半岛BOB医学动态图象分析

　　半岛BOB东南大学硕士学位论文医学动态图象分析姓名：****学位级别：硕士专业：医学图像处理指导教师：**忠;罗立民2001.4.1东南大学硕士研究生论文摘要心脏是人体的重要器官，它的运动与其功能紧密相关，因此在心脏疾病的诊断中，对心脏的运动分析是十分必要的。现代医学成象技术为医生在心脏的整体解剖结构和功能（动态）结构等方面提供了全局性信息。本文的工作就是利用计算机视觉中的运动分析方法，结合心脏动态特征的临床知识对医学动态图象（超声心动图和心血管造影图）进行定量的分析，为医生诊断和分析心血管疾病提供了一个有效的工具和途径。／‘体文的主要工作包括：１）我们实现了多种特征提取手段，主要包括预处理、梯度能量分离、小波、矩方法，其中矩方法是我们工作研究的重点，我们对Ｚｅｍｉｋｅ矩和Ｃｏｍｐｌｅｘ矩进行了系统的讨论。矩方法具有良好的特性，但普遍具有较慢的计算速度，为解决这一问题半岛BOB，我们提出了一种快速算法。我们还将矩方法应用到了字符识别、重建、感兴趣区域提取、边缘检测等领２）我们实现了多种二维运动场模型，并进行了定量的评估，从光流场方程中我们引出３＂－－－种新算法，实践证明，得出的结果是比较好的。另外，我们特别强调了芷则化的重要性，并针对两种实验对象，施以了不同的正则化处理。由于动态图象分析中的光流场求解要用到大量的优化算法来解决不确定问题，我们还要在此介绍几种主要的算法。３）实现了两种较为成熟的系统：心脏运动分析系统和血流分析系统，并介绍了其背景、原理以及实现方法。本文课题来源于国家自然科学基金项目“医学动态图象分析”（６９５７２０１２）嚣学动槲Ｍｅｄｉ象分ｃａｌｉＭｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ丫东南大学硕士研究生论文医学动态图象分析Ｄ”ａｍｉｃＭｅｄｉｃａＩｉｍａｇｅａｎａｌｙＳｉｓ东南大学硕士研究生论文ＡｂｓｔｒａｃｔＨｅａｒｔｉｓａｖｉｔａｌｏｒｇａｎｉｎｈｕｍａｎｂｏｄｙＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｈｅａｒｔ’ｓｆｉｍｃｔｉｏｎｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｉｔｓｍｏｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎａｌｏｔｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｉｔｓｋｉｎｅｔｉｃｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｈｅａｒｔｄｉｓｅａｓｅｓ。Ｗｉｔｈｔｈｅｑｕｉｃｋｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｉｔｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｄｏｃｔｏｒｓｇｌｏｂａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃａｒｄｉａｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｃａｒｒｉｅｓｏｕｔａｓｔｕｄｙｏｎｍｏｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｍａｉｎｌｙｏｎｃａｒｄｉａｃｗａｌｌａｎｄｃｏｒｏｎａｒｙｖｅｓｓｅｌ，丽ｔＩｌｍｏｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎ．Ｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｌｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：１）Ｗｅｈａｖｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｓｅｖｅｒａｌｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｒｔｉｆｉｃｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｅｎｅｒｇｙｄｅｔａｃｈｉｎｇ，ｗａｖｅｌｅｔ，ｍｏｍｅｎｔｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄｓ．ＥｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｅｄｉｓｃｕｓｓＺｅｍｉｋｅｍｏｍｅｎｔａｎｄＣｏｍｐｌｅｘｍｏｍｅｎｔｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｍｏｍｅｎｔｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄｈａｖｅｇｏｏｄｐｒｏｐｅｒｔｙｔｈｅｙａｌｅｕｓｕａｌｌｙｔｉｍｅｃｏｓｔｉｎｇ，ＳＯｗｅｈａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｆａｓｔａｉｇｏｒｉｔｈｍｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｏｆＺｅ２＂／ｌｉｋｅｍｏｍｅｎｔ．