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股骨三维模型重建中的2D-3D非刚性配准方法研究

作　者: 孙绍滨
导　师: 孙金玮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 股骨 2D-3D配准非刚性仿射ICP 三维姿态估计
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 27次
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内容摘要

本文针对骨外科手术诊断单纯凭借DR成像导致影像重叠、无法反映三维空间信息的弊端，提出了一种2D-3D非刚性配准及三维姿态估计方法，利用患者股骨正、侧位的DR图像和通用股骨的CT体数据，实现术前患者股骨的三维姿态可视化。该方法具备成本低、成像快、有害辐射小等优点，可以为骨外科手术的术前诊断和手术计划的制定提供更为有效的三维影像学信息。本文首先介绍了医学图像配准的基本原理和方法，并提出了股骨2D-3D配准和三维姿态估计的主要研究步骤；其次，详细阐述了张正友标定法的基本原理，并对经典平面标定板进行了改进设计，通过标定实验确定了DR拍摄环境参数；然后借助CT重建和数字影像重建技术，建立起通用股骨三维模型并获取了二维DRR投影图像；接着对股骨DR和DRR图像进行边缘检测，分别提取出患者股骨和通用股骨的轮廓坐标数据。在最近点迭代（ICP）理论的基础上，本文提出了基于ICP的2D-3D刚性配准方法，完成了患者股骨的三维姿态估计；随后进一步提出了基于仿射ICP的2D-3D非刚性配准方法。该方法同时考虑了患者股骨和通用股骨的相似性和差异性，增加了比例变形，使得配准后的三维模型姿态更接近于真实的患者股骨；最后，通过大量股骨2D-3D配准实验对本文方法进行了验证与评价。配准实验结果表明：本文提出的方法成像快，配准精度高，鲁棒性好，可以有效地恢复出患者股骨的三维空间姿态，满足临床应用的需要。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题的背景及研究目的  8-9
  1.2 国内外在此领域的研究现状  9-11
  1.3 课题的来源及研究意义  11-12
  1.4 主要研究内容及结构安排  12-14
第2章医学图像配准基本原理  14-23
  2.1 引言  14
  2.2 医学图像配准的概念及原理  14-18
    2.2.1 空间变换  14-16
    2.2.2 相似性测度  16-17
    2.2.3 优化方法  17-18
  2.3 医学图像配准方法的分类  18-21
    2.3.1 按图像特征划分  18-19
    2.3.2 按图像维度划分  19-20
    2.3.3 按变换方式划分  20-21
  2.4 2D- 3D 图像配准的步骤  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章 DR 系统标定及数字影像重建  23-35
  3.1 引言  23
  3.2 DR 成像模型与系统标定  23-29
    3.2.1 DR 成像模型及投影变换关系  23-25
    3.2.2 图像标定方法的概述与选择  25-26
    3.2.3 基于张正友法的系统标定原理  26-29
  3.3 股骨通用模型的建立及 3D- 2D 投影  29-31
    3.3.1 股骨三维通用模型的建立  29
    3.3.2 DRR 基本原理及 DRR 投影图像的生成  29-31
  3.4 股骨医学图像的边缘检测  31-34
    3.4.1 边缘检测方法的概述与选择  31-32
    3.4.2 基于 Level-set 的边缘检测原理  32-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章基于 ICP 的股骨 2D-3D 图像配准方法  35-42
  4.1 引言  35
  4.2 基于 ICP 的股骨 2D- 3D 刚性配准方法  35-38
    4.2.1 ICP 算法原理  35-36
    4.2.2 股骨 2D-3D 刚性配准及三维姿态估计  36-38
  4.3 基于仿射 ICP 的股骨 2D-3D 非刚性配准方法  38-41
    4.3.1 仿射 ICP 算法原理  38-39
    4.3.2 股骨 2D-3D 非刚性配准及三维姿态估计  39-41
  4.4 本章小结  41-42
第5章股骨 2D-3D 图像配准实验  42-59
  5.1 引言  42
  5.2 配准前的准备工作  42-46
    5.2.1 实验股骨标本的获取  42-43
    5.2.2 二维 DR 图像的获取  43-44
    5.2.3 三维 CT 数据的获取  44-45
    5.2.4 配准实验的软硬件环境  45
    5.2.5 配准结果的评价方法  45-46
  5.3 DR 成像系统的标定实验  46-48
    5.3.1 实验方法与步骤  46-47
    5.3.2 实验结果与分析  47-48
  5.4 完整股骨的 2D- 3D 图像配准实验  48-53
    5.4.1 实验方法与步骤  48-51
    5.4.2 实验结果与分析  51-53
  5.5 骨折股骨的 2D- 3D 图像配准实验  53-58
    5.5.1 实验方法与步骤  53-56
    5.5.2 实验结果与分析  56-58
  5.6 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  65-67
致谢  67

股骨三维模型重建中的2D-3D非刚性配准方法研究

内容摘要

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