（模式识别与智能系统专业论文）医学图像分割与虚拟手术几个关键问题的研究.pdf

中文摘要 医学图像分割 与虚拟手术几个关键问题的研究 摘要 医学影像在现代医疗诊断过程中具有极其重要的作用，许多外科手 术的实施、病症的诊断都需要医学影像技术的参与。现代的医疗中对影 像技术的应用已经不再仅限于单纯的阅读影像图片等一般性的操作了。 人们开始以所获得的图像为基础，融合各种先进技术，从更广泛的角度 分析和处理图像，力求挖掘更深层次的信息，为诊断和治疗提供详实可 靠依据。在处理和分析医学图像的各种技术中，既包含图像分割、特征 提取、三维重建等基础性内容，也包含了计算机辅助诊断，虚拟外科手 术，手术导航等实际的应用内容。本论文选取了分割技术中的脑皮层分 割、脑肿瘤分割、三维重建中的目标体虚拟移动以及术前设计系统的构 建作为研究重点，以构建实用的外科手术术前设计系统作为最终目的。 脑皮层具有非常复杂的结构，它的每一个部分都与人体的一部分的 功能相对应。脑皮层分割与表示是进行脑皮层分析、揭示这些功能映射 的重要环节。同时脑皮质层分割与表示也是是医学影像领域中的一个难 点。本文提出了一种基于水平集的自适应分割模型来实现脑皮质层的分 割与表示。该模型是一种自适应混合水平集带状模型。它结合了基于区 域分割和基于边界分割算法的优点，以基于区域的水平集模型来描述区 域信息，并以此作为水平集模型演化动力；以统计双边缘检测算法来描 述边缘信息，并以此促使水平集的演化能停止在合理的位置上。这样整 个模型既保持了区域模型的稳健性又保持了边界模型的准确性。由于实 际的皮质层具有近似相同厚度，本文中将脑皮层的这一特点作为先验知 识融合到分割模型中，使得该模型在表征脑皮层分割上更加合理。此 外，模型中还充分考虑了m r 图像中可能存在的偏移场因素，在模型中 增加了对偏移场的描述，有效的克服了偏移场闯题。本文分别选用仿真 脑图像数据和真实脑图像数据进行实验，并与其它方法进行比较。实验 结果证明，自适应带状模型具有稳健、精确的分割效果。与其它方法相 比，具有很大的优势。 一i 一 上海交通大学博十学位论文 由于脑肿瘤与其它正常组织在成像上有很大程度上的灰度重叠。这种 灰度重叠直接给肿瘤分割造成了很大的困难。为了解决肿瘤分割这个难 点，本文依照当前流行的图像配准与图像分割相结合的研究方法，提出 了基于粘性流体模型匹配的脑肿瘤分割架构。该架构主要由粘性流体模 型匹配和基于k 最近邻分类的脑肿瘤识别两部分组成。整个分割过程以 迭代形式实现。在该分割架构中，本论文主要对用于图像配准的粘性流 体模型进行了深入的研究。提出了两种改进的粘性流体模型配准方法一 一变参数粘性流体模型和基于m a r k o v a - 艺移训练的多尺度粘性流体模型。 变参数粘性流体模型解决了不同像素相同弹性参数下粘性流体模型的误 匹配问题；而m a r k o v 位移训练多尺度粘性流体模型解决了像素邻域对图 像配准的影响。 长期以来，三维重建技术一直是医学影像领域中的一个重点的研究 内容，许多医学图像应用技术都是基于三维重建技术的。它随着持续更 新的计算机技术而不断发展。近几年来，g p u s 作为一种可编程流处理器 为重建技术的发展提供了新的动力。本论文讨论并提出了在g p u s 上编程 实现目标体虚拟移动的两种三维重建方法。与一般的独立模型空问变换 不同，本文所提出的目标体移动方法实质上是分割体数据上的体重建方 法。第一种方法的实现完全是在g p u s 中的片断处理器中进行的。算法以 基于g p u s 的r a yc a s t i n g 重建方法为基础，充分利用了g p u s 的三维纹理 的采样能力。首先假设采样点位置为某一目标体体素，在该采样点位置 按照该目标体给定的变换矩阵的逆矩阵对采样点位置进行变换，以所得 到的新的坐标位置对三维纹理数据进行采样，获得采样值之后首先确定 该采样值是否与目标体相一致，然后按照用户设定的优先级确定最初采 样点位置的采样值。这样在能够确定采样点的前提下，借助光线合成过 程，屏幕上的颜色也就最终的确定下来。值得强调的随着所有投射光线 上的采样点的确定，目标体移动位置也随之确定下来。该算法具有实现 简单、实时高效的特点。 在本文提出的另一种目标体虚拟移动的方法是对前一种方法的改进， 在该方法中应用了f l a r 三维纹理，以二维的形式存储体数据以及移动后 的三维数据体。该方法在目标体移动方式上与前一种方法相同，该方法 借助于g p u s 的直接绘制到纹理的能力在一个绘制过程中实现多个目标体 的移动。渲染成像过程利用了r a d o n 变换，利用平行于投影平面的切片 对目标体空间进行纹理坐标的取样，以切片叠加的形式重建变换后的三 一一 中文摘要 维目标体。该方法的绘制过程是由c p u 和g p u s 共同来完成，c p u 负责纹 理切片的生成，而g p u s 负责纹理的查询、像素值的累加、参数的修正等 操作。该方法保持了前一种方法的实时、高效的特点，同时由于f l a t 三 维纹理的引入使得该算法具有了较强的灵活性。 本论文的最后的一个重点内容是外科手术术前设计系统的研制。该系 统分为数据输入输出系统，图像分割，目标体切割，三维目标体移动重 建等四部分内容。该系统可以按照医生的设计目标以虚拟的形式进行截 骨操作，医生可以自由的选择骨骼、肿瘤等目标体进行模拟摘除、重新 置位等仿真操作。本系统作为一个应用系统尽可能将数据处理过程都放 在g p u s 上来进行，所带来的最大的利好是实时性的提高。 