Исследование, разработка и аппаратная реализация методов и алгоритмов построения трёхмерных изображений по непараллельным сечениям

• Автор: Чжао Цзюньцай
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 178 с. : ил.

Оглавление
1 Введение

Глава 1. Современное состояние УЗсистем и развитие обработки

трехмерных изображений на базе ПЛИС.

1.1 Общие положения УЗсистемы.

1.1.1 Краткие сведения о применении ультразвука в медицине

1 1

1.1.2 Необходимость 3мерной ультразвуковой диагностики

1.1.3 Состояние развития трехмерной ультразвуковой системы

I 1.1.4 Достижения в области обработки 3мерных изображений

1.2 Аппаратные решения на базе ПЛИС.

1.2.1 Преимущества аппаратной реализации
1.2.2 Новейшие достижения ПЛИС
1.2.3 Средства разработки проектов на ПЛИС
1.2.4 Проектирование на базе системы на кристалле Б ОС
1.2.5 Программирование ПЛИС на базе языков высокого уровня
1.3 Анализ задач обработки медицинских изображений
1.3.1 Предобработка данных и изображений
1.3.2 Заполнение пустот.
1.3.3 Визуализация трехмерных изображений.
1.4 Структура аппаратуры
1.4.1 Вводное устройство данных.
1.4.2 Вводное устройство команд.
1.4.3 Аппаратная часть обработки изображений
1.5 Выводы
Глава 2. Исследование, разработка и аппаратная реализация алгоритмов
, предобработки медицинских изображений при УЗИ.
2.1 Генерация сечений исследуемых объектов
2.1.1 Состав исследованных объектов.
2.1.2 Контрастирование исходных изображений.
5 2.1.3 Способ сканирования.
2.1.4 Моделирование этапов обработки трехмерных изображений
2.2 Получение УЗсечений и вычисление затухания.
2.2.1 Математическая модель распространения ультразвука.
2.2.2 Реализация алгоритма вычисления затухания.
2.2.3 Результаты исполнения.
2.3 Алгоритм Я0 интерполяции.
2.3.1 Математическое описание алгоритма.
2.3.2 Аппаратная реализация алгоритма Я0 интерполяции
2.3.3 Результаты исполнения.
2.4 Пространственное преобразование координат.
2.4.1 Системы координат.
2.4.2 Математическое описание преобразования
2.4.3 Аппаратная реализация пространстветого преобразования .
2.4.4 Аппаратная реализация тригонометрических функций
2.5 Выводы
Глава 3. Разработка метода и аппаратная реализация алгоритма заполнения пустот в трехмерном изображении
3.1 Разработка метода заполнения пустот.
3.1.1 Предварительный анализ вычислительной сложности известных методов.
3.1.2 Теоретическое описание нового метода заполнения пустот
3.1.3 Октантное дерево
3.1.4 Аппаратная реализация метода заполнения пустот
3.2 Анализ результатов алгоритма и оценка точности
3.2.1 Метод оценки точности.
3.2.2 Вычисление ошибок алгоритма заполнения пустот.
3.2.3 Аппаратная реализация алгоритма.
3.2.4 Анализ времени выполнения и аппаратных затрат на реализации алгоритма
3.3 Выводы
Глава 4. Разработка и аппаратная реализация алгоритма визуализации трехмерных изображений
4.1 Описания алгоритма визуализации.
4.1.1 Триангуляция
4.1.2 Принципы визуализации трехмерных объектов.
4.1.3 Модификация алгоритма и программная реализация
4.1.4 Модель освещения и закрашивание
4.2 Аппаратная реализация алгоритма визуализации.
4.2.1 Общая архитектура и функционирование устройства визуализации.
4.2.2 Описание аппаратной части устройства реализации алгоритма
4.3 Результаты исполнения алгоритма визуализации.
4.3.1 Выбор размера сетки разрешение алгоритма визуализации.
4.3.2 Сравнение программной и аппаратной реализации алгоритма визуализации
4.4 Методы аппаратной реализации алгоритмов обработки 3 изображений.
4.4.1 Использование Iядер.
4.4.2 Выбор микросхемы для обработки 3мерных изображений.
4.4.3 Реализация более сложных алгоритмов.
4.5 Выводы
Заключение
Список литературы


