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冠状动脉介入仿真中创建解剖环境的关键技术研究
其他题名Visualization of Anatomical Environment in Coronary Intervention Simulation
杨帆
学位类型工学博士
导师侯增广
2014-11-30
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词医学影像处理 医学可视化 手术仿真 冠状动脉介入术 Medical Imaging Medical Visualization Surgical Simulation Pci
摘要冠状动脉介入术(PCI)是用于治疗冠状动脉疾病的安全且高效的手段。 然而,由于操作者无法直接观察病灶,以及手术工具的柔性等原因,使其难于 学习和掌握。传统教学训练一般在生物性客体或非生物性客体上展开。对于前 者,不仅成本高昂,无法重复使用,且饱受公众非议。对于后者,虽成本相对 较低,且可重复使用,但缺乏足够的真实性。此外,人类遗体无生理活动,而 活体动物的解剖结构则与人类有明显不同。针对上述问题,我们设计开发出一 种基于真实病例的PCI计算机仿真系统。该系统具有场景接近真实,无辐射, 无需消毒,可重复操作,无时间和地点限制等特点。本文研究为该系统创建虚 拟人体解剖环境的相关技术,已取得的主要成果有: 第一,针对主动脉的可视化需求,我们提出基于测地活动轮廓(Geodesic Active Contours,简称GAC)的处理流程。其运算以体数据的特征图像和初始 水平集为输入,准确探测主动脉内腔边缘,从而通过面绘制得到主动脉的表面 模型。为提高虚拟解剖环境的真实性,我们针对上述处理流程进行改进,获得 心脏的近似表面模型。该模型能够给使用者提供更为直观的视觉感受,为其判 断冠状动脉各分支的相对位置提供参考依据。 第二,针对冠状动脉的可视化需求,我们先提出基于CURVES的基础处理 流程,并通过该流程获得冠脉网络主要分支的表面模型。为获得更完整的分 支,我们对上述方法进行改进,提出管状物增强的处理流程,并通过该流程获 得更为完整的冠脉网络。该流程针对冠脉次级分支这类管状物的横截面直径较 小的特点,对其亮度进行增强,有效改善图像质量,利于这类结构的探测。相 对完整的冠脉模型能扩大虚拟操作的范围,丰富训练内容。 第三,为提高血管模型在仿真中的交互效率,我们提出模型数据的优化 处理流程。该流程在不明显破坏几何特征的前提下,尽可能多地精简了多边 形(完整模型精简达99%)。在所得模型与虚拟导管的交互仿真中,获得大 于10fps的显示效果。为提取血管模型的中心线,我们引入基于Voronoi图的类 水平集演进方法。所得中心线将为手术过程状态化建模提供基本几何信息。
其他摘要Percutaneous coronary intervention (PCI) is a safe and effective treatment for the coronary arteries (CA) diseases. Traditional training occurs on both the biological plants and the non-biological ones. For the formers, the expenditures are high, and the plants can not be used repeatedly, let alone the public controversy. For the latters, though the costs are relatively affordable and the plants can be reused, they lack sufficient vividness. To address these issues, the computer-enhanced simulator is designed, which can provide a vivid virtual environment. Additionally, it is free from radiation, and sterilization, time schedule and location, and the manipulation can be repeated. This work is mainly about the visualization of the anatomy for the simulator. We propose a new method based on GAC in order to visualize the aorta. Based on the feature image and the initial level sets, the method detects the edges accurately and these edges are rendered as spatial surfaces. To provide the intuition in identifying the branches of CA, the approximate surface of the heart was acquired by a modified approach based on the previous one. We propose a new method based on the CURVES system in order to visualize the main branches of the CA. Based on this approach, we introduce the tubular enhancement technique to highlight more sub-branches of the CA, which are in much darker intensities and tiny scales. The acquired network of CA with richer details can enable extended visual effect and more complicated training tasks. To improve the interactive simulation with the virtual guidewire, the polygons are decimated (nearly 99%) without apparently destroying the geometry of the model. With this approach, over 10fps is achieved in the simulation, which is plausible at present. To extract the centerlines, we introduce the method based on the Voronoi diagrams. The acquired geometric information will be benefit for the modeling of the interventional procedure.
其他标识符201018014628016
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6662
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
杨帆. 冠状动脉介入仿真中创建解剖环境的关键技术研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2014.
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