综上所述，本论文着眼于医学图像领域的实际应用，以脑皮质层分割 和三维重建中目标体虚拟移动为研究重点，成功实现了虚拟外科手术术 前设计系统中的脑皮层分割、虚拟目标体移动、目标体切割等一些重要 环节，为最终实现虚拟外科手术术前设计系统打下了良好的基础。 关键词水平集方法，带状模型，脑皮层分割，目标体虚拟移 动，g p u s 编程，术前设计系统 一一 上海交通大学博十学位论文 s t u d yo nk e yt e c h n o l o g i e so fm e d i c a li m a g es e g m e n t a t i o n a n dv i r t u a ls u r g e r y a b s t r a c t m e d i c a li m a g i n gh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e mm e d i c a lt r e a t m e n ta n dd i a g n o - s i s m a n ys u r g i c a lo p e r a t i o n sa n dd i s e a s ed i a g n o s i sp r o c e d u r en e e dt h ep a t t i c i p a n to fm e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g y 1 1 伦a p p l i c a t i o no fm e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g yi nm o d e mm e d i c a l 缸e a t i l l e n th a sn om o r el i m i t e di nc o m m o no p e r a t i o n sl i k er e a d i n gt h ep i c t u r ea n dr e c o n s t r u c t i n gt h e3 di m a g e i no r d e rt od i go u td e e p - s e a t e di n f o m a t i o na n dp r o v i d ea c c u r a t ea n d r e l i a b l ef o u n d a t i o nf o rd i a g n o s ea n dc u r a t i o n 。p e o p l eb e g i nt oa n a l y s i sa n du n d e r s t a n dt h e o b t a i n e di m a g e sm o r ec o m p r e h e n s i v e l yb yi n c o o r p o r a t i n gm a n ye d v a n c et e c h n o l o g y t 1 l e m e d i c a li m a g ep r o c e s sa n da n a l y s i st e c h n o l o g yn o to n l yi n v o l v e sm a n yb a s i cc o n t e n t sl i b t h ei m a g es e g m e n t a t i o n ，i m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o n ，3 dr e c o n s t r u c t i o ne w ，b u ta l s oi n c l u d e s o m ep r a c t i c a lc o n t e n t sl i k et h ec o m p u t e ra i d e dd i a g n o s e ，v i r t u a ls u r g e r y , s u g e wg u i d a n c e e r e n i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t st h ec o r t e xs e g m e n t a t i o n o b j e c t sm o t i o ni n3 dr e c o n s t r u c t i o n a n dp r e s u r g e r yd e s i g ns y s t e ma st h ek c 、rr e s e a r c hc o n t e n t s , a n dt a k e st h ec o n s t r u c t i o no f p r a c t i c a lp r e s u r g e r yd e s i g ns y s t e ma st h eu l t i m a t eg o a l 砷ec o r t e xh a sv e r yc o m p l e xs t r u c t u r e s e a c hp a r to ft i l e ma r ec o r r e p o n d i n gt op a r to f h u m a nb o d yf u a c t i o n s mc o r t e xs e g m e n t a t i o na n dr e p r e s e n t a t i o na r et h ei m p o r t a n tp h a s e t oa n a l y s i st h ec o r t e xa n du n v e i lt h ef u n c t i o nm a p p i n g s 。