（信号与信息处理专业论文）三维医学超声影像表面重建方法的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 超声检查以其无损伤、无痛苦、无辐射、实时、快捷、方便等特点在临床诊 断中占有举足轻重的地位。在最近的十几年里，有关超声成像技术的研究在医学 成像领域至少占百分之二十五以上的份额。由于常规二维超声有很多临床应用局 限性，医生在诊断时只能把许多二维超声图像在头脑中想象出三维的器官，如此 会导致工作效率低下甚至误诊；且二维超声图像只从一个角度描绘器官，临床医 生难以获得最优化的成像平面用于诊断。三维超声技术的出现则解决了上述问题。 医学超声图像的三维重建和可视化技术( 3 dr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o n ) 由二 维超声断层图像构建人体器官、软组织和病变体等的三维模型并进行三维显示， 能够给予医务人员以直观的感觉，从而提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学 性。其中三维可视化技术主要有两大类：一类是面绘制，另一类是体绘制，其中 面绘制技术也称为表面重建技术。体绘制更能反应真实的人体器官或组织真实的 生理解剖结构，但是由于体绘制算法运算量太大，即使利用高性能的计算机，仍 然无法满足实际应用中交互操作的需要，因此，面绘制仍是目前的主流算法。本 课题特别针对自由臂扫描获得的非平行超声断层图像序列，实现了一种基于轮廓 的、由原始断层图像序列直接重建目标对象表面的算法。 基于轮廓的表面重建( s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ) 首先要进行分割、插值得到目 标对象的全部轮廓点，然后再由已经得到的轮廓点进行面绘制而完成目标对象的 表面重建。本课题主要是对分割与插值两个关键问题进行了重点研究。研究内容 主要为两大部分：一，进一步改进并应用t s n a k e 模型提取部分断层图像中目标对 象的轮廓点，由试验结果可看出，该方法提供了正确的分割结果。二，改进并应 用基于极大原盘引导的形状插值方法，对已被分割的部分断层图像之间进行插值 得到所有轮廓点：因为自由扫描得到的断层图像之间是非平行的，而该插值方法 在插值过程中能有效的调节插值走向，保证了插值的准确性，同时在插值过程中 采用了巧妙的计算方法，提高了处理速度。 关键词：表面重建；t - s n a k e 模型；距离变换；极大圆盘；形状插值 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i ci m a g i n gi sw i d e l yu s e di nt h ec l i n i cd i a g n o s i sf o ri t sa d v a n t a g e so fb e i n g n o n - i n v a s i v e ，n o p a i n ，r e a l - t i m ea n dc o n v e n i e n t n o w , m o r et h a n2 5 m e d i c a li m a g i n g s t u d i e si sr e l a t e dw i t hu l t r a s o n i ci m a g i n g t h e r ea r em a n yc l i n i c a la p p l i c a t i o n l i m i t a t i o n sf o rc o n v e n t i o n a l2 du l t r a s o u n d ：p h y s i c i a n sn e e dt oi m a g i n et h e3 do r g a n j u s tf r o mm a n y2 du l t r a s o u n di m a g e sw h e nd i a g n o s i n g ，i tc a nl e a dt ol o we f f i c i e n c y a n de r r o r s ；2 du l t r a s o u n di m a g e so n l yd e p i c ta p e r s p e c t i v eo r g a n ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i n t h em o s to p t i m a li m a g i n gp l a n ef o rt h ed i a g n o s i s t h eq u e s t i o n sa b o v ec a nb es o l v e db y t h e3 du l t r a s o u n dt e c h n o l o g y t h e3 du l t r a s o u n dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n d3 d v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yc