基于腹部CT图像的肝脏三维建模研究

针对临床手术预演过程中基于腹部CT图像的肝脏三维建模需要手动修改,耗时巨大,且精度无法保证等问题,分析了传统建模方法的不足,结合灰度分离算法利用处理后的肝脏特征序列进行三维重建的系统,借助于Matlab提取并生成肝脏特征序列,导入Mimics后无需进行阈值分割和手动修改,选择所有灰度值不为0的区域即可直接计算出三维模型,可将三维模型打印出肝脏实体,从而解决了肝脏三维建模的效率和精度等问题。最后,以两位病人的腹部CT图像进行试验,均成功提取了肝脏边缘特征并建立了肝脏三维模型。     

消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建

背景：目前,心内膜三维标测系统的研制是国内外医学工程学界的一个热点。国外已经推出了适用于临床的系统,但是其价格极其昂贵;国内还只是处于研究阶段,因此,在心内膜三维标测系统的国产化方面任重道远。 目的：采集分析消融导管三维定位导航系统的建模数据,并重构心内膜三维几何模型。 方法：心内膜三维建模数据的采集直接关系到建模质量的高低。以离散点的形式将数据采集过程进行可视化,可获得全面和有效的建模数据点集;通过对所得的点云数据进行凸包运算,获取数据集的表面极值点,构造用边界表示的多面体模型;最后以生成的多面体为基本体素,采用离散法造型完成建模过程。并使用可视化类库VTK,成功的重构了心内膜三维模型。 结果与结论：仿真实验表明,实验提出的方法可以较全面、高效地采集建模数据,重构心内膜三维模型。提示重构的心内膜三维几何模型可以为消融导管三维定位导航系统提供技术支持。     

高精度红外光点位置检测分析系统

高精度红外光点位置检测分析系统是基于光电位置敏感器件、立体测量学研制而成的运动物体分析系统。它能快速、准确地测出运动物体各特征点的瞬时位置，并在此基础上进行分析计算，给出三维坐标及针对具体应用领域的特征曲线和参数。该系统可应用于人体运动检测、外科手术定位等领域。     

结构光方法在荧光分子断层成像系统的三维轮廓重构中的应用

荧光分子断层成像系统需要获取成像物体的三维表面轮廓,用于荧光团浓度重建的前向模型,本文提出了基于结构光方法的成像物体的三维表面轮廓重构。首先利用8比特格雷码对图像进行编码,再将编码后的图像投射到成像对象,这时经成像物体的三维表面轮廓调制后的图像再通过二值化、解码、插值和轮廓重构等步骤最后输出三维表面轮廓。圆柱物体和小鼠实验表明,该方法可以较好地重构成像物体的三维表面轮廓,并且具有硬件系统简单、易实现等优点。     

基于计算机视觉的早期乳腺癌放射治疗一体化摆位系统研究

目的研究一种基于计算机立体视觉的乳腺癌放射治疗摆位验证的方法,以减少在乳腺癌分次放射治疗中,由于多次摆位、体型变化等因素的影响造成肿瘤位置动态位移引起治疗误差。方法使用由双摄像机组成的计算机视觉系统,准确匹配出多个特征标记物在左右两摄像机采集的图像中的具体坐标,依据双目成像的基本原理计算出各标记物在胸腹部表面特征点的三维坐标值,构建出乳房及胸部体表的立体特征形状,以此来完成在分次放射治疗前摆位准确性的在线判定。在算法设计过程中,采用动态选择待匹配图像和局部搜索的策略,目标图像匹配精确。结果调试实验表明,系统能够准确提供各标记点的三维空间位置,并且能够做到实时性计算。结论基于计算机立体视觉的乳腺癌放射治疗摆位系统能够为放射治疗摆位提供一定的定位数据指导。     

LOS三维立体内窥镜系统

ＬＯＳ三维立体内窥镜系统马跃中王晓坤空军４５１医院＊电视内窥镜手术是当前外科领域的新技术，然而，传统二维内窥镜系统只能观察物体的平面位置，操作难度高，安全系数低，使得该技术的普及受到限制。德国劳氏（ＬＯＳ）公司最新推出的三维立体内窥镜系统，使手术从平...     