m e a n w h i l et h ec o r t e xs e g m e n t a - t i o na n dr e p r e s e n t a t i o na r ca l s ot h en u tt ot h em e d i c a li m a g i n gf i e l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n a a d a p t i v er i b b o nm o d e lb a s e do nl e v e l s e t si sp r o p o s e dt ot a c l d et h ec o r t e xs e g m e n t a t i o na n d r e p r e s e n t a t i o np r o b l e m t h i sm o d e li sn a t u r e l yah y b r i da d a p t i v ei e v e i s e tm o d e lc o m b i n i n g b o t ht h em e r i t so fr e g i o na n db o u n d a r ys e g m e n t a t i o n n 圮r e g i o n b a s e dl e v e l s e t sa l eu s e dt o r e p r e s e n tt h er e g i o ni n f o r m a t i o n a n dr e g i o ni n f o r m a t i o na c ta sl e v e l s e te v o l v i n gm o t i v i t i o n t e r m t h es t a t i s t i c a lc o u p l e de d g e sd e t e c t o ri su s e dt od e s c r i b et h eb o u n d a r yi n f o r m a t i o n , a n dt h eb o u n t yi n f o r m a t i o na c t sa sas t o p p i n gt e r mt ot h ee v o l v i n gp r o c e s s t l l i sm o d e li s p r o v i d e dw i ib o t ht h er o b u s t n e s so fr e g i o nm o d e la n dt h ep r e c i s e n e s so fb o u n d a r ym o d e l a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h ec o r t e xh a st h es i m i l i a rt h i c k n e s s ，t h em o d e lt a k e st h i sf a c ta sa p r i o rk n o w l e d g ea n ds h a p e si n t oa d a p t i v er i b b o nm o d e l b e s i d e s t h eb i a sf i e l dd e s c r i p t i o ni s a d d e dt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo ft h ep o s s i b l eb i a sf i e l di nm ri m a g e t od e m o n s t r a t et h e p r o p o s e dm o d e l 。t h es i m u l a t e db r a i ni m a g e sa n dr e a lb r a i ni m a g e sa l eu s e df o rt e s t i n g a n d c o m p a r a t i o nt oo t h e rm e t h o d s 雠m a d e t h ee x p e r i m e n t 他s u l t ss h o wt h a ta d a p t i v er i b b o n m o d e li sm o r er o b u s ta n da c c u r a t et h a no t h e rm o d e l s i m a g ei n t e n s i t yo v e r l a p p i n gb e t w e e nb r a i nt u m o ra n do t h e rn o r m a lt i s s u e sm a k et h e b r a i nt u m o rs e g m e n t a t i o nat o u g ht h i n g f o rt h es a k eo fo v e r c o m i n gt h i sb r a i nt u m o rs e g - 