a nr e c o n s t r u c ta n dd i s p l a yt h em o d e l so fo r g a n s ，p a r e n c h y m a a n dt h ep a t h o l o g i c a lc h a n g e s ，w h i c hs u p p l ya ni n t u i t i o n i s t i cv i s i o nt ot h ed o c t o r sa n d i m p r o v et h ep r e c i s i o n t h e r ea l et w om a i nm e t h o d si nt h e3 du l t r a s o u n dv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y , o n e i ss u r f a c e r e n d e r i n ga l g o r i t h m w h i c hi sa l s o c a l l e ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，t h eo t h e ri sv o l u m er e n d e r i n ga l g o r i t h m v o l u m er e n d e r i n gc a nr e f l e c t t h er e a ls t r u c t u r eo ft h eb o d y b u ti ti sw i t hl a r g ec o m p u t i n ga n dl o n gr e n d e r i n gt i m e ， e v e nt h o u g hu s i n gh i g h - p o w e r e dc o m p u t e ri tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rr e a l - t i m e i n t e r a c t i v ea n a l y s i s s oi nr e c e n t ，t h es u r f a c er e n d e r i n gi ss t i l lt h em a i nm e t h o d t h i s p a p e rr e a l i z e da na l g o r i t h m ：r e c o n s t r u c tt h es u r f a c eo ft h eo b j e c tb a s e do nt h eo r i g i n c r o s ss e c t i o n s ，w h i c hi se s p e c i a l l ys u i tt ot h es e n s o rl o c a l i z a t i o nf r e e h a n da r m3 d u s s y s t e m t h ec o n t o u rp o i n t so ft h eo b j e c ts h o u l db ef i r s to b t a i n e dt h r o u g hs e g m e n t i n ga n d i n t e r p o l a t i n g ，a n dt h e nr e n d e r e dt or e c o n s t r u c tt h es u r f a c e t h ep a p e rm o s t l yr e s e a r c h e s t h es e g m e n t i n ga n di n t e r p o l a t i n g t h er e s e a r c hc o n t e n tc o n t a i n st w om a i np a r t s o n e p a r ti st oi m p r o v et h et - s n a k em o d e lf u r t h e ra n du s et h i sm e t h o dt os e g m e n tt h ec o n t o u r p o i n t so ft h eo b j e c to nt h ec r o s ss e c t i o n s s e e nf r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l ti sg o o d t h eo t h e rp a r ti st oi m p r o v et h es h a p eb a s e di n t e r p o l a t i o nd i r e c t e db ym a x i m a ld i s c s 2 山东大学硕士学位论文 a n du s ei tt oi n t e r p o l a t et h ec o n t o u rp o i n t so fo b j e c ta m o n gt h ec r o s ss e c t i o n s t h ec