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简述超声医学超声图像轮廓波策略与其在相控HIFU治疗系统中运用

收藏本文 2024-03-31 点赞:33606 浏览:148845 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:近年来,相控高强度聚焦超声(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound)技术已经成为治疗超声的探讨热点。HIFU强度较高,为了避开损伤正常组织和提升治疗效率,必须提供治疗目标的精确位置。在目前超声图像引导的HIFU治疗系统中,超声图像由于受散斑噪声等降质因素影响分辨率较低,是达到HIFU精确治疗的障碍之一。另外,现在大部分已投入利用的HIFU系统未能充分考虑呼吸运动在治疗中造成的病灶等治疗目标的移位,也影响了HIFU的精确治疗。利用术中超声图像的实时处理达到通过体内标记来实时定位治疗目标,是提升临床治疗准确性与快速性的一种行之有效的策略。超声图像的预处理效果是定位准确的一个关键因素。本探讨将目前图像领域的新进展之一——轮廓波引入对超声图像的处理,通过对图像引导的关键技术的探讨推动相控HIFU精确治疗的进展。目前轮廓波在图像处理领域进展迅速,尤其对去噪、轮廓提取和纹理浅析等运用的探讨,都取得了相当的进展。轮廓波是小波在二维和高维数据处理的新进展,是多尺度几何浅析策略之一。本论文的探讨集中于轮廓波在超声图像处理运用的适应性改善上,包括图像变换域统计建模、超声图像散斑抑制、边缘曲线特点的检测,给出改善的适用于超声图像处理的轮廓波策略,主要内容如下:(1)对轮廓波变换的构造原理以及变换域系数的统计浅析与建模进行系统浅析,提出一种针对图像变换域统计特性的建模策略,对图像轮廓波域建模所依赖的广义高斯分布函数加以扩展和改善。由于传统的广义高斯分布函数对非对称、尖峰或严重拖尾等分布难于精确建模,本论文构建了非对称分段广义高斯函数(APGGF),并对其进行统计参数估计,以非对称分段特性实现对统计直方图的更精确拟合。在轮廓波变换域对医学超声图像统计建模,利用APGGF对超声图像轮廓波系数进行拟合,与广义高斯函数相比,逼近误差降低,提升了统计建模精度。(2)根据超声图像散斑噪声的一般模型,提出轮廓波域尺度自适应超声图像阈值去噪策略,通过对轮廓波域不同尺度不同子带系数进行阈值处理以实现对噪声分量的去除。同时,加入尺度子带自适应比例参数并给出经验计算公式,使之适于医学超声图像。(3)对超声图像中散斑噪声分布统计特性进行探讨,提出基于对噪声分量用Rayleigh分布建模的轮廓波域超声图像散斑噪声抑制策略,该策略在贝叶斯框架下利用Laplacian分布对轮廓波域信号分量建模,通过MAP准则推导出轮廓波系数的估算子,通过模拟图像与临床图像的实验与经典策略的比较,验证其性能的改善;由于广义Nakagami分布(GND)对散斑噪声的统计特性描述更具通用性,本论文提出一种基于GND的非同态轮廓波散斑抑制策略,并给出对GND几个退化模型的特例浅析,通过临床图像实验与前人策略进行比较验证了算法有效性及性能改善。这两种基于不同噪声统计模型的策略实现了有针对性的噪声滤除。(4)为实现相控HIFU治疗在术中对病灶的实时跟踪检测,本论文对超声图像中边缘轮廓等曲线特点检测和提取,并根据这些特点信息对呼吸运动影响下的器官病灶移位做实时检测和定位。本论文提出基于子带系数模极大值的轮廓波域医学超声图像边缘轮廓检测策略。该策略更有效的提取肿瘤状轮廓特点边缘和血管、脏器边界等曲线状特点边缘,而这些特点信息可以作为呼吸运动影响下的器官病灶移位的实时检测和定位的体内跟踪标记。由于轮廓波固有的对平滑边缘的稀疏表达,降低了运算复杂度。(5)根据相控HIFU治疗中治疗探头与成像探头的结合特点,提出利用术中超声成像,通过同轴旋转扫描实现治疗目标在三维治疗系统中的定位。通过术中超声图像处理与电子相控聚焦的治疗焦点转换移位的实时制约,实现超声成像系统到治疗系统的目标定位。关键词:高强度聚焦超声(HIFU)论文医学超声图像论文轮廓波浅析论文广义高斯分布(GGD)论文散斑噪声抑制论文边缘检测论文

