虚拟眼组织三维建模与仿真关键技术研究

虚拟眼组织三维建模对于教学、研究和临床诊断、治疗等眼科学发展的各个方面都具有重大的意义。随着医学成像技术的发展,眼部组织医学图像越来越成为眼部相关疾病检查和治疗必不可少的信息来源。以眼部组织图像为基础构建虚拟眼三维模型,可以帮助医务工作者从多方位、多层次观察眼部组织结构及其病变;可以辅助医生进行定性和定量分析,提高临床诊断和治疗水平。眼部组织体积小、结构复杂、形状参数难于测量,因此,眼部组织建模非常困难。 本文首先对虚拟眼三维建模与仿真的关键技术——多组织重建技术进行了研究。然后,对几种眼部组织图像的三维建模方法进行了研究。所研究的眼部组织图像包括:CT图像、裂隙灯显微图像、眼底视网膜血管图像和眼球组织切片图像等。最后,仿真了虚拟手术中手术器械接触眼球组织时的视觉形变和触觉力反馈。 本文的主要工作和创新之处在于: (1)以多层次建模方法研究虚拟眼组织三维建模关键技术—多组织重建技术。虽然目前单一材料(或组织)的三维重建算法比较多,但是对于多组织三维重建的研究尚未成熟,很难对大量组织进行重建。以鼻咽部组织重建为例,采用多层次建模的方法实现了十几种组织的重建。提出了一种仿真鼻咽癌近距离放疗的方法。 (2)基于CT图像的眼部组织三维重建方法,提出一种计算机辅助测量眼眶容积的方法,该方法与目前常用计算机辅助眼眶容积测量方法相比,操作简单、快速,大量节省医务工作者的精力。 (3)提出了一种裂隙灯显微图像中角膜组织的快速、自动三维建模方法。在基于模型的配准中,利用角膜的对称性,设计了配准模型。实现了面绘制的角膜重建。该方法不需要人工交互,重建速度快,重建效果较好。 (4)提出了一种新的眼底视网膜血管图像分割算法。与目前的一些分割算法相比,该算法不需要人工交互,设置参数比较固定,分割效果良好。根据眼底图像成像原理,通过投影逆变换构建了眼底视网膜图像的三维模型。该眼底模型接近眼底视网膜血管的真实分布情况,并且可以进行多角度观察分析。 (5)提出一种基于组织切片图像的眼部组织有限元几何模型构建方法。建立了保持眼球内组织相互几何关系的角膜、巩膜、虹膜、晶状体、玻璃体等组织模型。该方法建立的眼部组织几何模型优于目前常见的眼部组织受力分析模型。所提出的方法对于具有复杂截面的旋转体建模同样适用。最后,在所建眼部组织几何模型的基础上,仿真了虚拟手术中眼部组织视觉变形和触觉力反馈。