体数据中物体间关系描述及其在医学图像分析中的应用

摘要

体绘制作为一个强大的解释和分析体数据的工具，近年来成为数据分析领域的研究热点并具有广泛的应用价值。传统的体数据分析过程把体绘制主要作为绘制工具可视地表示物体以增强理解。但是，体数据中不同的物体之间存在不同的结构关系，如隐藏关系、拓扑关系等，这些结构关系也是影响用户理解体数据的重要特征。本文从分析体数据中物体之间关系入手，提出一个有效的体绘制应当定义一个从数据到绘制的映射，以便于数据中物体之间的每种关系映射到绘制空间。然后提出描述体数据中物体之间典型结构关系的体绘制方法。在绘制空间对物体之间的不同关系的描述增强了用户对体数据的理解，并拓展了体绘制在体数据分析中的功能，如作为搜索工具起到导向一个搜索过程以在体数据内部搜索物体的功能。本文研究的创新工作主要包括以下内容：
　　 1．提出“保持结构关系映射的体绘制”概念。体数据中物体之间存在各种不同的关系，体绘制算法应该通过不同的绘制建立对不同关系的描述，而对物体之间的各种关系的绘制描述是提高用户对体数据理解的有效方法。通过对绘制图像进行分析从而反过来与其对应的数据之间建立联系是本文所述理论的基础。本文通过对数据中物体之间的结构关系和绘制图像所描述的物体之间的结构关系建立联系，把体数据中的结构关系基于体绘制进行描述以提高数据的分析效率。
　　 2．提出不同的绘制方法以描述体数据中典型的结构关系。1）内部/外部结构的隐藏关系是影响用户对体数据理解的一种重要关系，本文基于保持结构关系映射的概念提出“基于焦点区域的体绘制”方法描述该关系以增强对数据的理解。该方法通过把体数据分为不同的区域并对不同区域使用不同的绘制方法，克服了传统的体绘制方法分析被外层物体覆盖的内部物体时所遇到的困难。为了提高绘制性能，本文提出基于GPU的算法以加速体绘制和提高绘制质量。由于基于焦点区域的体绘制方法中的焦点区域可以为用户提供该区域所绘制物体的空间位置信息、距离信息以及物体的体积估计等定量信息，这为体数据的定量化分析提供了一个有效的解决方法。2）拓扑关系是体数据中物体之间的重要关系之一，轮廓树是表示体数据中拓扑关系的重要数据结构。实际应用中的的体数据由于噪声或缺陷的缘故常常产生特大的轮廓树，从而降低了轮廓树的应用效果。本文提出基于多个重要性衡量值驱动的轮廓树简化方法以降低轮廓树的复杂度并对体数据中的物体进行强调。该简化方法通过重要性面积概念把不同的重要性衡量值分量集成进一个简化流程以充分利用重要性衡量值各分量的不同优点并同时最小化其缺点以提高轮廓树简化效率。
　　 3．提出“体绘制导向的搜索过程”概念。由于体数据中被遮挡内部结构的不可见性，要求体视化系统必须具有搜索内部物体的功能以有效分析内部结构，体绘制导向的搜索过程的概念允许用户在三维体数据中搜索内部结构并动态描述内部/外部结构的隐藏关系。该方法表明，体绘制在满足一些假设和技术的条件下可用于导向数据分析，并帮助用户更快、更有效地获取搜索结果。在此过程中，用户对物体进行检测、记录搜索过程，并为进一步的分析做准备。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、主要术语对照及索略表

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 体视化技术在三维数据分析中的作用

1.1.2 体视化技术在三维数据分析中的应用

1.2 研究现状

1.3 本文研究内容

1.3.1 体绘制中保持结构关系的映射

1.3.2 体绘制中物体结构关系的描述

1.3.3 具有搜索功能的体视化过程

1.4 论文结构

第二章 体绘制基础及算法

2.1 体数据的获取

2.1.1 计算机断层摄影

2.1.2 磁共振成像

2.2 体绘制基础

2.2.1 体数据的表示

2.2.2 直接体绘制

2.3 体绘制算法

2.3.1 光线投射法

2.3.2 基于纹理映射的体绘制

2.4 转换函数

2.4.1 指定转换函数

2.4.2 指定多个转换函数

2.5 视化内部结构

2.5.1 增强透明表面的空间信息

2.5.2 体裁切

2.6 本章小结

第三章 从感知理解到物体之间的关系描述

3.1 引言

3.2 相关研究

3.3 从感知到保持结构关系的映射

3.3.1 保持结构关系的映射

3.3.2 体数据中的不同关系

3.4 一个保持结构关系的体绘制的流程

3.5 在体绘制中描述各种关系

3.6 本章小结

第四章 内部/外部关系描述—基于焦点区域的绘制

4.1 引言

4.2 相关研究

4.3 基于集合论的内部结构分析

4.4 基于焦点区域的体绘制

4.5 特征定义和提取

4.5.1 特征定义

4.5.2 特征提取

4.6 周围区域绘制

4.6.1 绘制流程

4.6.2 物体特征的增强

4.6.3 基于体轮廓模型的物体特征增强

4.7 焦点区域绘制

4.8 焦点区域的交互方法

4.9 内部结构的量化分析

4.10 基于焦点区域的体绘制在三维医学图像分析中的应用

4.11 本章小结

第五章 基于纹理映射和GPU的焦点区域体绘制

5.1 引言

5.2 相关研究

5.3 基于纹理映射的焦点区域绘制

5.3.1 绘制初始化

5.3.2 焦点区域绘制

5.4 焦点区域详细信息的控制

5.5 周围区域绘制

5.5.1 基于纹理映射的周围区域绘制

5.5.2 基于GPU的周围区域轮廓绘制

5.6 基于纹理的多个转换函数

5.7 实验及讨论

5.8 本章小结

第六章 拓扑关系的表示—轮廓树

6.1 引言

6.2 相关工作

6.2.1 轮廓树的定义

6.2.2 轮廓树的简化

6.3 轮廓树简化基本概念

6.3.1 轮廓树结构

6.3.2 基本简化操作

6.4 重要性的概念

6.4.1 重要性衡量值的定义

6.4.2 数据重要性

6.4.3 交互重要性

6.4.4 关系重要性

6.5 基于多个重要性衡量值驱动的轮廓树简化

6.5.1 轮廓树简化目标

6.5.2 重要性衡量值的定义

6.6 实验结果与讨论

6.7 本章小结

第七章 动态描述物体的内部/外部结构关系—基于体绘制导向的搜索过程

7.1 引言

7.2 控制FRVR的参数

7.2.1 FRVR的参数控制

7.2.2 平行坐标与FRVR

7.2.3 参数编辑器

7.2.4 绘制图像历史列表

7.3 体绘制导向的搜索过程

7.3.1 搜索初始化阶段

7.3.2 搜索阶段

7.3.3 解释和验证阶段

7.4 实现方法

7.5 实验

7.5.1 微小结构及病变的搜索

7.5.2 局部骨骼结构的描述

7.6 可用性评估

7.6.1 建立评估过程

7.6.2 评估结果

7.7 讨论

7.8 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