r o s s s e c t i o n sa r en o n p a r a l l e l ，t h i si n t e r p o l a t i o nm e t h o dc a nc o r r e c tt h ei n t e r p o l a t i n g d i r e c t i o ne x a c t l yi nt i m e ，w h i c he n s u r e st h eg o o dr e c o n s t r u c t i o nq u a l i t y a tt h es a m e t i m e ，w eu s eal i t t l ec o m p u t i n gs k i l l si nt h ei n t e r p o l a t i n gt h em i d p o i n t ，s ot h et i m ei s r e d u c e d k e y w o r d s ：s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ；t - s n a k em o d e l ；d i s t a n c et r a n s f o r m ；m a x i m u md i s c ； s h a p eb a s e di n t e r p o l a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 4 s n a k e ：活动轮廓模型 t - s n a k e ：自适应形变模型 d i s t a n c et r a n s f o r m ：距离变换 符号说明 s h a p e - b a s e di n t e r p o l a t i o n ：形状插值 d i s c s ：圆盘集 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 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：生塑丝 日 期：鲨1 2 ：生翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑邋导师签名：避日期：衅哑 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节课题的来源及背景 医学超声成像技术的历史可以追溯到上世纪中叶，开始的三十年发展缓慢， 但伴随计算机、电子科学、图像处理等学科的发展与技术进步，以及其非侵入性、 临床应用广泛等优点，使得超声成像技术已成为目前临床不可或缺的、具有重要 临床地位和价值的医学成像方式之一【l 】。但是，常规二维超声有很多临床应用局限 性：人体器官原本是三维的，医生在诊断时只能把许多二维超声图像在头脑中想 象出三维的器官，如此会导致工作效率低甚至误诊；二维超声图像只从一个角度 描绘器官，临床医生难以获得最优化的成像平面用于诊断：二维超声不能表达器 官表面曲率的变化，如在胎儿面部结构的诊断中，由于胎儿面部复杂曲率的影响， 常规二维超声很难得到胎儿面部的直观图像，要准确诊断诸如唇裂、跟距过近或 过宽、鼻孔外翻、下颌过小等面部畸形，需要操作者有非常丰富的临床经验，且 受操作者主观因素的影响较大1 2 。而三维超声技术则具有众多临床应用优势【3 】：形 象直观，三维超声能直观地显示感兴趣区的立体结构，取代了操作者凭经验重组 二维图像的过程；空间定位准确，通过三维成像可以更客观地显示器官的整体结 构，医生据此可准确、迅速的判断出病灶位置；多角度观察，准确判断各脏器的 位置关系及体积变化，从而有助于心脏瓣膜缺损、脐膨出、腹壁裂等的鉴别诊断， 对二维超声不易显示的胎儿颅缝、囟门等结构亦能清晰显示。其中显示感性趣区 的立体结构即属于三维重建及显示技术问题范畴，三维超声技术的优势相应的带 动了数字化医学影像三维扫描设备的发展。 经过近二十年的发展历程，数字化医学影像设备市场上出现了四种类型的3 d u s 系统：机械臂3 du s 系统、传感器定位自由臂3 du s 系统、无传感器定位自由臂 3 du s 系统( 如基于r f 信号自由臂3 du s 系统) 、二维面阵探头自由臂3 du s 系统。 其中，机械臂3 du s 系统，成像速度快，但是设备笨重、临床操作不方便；无传感 器定位自由臂3 du s 系统，图像质量差、精确度低：二维面阵探头自由臂3 du s 系 统，价格昂贵、单次扫描视野小、探头面积太大以至于对于声窗条件差的患者图 5 山东大学硕士学位论文 像质量明显趋于下降。相比较而言，传感器定位自由臂3 du s 系统的优势突出体现 在：使用常规的一维线阵探头( 成本低) 、图像空间方位信息精准( 这是实现图像 测量或图像定量分析技术的基本前提) 。本课题中的三维表面重建数据即为由传感 器定位自由臂3 du s 成像系统扫描获得的数据。 目前三维可视化技术主要有两大类：一类是面绘制，另一类是体绘制，其中 面绘制技术也称表面重建技术。体绘制更能反应真实的人体结构，但是由于体绘 制算法运算量太大，即使利用高性能的计算机，仍然无法满足实际应用中交互操 作的需要，因此，面绘制仍是目前的主流算法。