三维可视化及影像分析技术在腹主动脉瘤手术中的应用

摘要

腹主动脉瘤是腹部主动脉血管的扩张性疾病，其发展结果是瘤体逐渐增大并最终破裂，破裂死亡率高达90%。临床上，支架介入手术是治疗该疾病的有效手段。该手术需要临床医生准确把握主动脉血管及腹主动脉瘤的结构和形态，准确测量瘤体的最大直径，准确测量骼动脉分叉角度以便正确选择支架类型。为此，本文将可视化及影像分析技术应用于CTA影像，发展了计算机辅助的术前分析系统，用以提供支架介入手术所需要的信息，增强手术的安全性及可靠性。　　本文围绕腹主动脉瘤手术所涉及三个方面的信息获取问题开展研究。首先，研究了腹主动脉血管及腹主动脉瘤的分割及三维重建问题。主动脉血管的形态因人而异，主动脉周围存在很多分叉和干扰组织，这为其分割带来了一定难度。为此，本文采用了水平集的Fast Marching方法对腹主动脉血管及腹主动脉瘤进行分割。该方法在曲面演化中能够很自然地处理曲面的拓扑变化，处理灰度及噪声的干扰，生成没洞的曲面模型。此外，使用面绘制方法抽取腹主动脉血管及腹主动脉瘤的表面并进行平滑处理，有效实现腹主动脉血管及腹主动脉瘤的三维重建。　　其次，计算了腹主动脉血管的中心线，并基于此实现了腹主动脉血管及腹主动脉瘤内部的虚拟漫游。通过首先计算动脉血管模型的Voronoi图作为近似中轴及之后在该近似中轴上使用Fast Marching算法计算从起始点到终止点间的最小代价路径来获得中心线。中心线被作为漫游路径，通过确定虚拟相机的各个参数，实现血管及腹主动脉瘤内部的虚拟漫游。　　最后，提供了腹主动脉瘤临床诊断和手术治疗中所关心的参数的计算方法。通过虚拟剖切血管及腹主动脉瘤模型及在横断层切片上测量来获得腹主动脉瘤的直径数据。基于分叉血管的中心线的主方向计算方法获得了骼动脉分叉角度。　　本文的技术及计算机辅助的影像分析系统已经被应用于临床的实际 CTA图像，结果获得临床医生的认可。因此，可以为增强支架介入手术的安全性及可靠性提供帮助。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 医学影像可视化在临床上的应用

1.3 本文完成的主要工作

1.4 论文的章节安排

第二章 腹主动脉血管及腹主动脉瘤的三维重建

2.1 引言

2.2 图像分割的水平集方法

2.2.1 曲线演化理论

2.2.2 水平集方法介绍

2.2.3 Fast Marching图像分割方法

2.3 基于Fast Marching的主动脉血管的分割

2.3.1 速度图像的生成

2.3.2 演进图像的生成

2.3.3 图像的三维分割

2.4 主动脉血管的三维重建

2.4.1 体绘制方法

2.4.2 面绘制方法

2.4.3 Marching Cubes算法及其改进

2.5 实验数据和结果讨论

2.5.1 实验数据

2.5.2 实验结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 腹主动脉血管中心线提取和虚拟漫游

3.1 引言

3.2 中心线提取方法研究现状

3.2.1 基于体数据集的方法

3.2.2 基于边界曲面的方法

3.3 基于Voronoi图和最小代价路径的主动脉血管中心线提取

3.3.1 Voronoi图概念和性质

3.3.2 中轴计算

3.3.3 中心线提取

3.4 主动脉血管的虚拟漫游

3.5 实验结果和讨论

3.6 本章小结

第四章 影像分析技术在腹主动脉瘤手术中的应用

4.1 引言

4.2 基于虚拟断层切片的腹主动脉瘤的直径测量

4.2.1 虚拟断层切片提取

4.2.2 腹主动脉瘤直径的测量

4.3 基于主成分分析的骼动脉分叉角度计算

4.3.1 基于主成分分析的骼动脉分支主方向计算

4.3.2 骼动脉分叉角度计算

4.4 实验结果和讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文