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计算机辅助泪道手术规划技术的研究

作　者: 刘扬
导　师: 王利生
学　校: 上海交通大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 计算机辅助技术泪道三维重采样主动轮廓模型二维分割三维重建
分类号: TP391.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

泪道位于鼻眶筛区,是泪液的排出系统,由泪点、泪小管、泪总管、泪囊和鼻泪管五部分组成,其中鼻泪管是泪液从眼睛排入鼻腔的通道。当鼻眶筛区发生骨折后,会导致鼻泪管受到挤压或骨折,从而使其引流功能出现异常,导致人眼视力下降甚至造成严重的功能障碍。由于该区解剖结构复杂,骨折后可造成多部位、不同类型的阻塞,因此,术前充分了解伤情是成功实施手术、最大限度恢复泪道引流功能的关键。随着科学技术的不断进步,计算机辅助技术在医学领域的应用已经越来越广泛,但是,目前国内外还没有科研单位、商业医学软件公司针对泪道手术提出完整的计算机辅助规划方案,本文通过与上海交通大学附属第九人民医院合作,对计算机辅助的泪道手术规划技术进行了以下几点研究:(1)二维坐标点到三维坐标点的转换。在三维空间中只能在物体的表面标记采样点,为此,本文提出了一种二维坐标点到三维坐标点的转换方法,实现了在三维物体内部标记采样点。(2)对体数据沿鼻泪管走行方向进行重采样。因为鼻泪管的走行方向与CT扫描方向不垂直,CT切片不能准确反映鼻泪管的结构和形状信息,本文利用二维坐标点到三维坐标点的转换关系,计算求得鼻泪管内部的中轴线,然后对鼻泪管附近的体数据沿垂直于中轴线的方向进行重采样,得到新的鼻泪管二维切片序列。(3)鼻泪管和泪囊的分割与重建。得到沿鼻泪管走向的重采样二维切片序列之后,本文使用主动轮廓模型算法对切片序列进行了分割,然后分别使用基于轮廓线的表面重建和基于体素的表面重建完成了正常鼻泪管以及泪囊的三维重建。对于骨折的鼻泪管,由于其收敛轮廓是不封闭的曲线,本文分别采用Snake模型和人工交互式方法完成了鼻泪管的二维分割,然后利用最短对角线法由轮廓线重建鼻泪管的三维模型,同时,针对传统最短对角线法在连接三角片时容易形成钝角三角形和误差不断累积的情况,本文对其做了改进。(4)自动分割方法的提出。针对主动轮廓模型分割方法交互操作过多的不足,本文提出了一种自动分割方法,即利用相邻切片间的连续性,将上一个切片的收敛轮廓作为下一个切片的初始轮廓,来完成切片序列的自动分割。(5)计算机辅助分析和测量。完成泪道的三维重建后,可以清晰显示泪道内外的解剖结构、鼻泪管骨折情况、泪囊移位距离,在此基础上,实现了可视化立体测量、标记和正常与骨折鼻泪管的镜像对称等。本文提出的泪道辅助规划技术将CT成像技术和图像分割技术以及科学计算可视化技术结合起来,可以提高手术的安全性、准确性和微创性,对于辅助医生诊断具有重要意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-20
  1.1 课题的背景和研究意义  11-12
  1.2 泪道手术介绍  12-15
  1.3 国内外的研究现状  15-17
  1.4 本课题完成的主要工作  17-20
第二章泪道手术规划区域的影像重建和重采样  20-30
  2.1 DICOM 图像标准  20-21
  2.2 三维模型的建立  21-27
    2.2.1 三维重建算法简介  21-22
    2.2.2 表面绘制与体绘制的比较  22-23
    2.2.3 Marching Cubes 算法  23-25
    2.2.4 VTK 可视化开发工具介绍  25-27
  2.3 窗宽窗位调节  27-28
  2.4 实验结果分析  28-30
第三章正常鼻泪管的分割与重建  30-49
  3.1 图像分割算法介绍  30-34
    3.1.1 基于边缘的图像分割  30-32
    3.1.2 基于区域的图像分割  32-33
    3.1.3 基于形变模型的分割  33-34
  3.2 分割算法比较和选择  34-35
  3.3 鼻泪管的二维分割  35-44
    3.3.1 得到鼻泪管走行方向的剖切图  35-37
    3.3.2 二维坐标点到采样坐标点的转换  37-39
    3.3.3 设定重采样标记点，计算重采样路径和采样点坐标  39-40
    3.3.4 确定每个采样点处的重采样平面  40-41
    3.3.5 Snake 模型介绍  41-43
    3.3.6 鼻泪管的分割过程  43-44
  3.4 鼻泪管的三维重建  44-47
    3.4.1 基于体素的表面重建  44-46
    3.4.2 基于轮廓线的表面重建  46-47
  3.5 实验结果分析  47-49
第四章骨折鼻泪管与泪囊的分割以及三维重建  49-59
  4.1 骨折鼻泪管的二维分割  49-50
  4.2 骨折鼻泪管的三维重建  50-54
    4.2.1 轮廓线的点匹配  50-52
    4.2.2 基于最短对角线法的曲面重建  52-54
  4.3 泪囊的三维重建  54-55
  4.4 传递式的自动分割方法  55-57
  4.5 实验结果与分析  57-59
第五章三维模型的测量、分析以及系统实现  59-71
  5.1 三维模型的测量和分析  59-65
    5.1.1 测量和分析的内容  59
    5.1.2 长度测量  59-60
    5.1.3 倾斜角度测量  60-61
    5.1.4 左右鼻泪管的镜像对称  61-64
    5.1.5 测量数据的对比与误差分析  64-65
  5.2 系统的设计与实现  65-71
    5.2.1 系统功能设计  65-66
    5.2.2 系统流程图  66-68
    5.2.3 系统实现  68-71
第六章总结与展望  71-73
  6.1 本文工作的总结  71-72
  6.2 未来工作的展望  72-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
攻读学位期间发表的学术论文  77-79

计算机辅助泪道手术规划技术的研究

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