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t i o n s n l ed e v e l o p m e n to f3 dr e c o n s t r u c t i o nf o l i o w st h ec o n t i n u o u su d d a t i n go fe o m p u t e r s c i e n c e r e c e n t l y , g p u sa sak i n do fp r o g r a m m a b l ep r o c e s s o rh a ss h o w ng r e a ti m p e t u so n t h ed e v e l o p m e n to f3 dr e c o n s t r u c t i o n i nd i i sd i s s e r t a t i o n t w om e t h o d sf o ro b j e c t sm o t i o n b a s e do ng p u sp r o g r a m m m i n ga r ep r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n d e p e n d e n t s u r f a c em o d e l e do b j e c t sm o t i o ns i m u l a t i o n 。t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ci ne s s e u c et h er e c o n - s t r a c t i o nm e t h o d sb u i l t0 1 1s e g m e n t e dv o l u m ed a t a t h ef i r s tm e t h o di sr e a l i z e dt o t a l l yo u f r a g m e n tp r o c e s s o r s t h i sm e t l l o di sb u i l to nh a r d w a r eb a s e dr a yc a s t i n gm e t h o d i n a l f sf u l l u o fg p u s 3 dt e x t u r el o o k i n gu pa b i l i t y a te a c hr e s a m p l ep o i n t ，a s s u m p t i o ni sm a d e t i i a tt h ev o x e la tt h i sp o i n ti sb e l o n gt oo n eo ft h eo b j e c t s n e ws a m p l ep o i n ti so b t a i n e da f t e r m a k i n gt r a n s f o r m a t i o na c c o r d i n g t ot h eg i v e nt r a n s f o r mm a t r i xo ft h eo b i e c tt ot h es a m p l e p o i n t c h e c ki ft h es a m p l ev a l u ea tt h en e wp o i n ti ss a m ew i t ht h eo b j e c tv a l u e w h e nm u l t i o b j e c t s v o x e l sa r et r a n s f o r m e d t ot h es a m ep o i n t , t h e np r e e m p t i o nw e i g h t sg i v e nb yt h en s e r a r eu s e dt od e t e r m i n et h ef i n a io b j e c tv a l u ea tt h es a m p l ep o i n t t h r o u g ht h er a yc o m p o s i t - i n g t h ec o l o r sa tt h es c r e e na r ed e t e r m i n e d i ti sw o r t ho f n o t i n gt h a tt h eo b j e c t sm o t i o n a r e r e a l i z e df o l l o w i n gb yt h ed e t e r m i n a t i o no ft h es a m p l ep o i n to nt h er a y s 1 1 l i sm e t h o di sv e r y s i m p l ea n dh i g h l y e f f i c e n t t h eo t h e rm e t h o dm a k ea l li m p r o v e m e n to nt h ep r e v i o u sm e t h o d ，i nt h i sm e t h o d t h e f l a t3 dt e x t u r e sa r eu s e df o rs t o r i n gt h ev o l u m eo b i e , c t sb e f