虚拟大肠镜路径导航关键技术研究及辅助检查系统初步设计

发布时间：2018-01-30 19:17

本文关键词： 虚拟大肠镜可视化技术 VTK边界距离场(DFB场) 中心路径平滑大肠分段大肠剖分　出处：《南方医科大学》2012年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现代医学研究领域的快速发展,促进了各种人体图像信息采集设备不断出现,先后出现的计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)、数字血管造影(Digital Subtraction Angiography, DSA)、超声波成像(Ultra Sound, US)、正电子发射计算机断层造影(Positron Emission Tomography, PET)、单光子发射计算机断层造影(Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT)等影像设备,为临床诊断提供了大量图像数据。与此同时,随着计算机图形学、虚拟现实技术等理论和技术的不断发展,医学虚拟内窥镜技术在数据上和技术上都有了充分的基础。近年来,随着医学图像采集设备精度的不断提高,以及科学可视化技术的不断发展,虚拟内窥镜的发展也越来越快,成为虚拟现实技术发展最活跃的领域之一。虚拟内窥镜与传统光学物理内窥镜相比具有无痛苦、无穿刺风险、且适用不同患病程度人群的优点,目前主要应用于辅助诊断、制定手术计划、实现手术的准确定位以及医务人员的培训等。虚拟内窥镜的诊断范围主要是耳鼻喉、子宫、大肠等空腔器官,本文针对虚拟大肠镜辅助检查系统的开发,重点研究了虚拟大肠镜路径导航关键技术,并构建了初步的虚拟大肠镜辅助检查系统。本文首先综述了虚拟大肠镜系统的结构和技术组成,在此基础上对虚拟大肠镜导航技术的三个关键性问题：虚拟大肠的可视化绘制,自动提取中心线和自动/交互式虚拟大肠镜导航技术进行了研究,最后结合这些关键技术构建了初步的虚拟大肠镜辅助检查系统。虚拟大肠镜的检查过程是一个对大肠内部结构和病变的浏览标示过程,对大肠绘制方法的选择直接决定了大肠的诊断方式和过程,因此在虚拟大肠镜系统的设计之初,必须首先确定大肠的可视化绘制形式。可视化技术中目前最成熟的是面绘制和体绘制两种绘制方式,而VTK(Visualization Toolkit)是一个开源的、可用于计算机图形学、图像处理和可视化的软件系统。VTK已集成了面绘制和体绘制两种绘制方式,在虚拟现实技术中常用VTK作为研究和开发工具。VTK在功能上支持各式各样的可视化算法,包括：标量、向量、张量、纹理、容积方法等,同时,VTK还开发了先进的建模技术如：隐性建模、多边形还原、网格平滑、切割、轮廓线、Delaunay三角剖分等,为系统开发提供了很大的便利,因此本文第二章首先介绍了VTK的基本特性,并详细介绍了其集成的Marching Cubes面绘制方法和光线投射体绘制算法,最后在虚拟大肠镜系统中选择VTK的面绘制方法实现全大肠及大肠局部观察的可视化绘制。虚拟大肠镜的中心路径提取是本文的核心问题之一,为了保证虚拟大肠镜系统辅助检查的实时性,大肠中心路径的提取算法必须满足实时性要求。本文第三章在对比目前常用的于动指定中心点法、最大代价生成树法、Dijkstra最短路径法、拓扑细化法、水平集方法几种中心路径提取算法基础上,着重介绍了基于边界距离场(Distance from Boundary Field, DFB)的最大代价生成树法的中心路径提取算法,该方法具有较好的拓扑性和计算简单的优点。但由于大肠具有多褶皱、多弯曲的生理特点,该方法也存在提取出来的中心路径突兀、多拐点,导致导航观察过程会出现视野的剧烈跳动和旋转的问题；同时,由于大肠长度长,提取的中心点数量过多,计算量大,使得中心路径生成时间偏长。为了实现平滑的路径导航,并提高中心路径生成速度,本文提出了基于DFB的中心点消减算法,该方法能有效减少中心点数量,提高中心路径的生成速度,之后,利用三次样条插值算法平滑中心路径,以减少导航过程中视野的跳动和旋转,实现了光滑、快速的大肠中心路径提取,为虚拟大肠镜系统的实时导航提供了良好的基础。获取大肠中心线后,以此中心路径作为虚拟相机的导航路径,下一步的工作是选择合适的导航观察方法实现对大肠空腔内结构和病变的检查。在导航观察方法的选择问题上,本文第四章综述了目前虚拟大肠镜的主要导航观察技术：大肠内导航观察(fly-through模式)、大肠外翻观察、以及虚拟展平模式。传统的大肠内导航观察技术是模拟传统光学物理内窥镜在大肠内的观察方法而形成的一种最早的检查技术,该技术存在可视空间小、不可见区域大的缺点；而大肠外翻观察技术是将整个大肠内壁与大肠外壁相替换,从而实现从大肠外部对整个大肠内部结构的观察,该方法在大肠弯曲区域存在容易出现漏翻和多翻的错误；虚拟展平观察方法是将整个大肠虚拟剖开后展平成二维平面图,虽然该方法增大了观察视野和区域,但该方法一定程度上破坏了空腔脏器的整体解剖形态,观察者需要通过展平的二维图像来想象脏器原始的结构,在实际应用中不太合理。本文开发了一种大肠剖分导航观察方法,该方法首先沿着大肠中心路径,将大肠自动分为若干肠段,随后将每一肠段剖分为两部分,最后将摄像机分别置于剖开的大肠段上方进行观察。此观察模式能有效观察到大肠褶皱内部区域,最大限度减少观察死角。同时,针对大肠分段过程中易出现的错误分段问题,本文结合大肠生理弯曲特征,利用提取出的中心路径能代表大肠拓扑结构的特点,自动检测出大肠中心线弯曲曲率,以此为基础,对大肠分段进行二次修正,并最终获得连续和完整的分段。在实现了虚拟大肠绘制、中心路径提取以及导航显示技术等关键技术的基础上,本文第五章介绍了一个具备基本辅助检查功能的虚拟大肠镜系统。该系统以支持跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架Qt作为开发平台,应用面向对象的编程思想。采用管道流的操作流程,通过依次操作数据读入、数据转换、DFB场的构建、中心线提取显示、大肠初次和二次分段、剖分、导航观察的流程最终实现对大肠的辅助检查,操作过程简单明了。同时,系统还开发了手动导航功能,通过界面上的按钮以及通过鼠标对绘制界面的交互操作共同实现对局部区域的全方位细致观察和检查。最后,在已有研究工作基础上,本文第六章对虚拟大肠镜的发展前景和技术做了展望,并介绍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 .

【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP391.41;R318.6

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