采集得到的医学超声图像一般是 非平行的，针对数据的这种特点，医学超声影像的表面重建技术主要有两种方法： 一是首先将非平行的断层图像序列进行重组重排后得到一个规则的体数据空间， 在此体数据空间中，对若干平行的断层图像进行手动或半自动分割得到其上目标 对象的轮廓点，然后再插值获得这些平行断层图像之间的其它断层图像上的目标 对象的轮廓点，最后进行基于轮廓的面绘制显示；再是，先对部分原始非平行断 层图像进行分割得到目标对象的部分轮廓点，然后进行非平行断层图像之间的插 值得到目标对象的全部轮廓点，最后进行基于轮廓的面绘制显示；前者是先重组 重排再分割，因为重组重排后数据被平滑且信息量较原始数据有所下降，对这样 处理过的数据进行分割，其质量必将受到影响。而后者是首先对原始数据进行分 割，然后根据分割结果插值得到其它的轮廓点，这样就减小了人为处理的影响， 提高了准确性；但是其中非平行断层图像之间的插值是一个难点。而本课题的研 究内容则定位于第二种方法，针对非平行超声断层图像序列，实现了一种基于轮 廓的、由原始断层图像序列直接重建目标对象表面的算法，其中重点研究了医学 超声图像中目标对象的分割与非平行断层图像之间的插值两个关键问题，拟采用 一种新的分割技术对部分断层图像中e t 标对象轮廓点进行提取，然后应用一种新 的插值方法对已被分割的部分断层图像之间进行准确插值，得到目标对象的全部 轮廓点。 6 第二节课题研究内容和论文结构 本文针对非平行超声断层图像序列，实现了基于轮廓的、由原始断层图像序 山东大学硕士学位论文 列直接重建目标对象表面的算法，其中重点研究了医学超声图像中目标对象的分 割与非平行断层图像之间的插值两个关键问题。文章主要内容：对于超声图像中 目标对象的分割问题，首先分析总结了医学超声图像分割方法，然后具体介绍了 改进t - s n a k e 模型的原理，指出其中仍然存在一些缺陷并加以改进，最后将进一步 改进的t - s n a k e 模型应用到超声图像的分割中并给出实验结果。对于超声图像的插 值问题，分析总结了各种插值方法，比较利弊，较其它方法，基于极大圆盘引导 的形状插值方法性能突出，对其进一步改进并应用到非平行断层图像之间的插值 中，最后给出了试验结果。 本文第一章介绍了课题的来源及相关背景。第二章介绍了医学超声影像数据 三维重建的数据基础，并对三维可视化技术进行了综述。第三章对现有改进t - s n a k e 模型做了进一步改进，将其应用在医学超声图像的分割中并对试验结果进行了分 析讨论。第四章改进并应用基于极大圆盘引导的形状插值方法对非平行断层图像 之间进行插值，对试验结果进行了分析讨论。第五章总结了本课题工作并展望课 题前景。 第三节课题的创新点 基于轮廓的表面重建问题是目前三维重建的一个技术热点，其中首先要得到 目标对象的全部轮廓点，一般通过分割与插值来实现这一步，所以分割与插值是 表面重建中的两个关键问题。首先，有关超声图像的分割问题一直是国内外学者 研究的一个热点，由于超声成像机制的特点，斑点大大降低了超声图像的清晰度 对分割造成很大的困难；本文进一步改进并应用t - s n a k e 模型，分割断层图像序列 中目标对象轮廓，提高了分割质量。其次，超声影像数据的插值也是一个倍受关 注的问题，其中非平行断层图像之间的插值更是一个难点。笔者通过调研国内外 相关研究文献，发现有关非平行断层图像之间插值的问题报到较少。其中，1 9 9 8 年剑桥大学gm t r e e c e 等人提出了基于极大圆盘引导的形状插值方法并应用到 非平行超声断层图像之间的插值中【4 1 ，得到了准确的结果，但计算量比较大；2 0 0 4 年，a l b o g u s h 等人提出了用三次样条插值来进行非平行超声断层图像之间的插 值【5 】，实现目标对象的三维重建，这种方法对几何外形较为简单的三维目标对象能 7 山东大学硕士学位论文 够取得较好的应用效果，但对于几何外形较为复杂的三维目标对象应用效果却很 不理想，因为他们的方法不能正确计算轮廓之问的空间几何关系。本文选择基于 极大圆盘引导的形状插值方法对非平行断层图像之间进行插值，该插值方法在插 值过程中能有效的调节插值走向，从而保证了插值的质量，同时对其加以改进， 实现了准确快速的插值。 现总结本文的创新点如下： ( 1 ) 对现有改进t - s n a k e 模型存在的缺陷进行进一步改进，并将其成功应用 到三维医学超声影像表面重建的分割处理中，对部分断层图像中目标对 象的轮廓点进行分割提取，获得了较好的分割结果，为得到准确的表面 重建结果提供了保证。 ( 2 ) 对基于极大圆盘引导的形状插值方法进行改进，并将其应用到三维医学 超声影像表面重建的插值处理中，对非平行断层图像之间目标对象轮廓 点进行准确插值，提高了表面重建结果的准确性，同时缩短了表面重建 过程的处理时间。 生查奎茎至圭耋堡堡圣 第二章医学超声影像三维重建数据基础与可视化技术 第一节引言 2 0 世纪中叶以来，随着超声波扫描技术( u s ，u l h a s o n o 毋 a p h y ) 等医学成像 技术的出现，人们可以容易的得到人体及其内部组织的二维超声断层图像序列， 医生利用这些断层图像进行医学诊断和治疗取得了良好的临床应用效果，但是， 这些断层图像只能提供某一断层的组织信息，对于一些较为轻微的病变，人的肉 眼很难进行辨别，而对于一些相对明显的病变也由于其不够直观而使得医生将其 遗漏【“】。