基于多尺度特征增强的小样本计数

目标物体计数是计算机视觉领域的重要研究方向。针对小样本计数中存在的样本与查询图像目标物体尺寸不一致、目标物体分布不均匀的问题,该文提出了多尺度特征增强计数算法。首先,基于特征金字塔构建自上而下的特征融合网络。在各级尺度上对查询图像中和样本相似度较高的区域进行样本特征增强,随后送入上一级特征匹配。然后,将各级增强后的查询特征送入回归器中,得到各级密度图。最后,求和,生成高质量的密度图。该文在FSC-147和CARPK数据集上进行测试。实验结果表明,该文所提模型的性能优于大多数其他方法,有效改善了目标物体大小变化造成的计数精度低的问题。     

基于STL格式三维医学模型的可视化研究

目的把STL文件格式应用到医学模型的存储,通过设定三维医学模型的不同部分的颜色以提升模型的三维可视化效果。方法针对STL文件格式表示人体解剖模型色彩单一的问题,对STL文件内容进行了修改:在三角形几何位置信息中加入了颜色信息,通过颜色信息来区分人体解剖模型不同组成部分之间的关系。在三维医学模型不同组成部分边界划分过程中,通过建立二维屏幕坐标与三维模型坐标之间的关系,把屏幕上划分的边界映射到三维模型上,并应用连接算法保证三维边界的封闭性,最后采用类种子填充算法,实现边界内区域的颜色填充。结果通过颜色区分后的医学模型能够更准确地描述模型的不同组成部分,有更好的三维可视化效果。结论边界划分与区域填充算法能够很好地实现三维模型的区域着色,经过改进后的STL文件能够有效地存储彩色的三维医学模型。     

定制化胫骨平台系统的构建及应用

为解决传统人工胫骨平台假体个体匹配性差，结构强度与生物活性难统一等问题，提出了定制化复合增强型人工胫骨平台系统的设计制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配，内含三维网状构架的复合假体模型，利用快速成型技术制造出假体的树脂原型，并分别通过精密铸造和粉末烧结技术制造出钛合金胫骨平台和大段多孔陶瓷人工骨。结果显示，该方法能快速而精确地制造出形状复杂的人工胫骨平台系统，是实现假体定制化制造的有利保证；通过将金属假体和多孔陶瓷人工骨复合，解决了载重部位大段骨缺损的修复问题。临床应用表明，该假体能与对侧关节匹配运动，通过将机械重建与生物重建相结合可实现受损关节的功能重建。     

三维动画技术在人体解剖学教学中的应用

人体解剖学传统的教学手段依靠板书、挂图进行教学,近年来随着计算机技术的兴起,多媒体进入了人体解剖学的教学课堂.基于人体解剖学知识的特点,人体解剖学教学与多媒体技术的结合在于可以用图片和动画来展现人体结构的特点.但目前多媒体所采用的图片和动画均为二维,对器官的立体结构以及内部交通情况难以展现.本课题采用三维建模软件3DMAX8.0对颅骨进行三维建模和动画制作,采用FLASH MX软件对动画进行编程,以.exe文件进行输出制作成课件.形象地重建出了颅骨三维模型并制作成功生动的演示动画,更好地展现了颅骨的立体形态以及内部的交通情况.为三维技术在人体解剖学教学中的应用打下良好的基础.     

