硕士论文-自由臂超声实时三维诊断跟导航

上海交通大学硕士学位论文自由臂超声实时三维诊断与导航姓名：蒋旭雷申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：顾力栩;徐安军20090301III自由臂超声实时三维诊断与导航摘要在过去的二十年间，传统的二维超声只能提供人体断面的二维图像，临床医生主要是凭借经验在脑中重构出人体器官的三维结构，同时二维图像的采取的方式不同，也使得所获得的诊断信息的不全面。这就在一定程度上影响了诊断的准确性和治疗的有效性。特别是在一些畸形或病变器官，二维图像的诊断显得欠缺。从传统的二维图像系统发展到三维图像系统，虽然技术上图像可以实现三维模化，可是图像三维化处理需要大量的时间，以及采用高端、新设备所需要的大量资金投入减慢了这个跃迁过程。与传统二维图像比三维超声成像有图像显示直观、准确定位病变器官等的优点，而成功的三维超声图像系统需要在很短的时间内将采集到的数据重构并保存，减少了病人的复诊率，并且可以帮助医生在同一个时间上从多个角度去检查一个病变部位。目前多使用的超声三维化的系统是在已有二维超声成像系统下采集三维重构的数据，如机械定位系统（专用一体化探头）、自由手系统（声传感器系统、多关节机械臂和电磁导航定位系统）、二维面阵探头（直接获得三维体的数据）。而后在第三方计算机上进行三维图像重构，插补。由于图像重构操作带来的巨大运算量，使得处理一定量数据得到三维重构模型耗费时间较长。为了实现实时快速的三维重构，选择合适的重构、插补算法就显得尤为重要，目前主要的三维重构算法主要有PNN（Pixelnearest-neighbor）、VNN（Voxelnearest-neighbor）、DW（Distance-Weighted）等算法，本文比较选择了Gobbi算法来实现三维重构。在比较过程中我们兼顾了图像的质量和重构计算的速度等因素。老年人颈动脉粥样硬化的发生率高，早期多发生与高血压、脑血管病、糖尿病患者，表现为动脉内膜增厚、粥样斑块形成、血栓及狭窄闭塞，这些危险因素为动脉的粥样硬化形成提供了病例基础。过去的超声技术的发展可以对颈动脉管壁的莫个截面进行分析，依靠多普勒超声对颈动脉血管的内-中层厚度，斑块形成及血管内血流动力学变化均能进行检测，可以对早起诊断颈动脉粥样硬化提供依据，可是对于血管壁的整体分析还存在遗漏，医学上会用血管内超声IVUS（Intravascularultrasound）的形式来对血管内部进行分析，这样的操作存在创伤性，所有的结果直观性差，都是以二维的模式来进行显示。现在通过三维的重构，可以重构出可测血管的各个截面信息，帮助医生及时对如颈动脉内膜增厚、颈动脉狭窄、颈内动脉周围病变等早诊断，早干预，早治疗，病人的IV预后会获得了良好的效果。当然除了血管方面的应用，三维重构超声还适用于各种自由臂可进行的临床检测，如肝脏等实质器官。在对各种算法获得的三维重构图像质量方面本文通过处理时间、信噪比、均方差、均方根误差和绝对平均误差的各种验证图像质量的指标的比较使用最佳的重构 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在最后的实验阶段，我们通过对模拟的对象进行二维超声图像获得，同时进行三维重构，重构的不同平面的图像与实物进行比较，获得了很好的结果，显示出其在临床上的应用的价值。关键词实时，三维，自由臂，磁导航，颈动脉VREAL-TIMETHREEDIMENSIONDIAGNOSISANDNAVIGATIONFORCLINICALFREEHANDULTRASONDABSTRACTThetraditionaltwo-dimensionalultrasoundonlycanprovidetwo-dimensionalimagesofthebodysectionsoverthepasttwodecades.Physiciansmadeuseoftheirexperienceandthenreconstructedthree-dimensionalstructureofhumanorgansintheirbrain.meanwhile,differentmethodsoftakingtwo-dimensionalimagesalsocaneffectthediagnosticinformation.Makeitunprecise.Especiallyinsomedeformedandpathologicalorgans,two-dimensionalimageappearstolackofefficiency.Soinsomeextentitaffectedtheaccuracyofdiagnosisandefficiencyoftreatment.Fromthetraditionaltwo-dimensionalimagingsystempacedtoathree-dimensionalimagingsystem,Technically,theimageofthree-dimensionalmodelingcanbeachieved,butthree-dimensionalimagereconstructionrequiresalargeamountoftime,andtheuseofhigh-tech,newequipmentneededtoinvestalotofmoneywhichslowdownthetransitionprocess.Comparedwiththetraditionaltwo-dimensionalimage,thethree-dimensionalultrasoundimagehasmoremerits,likeintuitive,preciseandpositioningthelesions,andthesuccessofthree-dimensionalultrasoundimagingsystemneedsaveryshortperiodoftimetocollect,remodelandsavethedata,whichdecreasethepatientexaminationfrequency,andalsocanhelpdoctorstoexaminedthesamecasefromvariousanglesofalesionatthesametime.Atpresent,thethree-dimensionalultrasoundsystemisusetheexistingtwo-dimensionalultrasoundimagingtocollectdataforthree-dimensionalreconstructionusage,suchasmechanicalpositioningsystem(dedicatedintegrationprobe),freehandsystem(acousticsensorsystem,multi-jointmechanicalarmandelectromagneticnavigationandpositioningsystem),two-dimensionalarrayprobe(directaccesstothree-dimensionalbodyofdata).ThenVIinthethird-partyworkstation,theseimageswillbereconstructedandinterpolated.Imagereconstructionoperationswillneedenormouscomputingcapacity,makesacertainamountofdatatoprocessforthree-dimensionalreconstructionmodelspendalotoftime.Inordertoachieveafastreal-timethree-dimensionalreconstruction,chooseasuitablereconstruction,interpolationalgorithmisparticularlyimportant,currentlythekeythree-dimensionalreconstructionalgorithmsmainlyarePNN,VNN,DWandotheralgorithms,inthisproject,wecomparetochoosetheGobbialgorithmtoachievethethree-dimensionalreconstruction.Incomparingprocess,wetakeintoaccounttheimagequalityandspeedofreconstructionandotherfactors.CarotidatherosclerosishashighincidenceofdiseaseintheElder,whichoccurwithhighbloodpressure,cerebrovasculardisease,diabetes,manifestedasarterialintimalthickening,plaqueformation,thrombosisandstenosisocclusion,allofthesearetheriskfactorsforarteryatherosclerosis.Inthepastthedevelopmentofultrasonictechnologycananalysisseveralsidesofcarotidarterywallsections,andrelyontheDopplerofcarotidarteriesultrasound,in-mediathickness,plaqueformationandvascularhemodynamicchangescanbedetectedwhichcanearlydiagnosethecarotidatherosclerosis,butfortheoverallanalysisofthebloodvesselwalltherearestillshortcoming,clinically,wewilluseintravascularultrasound(IVUS)toanalysevascularinternalwall,thisoperationwillcausetraumaticissue,andalltheresultcanbedisplayedundertwo-dimension.Nowthroughthree-dimensionalreconstruction,wecanseethebloodvessels’varioussectionsofinformationtohelpdoctorsdiagnosedifferentdiseases,suchascarotidintimathickeningofcarotidartery,carotidarterydiseaseearlier.Moreearlydiagnose,intervention,andtreatment,morebetterthepatient'sprognosis.Ofcourse,inadditiontovascularapplications,three-dimensionalreconstructionofultrasoundisalsoapplicabletoavarietyoffree-handtoconductclinicaltesting,suchastheliverandotherorganinrealterms.I’mcomparingcomputingtime,SNR(signaltonoiseratio),MSE(meansquareerror),RMSE(rootmeansquareerror)andthe(meanabsoluteerror)MAEvariousauthenticationimagequalityindicatorstochoosetheidealizedalgorithmsindifferentoptions.Inthefinalexperimentalstage,wepassonthesimulationobjectsTwo-dimensionalultrasoundimageacquisition,atthesametimethree-dimensionalreconstruction,reconstructionofthedifferenttwo-dimensionalimageswerecomparedwiththekindobtainedgoodresults,showingthatitsclinicalapplicationvalue.KeywordsReal-time,threedimension,free-hand,magneticnavigation,carotid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，本论文不包含任何其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。本人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：蒋旭雷日期：年月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本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：蒋旭雷指导教师签名：顾力栩日期：年月日日期：年月日自由臂超声实时三维诊断与导航11绪论1.1课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景与研究意义近几年来，随着计算机技术的日臻成熟，医学影像设备质量的不断提高，结合计算机医学图像处理以及三维可视化技术、空间三维定位导航系统和临床手术，由术前影像数据重建、手术路径规划与模拟、立体定向导航等组成的手术导航系统已经成为国内外的研究重点。在现代外科手术中，交互式手术导航系统（InteractiveImageGuidedSurgery,IIGS）的应用已经十分广泛。在手术开始前将该三维模型与手术导航系统进行配准，可以使该模型较为真实地反映出病人体内的解剖结构。通过在术前3D图像上显示当前手术针的位置来帮助医生增强空间意识以及加深对病人内部解剖结构的认识。现在多应用于三维建模和医学手术导航的平台之一为Slicer[1]（Slicer，或者说3DSlicer是一个开源的用于图像分析和可视化平台，得到多个NIH(NA-MIC,NAC,BIRN,CIMIT和NCIGT等)组织的支助，该软件目前支持多个操作系统平台，当前主要应用于医学领域），但目前这个平台多适用于MRI数据图像的应用，包括传统的MRI图像3D建模，fMRI功能磁共振成像(根据大脑中神经和脊索的活动获得的对MRI图像信息中血流的跟踪)，DTI弥散张量成像，心电监护，外科手术实时手术定位跟踪。从而最大限度地避开危险区，在最短的时间内到达靶点病灶，大大减少病人的失血量与手术创伤以及并发症，实现真正意义上的微创手术。在传统的手术导航系统中，包括路径规划、物理坐标系配准、术中导航等都是建立在对术前影像数据重建的基础之上的。在手术过程中，由于呼吸、手术器械的接触等原因可能引起脏器及软组织的形变，会实时的使用透视等X光设备来实时的补充组织器官的实际数据，对病人造成了二次创伤[2][3]。超声以其廉价、实时、无损伤、无射线辐射以及可重复性和敏感度高等优势，已经作为一种实时的可视化技术而引入。超声成像在定量分析、实时监控和治疗规划等方面都具有很大的潜力。然而，由于成像机理的限制等原因，图像三维重构会有耗时、质量较差、扫描范围有限是超声图像的缺点。同时在诊断过程中，超声诊断的感兴区域（regionofinterest，自由臂超声实时三维诊断与导航2ROI）会因为切面的原因，使供诊断的资料片面、不全，最后导致医生对一种疾病不能及时做出正确诊断。只有通过反复多次重复检查医生才能获得充足的确诊资料，临床医生希望获得可以直观的重复查看的资料，帮助他们做出正确的诊断，同时这也是弥补了医生临床经验不足所带来的误诊。目前，这些基于术前、术中超声的导航系统，多是通过传统的成像系统，如三维自由臂超声成像系统，将术中获取的二维超声图像进行空间定位与重建，重构出三维图像，并与术前数据进行比较。该方法的一个缺点是需要花费大量的机器运算时间；又如改造探头为机械内置探头[4]和二维相控矩阵探头，虽然可以改善时间的耗费，却随之带来了设备更新，需投入大量的资金。所以，目前超声实时三维重构多采用第一种方法：对二维超声图像序列的重构，这无疑对超声成像的实时性造成一定影响[5][6]。目前三维超声成像并未在国内普及，资金问题成了主要问题。但是由于二维超声的便捷与实时性，使得超声对于多种疾病的诊断成为了临床上首选的诊断 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，如颈动脉粥样硬化疾病，该病多与慢性疾病如：高血压、脑血管病、糖尿病等疾病并存，所以可以大大提高慢性病的检出率和早期确诊率。所以现在大多数医院临床医生都更倾向于使用二维超声进行慢性病早期诊断。针对这种情况，本文实现并改进了一个快速实时三维超声诊断系统，该系统是基于自由臂超声系统下实现，避免了改进原系统所需话费的大笔资金，通过该系统的加载可以实现对现有二维超声系统的三维化升级，同时针对后继项目，实现Slicer中超声模块并应用于临床手术导航打下了基础。