С одной стороны, традиционная двухмерная ультразвуковая диагностика дает возможность показать сечения внутренних органов человека. С другой стороны, двухмерные изображения, отличающиеся плохой контрастностью и отсутствием какой-либо информации о глубине объектов, уже не могут удовлетворить требованиям современных клиник. Таким образом, слежение за развитием здоровья больных становится трудным и не точным. Хотя врач может зрительно анализировать изображения отдельных сечений объекта, полученных при ультразвуковом обследовании, но в связи с предыдущими недостатками двухмерной диагностики для некоторых клинических задач, подобных хирургическому планированию, необходимо понимать 3-мерному структуру во всей ее сложности и видеть дефекты [1]. Поэтому в области медицины во многих случаях чрезвычайно важно видеть трехмерные изображения человеческих органов. Для того чтобы преодолеть недостатки двухмерных УЗ-приборов, много коммерческих фирм уделяет большое внимание разработке 3-мерной ультразвуковой системы. В настоящий момент на международном рынке ультразвукового оборудования господствующее место занимают такие компании, как Siemens Medical Systems (Германия), Philips Medical Systems (Нидерланды), General Electric Medical Systems (США), Aloka Medical Corp (Япония), Спектромед и Росбиомёдика (Россия), Toshiba Medical Systems (Япония) и т. Они обладают многолетним опытом в этой области и выпускают множество типов ультразвукового оборудования большого размера. В таблице 1. Таблица 1. Глубина просмотра, мм до 0 0 — — . Габаритные размеры, см 4х8х x0x — ,5xx 0. Масса, кг 2. Потребляемая мощность, ВЛ 5. Частота излучения, МГц 7-4; -5; -5 3,5. Ширина сканирования, мм . Ориентировочная цена, тыс. Примечание: данные в таблице взяты из статистического доклада Всемирной Организации Здравоохранения за год. Оборудование этих компаний обеспечивает самый передовой уровень ультразвуковой диагностики. Тем не менее, являются очевидными и недостатки: высокая стоимость и большой размер. Эти факторы сильно ограничивают их применение в медицинской практике. Безусловно, что использование более легкого, экономичного и удобного прибора, который могут доставить к постели пациента в любом отделении госпиталя, установить в необходимом месте, имеет большое преимущество. В последние годы некоторые компании начали разрабатывать портативные УЗ-приборы. Ее система SonoSite-0 PLUS весит всего 2,6 кг, и позволяет получать качественные медицинские диагностические изображения []. Необычайная портативность ручных УЗ-систем в сочетании с качественными изображениями, не уступающими системам ' большого размера, делает их особенно привлекательными там, где требуется незамедлительно принимать решения в условиях жестких пространственных и временных ограничений - в неотложной медицине [, ]. Тем не менее, в настоящее время портативные УЗ-приборы и оборудование большого размера не могут быть заменены друг другом. У них свои преимущества и недостатки. Как правило, имеет смысл использовать портативный ультразвуковой прибор для срочных обследований, а оборудование большого размера - при необходимости проведения более тщательных обследований. Кроме коммерческих фирм, много научно-исследовательских групп также уделяет большое внимание исследованию й разработке методов обработки трехмерных изображений. Самыми известными и популярными инструментами обработки медицинских изображений являются VTK (Visualization ToolKit) и ITK (Insight Segmentation and Registration ToolKit) [], с помощью которых можно быстро произвести разработку УЗ-диагностических приборов. VTK - мощная программная система, в которой реализуется множество алгоритмов обработки 2-мсрной и 3-мерной графики и изображений. В ней есть универсальная библиотека классов на языке C++ и имеется интерфейс с языками Python, Java. Графическая модель, положенная в основу VTK, является высокоуровневой абстракцией OpenGL []. Стоит упомянуть, что это инструмент не специально для медицинских изображений, а универсальный набор для визуализации 3-мсрных изображений во всех областях.