Ｗｅａｌｓｏａｐｐｌｙｍｏｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓｅａｒｃｈｉｎｇｒｅｇｉｏｎｉｎｔｅｒｅｓｔ半岛BOB，ｅｄｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．２）Ｗｅｈａｖｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｓｅｖｅｒａｌ２Ｄｍｏｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄｇｉｖｅｎｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｔｏｅａｃｈｏｆｔｈｅｍ．Ｗｅａｌｓｏｄｅｒｉｖｅｄｔｈｒｅｅｎｅｗａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｒｎｍｏｐｔｉｃａｌｆｌｏｗｅｑｕａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｄｉｔｓｖａｌｉｄｉｔｙ．Ｗｅｗｉｌｌａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｉｎ虹ｏｄｕｃｅｓｏｍｅｏｐｔｉｍｉｚｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ．３）Ｗｅｈａｖｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｗｏｓｙｓｔｅｍｓ：ＨｅａｒｔｍｏｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍａｎｄＢｌｏｏｄｆｌｏｗａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｅｓｉｓ，ｗｅｗｉｌｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｉｒｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｍｅｔｈｏｄ．医学动态图象分析ＤｙｎａｍｉｃＭｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄａｔｉｏｎ．（Ｃｏｄｅ：６９５７０１２）医学动态图象分析ＤｙｎａｍｉｃＭｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ东南大学硕士研究生论文第一章绪论１．１课题背景及研究意义１．１．１计算机视觉（ＣｏｍｐｕｔｅｒＶｉｓｉｏｎ）技术“看见”指的是什么意思？普通人（以及亚里士多德）对这个问题的回答是：通过观看，认知有什么东西在什么地方。换言之，视觉乃是一种处理过程（ｐｒｏｃｅｓｓ），是要从图象中发现外部世界中有什么东西，他们在什么地方。因此，视觉首先是一个信息处理任务。但是我们认为视觉和处理并不完全相同。因为如果我们能够认知外部世界中有什么东西在什么地方，那么人脑就必须以某种方式表象（ｒｃｐｒｃｓｅｎｔａｔｉｎｇ）这种信息～一在绚丽的色彩、多种多样的形状、美感、运动半岛BOB、细节等所有各个方面表象这种信息。所以视觉研究不仅必须探讨我们是如何从图象中提取对我们有用的外部世界的各个方面的，而且还必须探讨内部的表象性质，因为正是借助于这种内部表象，我们才能把握这种信息，并使之成为我们思想和行为决策的基础。表象和信息处理这一双重性质，乃是大多数信息处理任务的核心所在，并深刻地影响着我们对视觉提出的特殊问题所进行的研计算机视觉研究的对象之一是如何利用二维投影图象’恢复三维景物世界。计算机视觉使用的理论方法主要是基于几何、概率和运动学计算与三维重构的计算视觉理论，它的基础包括射影几何学、刚体运动力学，概率论与随机过程、图象处理、人工智能等理论。计算机视觉要达到的基本目的至少有三个：１．根据一幅或多幅二维投影图象计算出观察点到目标物体的距离：２．根据一幅或多幅二维投影图象计算出目标物体的运动参数；３．根据一幅或多幅二维投影图象计算出目标物体的表面物理特性。…句话柬概括：计算机视觉的最终目的是实现对三维景物世界的理解。 医学动态图象分析 Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ 东南大学硕士研究生论文 １．１．Ｉ．１计算机视觉研究的特点 计算机视觉的研究中主要存在以下特点： 首先是多学科的交叉与结合，主要涉及的相关学科如图１．１所示。