    摘要3-5

    ABSTRACT5-7

    目录7-11

    第一章 绪论11-24

    1.1 高强度聚焦超声(HIFU)治疗11-13

    1.2 HIFU 治疗中的图像引导13-17

    1.2.1 国内 HIFU 治疗图像引导探讨近况13

    1.2.2 国外 HIFU 治疗图像引导探讨近况13-14

    1.2.3 相控 HIFU 系统中的实时跟踪治疗14-15

    1.2.4 本探讨 HIFU 治疗中的图像引导15-17

    1.3 轮廓波图像处理的探讨近况17-21

    1.3.1 轮廓波产生与进展18-19

    1.3.2 轮廓波的运用近况19-20

    1.3.3 轮廓波的探讨趋向20-21

    1.4 本论文探讨主要内容与结构安排21-24

    第二章 图像的轮廓波浅析24-42

    2.1 引言24-25

    2.2 以傅立叶浅析到小波浅析25-26

    2.3 以小波到 X-let26-29

    2.4 轮廓波变换29-35

    2.4.1 拉普拉斯金字塔多尺度分解29-30

    2.4.2 方向滤波器组多方向分解30-34

    2.4.3 轮廓波多尺度方向分解34-35

    2.5 轮廓波系数统计特性35-41

    2.5.1 轮廓波广义邻居系数35-36

    2.5.2 边缘统计特性36-37

    2.5.3 联合统计特性37-39

    2.5.4 图像轮廓波域隐马尔科夫树模型39-41

    2.6 本章小结41-42

    第三章 轮廓波域超声图像统计建模42-64

    3.1 引言42-43

    3.2 指数衰减函数43-46

    3.3 构建灵活的广义高斯函数——非对称广义高斯函数(AGGF)46-47

    3.4 构建非对称分段广义高斯函数 I(APGGF I)47-49

    3.5 构建非对称分段广义高斯函数 II(APGGF II)49-52

    3.6 参数确定和图像统计建模52-56

    3.7 APGGF 对超声图像的轮廓波系数拟合56-63

    3.8 本章小结63-64

    第四章 轮廓波域超声图像尺度自适应阈值去噪64-83

    4.1 引言64-65

    4.2 超声图像噪声模型65-66

    4.3 尺度自适应阈值去噪策略66-73

    4.3.1 非线性阈值函数66-68

    4.3.2 轮廓波自适应阈值68-72

    4.3.3 尺度比例参数72-73

    4.3.4 基于轮廓波紧邻系数的方差估计73

    4.4 实验结果与讨论73-81

    4.4.1 模拟图像实验74-77

    4.4.2 临床图像实验77-81

    4.5 本章小结81-83

    第五章 基于散斑特性的轮廓波超声图像噪声抑制83-101

    5.1 引言83

    5.2 散斑噪声分布统计特性83-85

    5.2.1 Rayleigh 模型84

    5.2.2 Nakagami 模型84-85

    5.2.3 广义 Nakagami 分布(GND)模型85

    5.3 基于 Rayleigh 分布的轮廓波散斑抑制策略85-92

    5.3.1 Laplacian 先验 MAP 准则估算函数85-87

    5.3.2 参数估计87-88

    5.3.3 均值偏移纠正88

    5.3.4 实验结果88-92

    5.4 基于广义 Nakagami 分布的非同态轮廓波散斑抑制策略92-100

    5.4.1 Bayes 框架收缩函数93-95

    5.4.2 GND 模型特例浅析95-97

    5.4.3 参数估计97-98

    5.4.4 实验结果98-100

    5.5 本章小结100-101

    第六章 基于轮廓波的医学超声图像边缘检测策略101-116

    6.1 引言101

    6.2 经典的边缘检测策略101-105

    6.3 图像的轮廓波非线性逼近105-109

    6.4 轮廓波域模极大边缘检测109-110

    6.5 算法流程110-111

    6.6 实验结果与讨论111-115

    6.6.1 模拟图像实验111-112

    6.6.2 临床图像实验112-115

    6.7 本章小结115-116

    第七章 HIFU 术中呼吸运动影响下的跟踪116-130

    7.1 引言116

    7.2 呼吸运动对 HIFU 治疗的影响116-118

    7.3 呼吸运动制约技术118-119

    7.4 相控 HIFU 手术中的跟踪治疗119-123

    7.4.1 相控 HIFU 术中超声图像处理120-121

    7.4.2 电子相控聚焦121-123

    7.5 图像系统与治疗系统之间的空间映射123-129

    7.5.1 HIFU 治疗系统的术中三维超声成像123-125

    7.5.2 三维图像空间与治疗系统空间的转换125-129

    7.6 本章小结129-130

    第八章 总结与展望130-132

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