一种断层图像间复杂轮廓的三维重建方法

提出了一种新的断层图像间复杂轮廓的三维重建方法。该方法基于空间距离、几何相似性和重建三维表面平滑性的准则,较好地解决了一对一和一对多分叉轮廓的匹配问题。在单轮廓匹配过程中,结合几何距离最近和双向最近邻相似准则,避免了其它算法中对阈值敏感的问题,提高了匹配的准确性和自动化程度。在一对多的分叉轮廓匹配中,区分不同的情况以进行不同的处理,得到了较满意的三维重建结果。     

Accurate calibration of a stereo-vision system in image-guided radiotherapy

Image-guided radiotherapy using a three-dimensional (3D) camera as the on-board surface imaging system requires precise and accurate registration of the 3D surface images in the treatment machine coordinate system. Two simple calibration methods, an analytical solution as three-point matching and a least-squares estimation method as multipoint registration, were introduced to correlate the stereo-vision surface imaging frame with the machine coordinate system. Both types of calibrations utilized 3D surface images of a calibration template placed on the top of the treatment couch. Image transformational parameters were derived from corresponding 3D marked points on the surface images to their given coordinates in the treatment room coordinate system. Our experimental results demonstrated that both methods had provided the desired calibration accuracy of 0.5 mm. The multipoint registration method is more robust particularly for noisy 3D surface images. Both calibration methods have been used as our weekly QA tools for a 3D image-guided radiotherapy system.     

Evaluation of two 3D virtual computer reconstructions for comparison of cleft lip and palate to normal fetal microanatomy

Cleft lip and palate reconstructive surgery requires thorough knowledge of normal and pathological labial, palatal, and velopharyngeal anatomy. This study compared two software algorithms and their 3D virtual anatomical reconstruction because exact 3D micromorphological reconstruction may improve learning, reveal spatial relationships, and provide data for mathematical modeling. Transverse and frontal serial sections of the midface of 18 fetal specimens (11th to 32nd gestational week) were used for two manual segmentation approaches. The first manual segmentation approach used bitmap images and either Windows-based or Mac-based SURFdriver commercial software that allowed manual contour matching, surface generation with average slice thickness, 3D triangulation, and real-time interactive virtual 3D reconstruction viewing. The second manual segmentation approach used tagged image format and platform-independent prototypical SeViSe software developed by one of the authors (F.W.). Distended or compressed structures were dynamically transformed. Registration was automatic but allowed manual correction, such as individual section thickness, surface generation, and interactive virtual 3D real-time viewing. SURFdriver permitted intuitive segmentation, easy manual offset correction, and the reconstruction showed complex spatial relationships in real time. However, frequent software crashes and erroneous landmarks appearing "out of the blue," requiring manual correction, were tedious. Individual section thickness, defined smoothing, and unlimited structure number could not be integrated. The reconstruction remained underdimensioned and not sufficiently accurate for this study's reconstruction problem. SeViSe permitted unlimited structure number, late addition of extra sections, and quantified smoothing and individual slice thickness; however, SeViSe required more elaborate work-up compared to SURFdriver, yet detailed and exact 3D reconstructions were created.     

生物组织连续切片图像的配准与三维显示

连续组织切片图像的的三维重建和显示，是一种重要的形态学研究方法，三维重建过程中，首先要对连续切片图像进行配准，本文首先介绍了作者提出的用于自动图像配准的分割一计数法，该方法通过对图像做简单的阈值分割，将优化的准则函数定义为图像的联合直方图特定区域上的计数值，大大加快了配准速度，然后将该方法用于小鼠胚胎的连续切片图像配准，得到空间上配准的三维数据场，为三维显示奠定了基础，最后给了一个初步的表面绘制结果。     

组织多普勒超声心脏图像的动态三维重建

传统的超声心脏图像三维重建技术只限于描述三维及动态三维解剖结构,不能对心脏动态功能做出准确有效的评价。本研究将建立组织多普勒超声心脏图像的动态三维重建方法,通过超声医学图像三维重建技术和组织多普勒超声成像技术的结合,重建心脏运动的动态三维加速度场,为心脏功能的准确评价提供一条新的途径。论文解决了加速度矢量场重建过程中关键的矢量插值和融合显像的问题,从组织多普勒加速度图像中分别重建心肌运动三维加速度场和三维解剖结构,并进行融合显像。试验结果证明了二者之间相对空间位置正确,该方法可以为心脏疾病的诊断和心脏功能的评价提供更多信息,在心脏靶点起搏和心内消融等领域有潜在的应用价值。     

