虚拟内窥镜(Virtual Endoscopy,VE)是融合虚拟现实技术、计算机图形学技术、图像处理技术、科学计算可视化技术,以医学影像作为原始数据来模拟传统光学内窥镜的一种技术。是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它克服了传统光学内窥镜需把内窥镜体插入人体内的缺点,是一种非侵入型、完全无接触式的检查方法。虚拟内窥镜的研究旨在为医生提供诊断依据,还可应用于手术规划和医务人员的培训。 论文对虚拟内窥镜系统的主要关键技术进行了研究和探索,主要工作和创新如下: 1.研究了国内外关于虚拟内窥镜的实现技术,介绍了虚拟内窥镜的优点和特征,给出了虚拟内窥镜系统的技术构成,总结了虚拟内窥镜系统开发中图像预处理、图像分割、路径规划以及三维重建可视化等方面存在的主要技术难点。 2.在图像预处理阶段,采用图像校正、滤波、增强和插值等技术对CT和MRI断层图像进行预处理,提出了一种基于距离变换的断层图像轮廓插值算法,较好的消除了“台阶”现象,使插值后目标轮廓保持光滑。 3.在图像分割方面,分析了当前图像分割算法的优缺点以及适用条件,提出了一种基于简化Mumford-Shah模型的水平集图像分割算法,依靠具有图像全局性质的能量函数使演化曲线最终停留在目标的边界,对边界不连续或含有噪声的图像分割效果良好,对模糊图像具有较强的鲁棒性。 4.在路径规划方面,总结了中心路径的定义和特性,研究了目前主要的中心路径提取技术并进行了对比,实现了一种基于距离变换的中心路径提取算法,通过对三维数据场中离散体元进行距离编码完成中心路径的提取。另外,在研究中提出了利用元胞自动机模型进行虚拟内窥镜中心路径提取算法,利用元胞的演进进行中心路径搜索。 5.在三维重建和可视化技术方面,介绍了三维规则数据场中面绘制和体绘制代表算法的优缺点,提出了一种改进的动态体绘制算法,研究并实现了利用关键帧来生成动画和平滑动画的技术。在虚拟内窥镜系统中取得了良好的实验效果。 6.在虚拟人脑内窥镜系统中验证了算法的正确性和可行性,介绍了系统的主要技术构成,对以后研究工作中需要进一步深入研究的几个方面做了展望。