1.2重构技术综述1.2.1重构流程重构的流程是十分复杂的过程，如图1-1所示。如果按时间上发生的先后顺序来进行区别，可以将整个重构过程分成三个阶段：图像获取、图像坐标配准、图像插值重构。自由臂超声实时三维诊断与导航3图1-1重构流程Fig.1-1Reconstructionprocedure图像获取阶段的主要目的是在获取用于三维重构的影像资料。这一阶段需要对收集到的病人二维数据，需要通过自由臂探头获取的原始二维超声图像数据，并且对于获取的图像进行切割获得最后用于配准和重构的近似扇形的结构。这些信息之后会显示在同一个坐标系中，通过磁导航设备插入三维坐标系，最后实现图像的三维重构。图像配准阶段的主要目的是在检查过程中实时的反应当前扫描探头的位置，正确的将获得的二维超声图像插入在三维坐标内，在导航软件与仪器的帮助下完成被检对象的扫描，随后进行图像三维的重构，为医生最后呈现的是三维的模型。启动注册后，导航系统就可以跟踪自由臂探头的空间位置，计算出与检查对象的空间相对位置关系，在病人影像上以虚拟探头发射端的形式实时更新显示数据。检查过程中可以记录下探头与被检器官的相关位置关系，作为疾病诊断质量评价之用。图像重构阶段的主要工作是对获得的空间配准二维图像进行三维成像[7]，将检查获得结果通过三维重构的插补算法使得图像在空间上更加丰满，对疾病的诊断及后期评估有重要的临床诊断价值。1.2.2重构关键技术整个过程需要涉及到图像采集，图像处理、空间坐标定位等关键技术。快速、高精度的三维图像处理系统是诊断导航系统实施的重要前提，其中涉及到三维重建、二维图像获取、图像配准等关键技术。三维重建是从二维切片数据到三维几何数据的处理过程，其中主要涉及三维空间的填充，由于诊断导航系统是在精确重建人体三维结构的基础上对疾病进行回顾性诊断，所以三维重建是超声诊断导航系统中的关键技术。图像获取主自由臂超声实时三维诊断与导航4要作用是把从超声自由臂探头获得的图像进行切割使用如图1-2所示（并存于图像内存中），便于图像后期的配准和重构使用，所以快速、准确的坐标转换技术也应是导航系统的一个必备能力。医学图像配准利用各模态图像的信息优势，在一副图像上表达来自人体的多方位信息，使被检组织结构和功能状况通过三维影像更直观地表达出来。图1-2切割原始二维图像重构流程。Fig.1-2Origional2Dimageresizeandreconstructionprocess.1.3医学超声图像1.3.1B超成像特点超声是一种灵活的、实时的成像模式，主要用来对软组织成像，及对血流进行多普勒超声检查，超声并不适合对骨骼以及空腔脏器（如肺）进行成像。通过将高频声波（1-20MHz）发射到人体内并分析从内脏器官传回的回波来分析人体的解剖结构[8]。由于自由臂二维超声成像是通过手持二维超声探头进行病灶区扫描，临床上选择几个典型的超声检测面来对被测组织进行诊断，因此，与其他成像模式的一个区别是二维超声成像获取的图像是扫描区域中某一个截面的图像，并不保证前后连续扫描获取的二维切片之间的平行性，同时也是临床上漏诊的主要原因。典型超声图像的特点是对比度变化较为明显、斑点（speckle）分布密集、带有阴影区域、以及扫描范围有限。超声图像的形成主要是以下两种物理效应作用的结果[9]。首先，人体组织对超声波的不同阻抗导致了超声脉冲的强反射，声阻是由组织密度和超声波速度来决定。因此，不同解剖结构与异构组织之间的交界面反映在超声图像上是强回声处。可以从图1-3中看见颈动脉的内、中膜层，由于脉管内斑块结缔组织形成，及血管内血流动力学改变，均能通过超声检查获得。自由臂超声实时三维诊断与导航5图1-3颈动脉B超Fig.1-3CarotidB-modescan另外一种效应是由于尺寸小于超声波长的异构组织所引起的，它们导致了超声波的随机反射与散射，从而在超声图像上形成特有的斑点。在图像处理中，超声图像斑点噪声一般被认为是服从瑞利分布的随机噪声[10]。同时，图像质量的衰减是与超声频率密切相关的，所以高频探头受到反射、散射的负面影响少，提高了图像的分辨率。最后，在检查过程中超声探头与病人身体的接触是不可避免的。所以只有考虑整体的被扫组织的情况才能对检查器官做出正确的诊断。自由臂超声实时三维诊断与导航61.3.2自由臂三维超声成像当前的医学临床上用到的三维超声成像系统进行实时导航诊断的系统中，其三维超声的获取方式主要有两种[11]。首先，使用已有标准的超声探头以及机械定位或电磁定位传感器来获取一组二维图像以及它们的空间位置关系。另一种方法是使用高度二维的传感器及与之适配的高通道数字电路，使发射声速既可聚集又可作高速扫描，以直接获得三维体图像。由于经济实惠、使用方便等原因，大多数应用使用第一种成像方式[12]。在这种成像方式中，最为常见的是自由臂（free-hand）成像方式，该方式通过在超声探头上安装电磁或光学定位装置，来实时跟踪探头的位置和方向。此类系统可以根据医生需要自由地选择扫描方向，并能在移动探头的过程中自动适应体表形状的变化。与其他三维超声成像方式相比，自由臂三维超声成像系统由于其造价相对低廉并且使用方便灵活，而成为三维超声成像系统研究和临床应用领域中非常活跃的部分，但是目前存在处理二维数据组速度慢，处理后的三维图像质量不佳等缺点。自由臂超声成像系统由一台超声机、一台磁导航仪以及一个计算机工作站组成，图像的三维重构的过程如图1-4所示。这个三维图像是基于体空间扫描的体描绘技术获得的[13]。跟踪器可以用来对安装有传感器的超声探头进行追踪定位。计算机工作站记录下跟踪信息以及二维超声图像。超声图像的获取通过视频采集硬件获取，后者将超声机器中发出的模拟视频信号解析出来。计算机软件用来对获得的二维数据进行重建。图1-4自由臂超声成像系统Fig.1-4Free-handultrasoundimagingsystem自由臂超声实时三维诊断与导航7我们可以利用自由臂三维超声成像系统的空间定位跟踪装置来获取任意一张二维切片的空间位置与方向。该定位装置可以选用电磁定位器。