视觉是一 个涉及生理心理的复杂过程，不仅仅和眼睛有关，还和大脑的推理、学习有关。 研究计算机视觉的目的是要实现对人类视觉的模拟和延伸。采用形式化的学习方 法研究视觉问题除了涉及生理、心理之外还需要光学以及相应的数学理论支持， 此外计算机几乎是目前实现人工智能的唯一工具，这一领域的支持更是极其重要 的半岛BOB，这也是这一领域称为计算机视觉的重要原因。对于人类而言。视觉是一个轻 而易举的功能，但对于机器却并非易事。其原因之一在于人们从生理上对动物特 别是人类视觉的研究并不深入。在生理学方面，现有的结果多是零散的、片段的， 尽管生理学的研究越来越向细胞水平甚至分子水平发展，但对知觉活动的整体性 理解却仍然处在非常初级的阶段。视知觉在很大的程度上还受心理因素的支配， 现代心理学研究的主要方法不外乎以下几类：观察法、个例研究法、调查法和实 验法。对于视觉的研究在很大程度上是内省式的，视觉过程很难用类似于问题求 解的方法符号化。 医学动态图象分析 ＤｙｎａｍｉｃＭｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ 东南大学硕士研究生论文 图１．１ 计算机视觉与相关学科的关系 其次在计算机视觉研究领域中绝大多数问题都是病态的，存在着诸多不确定 性因素。由于视觉问题是成象过程的逆过程，成象是从三维向二维投影的过程， 因而在这个过程中会把深度信息丢失，同时诸如光照、材料特性、朝向、距离等 信息都反映成唯一的测量值…一灰度，因而要从这唯一的测量值恢复上述一个或 几个反映物体本质特征的参数是一个病态的（ｉＵ－ｐｏｓｅｄ）过程。不仅如此，成象 中由ｊ＝大气扰动、镜头因素、传感器噪声、传输噪声以及量化噪声等的干扰，都 会产生失真，这些干扰多具有随机性。对于这些病态性问题，通常的处理方法之 一是通过引入约束构成正则化问题，转化为优化问题；另一类常见处理方法是利 用Ｇｉｂｂｓ分布将问题转化为对分布或参数的估计。 计算机视觉研究的第三个特点是一个相对完备的视觉系统同时也是一个知 识管理系统。在视觉过程中对一幅图象的理解需要大量的关于任务领域的知识， 这些知识不同于问题求解中的知识可以明确的显式表示，而且人类获取信息的 ８０％是通过视觉得到的，因而这些知识涉及面之广难以预测。因此视觉系统中的 知识管理是一个重要的问题。［２】 １．１．１．２计算机视觉的应用 精确制导 现在常用的精确制导方法包括激光制导、电视制导和图象制导半岛BOB，在导弹系统 中常常将惯性制导和图象制导相结合，利用图象进行精确的末制导。由于可见光 图象受光照条件等的影响，因此在图象制导中常采用多谱段图象或根据不同的光 照条件采用不同的图象。典型的采用地图匹配技术的导弹有美国的战斧、潘兴 ＩＩ等。 医疗辅助诊断： 从严格意义上说，在引入现代医疗仪器之前，医学基本上不能称为科学，传 医学动态图象分析 ＤｙｎａｍｉｃＭｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ 东南大学硕士研究生论文 统的医疗诊断靠的是经验。事实上即使在今天中医也基本上依靠经验。这样就带 来两方面的问题，一是医生的训练无法科学化，二是诊断的结果加入了较多的人 为因素。现代医疗仪器的使用在一定程度上解决了这两方面的问题，但仪器除了 直接提供数据外，几乎不能进行任何自动分析工作，很多仪器如Ｘ光机、ＣＴ、 Ｂ超、各种显微诊断设备等提供的都是图象，这样诊断的结论又再一次依赖于读 者的经验。利用计算机视觉技术可以减少这种人为因素的影响。现在医疗图象的 辅助诊断系统已经在早期疾病诊断方面起到了非常重要的作用，同时医学图象处 理近年来也成为计算机视觉领域中的重要研究方向。 智能人机接口： 现在计算机与人的交流还是机械式的，计算机无法识别用户的真实身份（从 严格意义上讲口令并不代表实际的用户身份），除了键盘、鼠标外的其他的输入 手段还不成熟。利用计算机视觉技术可以使计算机检测到用户是否存在、鉴别用 户身份、识别用户的体势（如点头、摇头等）。此外这种人机交互方式还可以推 广到一切需要人和机器交互的场合，如入口安全控制、过境人员的验放等。 １．１．２医学动态图象分析技术 向人体器官发射超声波，并检测其回波（从器官上反射回来的回声信号）来 检查及诊断器官疾病的方法称为超声诊断，所使用的仪器统称为超声诊断仪。超 声诊断起源于工业上的超声探伤。自２０世纪７０年代以来，超声诊断技术在我国 迅速发展，日趋普及，并取得了令人瞩目的成就。多普勒超声、介入性超声、经 食道超声和术中超声等技术的新进展，不仅为临床提供了可靠的诊断信息，而且 还用于指导临床治疗。超声心动图（ｈｅａｒｔ－ｅｃｈｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈ）提供了实时显示心脏 的可能性，为医生对心脏的整体解剖结构和功能（动态）结构提供了全局性信息。 ｘ线高速造影（Ｃｉｎｅａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ）则提供了心血管的解剖形态和动态功能信息。 这些动态图象的常规使用缺少定量分析，如对形态和动态特性参数的测量和定量