o r ea n da f t e rt r a n s f o r m a t i o n t h i sm e t h o di s 黜t ot h ep r e v i o u sm e t h o di nt h ew a yt h eo b j e c t sh e i n gt r a n s f o r m e d n e o b j e c t st r a n s f o r m a t i o n sa r er e a l i z e di nas i n g l er e n d e rp a s sb yu s i n gt h eg p u s r e n d e r i n gt o t e x t u r e n 圯r e n d e r i n gp r o c e d u r ei sb a s e do nt h er a d o nt r a n s f o r m a t i o n a n dr e s a m p l et h e t e x t u r ec o o r d i n a t e st h r o u g ht h eo b j e c ts p a c eb yu s i n ga ni m a g ep l a n et h a ti sp a r a l l e lt ot h e p r o j e c t i n gs c r e e n t 1 l ei m a g ep l a n e sa r ec o m p o s i t e do u eb yo n e t of o r mt h ef i n a lt r a n s f o r m e d 3 d o b j e c t s t h e r e n d e r i n g p r o c e d u r e i s a c c o m p l i s h e d t o g e t h e r w i t h c p u a n d g p u s , t h e c p u r e s p o n d st ot h eg e n e r a t i o no fi m a g ep l a n e w h i l et h eg p u s a r em a i n l yi nc h a r g eo f t h et e x t u r e l o o k i n gu po p e r a t i o n ，p i x e lc o m p o s i t i n g ，f a c t o r sc o r r e c t i o n se r e g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h i s m e t h o dp r e s e r v e st h es i m p l i c i t va n de f f i c i e n c yf e a t u r e so ft h ep r e v i o u sm e t h o d ，a tt h es a m e t i m ef o rt h ea p p l i c a t i o no ff l a t3 dt e x t u r e t h em e t h o ds h o w ss t r o n g e rf l e x i b i l i t yt h a nt h e p r e v i o u sm e t h o d n 蛇l a s tc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h ed e v e l o p m e n to f p r o s u r g e r yd e s i g ns y s t e m 1 1 l es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rp a r t sw h i c hi n c l u d e st h ed a t ai n p u ta n do u t p u t i m a g e s e g m e n t a t i o n o b j e c t sc u t t i n go p e r a t i o n 。o b j e c t sm o t i o no p e r a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n n e s y s l c mc a nv i m t a l l yc u ta n dm o v et h eb o n eo b j e c t sa c c o r d i n gt ot h es u r g e o n sd e s i g n a sa n a p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp r e - s u r g e r yd e s i g ns y s t e mt r y st op u tt h ed a t ap r o c e s s i n go p e r a t i o n t 0t h eg p u s 。