电磁定位器有一个缺点：它对于磁场的扭曲非常敏感，要求磁场范围内不能出现任何容易导致磁场扭曲的金属物质。在临床环境中，该要求往往近乎苛刻，因为很难保证病人或手术床上没有一点金属物质存在。好在已经有一款专门用于解决此类问题的平面磁场发生器[14]问世（图1-5），它可以用来放在手术床的床垫下，向上发射均匀磁场，从而有效避免了位于它下面的金属对磁场造成的影响。图1-5平面磁场发射器Fig.1-5Flatmagnetictransmitter电磁定位系统中常见的传感器带有5个方向的自由度（freedomofdegree，FOD），包括3个方向的平移以及2个方向的旋转。为了实现空间任意二维超声切片的定向，必须使用带有6个方向自由度的电磁传感器，即必须能够区分沿传感器自身轴线上的转动。坐标系主要有4个，如图1-6，C坐标系是建立在B超扫描平面上的，T是建立在探头上的坐标系，R是建立在磁导航接收器上的坐标系，CT是最后显示的坐标系。通过确定二维超声切片的位置和方向，可以在显示的坐标系中插入所获得二维超声图像，构建三维图像模型，用于后期的三维重构[15]。自由臂超声实时三维诊断与导航8图1-6重构三维坐标系Fig.1-6Reconstructed3Dreferenceframe1.4论文主要工作本文的主要目标是实现一个实时处理传统二维超声图像实现三维化显示的系统，通过图像的三维重构，对重构图像保存，实现对检查器官回顾性诊断提供足够诊断资料，同时降低误诊率。本论文的一个主要创新点是使用国内医院普遍使用二维超声系统，通过改进重构算法来提升三维重构图像的速度和质量，从而实现三维超声的普及，同时降低了误诊率，给回顾性诊断提供依据。本文的一个重要前提是在现有实际临床工作前提下，使用传统的自由臂超声系统来获得重构的二维图像资料，如1.3.2节所述。由于呼吸、身体移位等原因导致软组织发生形变，我们通过分析三维重构的图像来得出正确的诊断。围绕该目标，本文主要工作包括：超声重构算法的研究与实现、超声导航的研究与实现、临床血管超声进展的研究、系统实验和测试结果评价等内容。首先，我们对如何利用计算机来加速实现的超声三维图像的算法概况进行了研究。研究当前主流的几种三维重构算法，主要分类有以下几种：第一，像素最近邻插值VNN自由臂超声实时三维诊断与导航9算法；第二，体素最近邻插值PNN算法；第三，距离加权插值DW算法。对该三种算法我进行了具体分析比较，最后通过实现改进后的Gobbi算法，对图像三维重构的速度和质量有了一个兼顾，使得实时的三维化获得了更进一步的改进，使之更适合临床应用的需求。其次，我们对超声图像定位所用到的磁导航系统进行了研究。并结合实际的情况开发出了适用于我们机型的磁导航系统。在系统启动初始化过程中，初始磁导航坐标的定位，随后将通过超声探头获得的二维图像配准插入到显示的三维容积图中，最后完成整个图像的重构处理。这个过程中我们要对多个坐标间转换进行配准，并且完成实时的坐标跟踪，最后将图像呈现在三维的坐标系中，供临床医生诊断疾病所用。接着我们对当前临床上颈动脉超声的进展进行了研究，发现目前情况下对于该方面的研究还存在一定的薄弱环节。目前的设备显示血管长轴的管腔影像，无法显示血管壁结构，不能准确诊断病变的存在及狭窄程度，对临床诊断颈动脉病变、指导介入性治疗存在一定的局限性。为了实现以上功能往往会寻求血管内超声IVUS的技术，一种很大的创伤性检查。而通过三维重构，可以回顾性的观察病变部位，同时可通过它精确观察颈动脉的病理改变，通过数据分析了解颈动脉重构改变，并对斑块性质作进一步分析，提高对颈动脉粥样硬化病变损伤特性的认识，客观评价颈动脉介入治疗的效果。减少了病人痛苦，提高了对诊断和治疗质量的控制。该技术的应用还可以很大的提高对于颈动脉疾病的早起诊断准确率。最后，我们对该系统进行了一些实验，用塑管模拟人体血管进行了采样，远期评估其对于临床的效果会是十分理想。同时我们对实验的数据进行了评价，图像的SNR、MSE(均方差)、RMSE（均方根误差）、MAE（绝对平均误差）进行比较。获得了满意的实验的测试数据。1.5论文组织结构本文主要按照实时超声三维系统中 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的核心模块，以及实验结果和临床适用展望来进行章节的组织。第一章主要介绍本论文的课题背景及研究意义，包括传统导航系统的优缺点、导航流程以及关键技术，并且对自由臂三维超声成像系统作了简要介绍。同时介绍了本论文的主要创新点、主要工作以及论文的结构框架。第二章对该系统中使用到的快速重构插值算法进行了阐述，包括其理论依据以及具体实现相关的问题。该算法通过与其余现行使用的算法进行了比较获得了对Gobbi算法自由臂超声实时三维诊断与导航10的肯定。本章首先现行使用的算法作了介绍，随后的分三个小节分别对应了实现该算法过程中的三个步骤进行描述：图像体素遍历、图像体素填充、特殊情况处理。第三章阐述了本文所使用的超声图像磁导航系统。对于整个实时三维超声诊断导航系统的实验，完成了物理坐标转换、支点校正。完成了导航在图像获取阶段、图像配准阶段、图像重构阶段三个主要步骤中的功能实现，解决了图像三维重构过程中的现实物体与显示虚拟图像的配准问题。并且提供了虚拟反馈显示的互动性，如探头的角度转动，图像也会跟着进行调整。第四章介绍当前医学临床超声诊断在颈动脉疾病方面的进展，介绍了目前主流的血管内超声技术，及在临床中适用的范围，与此同时，介绍了目前血管超声的新技术及临床进展，比较以上几种新的技术，结合本文的项目，展望该项技术在以后临床方面的应用前景。第五章描述使用该系统进行的一系列实验，以及获得的实验结果。分别按照超声图像三维重构算法选择、三维超声图像应用模拟的顺序来安排内容，分别介绍了实验的目的与意义，然后指明使用的实验数据及评价方法并给出实验步骤，最后得出实验结果，并对实验结果进行评价。