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MRI-Man可视化模型建立中弹性配准新方法及显示方法研究

张煜  
【摘要】: 载人航天工程是我国开展空间技术研究的重要组成部分,这是一项复杂的系统工程。在此项工程中,航天员的生命保障系统尤其重要。 由于宇宙射线、太阳电磁辐射等辐射的存在,在太空形成了一个强辐射环境,如何对航天员在宇宙空间中可能受到的太空辐射危害进行评估,从而很好地设计防护方案是十分关键的。人体受到的辐射剂量往往不能直接测量,因此,建立一个符合实际的人体三维模型并用适当的计算程序来进行辐射剂量模拟,就成为解决此问题的可行方法。 人体三维模型的建立是项复杂、系统的工作,它涉及到图象的配准、分割、三维重建与显示等各项技术。本文针对模型建立过程中的关键技术问题进行了全面深入地研究。首先,全面、深入研究了弹性配准问题,然后研究了三维轮廓显示和点显示问题,也研究了剖面显示方法。最后,探讨了针对某些医学图象的自动分割问题。 建立人体三维模型的数据是用磁共振成象(MRI)设备进行全身扫描的方法获得的,因此本项目也称为MRI-Man模型建立。由于对人体的扫描是分段进行的,且间隔时间比较长,这就不可避免地存在有位移、挤压和变形,因此对扫描图象的精确配准是第一步工作。而弹性配准是实现这一目标的手段。 对于弹性体的变形,用弹性力学方法可以很好地解决它的计算分析问题。因此,从弹性力学的理论出发,本文研究并建立了用于图象弹性配准的弹性数学模型,并用有限元方法实现了医学图象的弹性配准。 本文首次将Multiquaadric方法引入图象的弹性配准中,利用Multiquadric函数良好的平滑性质,有效地实现了鲁棒的弹性配准。同时,提出了一种半自动的对应点选择方法,加快和简化了配准过程中对应点的选择。 薄板样条插值是应用较多的弹性配准方法。本文深入研究了这种方 法,特别就此方法的不足之处进行了详细的分析。针对薄板样条插值方 法的不足,本文提出了两种新的处理方法,使薄板样条插值具有平滑性 和紧支撑性,大大提高了配准的鲁棒性和适用性。同时,本文研究了基 于互信息量的弹性配准中特征点的自动确定方法,对特征点的准确自动 选择问题进行了分析。 采用上述新的弹性配准方法,本文对实际的MRI一Man数据进行了弹 性配准,实现了良好的、准确的配准,为进一步的工作打下了基础。 三维显示是人体模型可视化的关键技术。针对实际问题,本文研究 了平滑的轮廓线重建方法,这种方法有效地避免了直接轮廓线重建时的 阶梯效应,使重建结果清晰、光滑。同时,提出了基于数据点的平滑三 维重建方法,此方法快速、简洁、效果良好,能为任意剖面的显示提供 很好的参照。 为了能更好地观察各组织器官的位置、形态,仅从横断面、冠状面 和矢状面观察是不够的,任意剖面的观察能提供更多的信息。本文研究 了显示任意剖面的算法原理,并实现了交互式的任意剖面显示和曲线剖 面显示,这不仅能为器官的观察、分析提供帮助,同时能为在组织器官 受到射线照射后定量、定位地分析剂量分布提供很好的手段。 对感兴趣器官的分割和进一步分析是十分重要的。本文针对脑组织 图象的分割问题,研究了基于数学形态学算子的脑组织自动分割方法, 实现了良好的脑组织分割。这为进一步的分割技术研究提供了参考。


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