Accurate localization of intracavitary brachytherapy applicators from 3D CT imaging studies

PURPOSE: To present an accurate method to identify the positions and orientations of intracavitary (ICT) brachytherapy applicators imaged in 3D CT scans, in support of Monte Carlo photon-transport simulations, enabling accurate dose modeling in the presence of applicator shielding and interapplicator attenuation. MATERIALS AND METHODS: The method consists of finding the transformation that maximizes the coincidence between the known 3D shapes of each applicator component (colpostats and tandem) with the volume defined by contours of the corresponding surface on each CT slice. We use this technique to localize Fletcher-Suit CT-compatible applicators for three cervix cancer patients using post-implant CT examinations (3 mm slice thickness and separation). Dose distributions in 1-to-1 registration with the underlying CT anatomy are derived from 3D Monte Carlo photon-transport simulations incorporating each applicator's internal geometry (source encapsulation, high-density shields, and applicator body) oriented in relation to the dose matrix according to the measured localization transformations. The precision and accuracy of our localization method are assessed using CT scans, in which the positions and orientations of dense rods and spheres (in a precision-machined phantom) were measured at various orientations relative to the gantry. RESULTS: Using this method, we register 3D Monte Carlo dose calculations directly onto post insertion patient CT studies. Using CT studies of a precisely machined phantom, the absolute accuracy of the method was found to be +/-0.2 mm in plane, and +/-0.3 mm in the axial direction while its precision was +/-0.2 mm in plane, and +/-0.2 mm axially. CONCLUSION: We have developed a novel, and accurate technique to localize intracavitary brachytherapy applicators in 3D CT imaging studies, which supports 3D dose planning involving detailed 3D Monte Carlo dose calculations, modeling source positions, shielding and interapplicator shielding, accurately.     

计算机辅助组织工程:概况、范围和挑战(第一部分)

计算机辅助技术结合生物学、工程学和信息科学在组织工程中应用已发展成一个崭新领域———计算机辅助组织工程(CATE)。这一新出现领域包括针对生物组织和器官替代物设计、仿真和制造的计算机辅助设计(CAD)、影像处理、建模的任意实体加工(SFF)和制造。本文就此领域的一些突出进展进行综述、介绍,尤其着重在计算机辅助组织建模、计算机辅助组织信息学和计算机辅助组织支架设计和加工三个方面。并特别从高分辨率非侵入性成像、基于影像的三维重建和基于CAD的组织模型重建技术的几个方面入手,对CATE建模发展的方法学进行了讨论。也将对组织工程中SFF技术的最新进展、生物蓝图模型对细胞及器官三维喷印的应用进行介绍。     

基于探针拾取点的膝关节表面重建

近邻点的正确选取是正确重建表面的前提。本文基于对膝关节导航手术中扫描数据的分析,得到扫描数据特征,利用这些特征寻找近邻点,生成局部切平面,建立有向距离场。再根据Delaunay三角剖分等相关理论,提取等值面,最后生成膝关节表面模型。本文工作为增强膝关节导航手术的操作性和可视化效果提供了有利工具。     

Three-dimensional measurement endoscope system with virtual rulers

Conventional endoscopic images do not provide quantitative 3-D information. We present an endoscope system that can measure the size and position of an object in real time. Our endoscope contains four laser beam sources and a camera. The procedural steps for 3-D measurements are as follows. First, to obtain the function that maps 2-D coordinates of an image point to its 3-D coordinates in 3-D space, we observe a standard chart with the endoscope lens and determine the correspondence between the image and object height. In addition to the mapping, this function can correct barrel-shaped distortion of endoscopic images. The system detects laser spots on an object surface automatically using a template matching method, and maps the 2-D coordinates of the laser spots to the 3-D coordinates by the triangulation method. Then the system calculates the magnification ratio on the object plane, which is perpendicular to the optical axis and passes the laser spot, so that the system can superimpose a ruler whose scale fits the 3-D coordinates of the object. Thus, physicians can measure the size and position of objects in real time on undistorted images similar to placing rulers on the surface of an organ.