最后一章是本文的总结和下一步的展望自由臂超声实时三维诊断与导航112超声图像重构算法的研究与实现2.1引言传统的二维超声显像会使用到手持的探头，发射超声脉冲到探测体并接收反馈。用来生成二维灰度图像B超图，显示被测体的一个截面。三维超声延伸这个概念，它使用了大量接收的二维图像数据来构建一个三维的立体模型。通常的自由手三维成像技术可分为三个阶段：扫描，重建和可视化。将超声探头自由的在病人被测部位移动，这样获得的B扫描图就会有随意的位置，导致获得的图像会有重叠交叉[16]。为此引入磁导航设备，通过一个发射感应装置，一个接收感应装置来确定当前扫描图像的位置和方向。在扫描前接收器与探头固定，发射器放置在附近一固定位置，通过探头获得的图像就会正确填充在一个体素矩阵中，获得三维填充图像。三维图像可以弥补二维图像不完整缺点，避免反复的检查和多方位测量的不便，使得数据能够充分的利用。器官扫描，超声图像显示技术目前主要分为以下3种：1)机械平扫；2)自由手扫描；3)机械内置探头和二维相控矩阵探头。其中前两个方法需要用到重构算法把二维的图像定位到三维对应的有序矩阵中。后面一种方法可以直接获得三维图像，缺点是硬件设备费用高。就目前国内的实际情况，临床多用二维探头来实现低成本，高适用的体检工作，同时临床上诊断的依据多停留在二维图像上，所以目前通过自由手探头获得二维超声图像，进行重构获得三维模型的适用面会很大[17]。自由臂超声实时三维诊断与导航12图2-1三维自由手超声图像Fig.2-1Freehand3DimageofUltrasonic自由手扫描图像三维化，如图2-1，自由手成像技术允许医生自由的移动手中的二维探头来获取通用的超声检查二维图像，通过位置感应装置来计算每片插入的二维B超图像的位置和方向。从该途中可以看到图像有重叠和穿插的过程，所以会导致最后出来的三维图像有伪影和低信噪比，造成了图像的质量下降[18]。相对自由手扫描图像三维化图片，机械平扫图像，由于移动的速度和方向性会导致每片B扫描图层间有间隔，也会导致最后出来的三维图像有伪影和低信噪比，造成了图像的质量下降。为了克服这些状况我们就需要用到插值算法对所构的三维图像进行插补校准。2.2图像重构算法分类目前有很多插值算法已经做的很成熟了，也能以较好的效果来整合二维图像变为三维图像，但是一项调查显示，医生希望看到的是实时的三维的清晰的图像结构，也就是尽快看到三维图。而由于B超图像非均匀分布的特性，这会影响计算时间和优化图像质量，比如会有伪影，图像扭曲等现象，这个就需要一个快速处理这次散乱数据的插补算法来解决该问题，由此从90年代以来不断的在已有的算法上进行优化的算法，这些算法主要分为以下几种：像素最近邻插值VNN（Voxelnearest-neighbor）算法，体素最近邻插值PNN（Pixelnearest-neighbor）算法，和距离加权插值DW（Distance-Weighted）算法。自由臂超声实时三维诊断与导航132.2.1VNN算法VNN（Voxelnearest-neighbor）插值算法就是将每个体素中的值用最近的像素值来替换，不需要设定任何的参数。但是图像质量有差异性，这个过程中的计算速度会降低。如果最近的像素点是在一个体的边缘上，会使得计算速度加快。这个算法也能很好的避免了体素矩阵中的空洞问题，但是优化过程中会出现很多的伪影。当几个B超图像相交时，所得的插值图像就好比是交叉的B超图像互相投射抽象的拼贴图像。当二维图像之间的摆放出现偏差，或者被测物体是动态的话，那么图像就会出现注册错误和感应错误，导致最后的图像间的对准问题。如果由于匹配的问题，导致最后的图像交错线移位的话，那这根线会很明显的显示在整个三维优化模型中。2.2.2PNN算法由于其简单的执行和简洁的计算时间，最好的重建算法是PNN（Pixelnearest-neighbor）算法。这个算法被分为2步：本填补和孔填补[19]：本填补（bin-filling）：包含遍历每个在B超图像象素，最近的体素的值将被这个象素值填充。孔填补（hole-filling）：余下在三维体素矩阵中的空缺值将被填充，通常孔填补方法是将周围的平均值来填充该体素。虽然PNN方法很快也应用起来简单，这个方法会产生伪影。相对与PNN算法，VNN算法不需要经过孔填补步骤，因为所有体素都将在一次遍历过程中被填充入正交投影在最近B超图像的象素值。2.2.3DW算法DW加权插值法，是用每个重构体中点X进行线性插值计算，在DW插值方法中，每个体素被最近的B超图像中象素的权重值填充，这个插值内核是由球形邻近值定义或者是由投影在最近的2个B超图像上来定义。然后，所有的像素强度被其自身到相应体素的距离加权用于计算体素强度[20]。公式为：自由臂超声实时三维诊断与导航14∑∈=)()(~1)(XKtititinnXfgGXf（2-1）假设知道Kn为插值内核，Kn是多张B超图像中不同的索引，用于插值计算，n是索引序列。给定插值程度，那在B超图像点X就近的前n和后n会被考虑替换。对于加权插值算法，Xti是X点在ti的B超图像上的正交投影，)(~tiXf是在Xti位置上的亮度，并且是通过双线性插值法获得。最后，G标准的常数，G=∑tig，gti是X和Xti间的距离。由于DW算法是通过降低优化后的质量来用于减少计算时间，图像质量会有小缺陷，如图2-2可见由于邻近的点选择过于小而导致一些体素点未被填充，为了改善插值的步骤使用到了径向基 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 RBF(Radialbasisfunction)，如加权高斯卷积或者瑞利模型的强度分布。然而，图像质量的提升导致计算负担的加重。本论文内我不将DW和RBF纳入快速优化算法选择的考虑范围[21]。图2-2GW插值算法重构图像Fig.2-2ReconstructtheimagewithGWalgorithm2.3Gobbi重构算法及实现2.3.1Gobbi算法本文采用了一种新型的超声图像重构算法，它同时兼顾了三维超声图像的处理质量自由臂超声实时三维诊断与导航15和处理速度。