医学超声图像的三维重建能够将一维断层图像序列转变成具有直观立体 效果的人体器官三维结构与形态图像，如图2 - 1 示，因而大大提高了医疗诊断和治 疗规划的准确性和科学性 9 】。 医学超声图像三维重建与可视化是目前的一个研究热点问题，是一个多学科 交叉的研究领域，是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用。它 涉及图像处理、计算机图形学咀及医学领域的相关知识。医学超声图像三维重建 及可视化在诊断医学、手术规划及模拟仿真、解剖教学等方面部有重要应用【l 叫“。 对医学图像三维重建与可视化的研究，具有重要的学术意义和应用价值。 | 芏l2 - 1 二维可视化示意削 山东大学硕士学位论文 第二节三维重建的数据基础 三维越声成像技术重建之前首先要进行数据采集及数据校准，为目标对象的 三维重建提供数据基础。 21 数据采橐 进行三维重建首先要取得足够的二维数据。绝大多数的三维超声成像系统是 使用一维超声探头获取序列二维超声断层图像并经重建完成三维成像过程。在三 维超声数十年的发展中，共有三大类原始图像数据获取方法得到了应用，分别为 机械驱动法、自由臂法和二维阵列法【1 2 1 。 2 1 1 机械驱动法 在该方法中，传统二维超声探头被附着在一个机械驱动装置上，该装置带动 超声探头平移、摆动或旋转来获得考察区域的序列二维超声图像，再经重建获得 超声体数据。由于机械驱动的方式是预先设定并得到精确控制的，所以各二维图 像的空间位置和方向可以准确获得并预先计算各种变换参数。有三种常用的机械 驱动方式，分别为平行扫描、旋转扫描、扇形扫描，如图2 2 所示。 ( 1 ) 平行扫描( 2 ) 旋转扫描 国2 - 2 机械驱动扫描方式 这三种扫描方式获得体数据的分辨率均是各项异性的 ( 3 ) 扇形扫描 平行扫描法是探头由 山东大学硕士学位论文 电动马达驱动以预定的速度和预定的间隔采集图像。这种扫描方式在探头移动方 向上的分辨率较差，在临床上主要用于血管成像( 特别是颈动脉和乳腺扫描【1 3 - 1 4 ) 。 旋转扫描是将探头固定于某一透声窗，探头围绕某一轴心旋转获取图像，因此， 旋转扫描的空问分辨率分布极其复杂，在相交轴和超声探头处分辨率较高，远离 相交轴和探头的任何一个，分辨率都将降低。旋转扫描方式在临床上主要配合特 定的环形相控阵探头，与经食道、经肛肠或心内成像技术相结合，适用于心脏、 前列腺等器官的重建【1 5 】。扇形扫描法也称摆动扫描，是将探头固定于某一位置， 由机械驱动呈扇形运动获取图像，其扫描间隔调度可调，这一扫描方式离摆动轴 越远，分辨率越低，在临床上主要用于腹部器官重建【1 6 - 1 7 1 。 在机械驱动的摆动应用方面，奥地利的z e p f 公司曾经将凸阵探头连同摆动机 构封装在一起，医生只需手扶这个“一体化探头 将它指向所需探查的部位，系 统就能自动采集数据。这种系统己成功用于腹部脏器的扫查。这种扫描方式的缺 陷在于会产生超声探头近端过采样和远端欠采样的问题，但可通过减少摆动角度 间隔来弥补。 2 1 2 自由臂法 自由臂法包括传感器定位自由臂法和无传感器定位自由臂法，其中本课题中 的数据即由传感器定位自由臂法扫描得到。 2 1 2 1 传感器定位自由臂法 机械驱动方法虽然可以快速、高质量的获取原始图像，但其所需设备笨重， 操作复杂，有时限制了它的临床应用。而在传感器定位自由臂扫描方法中，通过 在超声探头上附着一个传感器，操作者可以像进行常规超声探测一样，手持超声 探头对待考察器官进行扫查，在存储二维图像的同时，从传感器上获取该二维图 像的空间位置和取向，并将该位置信息与二维图像一起存储起来，然后同时利用 二维图像及其位置信息进行三维重建和显示。由于探头的扫描路径不是预先设定 的，就要求操作者必须取得有足够说服力和采样率的原始数据。目前有多种自由 臂图像获取方式，如复合臂、声学传感、电磁传感等，如图2 3 所示。 如图所示，复合臂、声学传感、电磁传感等图像获取方式，均需要附加定位 山东大学硕士学位论文 装置，只要有附加定位装置，就难免增加一些附加条件限制扫描过程。比如说复 合臂扫描，各机械臂需要尽可能短而铰链点总数需要尽可能少。声学传感扫描过 程中依靠声波确定探头位置，必须注意声学接收器的固定位置，以避免接收到反 射声波，并保证接受声波的信噪比。电磁传感扫描中的电磁波会与超声探头本身 的电信号相互作用，导致空间定位上的精度下降。 ( 1 ) 复合臂扫描( 2 ) 声学传感扫描( 3 ) 电磁传感扫描 图2 3 传感器定位自由臂扫描原理图 2 1 2 2 无传感器定位自由臂法 d o w n e y 和f e n s t e r 等人曾经实验过不用传感器来进行自由臂扫描。无传感器扫 描利用自由臂来模拟平行、摆动和旋转扫描，然后估计各图像之间的相对位置关 系，并进行重建，也获得了很高质量的3 d 超声图像，但这种方法对操作者要求极 高，且很难保证3 d 重建的正确性，所以在临床上尚无切实应用【1 8 】。另外还有一种 基于图像特征的无传感扫描技术。 基于图像特征的无传感扫描技术中，不需要其它任何装置，而只是利用获取 的二维图像自身的信息。在医学超声图像中，存在着特有的斑点噪声，斑点具有 一定的特征。