计算机辅助手术中三维多模医学图像配准及实时体视化的分析-生物医学工程专业论文.docx

卜海交通人学博十学位论文 卜海交通人学博十学位论文 摘要 计算机辅助手术中三维多模医学图像配准 及实时体视化的研究 摘要 ，二!维多模医学图像配准是计算机辅助手术中一个很关键的步骤，配准的目的是把病人术 前CT／MR／PET等多种模式医学图像(多模医学图像)，术中超卢／内窥境／手术显微镜等图像， 术中从定位器获得的病人解剖结构的形状位置信息及手术器械、医用机器人的位置信息集成 到一个公共的坐标系统中，这些集成的多模信息将被外科医生用于，在手术中准确定位手术 病灶区域及在手术过程中避开危险部位。，一／ 本文在对计算机辅助手术中关键的术前和术中配准技术进行了综合分析的基础上，就计 算机辅助手术中术前的三维多模医学图像配准，应用了基于体素灰度的配准方法，以提高配 准系统的精度及配准速度为目的，设计完成了多分辨率配准三维多模医学图像的1：具 ．MedReg。该系统在对MR．cT、MR—PET医学图像进行配准，均取得了令人满意的效果， 和基r体素灰度的直接配准法相比，MedReg的配准速度提高了1．2—2 5倍之间。在对MR·CT 的配准评价中，MedReg的配准精度和当前医学图像回溯式配准项目其它基于体素灰度配准 方法的精度相当。同时，本文把统计学模型引入到了基于体素灰度的多模医学图像配准研究 中，系统研究了在图像配准中统计模型建立的方法，在这基础上，提出了基于体素灰度多模 医学图像配准中的统一概率模型。 ／已有的医学图像配准研究，待配准图像中一般都没有全局异常信号的存在。但在实际临 床及计算机辅助手术环境下，待配准的多模医学图像往往会有全局异常信号的存在。全局异 常信号可以被定义为，仅在待配准图像中的一幅I璺|像中引入的明显异常图像特征，这种特征 在另一幅图像中没有相应的信号表示。全局异常信号可以是仅在头部CT图像中出现的圆弧 形金属头托，而在相应的头部MR图像中该圆弧形图像信号没有显示；一些大的肿瘤信息 仅在MR图像中有显示，而在CT中没有显示；计算机辅助手术的术中采集数据会含有手术 器械、采集过程中的信号伪迹等，这些异常信号在术前的医学图像中没有相应的表示等等。 本文在理论分析和实验检验的基础上，提出了当全局异常信号引入到医学图像配准时，提高 配准精度和配准鲁棒性的研究方法，认为在全局异常信号环境下，基于归一化互信息的多模 医学图像配准才能得到极为准确的配准结果，而基于相关比、互信息相似性测度的医学图像 配准方法则得到了错误的配准结果。同时提出了医学图像轮廓约束结合归一化互信息的配准 算法，能更有效地减少全局异常信号对配准结果的不好影响，保证了配准结果的准确性。 本文另一部分的工作是关于三维医学图像实时体视化技术的研究。计算机辅助手术成功 的关键是手术中能提供CT／MR等三维医学模型直观的显示，而帮助医生对本不能用肉眼看 见的病灶区域进行手术。医生手术过程中手术位置的改变，病灶区域及四周组织结构的手术 变化，应无滞后地在屏幕上用三维可视化的方式显示出来。在当今体视化领域，在可视化大 数据量的体数据时，单纯的利用软件体绘制算法，还不可能进行实时的交互式体视化操作。 本文结合了普通PC的多纹理二维纹理映射技术及优化方法，设计了医学图像实时体视化系 统。针对二维纹理映射中有限的纹理内存，会显著降低大数据量医学体数据体视化的实时交 互性，提出了两项优化方法提高了体视化系统的实时交互性：一是基于图形硬件技术，提出 了有效的体数据包围盒技术，能把一般医学图像外围的无用体素，如空气排斥在体视化计算 脚交通人学博}‘学位论jc 脚交通人学博}‘学位论jc 摘要 的范围外．不作处理，这样就可以减少纹理内存的使用量。二是基于提升方案，设计了快速 二维整数小波变换算法，在这基础上，提山了基丁纹理映射的医学图像实时分级体视化算法。 实时体视化系统对本文三维多模医学图像配准结果，给山了直观的三维显示效果。体视 化系统在大数据量的体数据调入纹理内存前，先进行快速三维整数小波分解，构成了体数据 的分级金字塔；当系统要进行旋转变换等实时交互性的体视化操作时，用低分辨率的小波平 滑逼近的体数据，作为体视化数据源；而当系统要得到最终的高质量体视化效果时，体视化 的数据源则切换为原始体数据。』，一 本文对计算机辅助手术关键的多模医学图像配准和实时体视化技术进行了算法和实际 系统的设计，系统均用Visual c++在普通Pc上设计完成。濂统对临床三维多模医学图像数 据进行了实际的配准实验及实时体视化操作，实践证明，三维多模医学图像配准和实时体视 化系统的实现精度准确、可靠，运算快速。 。 关键词：计罂謦助手芍三维医学图像配准f多模医学图黔碰塑墅蔓互翻爻。， 碉一化互信息，缠主|棼型，拿局异常焦曼，实时体视僻三维小波变换，分级体堡些：墨竺，r 设计 f|一 !：查