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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于相位编组的三维超声针状物体检测 姓名：赵四英 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：丁明跃 20090525 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 0B 摘摘 要要 三维图像较之传统二维图像涵盖了更多信息。随着医学成像诊断仪器的发展， 超声、CT 和 MRI 等成像模式的三维成像技术迅速发展。在超声导引手术中，由于 二维图像空间信息的局限性，传统二维超声往往难以精确确定手术刀头与病灶之间 的相对位置，这是导致手术失败的主要原因之一。三维超声图像因其能定性显示手 术刀头与病灶之间三维空间位置关系，可以帮助医生
2、进行手术刀的精确定位。本文 在此背景下，提出了一种基于相位编组的三维超声针状物体自动检测算法，以期能 定量分析出手术刀头与病灶之间三维空间位置关系，从而辅助介入治疗。 本文首先对几种二维直线检测算法进行比较分析，其中相位编组利用梯度相位 进行直线检测，有利于弱对比度直线的提取；然后针对超声图像特点，对二维相位 编组进行改进；在此理论和实践的基础上，通过建立有效数学模型，将二维相位编 组算法推广到三维，并重点论述了三维超声图像针状物体的提取方法。 本文的核心工作和创新点在于，通过建立新的数学模型将相位编组思想成功应 用于三维超声图像针状物体分割。本文从三维图像的拓扑结构、分组依据和边缘支 持区域
3、内提取直线三个方面详细阐述了针对三维超声图像的相位编组算法的原理。 三维相位编组以直线上相邻点的外积向量为分组依据，对三维数据体进行分组，形 成边缘支持区域，然后在最大边缘支持区域内，采用最小二乘空间直线拟合方法进 行直线提取。 最后，本文采用模拟数据和超声体模数据对该算法进行了验证，并从主观和客 观两方面对算法进行了评价。主观上看，实验结果定性的证明了算法的有效性。客 观上看，通过与经典三维 Hough 变换直线检测算法进行分析比较发现，较之三维 Hough 变换，该算法角度偏移、端点位置偏移略小，提取针状物体的中线更准确， 运算速度较快，不需要任何先验知识。 关键词：关键词：三维超声 介入
4、式治疗 直线检测 针状物体分割 三维相位编组 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1B Abstract With the development of medical imaging diagnostic devices, 3D imaging technique for ultrasound, CT and MRI has become more and more popular，as the volume image contains much more medical information than normal 2D images. In
5、ultrasound-guided surgery, the lack of spatial information in 2D images easily results in false localization of the electrode tip in the process of guidance, which is one of the main reason for surgical failure. However, 3D US images can provide accurate spatial information of objects in the volumn
6、data. On this background, we present a method called “3D Phase-grouping segmentation” to segment the needle inside the human body in this thesis. First, some 2D line extraction methods were analysed. Usually, 2D phase-grouping can extract weak lines. Using the characters of ultrasound images (US ima
7、ges), the 2D phase-grouping algorithm was improved to segment the needle in US images. After that, 2D phase-grouping was extended into 3D via a new mathematic model, which is the most important part in this thesis. Creating a new mathematic model to apply the phase-grouping to needle segmentation in
8、 3D US image is the key work and the creativity of this thesis. 3D phase-grouping divides the voxels with the same outer products of the gradient orientation of the adjacent points into Line-Support Regions (LSR). Then, the needle was extracted with the Least-Squares line fitting method in the maxim
9、um LSR. At last, synthetic data and 3D US phantom data were tested by using our algorithm. Experimental results showed the effectiveness of the method. The segmentation results were evaluated by angular deviation and position deviation. Comparing with the 3D Hough transform, 3D Phase-Grouping is mor
10、e accurate and fast without using pre-information. Reducing the computation complexity of the algorithm and robustness remain to be our future research topics. Key words: 3-D ultrasound images, Intervention treatment, Line detection, Needle segmentation, 3-D Phase-Grouping. 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我
11、个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技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
12、保存和汇编本学位论文。 本论文属于 ， 在 年解密后适用本授权书。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保 密 不保密 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3B 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 医学成像技术在医学发展历程中有着举足轻重的作用。它以实现人体内部信息 的可视化为目的，为医学手术和诊断提供了重要信息和分析依据。 目前使用较为广泛的是 X 线成像、超声波成像、磁共振成像(MRI)、放射性核素 成像(PET，SPECT)、热成像、光学成像等。超声医学影像作为四大影像技术之一， 已成
13、为医院诊断脏器器质性病变的常规手段。从表 1-11可知，同其它医学影像相比 较，超声医学影像特点鲜明，优势突出2：一无创，用于进行扫描的超声剂量和能量 很小，对患者及操作人员都不会造成伤害；二实时，超声能够实时、准确的显示人 体内部影像，这是其他影像技术所达不到的；三经济，超声医学影像的成本比较低， 患者易接受；四由于超声本身的物理性质，超声影像对人体软组织的探测和心血管 脏器的血流动力学观察有其独到之处，对孕妇胎儿的发育及健康情况的检查更是具 有不可替代的作用。 表 1-1 常用医学影像设备的比较 成像方式 US X-CT DSA MRI PET 信息载体 超声波 X 线 X 线 电磁波 射
14、线 分辨率 2mm 1mm 0.5mm 1mm 10mm,3mm 安全性 安全 辐射危险 辐射危险 无辐射危险、有 强磁场吸引力 辐射危险 典型用途 胎儿生长，检 测肿瘤、心脏 检测肿瘤 血管狭窄处 的测定 脑肿瘤成像 脑中葡萄代谢 图 超声诊断成为是临床最常用的检查方式。按照超声发展历程和使用频率，可以 将其分为 A 型超声、B 型超声、D 型超声、介入性超声等。随着超声医学影像技术 的发展及对疾病进一步进行研究和治疗的需要，介入性超声医学影像也迅速发展起 来，较其他影像学科发展更快、更具实用价值，并成为今后超声医学发展的主要方 向之一2。 现在，传统的超声介入式治疗主要基于二维超声成像系统
15、。二维超声因其自身 局限性，在介入式治疗中存在很多不足之处3： 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 (1) 二维超声图像序列只能在医生大脑内主观地集成在一起来重建被扫描对象 的三维解剖和病理结构，这是一个低效和不确定性大的过程； (2) 很难局部定位二维平面或者重新定位同一平面， 这使得二维超声不适于实时 监测治疗过程和为后续研究提供对比资料； (3) 由于病人的解剖结构或者位置比较复杂等原因， 有时很难摆放二维探头到合 适的位置来获取理想的图像平面。 二维超声技术的不足限制了超声影像技术潜能的发挥，三维超声应运而生。三 维超声是一门在传统二维超声基础上
16、发展起来的新技术，它能够提供关于被扫查对 象的三维空间信息。在临床应用中，借助三维超声技术，运用可视化理论、计算机 图形学技术将数据显示为三维超声图像后，医生可以在屏幕上直观地看到在体内的 空间位置及其三维形态，还可以从不同角度显示脏器的切面或整体。这将为进行体 外超声治疗和超声导向介入性治疗手术提供依据，有利于避免在治疗中损伤正常组 织，有助于疾病的定性、定位及定量诊断，对提高疾病诊断的准确性有重要价值。 与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有以下明显的优势： (1) 能够直观显示图像； (2) 缩短数据采集时间和诊断时间； (3) 可精确测量医学诊断参数； (4) 准确定位病变组织； (5) 在医