从同一位置取出的两幅超声图像的斑点噪声是相同的，也称其非相 关性为零。而当两幅图像的空间位置相互远离时，其斑点噪声的非相关性也将与 距离成j 下比增加。基于图像特征的无传感扫描技术就是利用斑点噪声的这种非相 关性来获取采集的二维图像之问的相对空间位置关系。在实际使用时，采集的二 维图像之间可能不是相互平行的，超声探头存在旋转或摆动。这时，可将图像分 成更小的区域，然后计算相邻两幅图像中各区域之间的交叉相关性，从而得到这 1 2 山东大学硕士学位论文 两幅图像之间的相对空间位置关系 1 9 】。 2 1 3 二维阵列法 机械驱动和自由臂方法都是利用传统一维阵列超声探头进行运动获取所需图 像的，而如果采用专为三维超声成像设计的新型二维阵列超声探头，则探头可以 保持不动，从探头的二维阵列发出宽带超声波，实时扫描整个感兴趣空间范围， 获得体数据。使用这种扫描方式获取图像的效率极高，可达到实时的要求，并且 一次性获得体数据，不需配准，易于进行后继处理。 目前已有多种二维阵列超声探头问世，其中最著名的是d u k e 开发研制的，这 种呈矩阵型排列的探头晶体片被纵向、横向多线均匀切割为众多的微型正方形小 格，如图2 4 所示。用于体外探查时，微小的晶片多达4 0 x 4 0 = 1 6 0 0 ，6 0 x 6 0 = 3 6 0 0 或 8 0 x 8 0 = 6 4 0 0 ，而用于心内探查的导管式前向观察探头的晶片按l o x l o = 1 0 0 舫0 ，侧 向观察探头的晶片按1 1 x 1 3 = 1 4 3 排y t 。探头发射声束时按相控阵方式沿y 轴进行方 位转向形成二维图像，后者再沿z 轴方向扇形移动进行立体仰角转向形成金字塔形 数据库。应用此法检查时探头不需移动，切面的间距均匀，取样的时相和切面的 方向易于控制。由于仪器采用特殊的发射与接收方法，扫描速度提高6 0 余倍，在 一个心动周期内即可完整地采集某一心脏结构的三维数据资料，从而真正地实现 实时动态三维成像2 0 。2 1 】。二维阵列法获取图像的问题在于其超声探头制造过程复 杂，成品率低，导致成本居高不下。另外，二维阵列的自身制造工艺还有待进一 步改善，以便于更好的解决超声波之间相互干扰，避免探头获取信号的低信噪比。 图2 _ 4 二维阵列探头扫描原理图 1 3 山东大学硕士学位论文 从以上的说明中我们可以看出，在未来的3 d 重建中，对扫描过程的约束条件 越少，重建精度越高，重建速度越快，才越有得到普及的可能。各种通过对普通 探头采取一些辅助措施协助获取三维数据的方式，都是为了最大限度的基于现有b 超的条件，获取最好的三维显示。对于综合国力、经济发展水平、医疗卫生保健 体制、生命与健康价值观类似于中国的绝大多数发展中国家而言，3 du s 成像技术 相关软硬件产品的重大临床应用价值和巨大市场需求，将集中体现在传感器定位 自由臂3 du s 成像技术相关软硬件产品上；更进一步，上述国家的医疗卫生保健部 门阻于超声设备整体升级换代的高投入、高风险，将更倾向于选择为其已有的超 声设备配置全面支持3 du s 成像技术的超声影像工作站一类的软件产品。因此，本 文所进行的实验具有重大的临床应用价值。 2 2 数据校准 所有的自由臂超声成像系统在正式数据采集和体数据重建之前都有一个重要 的步骤就是校准【2 2 2 3 】：决定超声探头相对于位置传感器的位置和方向。通常这是 一个费时且枯燥的过程，每一次把传感器固定到探头上的时候都要进行一次校准。 校准是通过扫描形状已知的校准模体来实现的。根据已知的模体形状和位置传感 器的读数可以列出类似于公式2 1 所示的方程。然后通过求解这些方程来求得校准 参数。 c ：= c 己t t rr t p 足 ( 2 一1 ) 其中只= s x u s y y 0 l 这里使用了一种标准的记法，j 乃是从坐标系i 到坐标系j 的变换矩阵。u 和v 是象素在得到的图像中的行索引和列索引。s x 和s y 是加权系数，单位是m m p i x e l 。 e 是象素在坐标系c 中的坐标值。自由臂超声成像系统的坐标系统如图2 - 5 所示。 p 是超声图像的坐标系，原点在得到的图像的左上角。y 轴方向在沿超声束的方向， x 轴是图像平面中与y 轴垂直的方向，z 轴在超声图像外与超声图像垂直的方向 1 4 山东大学硕士学位论文 上。r 为传感器接收器的坐标系，t 为传感器发送器的坐标系。由一系列的二维超 声图像获得的三维重建数据是三维的体素矩阵c 。c 坐标系的原点在重建数据的顶 点r 。 幽2 5自由臂超声成像系统的坐标系统 校准通过扫描模体来求解坐标转换矩阵8 r ( 二维超声图像相对于传感器接收 器的位置) ，在以后实际扫描中，这转换矩阵即为这一校准数据。7 n 可从位置 传感器读数中苴接获得。传感器发送器到重建体空间的坐标转换矩阵耳需要人为 确定，这一数据的好坏，直接关系到重建体空间是否包含我们想看到的感兴趣区 域。即我们通常所酷的重建体空间的确定问题( 主要包括重建体空问的大小、位 置和体素的大小) ，r a u ls a nj o s e e s t e p a r 等人在2 0 0 3 年用主元素分析法更好的解 决了这一问题1 2 4 】。 为了简单、快速的通过校准确定坐标转换矩阵。o ，目前，常用的校准模体主 要有交叉线模体、= 垂线模型、单壁模体等，如图2 - 6 所示。 