是在PNN的基础上进行的优化，整个Gobbi算法对产生伪影方面进行了优化，主要在孔填补的阶段，在一次遍历过程中，对插值扫描内核进行扩展，对于不通的孔的状况，选择不同大小的插值内核，从3*3*3到5*5*5的扩展，使得获得数据的范围更加大，取得值更加多，来减少出现伪影的情况，或者说通过对不通的情况先进行小插值内核的扫描，碰到小差值内核不能完善的情况可以有通过扩大内核大小来弥补数据的遗漏，以免伪影的出现。2.3.2Gobbi算法初始化图像Gobbi[22]算法所获得预处理图像主要是经过磁导航定位所重构后的三维原始模型，在这个模型中散乱的分布有多张B超图像，如图2-3；其中每张B超图像上的像素被转换到一个体素大小的内核中，再按照“Alpha”混合向量的值来混合源像素和目标像素，来获得三维图像的效果。图2-3Gobbi算法获取的三维模型Fig.2-3Reconstructthe3DimagewithGobbialgorithm2.3.3三维图像的插值优化Gobbi算法的实现是类似于PNN算法，就是在3x3x3大小内核扫描过的同时对不符合项，也就是nmin（周围含值的体素个数）少于14个时，扩大取值的范围到5x5x5，自由臂超声实时三维诊断与导航16然后扩大nmin到63，分析比较后用周围均值来填充这个空缺值。具体代码如下：nmin=63;n=0;for(intk=-incZ*2;k<=incZ*2;k+=incZ){for(intj=-incY*2;j<=incY*2;j+=incY){for(inti=-incX*2;i<=incX*2;i+=incX){blockPtr=outPtrX+j+k+i;if(blockPtr[numscalars]==255){n++;for(intc=0;c<numscalars;c++){sum[c]+=blockPtr[c];}}}}}其中outPtrX是指向需要赋值处点的指针，接着就是比较nmin值，如果大于等于该值，则给outPtrX赋均值，如下：if(n>=nmin){for(intc=0;c<numscalars;c++){vtkUltraRound(sum[c]/asum,outPtrX[c]);}自由臂超声实时三维诊断与导航17outPtrX[numscalars]=1;}当然如果在扩大范围后仍然没有满足条件，则就不对改点进行进一步的赋值，这样可以减少填补的空白，使得图像质量提高。2.4本章小结通过介绍了三维超声重构的过程，对目前自由手的二维图像重构的临床用途的肯定。深入探讨了几种常用的插值算法，通过研究发现图像优化的速度和质量需要达到一个平衡点，比如：有斑点，有伪影，甚至有影像缺失。处理速度慢的问题，发现图像的质量会与所选择的扫描核的大小有关，大的扫描核会导致图像好，计算时间多，小的扫描点会致图像质量下降，计算时间增快。在本文接着的实验阶段我们对图像的SNR、MSE(均方差)、RMSE（均方根误差）、MAE（绝对平均误差）进行比较[23]。选择了一种平衡速度和成像质量的算法Gobbi算法，最大限度的来加速图像处理速度和提高图像质量。自由臂超声实时三维诊断与导航183超声导航的研究与实现3.1引言本章重点讨论自由臂三维超声系统的导航方面的内容，首选介绍了导航的设备，软件平台，最后阐述了导航定位的关键技术。3.2开发平台与软件架构3.2.1导航定位设备本文使用NDI公司生产的Aurora电磁定位跟踪仪作为手术导航的定位跟踪设备。加拿大NDI（NorthernDigitalInc.）公司是全世界空间测量设备设计和制造领域的权威厂商，我们使用的Aurora电磁定位跟踪仪是该公司专门为手术导航领域应用而开发的产品。传统的光学定位系统要求在手术器械和探测器之间不能有任何物体遮挡，否则会因光线被拦截而无法定位手术器械。电磁定位系统没有光学定位系统的这种限制，符合腹部导航手术的要求。Aurora电磁定位跟踪系统[24]主要由位置传感器（sensorcoil）、传感器接口单元（sensorinterfaceunit，SIU）、系统控制单元（systemcontrolunit，SCU）以及磁场发生器（fieldgenerator）组成。位置传感器大小为0.8mm×8mm，如此小的尺寸可以植入大多数手术器械的前端。它提供五个方向的自由度，可以实时获取手术器械的位置及方向。也可以根据实际情况向NDI公司定义需要的传感器。传感器接口单元主要负责将传感器上获取的原始数据信息传给系统控制单元，它同时延长了安装有传感器的手术器械与系统控制单元之间的有效距离，保证了数据传输的可靠性。系统控制单元的主要任务是收集从传感器上获得的原始数据信息，在此基础上计算出传感器（也即手术器械）的位置与方向，并且将该数据结果反馈给计算机。磁场发生器可以产生的均匀磁场范围为500mm3，该磁场范围称为测量体积（measurementvolume），只有当传感器出现在有效的测量体积范围内，才可以被探测到，如图3-1所示。自由臂超声实时三维诊断与导航19图3-1NDIAurora测量体积Fig.3-1MeasurementvolumeofNDIAurora根据NDI公司提供的关于Aurora的技术规范，该设备本身存在一些非常小的误差，包括定位误差与定向误差，如表3-1所示。这些技术参数与导航系统的整体精度是密切相关的。表3-1NDIAurora定位与定向误差Table3-1PositionandorientationerrorofNDIAurora3.2.2VTK可视化平台在医学图像可视化平台的开发与实现方面，已经有一些比较成熟的软件开发工具包（softwaredevelopmenttoolkit，SDK），使用这些工具包可以避免重复的、不必要的开发工作，极大程度上提高软件开发的效率。