基于非局部均值的血管内超声序列运动补偿方法分析-analysis of motion compensation method for intravascular ultrasound sequence based on nonlocal mean.docx

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于必威体育官网网址□ ，在年解密后适用本授权书。不必威体育官网网址□。（请在以上方框内打―√‖）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要腹主动脉瘤是最常见的动脉瘤之一，是一种严重威胁人类生命的大血管疾病。覆 膜支架腔内隔绝术是目前治疗常规型腹主动脉瘤的最佳选择。然而，由于特殊型腹 主动脉瘤不满足安置覆膜支架的临床要求，常规的覆膜支架腔内隔绝术会封闭重要 器官的血管入口，最终导致重要器官的衰竭。而定做带有分支的支架则有价格贵、 定做周期长以及临床操作难度大等问题。因此，本文首先提出了利用血管内超声 (Intravascular Ultrasound: IVUS)精确定位被覆膜支架覆盖的重要动脉分支入口，然后 再使用激光进行开窗以解决重要分支动脉被覆膜支架阻隔的问题。然而，在 IVUS 成像过程中，由于心脏搏动以及导管的旋转，IVUS 序列图像往 往存在运动伪影，直接影响到医生对于血管分支入口直径测量，对分支血管入口的 判断产生不利影响，给医生采用激光介入治疗带来困难。另外，运动伪影也会直接 影响到血管内斑块的测量以及三维显示效果。IVUS 序列图像的运动补偿技术旨在解 决 IVUS 序列图像中的运动伪影，为医生提供更加精确的血管内三维结构信息，有助 于医生准确无误地判断分支血管入口。此外，运动补偿技术还可以为斑块以及血管 弹性测量提供精确的信息。因此，运动补偿技术不但是本论文迫切需要解决的技术 难题，而且具有广泛的临床应用价值。目前，IVUS 序列图像运动补偿方法主要是基于门控、动力学建模、模板匹配或 者光流等。其中，门控法在一个心动周期只能采集一幅图像；动力学建模无法提供 精确的旋转角估计结果；模板匹配会受到图像灰度变化的影响；而光流法需要 IVUS 序列图像满足血管中心不发生位移的条件。因此在实际应用中，四种方法的结果并 不理想。本文针对 IVUS 运动补偿技术的难点，结合医生的临床需求，研究基于非局 部均值的 IVUS 序列图像运动补偿方法，具体研究内容如下：首先研究了基于非局部均值的 IVUS 图像降噪技术：针对 IVUS 图像中斑点噪声 特性，提出了一种基于权重更新的非局部均值去斑点噪声方法。方法针对当前应用 广泛的图像斑点噪声模型，采用贝叶斯理论，推导出一种适合于斑点噪声的权值计I算公式，并利用主成分分析方法 (Principal Component Analysis: PCA) 将其投影至PCA 子空间并迭代更新权值，迭代过程可自动终止。该方法能够显著地去除 IVUS斑点噪声，提高了图像的对比度。其次研究了基于非局部均值的 IVUS 序列图像粗运动补偿技术：通过对 IVUS 导 管运动的建模，将其分为由于导管旋转而导致的旋转运动以及由于血流脉搏而导致 的导管相对图像中心的偏移，并且结合了中膜的椭圆特性，提出了一种基于中膜检 测的粗运动补偿方法。该方法通过一种非局部 SUSAN 边缘检测算子以及对感兴趣区 域的控制点进行椭圆拟合来确定中膜的位置，进而利用前后帧中膜的拟合参数来对 平移和旋转参数初始值进行估计，并对时间维的参数进行一维非局部均值获取最终 补偿参数，继而完成运动补偿。该方法简单、快速，并且相对于前人的方法更具有 普适性，能够适应不同情况下的 IVUS 图像；最后研究了基于非局部均值的 IVUS 序列图像精确运动补偿技术：针对粗运动补 偿方法对于旋转参数提取不够精确的问题，利用基于中膜的粗运动补偿结果，提出 了一种基于非局部光流法的精确运动补偿方法。该方法将非局部的相似度引入到 Lucas–Kanade (LK) 光流之中，提高了 LK 光流法的抗噪能力，并且提出了一种的旋 转角矢量的计算方法，最终利用精确旋转参数在粗补偿结果的基础上完成整个补偿 过程。该方法成功的解决了 IVUS 帧间的偏向旋转问题，并在补偿精度方面大大优于 传统方法。关键词：血管内超声， 运动补偿， 非局部均值， 非局部 SUSAN 边缘检测算子， 非局部光流AbstractAbdominal aortic a