三維超聲圖像中針狀物體檢測(cè)方法研究.pdf

1、超聲醫(yī)學(xué)影像介入式治療作為超聲醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要分支，主要包括兩個(gè)方面：一是超聲醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)引下通過(guò)各種穿刺探頭對(duì)病灶進(jìn)行活檢，以確定病變的性質(zhì)；二是用超聲醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)引對(duì)病變進(jìn)行手術(shù)或輸入藥物等以達(dá)到緩解和治療疾病的目的。
　　 與傳統(tǒng)二維超聲相比，三維超聲在導(dǎo)引介入式治療方面有其明顯優(yōu)勢(shì)，不僅能使醫(yī)生在屏幕上直觀地觀察到數(shù)據(jù)體內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)及三維形態(tài)，從不同的角度顯示臟器的切面或表面影像，更重要的是能直觀地顯示介入式器械與病人臟器之間

2、的空間位置關(guān)系，避免介入式器械損害病人正常組織或器官，從而降低手術(shù)事故率。鑒于此，三維超聲醫(yī)學(xué)影像介入式手術(shù)導(dǎo)引與治療已經(jīng)成為目前超聲醫(yī)學(xué)影像的主流發(fā)展方向之一。
　　 三維超聲導(dǎo)引介入式治療過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是在同步掃描病灶得到的三維超聲醫(yī)學(xué)圖像中，精確地確定介入式器械與病變組織的位置關(guān)系，從而為醫(yī)生提供直觀的空間形象，以利于醫(yī)生手術(shù)規(guī)劃的制定。本文針對(duì)三維超聲導(dǎo)引射頻消融治療子宮肌瘤手術(shù)過(guò)程中，射頻消融手術(shù)刀定位問(wèn)題，對(duì)基

3、于三維Hough變換檢測(cè)、定位手術(shù)刀的方法進(jìn)行了研究。二維Hough變換檢測(cè)直線在二維圖像處理中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，本文的一個(gè)重要工作是將傳統(tǒng)二維Hough變換拓展至三維，提出三維圖像中的三維Hough變換直線檢測(cè)方法。鑒于射頻消融手術(shù)刀在三維超聲圖像中呈直線狀，我們將拓展后的三維Hough變換應(yīng)用到三維超聲圖像中的自動(dòng)針檢測(cè)中，以期能自動(dòng)分割、定位出三維圖像中的射頻消融手術(shù)刀。
　　 論文主要研究工作包括：
　　 (1

4、)提出了一種實(shí)時(shí)灰度Hough變換方法。結(jié)合相位編組思想和傳統(tǒng)二維灰度Hough變換，提出了一種改進(jìn)的實(shí)時(shí)灰度Hough變換。與傳統(tǒng)Hough變換相比，該方法不需要進(jìn)行二值化，并且運(yùn)算速度大大加快，處理單張圖片接近實(shí)時(shí)，方向誤差小于1°，位置誤差能優(yōu)于0.5mm，滿足二維超聲圖像導(dǎo)引手術(shù)治療的需要。
　　 (2)將二維Hough變換拓展到三維。介紹了三維空間中直線描述的幾種方式：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)向式、4參數(shù)點(diǎn)向式、Denavit―Hart

5、enberg直線表達(dá)式、Roberts直線描述方式、以及Pl¨ucker坐標(biāo)下的直線描述方式。討論了基于這幾種直線描述方式為基礎(chǔ)的3DHough變換的形式，從數(shù)學(xué)描述形式、內(nèi)存需求以及計(jì)算量等這幾個(gè)方面對(duì)比分析了這幾種3D Hough變換的優(yōu)劣。綜合考慮計(jì)算性能和內(nèi)存需求，建立了以Roberts直線描述為基礎(chǔ)的3DHough變換形式，我們稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)3D Hough變換形式（3DSHT），并給出了算法的詳細(xì)流程。在3D模擬圖像中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6、表明，提出的3DSHT在有噪聲和無(wú)噪聲的環(huán)境中均能有效地檢測(cè)出空間直線。
　　 (3)基于提出的3D Hough變換，提出了一種三維超聲圖像中的針檢測(cè)算法，并采用插入水中、agar假體以及雞肉組織中的針三維超聲圖像驗(yàn)證了本文所提出的算法的有效性。實(shí)驗(yàn)證明本文所提出的算法能有效地檢測(cè)出在這三種組織的三維超聲圖像中的針狀物體。同時(shí)，通過(guò)改變?nèi)S數(shù)據(jù)體裁剪尺寸以及針插入數(shù)據(jù)體的深度進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的適應(yīng)性，結(jié)果表明在裁剪數(shù)據(jù)體時(shí)，若能

7、有效保留三維數(shù)據(jù)體中的針，裁剪尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響甚微；針插入深度在1cm到15cm之間時(shí)，算法都能保證較高的檢測(cè)精度。
　　 (4)基于標(biāo)準(zhǔn)的三維Hough變換，本文提出了三種快速算法：基于粗-精搜索策略的三維Hough變換，三維隨機(jī)Hough變換以及基于粗-精搜索策略的三維隨機(jī)Hough變換。通過(guò)對(duì)比、分析這幾種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于粗-精搜索策略的三維隨機(jī)Hough變換速度最快，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，對(duì)于3MB以下的數(shù)據(jù)體