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4.2 基于B样条的曲线拟合 (28)
4.3 采用神经网络(NN)进行三维重建 (29)
4.4 实验结果 (37)
4.5 本章小结 (40)
5 基于snake模型的三维重建技术
5.1 活动轮廓模型Snake (41)
5.2 Snake模型初始化 (42)
5.3 三维重建 (47)
5.4 实验结果 (53)
5.5 本章小结 (58)
6 全文总结
6.1 论文的主要研究内容 (60)
6.2 论文的特 (61)
6.3 需要进一步研究的工作 (61)
致谢 (63)
参考文献 (64)
附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录 (69)
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1 绪论
1.1 课题背景
本课题以国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“重要临床医学信息处理的关键科学问题研究”的
子课题“数字减影血管减影智能分析与三维重建”为背景，重点研究双平面血管造影图像的三维重建问题。 数字减影血管造影技术（Digital Subtraction Angiography，简称DSA）是一种使X射线序列图片中的血管可视化的强大的技术，在临床已应用20多年，是血管疾病无创诊断与介入手术导航的重要依据，广泛应用于X射线序列成像中的血管的可视化系统中[1~2]。DSA技术在图像质量、判断血流方向和优势供血等方面是其他检查手段所不能比拟的。但是由于受成像设备照射方位的限制，DSA效果只能是二维的，这对临床诊治带来极大困难。由一般DSA设备获取患者的准三维DSA图像，在三维血管系统解剖学模型的指导下，实现血管系统的真三维重建是解决该问题的有效途径。研究增强现实显示技术，将重建的三维图象叠加到病人的病灶上，有利于病情的定量描述和诊断，是基于三维DSA图像处理的手术导航的关键技术，因而具有很好的临床意义和很高的应用价值 1.2 血管造影技术的基本原理和应用
数字减影血管造影术[1]是医学影像学中继X线CT之后，电子计算机与常规X 线血管造影相结合的一项新技术。关于DSA的发展过程，还需回顾血管造影术的历史。1895年11月8日，伦琴发现了X射线，几个星期后，两位奥地利医生就进行了动脉血管造影尝试。1923年，德国医生将造影剂注入血管内，成功地利用X射线实施了人体四肢动静脉造影。到了70年代，随着计算机技术、电视技术、影像增强技
黄光制程术的发展，美国威斯康星大学的密斯特塔等人采用模拟存储装置，应用时间和碘剂K-缘能量减影法，可从电视透视影像中分辨出很低的碘剂信号，显著地提高了造影效果，1978年，研究者设计了数字式视频图像处理器，用电子扫描将图像以数字形式存储起来。1980年，DSA由美国威斯康星大学的Mistretta小组和亚利桑纳大学
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的Nadelman小组首先研制成功并投入临床使用。从此，医学界寻侵入性小，简便安全、影像清晰的血管造影方法的愿望终于得以实现。此后，DSA得到了进一步研究，在机器性能、成像方式、方法和速度，图像的存取、处理与显示，组织器官的形态和功能的定性分析，自动化和智能化程度等方面都取得了明显的进展。近年来，DSA宏观的发展趋势是向专用化转变，即单向C型臂系统用于全身的血管造影与介入放射学，双向C型臂系统则用于心脏和大血管检查。
血管造影术的基本原理是将含有机化合物在X线照射下透明的造影剂快速注入血流，将血管在X线照射下显影，同时有快速摄片，电视摄影或磁带录像等方法，将血管腔的显影过程拍摄下来，从显影的结果可以看到含有造影剂的血液流动顺序，以及血管充盈情况，从而了解血管的生理和解剖的变化，并以造影剂排出的路径及快、慢推断有无异常通道和血液动力学改变，在血管疾患的临床诊断中，具有十分重要的意义。如果将注入造影剂前后拍摄的两帧X线图像经数字化输入图像计算机，通过减影、
平压平自动模切机增强和再成像过程来获得清晰的纯血管影像，就是数字减影血管造影术，由于心脏本身的运动会导致减影过程出现较大误差，所以心血管造影术通常是未将心血管造影图像减影的。
模杯血管造影术目前已广泛用于临床，主要用于血管疾病的诊断、疗效的观察，如：脑部血管系统造影：主要用于脑血管疾病诊断；颅内占位病变定位诊断；脑内肿瘤定位及定性诊断；外伤性颅内血肿；术后观察；以及颅骨、头皮、眼及颜面部疾病的诊断。严重动脉硬化；心肾功能不良等。
呼吸系统造影：胸部的动脉或静脉造影，有助于肺部疾病的诊断，包括肺动脉造影、主动脉造影、支气管动脉造影、上腔静脉造影、奇静脉造影。还可通过支气管动脉造影，观察各种类型的肺部肿瘤，观察其血管网。
心血管系统造影：心血管造影的日的主要是进一步肯定诊断，详细了解病变的解剖和功能变异，为外科手术作难备。可检查主动脉瓣关闭不全，主动脉与肺动脉、右心等处的异常交通，血栓和纵隔肿瘤，左心房肿瘤等病变。其中，冠脉造影广泛应用于诊断、评价冠心病，选择冠脉的介入和手术，可以明确冠脉病变，显示动脉粥样硬化以及冠脉狭窄等。