定位精度RMS95%置信水平到磁场发生器距离100－200mm0.9mm1.7mm200－300mm0.7mm1.3mm300－400mm0.8mm1.4mm400－500mm1.3mm2.1mm方向精度整个测量体积0.3degree0.6degree自由臂超声实时三维诊断与导航20在本系统的开发过程中，主要使用了VTK和Atamai两个开发工具包，本节介绍VTK可视化工具包，Atamai手术导航工具包将在3.2.3节中予以介绍。VTK（visualizationtoolkit）可视化软件开发包是一个利用面向对象的建模技术，设计和实现的三维可视化软件包。它使用C++语言实现，包括三维计算机图形学、图像处理和可视化三大功能。VTK支持的语言非常广泛，即包括C++、Java等常见的编程语言，本项目中使用的是MFC。VTK程序的一个最大特点就是所谓的管道化架构（pipelinearchitecture），它通过将多个对象顺序连接在一起以完成一个复杂的任务[25]，如图3-2所示。一个VTK程序实际上就是一个完整的渲染管道。渲染管道的前端称为可视化模型（thevisualizationmodel），由数据源（sources）、过滤器（filters）、映射器（mappers）等对象组成。其中，数据源用来产生数据如图3-3所示，如vtkFreehandUltrasound读入一个超声图像文件同时读入相应的位置数据并产生数据输出vtkImageData。过滤器用来对数据进行加工，比如进行高斯平滑、中值滤波等预处理，并产生新的数据输出。映射器将数据与图形模型建立起联系，为渲染做好准备。借鉴了MVC（model-view-controller）中的有关设计经验，多个映射器可以接受同一个数据输入，并以不同的方式进行渲染。渲染管道的后端为图形模型（thegraphicmodel），由属性（property）、渲染器（renderer）、渲染窗口（renderwindow）等对象组成。其中，属性对象接受映射器的输出并产生数据的图像化表示，有关渲染方式的信息存放在vtkPlaneWidget中。渲染器和演员（actor）、光线（light）以及相机（camera）等对象绑定，用来渲染场景。渲染窗口是实际图像显示的地方，是整个屏幕窗口的一个子集。每个渲染窗口都和一个交互（interactor）对象绑定，用来接受并处理有关的鼠标、键盘事件。图3-2VTK的管道化架构Fig.3-2PipelinearchitectureinVTKvtkDataSetvtkDataSetMappersFiltersSourcesProps自由臂超声实时三维诊断与导航21(a)(b)图3-3管道化流程，(a)精简流程，(b)详细分解流程Fig.3-3Pipelineprocessofthearchitecture,for(a)briefprocess,for(b)detailedprocess3.2.3Atamai手术导航平台Atamai是一个使用Python语言开发的、基于VTK的面向计算机辅助手术特别是手术导航的应用系统平台。图3-4显示了Atamai工具包在整个手术导航系统的开发过程中所处的层次。vtkImageDatavtkFreehandUltrasoundvtkNDITrackerMFCvtkMFCWindowvtkWin32VideoSourcevtkPlaneWidgetMFCvtkWin32VideoSourcevtkImageDatavtkMFCWindowvtkPlaneWidgetImagedataImagedataImagedatavtkNDITracker自由臂超声实时三维诊断与导航22Atamai具有事件驱动的架构，其中最重要的类是EventHandler，它是大部分类的父类。Atamai中有三个核心类：vtkNDITracker、vtkTrackerbuffer和vtkTrackertool，它们与VTK的对应关系如图3-5所示。图3-4开发工具包的层次Fig.3-4HierarchyofSDKs图3-5Atamai与VTK的对应关系Fig.3-5RelationshipbetweenAtamaiandVTKvtkWin32VideoSourcevtkFreehandUltrasoundvtkImageDatavtkPlaneWidgetvtkMFCWindowVTKvtkTrackertoolvtkNDITrackervtkTrackerbufferAtamai三维超声重构系统AtamaiVTKMFC自由臂超声实时三维诊断与导航23EventHandler类中定义了常用的消息事件以及与消息有关的常量，并完成了常见的事件绑定，将事件与对应的事件处理函数做成键值对。然后进行事件解析，对于接收到的每一个事件，将其解析并找到与之对应的回调函数并调用它。其中，事件的定义利用了Python语言中对象动态属性的概念，可以加速整个事件的查找过程。在整个系统的设计中，Atamai提供了图像的定位导航数据，所以vtkNDITracker、vtkTrackerbuffer和vtkTrackertool这3个类主要是用于获得图像的位置信息，定位图像，导航信息，并在这个过程中缓冲大量的图像数据，最后整合在一张三维的图像中。3.2.4系统架构为了使将来的软件系统升级与维护工作更加方便，三维超声重构系统在设计系统架构的时候借鉴了网络OSI七层模型中的相关经验，采用多层架构技术力争将各模块之间的耦合度以及交互程度尽可能降低，所有模块之间只允许上下相邻的模块进行消息发送，所有的数据都封装在最底层，通过控制器把数据返回给用户界面，如图3-6所示。图3-6系统架构Fig.3-6Systemarchitecture在开发过程中，主要使用了三种设计模式：观察者模式（observer）、组成模式（composite）以及代理模式（proxy）。首先，使用观察者模式来定制更新的数据。由于迭代最近点算法与薄板样条算法都是基于标记点的点集配准算法，我们分别将两个算法对象订阅（subscribe）成这两组点集的观察者，当点集中的点坐标发生