t l l em o s tv a l u a b l eb e n i f i ti st h ep r o m o t i o nt ot h es y s t e mr e a l - t i m e 一v 一 上海交通大学博士学位论文 a sas u m m a r y , t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nm e d i c a li m a g e f i e l d ，a n dt a k e st h es e g m e n t a t i o na n d3 dr e c o n s t r u c t i o na st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s t h e d i s s e r t a t i o ns u c c e s s f u l l yr e a l i z e ds o m e o f t h e k e y n o d e s f o r p r e - s u r g e r y d e s i g ns y s t e m w h i c h i san i c eb e g i n n i n gt ot h ep r a c t i c a lw e s u r g e r yd e s i g ns y s t e m k e y w o r d s ：l e v e ls e t s ，r i b b o nm o d e l ，c o r t e xs e g m e n t a t i o n ，o b j e c t sm o t i o n ， g p u s p r o g r a n u n i n g ，p r e s u r g e r yd e s i g ns y s t e m v i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乡j 弓敬 日 飙1 年月厂日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编奉学位论文。 保密口，在年解密后使用本授权书。 本学位论文属于 不保密巴 ( 请在以上方框内打“j ”) 一v 一 1 1 引言 第一章绪论 传统的望闻问切曾经在医疗实践中发挥着重要的作用。但是人眼的观察范围只 能局限于体表，观察不到体内的组织结构，以及病变位置。因此，就象宇宙探索必 须依赖天文望远镜一样，现代医学对疾病的诊治在很大程度上得益于医学影像技 术。1 0 0 年前德国人伦琴发现x 射线，由此开创了医学放射学的先河。七十年代英国 人汉斯菲尔德发明计算机层面照相技术( c t ) ，使得人们可以观察到人体的内部结 构，引起了方射学的一场革命。磁共振成像技术( m ) ，正电子发射层面照相技 术( p e t ) 相继问世及其在l 临床的广泛应用，极大丰富和改善了影像学诊断手段和 方法。不但提高了医学影像学的诊断水平，能更早、更准确地发现病变，也为临床 定制治疗方案、评价治疗效果提供帮助。 医学影像技术可以划分为两个部分：医学成像技术( m e d i c a li m a g i n g ) 和医学图 像处理与分析。如果将成像技术称为前处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，那么图像的处理与分 析可以被称为后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。成像的机制和初级图像的校正可以被称为 前处理过程；而医学图像的后处理过程是指在完成医学影像学检查之后，对所获得 的图像进行再加工的过程。医学图像后处理过程已经成为临床实用技术并逐渐在各 种医疗诊断过程中得到了医生的重视和肯定。医学图像处理过程也是计算机在医疗 影像学科应用的主要内容之一。 目前，临床上医学图像后处理主要以应用随机附带的软件进行直接处理为主，由 于计算机技术的进步，各种影像学设备随机安装了大量的后处理软件，使图像后处 理的临床应用越来越广泛。这使得医疗设备在图像的显示方式上更富多样性，图像 显示内容上更具有具体性和针对性。有力的提高了医生的诊断鉴别能力，受到医学 影像学科及其它相关临床学科医生的欢迎和好评。但是这种利用随机附带软件进行 图像的处理和分析有很大的局限性，不能够满足某些特定的需求。例如，每一类成 像设备所生成图像都具有各自特殊的图像属性，都是为了展示特定的组织结构而设 计。c t 适合于密度较高的骨组织和钙化区域的显示，m r i 适合于显示软组织结构， 而p 哦合于显示活体生物分子代谢、受体及神经介质的分子代谢活动。对同一患 者而言，将这些设备所成图像融合起来，必将为诊断增加信息，使病灶的定位更加 准确，相应的形态结构显示的更直观。因此，开发一些满足特定需求的后续图像处 理技术是非常必要的。此外每种图像处理算法都有其局限性，而新的图像处理技术 也足层出不穷、日新月异。将这些算法融合到诊断治疗当中，将会促进诊断的效率 和准确性。 医学影像的后处理涉及到众多内容，其中包括图像分割、图像增强、三维重建、 辅助诊断等技术。而图像分割和三维重建技术可以说足其中的基础性技术。多数医 学影像后处理系统都是建立在这两项技术之上的。 上海交通大学博士学位论文 医学图像分割在临床诊断、病理分析以及治疗方面具有重要意义，具体表现在以 下几个方面： 图像分割的结果常用于生物医学图像的分析，如不同形式图像的配准、融合， 解剖结构的测量，获取先验知识用于图像重建以及心脏运动的跟踪等【1 1 。 用于测量人体器官、组织或病灶的体积。通过对这些体积在治疗前后的定量测 量和分析，可以帮助医生进行诊断、预后和制定或修改对病人的治疗方案【2 】。 