第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
医学影像技术是医学诊断领域一门新兴的学科，医学影像是指为了医学研究，以非侵入式的方式将物理场源施加于生物组织后，所产生的物理特性变化，加以转换为视觉图像，通过医学影像所显示的活体组织的特性能清晰的得到活体组织发生病变的部位，能定性定量的判断生物组织的结构异常与功能性评估，对疾病的诊断提供准确的科学直观的依据，医学影像已经广泛应用于临床治疗。自从十九世纪 X 光的出现，医学影像技术不仅仅用于诊断治疗，同时也应用于研究以尽早发现可能的微循环病变。医学影像分为无影像显现和有影像显现两种，无影像显现的医学影像包括脑波图和脑磁造影等，它通过测量和记录产生的数据定位判断病变的位置。有影像显现的医学影像包括核磁共振（MRI）、超声波（ultrasound）等，它主要侧重于对图像的分析进行病变的判断。微循环是指血管网络中的微动脉、微静脉之间微血管中的血液循环，它是人体新陈代谢必须的物质能量交换及信息传输的场所。微循环功能具有重要生理、病理、药理和临床意义，许多疾病都会引起特殊的微循环异常，例如高血压、心肌梗塞、糖尿病、白血病等。血管是微循环重要的组成部分，由于人们生活水平的提升，在饮食改善的同时，心血管的发病率也明显上升，与此同时越来越多的研究在探讨如何获取血管影像，借以通过对微循环及血液病学的检查，可以找出疾病的早期变化，对有潜在中风危险者及早提出警告，进而起到防病于未然的作用。对已患有心脏动脉硬化等疾病者，则可通过反覆微循环对比检查，了解其病情变化，种类及疗效，对医师诊断和用药有重要的指导价值。
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1.2 医学影像成像技术的发展
微循环[3]医学影像随着 X 光成像（X-ray）的出现，成像技术取得了很大的进展，包括磁共振成像(MRI, magnetic resonance imaging)、超声波成像、正电子发射断层成像(PET/CT, positron emission tomographywith computerized tomography) 等 、 电 脑 断 层 扫 描、荧光血管造影术(Fluorescein angiography)、正交偏振光谱成像技术（orthogonal polarization spectral imaging）及光学相干断层扫描技术（OCT,optical coherence tomography）等技术。如图 1-1 为几种常见的医学影像图。以下即针对经常应用在活体血管侦检的图像技术，做一简单的介绍：十九世纪伦琴发现 X 射线后，主要依据 X 射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用等特性很快就应用于医学影像，以此来检测肺癌、肠道梗塞及各类肿瘤。但是由于人体内器官密度不同，对 X 光的吸收程度不同，如肌肉吸收的 X 光较少，X 射线对前后堆叠的组织病变就难以发现，于是 19 世纪中期很多学者研究将不同角度的 X 射线影像合成三维图像，即电脑断层扫描 CT 医学影像诞生。
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第 2 章 基础知识介绍
2.1 干涉仪
麦克森干涉仪[14](Michelson interferometer) 是 OCT 系统的核心组成部分，光由光源发出后，经分光镜分为两束光，一束经参考端反射得到不同光程长度和延迟时间，电场强度为 Er，另一束是样本端组织的背向散射光，电场强度为 Es，两束光经经由哦耦合器合成一道干涉光，所形成的电场强度是 Er+ Es，然后到达光检测器将干涉光转换成电流信号 I。当光程差小于光源的同调长度时，将出现干涉光谱，随着光程差的变化会形成一系列疏密不同的干涉光谱，由光检测器所感测的干涉频谱的光流由直流项，互相干项和自相关项三项构成，直流项是反射镜与样品的反射光强度总和，相关项是样品不同深度的反射光与参考端的反射光相互干涉的光强度总和，自相关项是来自样品不同深度反射光之间的相互作用的光强度总和，一般干涉仪的光源会选用低同调的宽频光源，同调长度与光源的频宽成反比，干涉频谱很容易在同调长度范围内找到且干涉现象明显，改变参考端的位置干涉频谱会产生疏密变化。针对散射光的强度大小，回波的延迟时间，再将干涉频谱进行傅里叶变换 (Fourier transform)，光源的时间同调特性通过自相关函数体现出来，同时光源同调长度可等同于干涉发生的范围，只有参考端与样本端之光程差在同调长度之内才有干涉发生，这样代表了图像的纵向解析度，借由样品端在组织上进行来回扫描，即可获得不同横向位置的结构信息。
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2.2 OCT 医学影像技术
