基于形状特征保持的OCT心管图像体绘制

摘要

光学相干层析技术（OCT）由于具有高分辨率、无损伤、非侵入以及实时成像等特点，已经广泛应用于生物医学领域。先天性心脏病(CHD)是常见的先天畸形之一，通过研究心脏发育过程，可以帮助科研人员探索先天性心脏病的形成原因。目前主要通过光学相干层析技术对小鸡胚胎发育过程中心管（Heart Tube）的形成过程进行研究，为探索人类心脏的发育过程奠定基础。对OCT心管图像的三维可视化可以帮助科研人员直观地获取心管区域的结构，有助于对小鸡心脏发育过程的深入探索。
　　在三维可视化方面，国内外学者已研究了多种算法，其中体绘制算法能直接由三维数据场产生屏幕的二维图像，不需要生成中间图元，并且具有包括数据场的每个细节，图像质量高等优点而被广泛应用于医学图像三维可视化领域。但针对OCT心管图像序列的体绘制还需要克服以下困难：1）OCT心管图像噪声强度大、对比度低，因此直接对原始图像序列进行体绘制容易将无关区域也绘制出来，难以将心管部分准确、独立地显示在图像中。2）OCT心管图像边缘结构模糊程度大，体绘制结果中对实现OCT心管边缘区域的完整结构保持较困难；3）体绘制算法中传递函数的设计直接决定了三维体数据的绘制效果。但由于OCT图像上述的特点，想要设计出一个能够凸显出对象完整形状特征的传递函数非常困难。
　　针对上述问题，本文在详细了解体绘制算法及流程的基础上，主要提出了以下三个方面的形状特征保持方法：
　　1）针对OCT图像边缘模糊的问题，在经过图像去噪及分割预处理的基础上，提出了一种基于单幅图像形状特征保持的边缘增强方法。通过对OCT图像的去噪分割预处理，得到了能够较好描述OCT心管结构的分割图像；利用形态学相关算法，提取OCT心管图像的边缘信息并得到边缘图像；根据提取出的边缘空间信息，完成对原始OCT图像序列相应空间位置上的边缘增强操作。由于该方法充分考虑了OCT图像中心管结构的完整边缘轮廓，并最大程度地保留了原始图像的信息，相对于直接对原始图像序列的体绘制，经过该处理后的OCT体绘制能够有效增强对心管边缘形状的显示效果。
　　2）为了能够进一步保持感兴趣区域在三维空间层面的局部形状特征，提出了一种结合体数据标量信息与三维梯度幅值信息的传递函数设计方法。该方法是一种以改进传递函数定义域的方式间接实现感兴趣区域形状特征保持的传递函数设计方法。通过计算整个OCT体数据的三维梯度幅值并将其作为数据场的一种形状特征，同时以加权融合的方式将原始OCT体数据标量值与三维梯度幅值同时作为传递函数映射中的数据属性。该方法充分考虑了邻域数据的空间信息，能有效保持感兴趣区域的局部形状特征，改善最终的OCT体绘制效果。
　　3）由于OCT心管图像噪声大，对比度低，在研究如何快速准确地得到合适的传递函数映射曲线的同时，还要探究如何在映射曲线的生成中保持OCT心管结构的方法。因此，提出了一种基于形状特征的传递函数设计方法。该方法能够根据现有的图像处理结果，通过用来表示数据标量值与边缘位置的距离函数，半自动地绘制出能够凸显感兴趣区域边缘结构的传递函数映射曲线。由于提出的设计方法并没有利用数据的各种统计信息描述边缘，而是利用已有的完整边缘空间信息指导映射曲线的生成，因此可以较好地避免OCT心管图像严重噪声的影响。实验结果表明，提出的传递函数设计方法可以半自动地得到能够准确描述感兴趣区域形状特征的映射曲线，按照该映射曲线得到的体绘制结果也能够避免非感兴趣区域的影响，得到能凸显感兴趣区域结构的体绘制效果。
　　综上所述，第一部分是在图像处理层面展开的工作，处理结果同时为后续传递函数的改进提供支持；第二与第三方面的工作主要是对体绘制传递函数定义域及传递函数映射曲线绘制两方面的改进。最后，融合以上所有面向OCT体绘制的形状特征保持方法进行了OCT心管图像体绘制实验，并通过实验结果证明本文提出的方法能够有效凸显心管区域的结构，改善OCT心管图像体绘制效果。

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题研究现状

1.3 主要研究工作及创新

1.4 本文组织结构

2 体绘制算法

2.1 光学模型

2.2 体绘制的流程

2.3 体绘制典型算法

2.4 传递函数

2.5 本章小结

3 OCT图像预处理

3.1 OCT成像技术基本原理及特点

3.2 OCT图像的去噪及分割

3.3 基于OCT单幅图像形状特征保持的边缘增强

3.4 实验及评价

3.5 本章小结

4 基于形状特征保持的传递函数设计

4.1 基于三维梯度幅值的传递函数设计

4.2 基于形状特征的传递函数设计

4.3 面向OCT体绘制的形状特征保持融合实验及评价

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文的主要工作

5.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著