统83-100
• 5.1 系统概述83-84
• 5.2 手术导航系统关键技术84-88
• 5.2.1 人体软组织形变估计84-86
• 5.2.2 超声探头实时跟踪定位方法86-87
• 5.2.3 多坐标系转换关系计算87-88
• 5.3 导航系统精度验证88-98
• 5.3.0 手术导航系统硬件组成88-89
• 5.3.1 手术导航系统软件组成89-90
• 5.3.2 仿真模型数据测试实验90-94
• 5.3.3 临床真实数据测试实验94-98
• 5.3.4 手术导航系统精度影响因素分析98
• 5.4 结论98-100
• 结论100-102
• 参考文献102-117
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单117-119
• 致谢119-120
• 作者简介120

  本文关键词：应用于肝脏介入诊疗的超声图像分析与导航方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：493592