OCT 技术是近期发展起来的医学影像技术，具有高解析度、高灵敏度、非游离性能量场源、造价低等优点。它能提供微米等级的高解析度，对于疾病的诊断和细胞的定位有很大的帮助。目前多用于骨头、眼睛及血管的活体组织及非生物组织材料的检测中。OCT 技术采用 830nm 的红外光等弱相干光为光源的低同调干涉仪，通过接受背向散射光来产生干扰信号分析出不同的组织结构经计算后进行成像。系统架构如图 2-2 所示，光源选用超辐射二极管（SLD, super luminancediode），其中心波长λ 为 831nm，FWHM 为 60nm。系统横向解析度为 1.22μm；接着利用一个光隔离器（Isolator）、一个 2*2 的光线耦合器（coupler）、一个光准直器（Col, collimator）构成一个低同调干涉仪作为 OCT 的核心；经过光线偶尔器的光，一部分光经过电流计（galvanometer）在与十倍放大率物镜在样品上做断层扫描，使光束可以达成 x 与 y 轴方向的扫描，其样品产生的背向散射光会回传到光线耦合器，另一部分光经由偏振控制器（PC, polarization controller）、一个光衰减器（ND, Neutral density）及一个十倍放大率物镜到达参考端，最后由样本端产生的背向散射光回传至光线耦合器与参考端的反射光结合，并形成干涉条纹。
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第 3 章 基本方法介绍.........19
3.1 cmOCT 方法介绍........ 19
3.1.1 cmOCT 方法描述 ........19
3.1.2 cmOCT 算法的优缺点分析 ........20
3.2 图像增强算法...... 21
3.3 图像分割算法....... 24
3.5 本章小结 ......... 28
第 4 章 基于改进 CMOCT 的图像分割方法 ........31
4.1 改进算法的总体思路....... 31
4.2 各向异性扩散图像滤波......... 33
4.3 Niblack 与基于灰度期望相结合的阈值法 ......... 42
4.4 实验结果分析...... 44
4.5 本章小结 ......... 56
第 5 章 三维立体重建系统的开发.......57
5.1 Shell rendering（外壳渲染法） ........ 57
5.1.1 阈值选择....57
5.1.2 资料存取....58
5.2 三角网格法 .... 59
5.3 等值面 ....... 61
5.4 融合结果与显示界面 ....... 63
5.5 三维重建系统验证与结果比较 ......... 64
5.6 三维重建图像结果展示与分析 ......... 67
5.7 本章小结 ......... 69
第 5 章 三维立体重建系统的开发
5.1 Shell rendering（外壳渲染法）
Shell rendering 为一种介于表面(surface)与直接物体绘制（DVR, directvolume rendering）之间的物体绘制方法，其主要目的是减少数据量，以及有效率存取的数据量，此方法能有效且快速的计算及绘制，达到即时互动的目的。本论文以 Visual C++软体开发工具进行 Shell rendering 的三维重构。当二维影像资料在做投影之前会先设定两个不透明度（opacity）的阈值，即最大不透明阈值（maximum opacity threshold, ωH）与最小不透明阈值（minimumopacity threshold, ωL）。利用此阈值区间来对原始的体积资料做体素的选取，如图 5-1，ωH 与 ωL 之间的范围即为可视区域，其余范围以外的体素将不存取，借此节省不需要的资料量。若当此阈值包含范围越小则越接近表面呈现的方式，反之若包含范围越大则越类似 DVR 的方式。通过上节设置的两个阈值（ωH, ωL）筛选后剩下的体素资料分别储存于 P&D的资料结构（data structure）中，如图 5-2 所示。在 P 数据结构中，只需记录 y-z平面的资讯为一个 Y*Z 的阵列，在每一个元素中包含指向 D 数据结构的索引值（index）以及执行长度，D 数据结构则记录着体素的坐标。利用此结构来储存所选出的体素，不但可以有效的节省内存空间，并且在正交投影时能从任何视角快速的做前投影（FTB, front to back），以及背投影（BTF, back to front）检测。
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结论
医学影像处理与三维重建是一个复杂的研究方向，虽然已经经历了很久的发展，也取得了一定的进展和成果，但依旧是研究领域的热点。光学影像技术已经开始应用于多个医学领域，提供了治疗以及诊断的潜力。特别是 OCT 医学影像的处理，目前很多研究者开始研究眼部 OCT 影像，通过影像处理确定眼部疾病的发病位置，但是对于耳部血管及其他部位血管 OCT 影像的研究则还是个很新的研究项目。目前还没有一个鲁棒的算法来实现二维医学影像中血管轮廓的提取及三维影像重建。所以需要我们的研究者继续研究与突破。本文的主要工作及创新点集中在以下几个方面：
1、 对目前的 OCT 医学影像的处理技术进行了调研，并简单的介绍了这些方法的研究现状及优缺点。
2、 本文详细介绍了几个重要的图像增强技术，并将其用于处理活体血管OCT 影像的噪声处理。其中中值滤波对于椒盐噪声，散斑噪声等细小的噪声的滤波效果很好，各向异性扩散滤波对于存在各向异性噪声的图像的处理效果很好，而且对于纹理类图像的纹理细节的保留及边缘的增强效果明显，于是我们将各向异性扩散滤波算法应用到 OCT 影像中进行图像增强。
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参考文献（略）