一露 当蓁奎耋堡圭茎堡耋耋 韬 鑫 ：苍( ( 1 ) 交叉线模体( 2 ) 三垂线模体( 3 ) 单壁模体 图2 - 6 几种常用的校准模体示意图 第三节三维可抚化技术 超声影像的三维重建问题包括数据的预处理和显示等问题，数据处理流程如 图2 7 所示。其中对数据进行显示则属于三维可视化技术范畴，从8 0 年代开始， 就已经有许多可视化的方法被提出并成功地应用与医学领域。根据问题的要求和 数据的特点，可以分为两种不同的可视化技术：面绘制和体绘制。两种技术都能 够用来实现三维图像中选定结构的可视化，并各有其优缺点。通常根据图像数据 的特点以及对可视化结果的要求对这两种技术加以选择口s l 。 ! 玺奎! ：! 圭茎! 些圣 s p l a yr e s l i c e d i s p l a yd i s p l a yd i s p l a y 鋈刮图囵 31 面绘制 图2 7 三维超卢成像系统：数据处理与显示 表面表示是袭示三维物体形状最基本的方法，它町以提供三维物体形状的全 面信息，其具体形式有两种：边界轮廓线表示和表面曲面表示。 山东大学硕士学位论文 1 9 7 5 生l z k e p p e l 2 6 】最早提出表面重建方法，采用基于轮廓线的描述方式，即在 断层图像中，通过手工或自动方式实现目标轮廓的确定性分割，然后用各层的轮 廓线“堆砌在一起表示感兴趣物体的边界。这种轮廓线表示方法简单、数据量 小，除了以轮廓线表示物体外，还可以由轮廓重建物体的表面来表示。 1 9 7 7 年f u c k s 2 7 】的方法是基于多边形技术，主要用平面轮廓的三角形算法， 根据在不同切片图像上抽取出的一组轮廓线，用三角片拟合通过这组轮廓线的曲 面，这种方法属于面向曲面的方法，它通过构造实体表面的结合形状来重构实体。 1 9 8 3 年x u 【2 8 1 提出由c t 断层图像序列进行物体的三维表面重构问题，他对物 体的插值表面增加了一个附加约束，即插值表面在每一轮廓点上的曲率之和为最 小值。 1 9 8 5 年b u s s o n n a t 2 9 】提出了另外一种基于表面轮廓的d e l a u n a y = 角形方法，解 决了系列表面轮廓的三维连通性问题，用三角形或多边形的小平面( 或曲面) 在相 邻的边界廓线间填充形成物体的表面，但是这种方法所得出的只是分片光滑的表 面。 1 9 8 7 年l o r e n s e n 等人【3 0 】提出了一种称为“m a r c h i n gc u b e ”的算法，这是一种 基于体素的表面重建方法，属于等值面技术。它提供了一种精确定义体素及其体 素内等值的生成方法，体素被定义为由相邻层之间8 个网格点组成的数据单元。该 方法先确定一个表面阈值，计算每一体素内的梯度值，并与表面阈值进行比较判 断，找出那些含有表面的立方体，利用插值的方法求出这些表面。按上述方法， 等值面的生成需要逐个对单元进行检测其是否存在等值面，计算等值面与体素边 的交点，这种算法明显地效率不高。为此使用八叉树来表示三维实体，这种数据 结构的遍历算法和数据的表示都加速了对空间单元的检测和过滤。m a r c h i n g t e t r a h e d r a ! 算法( 简称m t 算法) 【3 1 】是在m c 算法的基础上发展起来的，该算法首先 将立方体体素剖分成四面体，然后在其中构造等值面，进行四面体剖分后，等值 面在四面体中的剖分模式减少，算法实现简单。其次，构造的等值面较m c 算法构 造的等值面精度高。而最直接的原因是企图通过在四面体内构造等值面来避免m c 算法中存在的二义性问题。常见的立方体剖分成四面体的方法有5 个、6 个和2 4 个 四面体剖分法。一般最常用的是5 个四面体剖分法。 山东大学硕士学位论文 1 9 8 9 年l i n 3 2 】采用从轮廓出发的b 样条插值重建算法，得到了整体光滑的表面。 这两种方法属于面向曲面的方法，另一种方法是面向体的重构方法，主要有空间 d e l a u n a y l t 面体重构，由空间单元重组实体通过在相邻两断层之间进行三角化，然 后生成三维情况下的d e l a u n a y l l 面体，这种方法可以免去面向曲面重构方法中遇到 的约束。 1 9 9 9 年安徽大学赵海峰等人通过对八元树结构和系列断层图像的空间布局 的分析，提出了一种通过断层系列图像直接建立八元树的快速算法。 3 2 体绘制 体绘制3 们5 1 是直接研究光线通过体数据场时与体素的相互关系，无需构造中 间面，体素中的许多细节信息得以保留，提高了保真性。它首先是建立物体的体 光照模型，再通过体绘制算法来显示图像。体绘制主要有以下三种方法。 一、投影法( p r o j e c t i o n ) 首先根据视点位置确定每一体素的可见性优先级，然后，按优先级由低到高或 由高到底的次序将所有体素投影到二维像平面上，在投影过程中，利用光学中的 透明公式计算当前颜色与阳光度，依投影顺序( 即体素可见性优先级) 的不同， 投影法分为从前至后( f r o n t t o b a c k ) 算法【3 6 1 与从后至前( b a c k t o f r o n t ) 算法【3 7 1 。 