用于医学图像的3 d 重建方面，便于可视化，外科手术方案的制定和仿真，病理 研究，药物疗效的评估，解剖参考以及放疗计划中的3 d 定位等f 3 】。 图像分割结果可用于在不丢失有用信息的前提下进行数据的压缩和传输。这对 于提高在p a c s 、远程放射学和i n t e r n e t 中的图像传输速度足至关重要的【4 】。 分割后的图像与噪声的关系减弱，因此具有降噪功能，便于图像的理解【5 】。 医学图像分割技术往往会将多种理论融合起来运用，以达到相互补充的目的。新 的分割方法的研究主要以自动、精确、快速、自适应和鲁捧性等几个方向作为研究 目标。分割算法往往受到分割目标的限制，对软组织的分割算法往往很难适应对硬 组织的分割，而对器官结构的分割也无法应用到肿瘤体的分割。从分割方式上讲， 由于人工分割能够紧密结合医生的解剖学知识，所以依然受到外科医生的喜欢。但 是人工分割无法避免的是费时费力、精度差、以及不可重复等问题。在医学研究尤 其是神经系统科学的研究中，结果的可重复性和精确性是极其重要的，人工分割无 法适应这样的要求。与人工分割相对应的是自动分割。自动分割结果的可重复性是 不用考虑的，因为几乎所有的算法的结果都不会因为运行次数的不同而改变。自动 分割的难点在于如何将人工分割中解剖学家的知识运用到自动分割中来。这种知识 之所以难以表示是因为医学图像形状( 指解剖结构没有规则的形状) 和外表的复杂 性( 组织可能具有相同的灰度) 。 三维重建是另一项医学影像领域中的基础性技术。医学领域中的三维重建是指 利用投影等数学和计算机技术来恢复c t 、m 等成像设备上生成的二维切片数据序 列中感兴趣的三维信息。利用三维重建技术，医生可以获得直观的三维体器官结构 和病灶的形状和大小以及周围组织的三维几何关系等信息，在此基础上可以实现矫 形手术、放射治疗等计算机模拟及手术规划。例如，髋关节发育不正常在儿童中并 不少见。在作矫形手术时，需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作。利用三维 重建技术可以首先在计算机上构造出髋关节的三维图像。然后对切割部位、切割形 状、移位多少及固定方式等多种方案在计算机上进行模拟。并从各个不同的角度观 察其效果。最后由医生选择出最佳实臆方案，从而大大提高矫形手术的质量。又 如，在作脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿孔，然后将放射性同位素准确地安 装在脑部炉灶部位。既要使治疗效果好，又要保证整个手术过程及同位素不伤及正 常组织。由于人脑内部结构十分复杂，而且在不开颅的情况下，医生无法观测到手 一2 一 第一章绪论 术进行的实际情况，因而要达到上述要求足十分困难的。利用可视化技术就可以在 重构出人脑内部结构三维图像的基础上，对颅骨穿孔位置、同位素植入通道、安放 位置以及等计量线等进行计算机模拟，设计并选择出最佳方案。不仅如此，还可以 在手术过程中对手术进行情况在屏幕上予以监视，使医生们做到心中有数，因而必 将大大提高手术的成功率。 近年来，三维重建技术在医学领域获得了巨大的进展，特别是在基础研究领 域。1 9 8 9 年，n l m ( 美国国家医学图书馆) 提出了v h p ( v i s i b l eh u m a np r o j e c t ，即 可视化人体计划) ，该计划是一项医学图像可视化的开拓计划。其目的是通过采集 人体断面c t 、m 砒以及组织学等数据利用计算机重建技术建造虚拟人体，为研究人 体、揭示人体奥秘，为更深入的医学研究提供基础性数据源。该数据集为三维重建 技术提供了施展的舞台，新的高效的重建算法都会被应用到这一研究当中来。 i l ”岍 i n - l l n 峥 j o d m r p d r l p i m “c a i 溢黜， 图1 1现代p c 机教据处理架构 f i g 1 1 m o d e r np cd a t ap r o c e s s i n g $ 1 1 u c t l i i e 医学影像技术的发展离不开计算机技术的发展。计算机技术的迅速发展带动了 医学影像设备的更新。新的成像技术( 例如f m r i 、哪技术等) 的产生及应用更加 促进了计算机图像处理技术与医学影像技术的进一步紧密结合，使得医学诊断步入 崭新的可视化时代。随着计算机技术的不断发展，以前必须由工作站完成的任务 已经被普通的p c 机所取代。新的双核心c p u 处理器、虚拟硬件技术、新的总线技术 ( p c i - e ) 、新的内存存贮技术( d d r 2 仍d r 3 ) 在p c 基上的应用，为p c 机带来了质 的飞跃。现在的一台p c 机在计算能力上早已达到或超越了过去一台工作站的计算能 力。特别是基于p c i e 总线的可编程显卡推出以来，由于显卡中包含了具有可编程能 力的图形处理单元( g p u s ) ，原来由c p u 作为唯一的数据处理器的架构，将会转化 为由c p u 和g p u s 共同负担。c p u 负责总体的控制，而g p u s 负责流水线型的大规模数 据处理。目前n v i d i ag e f o e6 8 0 0u l t r ag p u s 处理器的峰值速度可达4 0g i g a f l o p s ， 远远超出了采用s s e 2 指令集的i n t c i3 gp e n f i u m4c p u 处理器的6 g i g a f l o p s 。这样强 一3 一 上海交通大学博士学位论文 大的计算能力无疑会为医学影像技术的发展带来新的动力。许