腹部血管系统造影：腹主动脉及其主要干支如肾动脉、腹腔动脉及其属支，肠系膜上及其肠系膜下动脉等在血管造影检查中均能很好地显示。目前，腹部血管的血管造影检查中，应用最广泛的是肝、肾动脉造影。
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四肢血管系统造影：血管造影可以诊断四肢动脉及其干支的狭窄和闭塞，也可用于显示动脉瘤、动脉畸形。在介入放射学中，能实时显示导管或导丝在血管内推进的情况，并清楚地观察其与血管的关系，使其头部的定位更为精确，因而能加速选择性或超选择性插管的操作。也有助于各种介入性操作，如出血病灶和畸形血管的栓塞，肿瘤血管的栓塞或局部注入化学药物，采用气囊导管对狭窄的血管施行腔内成形术等。
1.3 血管造影图像的三维重建技术
利用造影图像实现血管三维重建是指根据多幅不同角度（体位）二维血管图像重建血管的三维模型。在此基础上可进一步研究血管狭窄病变和血管生理结构等。血管的三维重建可以应用于很多方面，例如，它可以被显示以得到血管拓扑结构的现实表达；除了作显示用，它还可以计算不可直接由二维造影图像得到的空间血管参数，还可以估计主要取决于血管的绝对大小、形状和长度而非百分率器官狭窄的血管动力学参数，这是有很高的诊断重要性的；同时，血管段的三维结构是对冠状动脉疾病的完整估计的先决条件。当然，只有这些视觉化问题得以成功解决方能最优化地实施导管介入术。 目前关于血管造影图像血管三维重建的研究进展大致分为如下几方面：家具附件
彩灯控制电路DSA造影成像可以分为单平面和多平面成像，文献[2]中，一种基于单平面成像系统中的运动和多视点的方法被提出。心脏模型的运动转换仅仅由旋转和缩放组成。通过结合参考中心的方法和中心坐标的初始深度，得到血管树的三维中轴。但是在心脏收缩或者舒张期之间通常包括五种运动，所用到的简单的心脏模型的运动不足以代表心脏的真实运动。对于心脏造影图像研究得较为广泛的是基于双平面的两个视点的重建。许多由双平面投影数据重建三维动脉血管的方法被提出[3]-[9]。这些方法是基于已知或者标准的X射线成像几何，或者预先确定的血管形状以及对两个或多个视点中匹配的结构的迭代确认而实现的。
对于重建较为重要的参数主要分为内部参数和外部参数[10]。外部参数由旋转矩阵R和平移矩阵t定义，它们表示了坐标系与坐标系之间或者相机与相机之间的相对位置。内部参数定义为标定矩阵参数，标定矩阵表示了独立的坐标系在三维空间中的绝对位置。
从三维重建的已知参数类别来划分，匹配图像对进行三维重建的方法一般分为
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三类[11]：
（1）系统的内部，外部参数已知
（2）只有内部参数已知
连锁系统（3）没有参数已知
其中研究重点是情况（1）和情况（3）。
在情况（1）中，若系统的内部，外部参数均已知，三维重建是非常直观的，重点在于寻物体上每一点在两幅投影图像上的对应点。
若只有内部参数已知，文献[11][12]给出了解答。第一步需要估计本质矩阵的参数，接下来，到归一化的平移矩阵。最后，由归一化的基本矩阵和平移矩阵得到旋转矩阵。
第三种情况，内部外部参数都未知，只知道个别几何参数。文献[13]-[21]中提出一种基于线性方法的双平面重建的封闭解的方法，这是重建中一个十分重要的进展。他需要八点或者五点来完成重建，能够产生一个可能的直接解，并且回答了解的唯一性问题。虽然目前从未受到噪声影响的数据中进行三维重建的数学方法已经得到很好的理解，但是由于通常实际数据会受到噪声或者误差的干扰，一个重要的问题是如何从受噪声干扰的数据中寻最佳解。同时，如果投影的二维图像的数据中有超过一个像素的误差，这些基于线形方法的求解都不会得到准确的结果。这样，优化估计得以明确研究。大部分的优化技术都采用了基于最小均方误差的迭代算法。文献[22]-[27]中，提出一种基于最大可能性和
最小误差估计的两步方法来做对三维结构的优化估计。线性算法所计算出的结果被用来做优化估计过程的初始估计。然而如果初始估计不够好，初始化过程会陷入局部最小值。同时需要八对点，并且如果图像误差在两个像素之上，不能保证收敛于全局最优解。在文献[27]中利用系统参数最小化两幅图像点误差提出了一种新的优化技术，只需在两幅图上到五对或者更多的对应点，一种非线性的优化技术被用来得到决定一幅成像系统相对于另一幅成像系统的位置和方向的参数的优化。综上所述这些自底向上的方法不能解决当图像数据出现模糊性比如，血管分叉，相交点也不能解决当图像上的对应点缺乏精度时的问题。
由于血管遮挡和透视缩短，需要多视点投影来充分估计由动脉X线摄影法得到的血管树，只有这些视觉化问题得以成功解决方能最优化地实施导管介入术。传统的重建方法提供多个可选的视点，根据二维投影来最小化遮挡和透视缩短问题。
从基于先验知识的类别划分：三维重建可分为自底向上和自顶向下的方法：
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