一般来说，前一种算法运算速度快，但除需一个颜色缓存区外，还需一个阻光度 缓存区；后一种算法仅需一个颜色缓存区，并在执行过程中产生不同层面的图像， 有助于医生更好地理解医学图像。 二、光线跟踪法( r a y - c a s t i n g ) 此法是在体数据进行分类后，从像空间的每一体素出发，根据设定的方法反 射一条光线，在其穿过各个切片组成体域的过程中，等间距地进行二次采样，由 每个二次采样点的8 个邻域体素用三次线性插值法得到采样点的颜色和阻光度值， 依据光照模型求出各采样点的光亮度值，从而得到三维数据图像。光线跟踪法所 面临的问题是运行速度慢，可利用空间相关性提高算法的效率。 三、最大密度投影法( m a x i m u mi n t e n s i t yp r o j e c t i o n m i p ) 最大密度投影是一种广泛使用的体绘制技术，传统的m i p 算法使用光线跟踪 1 9 山东大学硕士学位论文 曼! 曼曼蔓曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼曼皇暑曼曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼! 曼! ! ii 曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼皇曼! 曼蔓! 曼曼曼曼曼曼皇曼 法( r a y c a s t i n g ) 跟踪图像平面上每个象素发出的投影光线与体数据相交的每个 体素，逐个比较，找出每条光线上的最大值，将它作为投影平面上对应点的象素值。 临床上在病人血管中注入造影剂后进行c t 或磁共振成像，然后用m i p 算法显示血 管的位置、形状和拓扑结构，也称为血管造影( a n g i o g r a p h y ) 。几乎所有的商用医学 图像系统都包含m i p 绘制模块。由于m i p 的结果缺少深度信息，观察时要对体数据 旋转，这意味着每次要计算5 2 0 帧图像。显然，若不优化，血管造影只能在昂贵的大 型工作站上实现。 体绘制由于直接研究光线通过体数据场与体素的相互关系，无需构造中间面， 体素的许多细节信息得以保留，结果保真性大为提高。从结果图像的质量上讲， 体绘制要优于面绘制，但从交互性和算法效率上讲，至少在目前的硬件平台上， 面绘制还是要优于体绘制的。鉴于此特点，本研究工作的定位就是基于面绘制技 术的目标对象表面重建问题，但是只重点研究了其中的分割与插值两个关键问题。 山东大学硕士学位论文 第三章改进t - s n a k e 模型及其在医学超声图像分割中的应用 第一节概述 图像分割在医学超声图像的定量、定性分析中均扮演着重要的角色，它直接 影响到后续的分析、处理工作。图像分割对于医学图像处理非常重要，只有准确 地从图像中提取出信息，才能保证医学系统的可靠性，并为三维重建打下基础。 正确的分割是从超声图像中为临床应用准确提取诊断信息的保证，也是临床中进 行定量分析和计算机辅助操作中进行实时监控、精确定位的至关重要的一环。目 前在自动、半自动定量分析方面超声图像难与c t 、m r i 等成像模式相比，但超声 成像因其独特的无损性、实时性及廉价性，而且在定量分析、实时监控及治疗规 划等方面具有极大的潜力，所以超声图像的分割近年来一直受到广泛的关注。 1 1 传统图像分割方法 一、边缘检测法 边缘检测法是通过检测边界上特征值的突变性来获得不同区域间的边缘。传 统的边缘检测法多为搜索象素点的强度变化区域，般采用微分法实现。常见的 边缘算子有s o b e l 算子、c a n n y 算子、l a p l a c e 算了、l o g ( l a p l a c i a no fg a u s i a n ) 算 子等。 使用边缘检测法获得的边缘信息通常不能形成闭合曲线，因此，常需要使用 一些边缘跟踪方法来连接这些不连续的边缘线段以形成封闭的轮廓，如根据梯度 实现边界闭合的方法等；另一方面，边缘检测法对图像质量要求较高，因此通常 需要先进行噪声抑制，但是超声图像固有的斑点噪声和纹理特性使经过噪声抑制 的图像往往不能达到需要的质量，因此传统的边缘检测法对医学超声图像的分割 效果并不理想，很少单独使用。近年来，有研究人员提出基于“窄条( s t i c k ) ”的 边缘检测法，使用“窄条”近似组织的边界部分，为边缘检测法开拓了新的思路 【3 s - 3 9 1 o 二、基于区域的分割方法 2 1 山东大学硕士学位论文 曼! 蔓皇i i i 一 =_ ：i；i 皇曼苎皇! 皇苎! 曼曼曼曼寡 基于区域的分割方法是根据目标和背景区域内部的相对均匀性和区域间大的 差异性，提取图像的连通区域以实现图像分割的。基于区域的分割方法主要有以 下三种： ( 1 ) 阈值分割法 阈值分割法是广泛应用于临床的一种方法，它根据图像狄度直方图的分布选 取适当的阈值以区分目标和背景区域。 阈值分割法实现简单，但是由于它只使用了灰度信息，因此对图像的噪声和 灰度的不均匀性非常敏感，应用于医学超声图像分割时常会丢失一些重要的边缘 和细节信息。针对其缺点，研究人员提出了一些改进算法，如m a n a y 等人提出使 用各向异性扩散模型( a n i s o t r o p i cd i f f u s i o nm o d e l ) 对超声图像进行自适应阈值分 割等。 ( 2 ) 区域生长法 区