Ανάπτυξη Συστήματος Ευθυγράμμισης Τρισδιάστατων Επιφανειών Με Χρήση Αισθητήρα KINECT

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση μιας μεθόδου αυτόματης ευθυγράμμισης τρισδιάστατων ιατρικών δεδομένων. Η διαδικασία της ευθυγράμμισης έχει ως στόχο την διόρθωση των σχετικών μετατοπίσεων στο χώρο έτσι ώστε στα ευθυγραμμισμένα δεδομένα οι ίδιες ανατομικές περιοχές να συμπίπτουν χωρικά. Η παρούσα μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ευθυγράμμιση τρισδιάστατων δεδομένων τα οποία λαμβάνονται από τον αισθητήρα KINECT. Μια τέτοια ευθυγράμμιση μπορεί να εφαρμοστεί και στον τομέα της ιατρικής. Στην ακτινοθεραπεία, πριν από την κάθε θεραπεία, ο ασθενής θα πρέπει να ευθυγραμμιστεί με την τομογραφία δεδομένων (CT). Για την ευθυγράμμιση αυτή χρειάζεται ένα σύστημα επαλήθευσης του προσανατολισμού του ασθενή για τον ακριβή προσδιορισμό του ασθενή και την προσαρμογή του θεραπευτικού κρεβατιού για την βελτιστοποίηση τη θεραπείας. Το παρόν σύστημα υλοποίησης αυτής της διαδικασίας απαιτεί χειροκίνητη μετακίνηση του θεραπευτικού κρεβατιού με χρήση laser και προσδιορισμός ορόσημων σημείων στο δέρμα του ασθενή. Η ανάγκη για ευθυγράμμιση προκύπτει από την χωρική μετατόπιση μεταξύ των εικόνων καθώς και στην ανάπτυξη ανωμαλιών που προκαλούν παραμορφώσεις (π.χ. κύστες, όγκοι) Η παρούσα διπλωματική προτείνει μια μέθοδο χωρίς καθορισμό ορόσημων σημείων και είναι πλήρως αυτοματοποιημένη για την εύρεση της μετακίνηση του θεραπευτικού κρεβατιού. Για την εύρεση του πίνακα μετασχηματισμού, εισάγεται στον αλγόριθμο η παρούσα θέση και μια θέση αναφοράς και με βάση των ζευγαριών σημείων στις εικόνες που προκύπτουν από τα διάφορα βήματα του αλγορίθμου, υπολογίζονται απευθείας οι παράμετροι του μετασχηματισμού με προσέγγιση ελαχίστων τετραγώνων. Εγγενώς, οι μέθοδοι ευθυγράμμισης οι οποίες βασίζονται στα σημεία (point-based), είναι ικανές για ευθυγράμμιση δεδομένων με ακαθόριστες αρχικές συνθήκες των επιφανειών και με μερική ταύτιση αυτών.

The purpose of this thesis is to present a method of automatic alignment of three-dimensional medical data. The alignment process is aimed at correcting for relative displacements in space so that the data is aligned and same anatomical regions match spatially. This method can be used to align the three dimensional data obtained from the KINECT sensor. Such an alignment technique can be applied in medicine. In radiotherapy, prior to each treatment, the patient should be aligned with the tomography data (CT). This alignment requires a system for verifying the orientation of the patient to accurately identify the patient and adapting the treatment bed to optimize the treatment. In practice, this process requires manual movement of the therapeutic bed using a laser source for scanning fixed landmark points on the skin of the patient. Alignment is required due to the positional displacement between images and also due to the development of irregularities that cause deformations (e.g. cysts, tumors). This thesis proposes a fully automated method for determining the movement of the therapeutic bed, which does not required manual definition of landmark points. The requested transformation matrix is estimated from several point correspondences formed by aligning the points of the examined bed position with respect to a predetermined reference position. A least-squares approximation approach is used for matching the resulting point correspondences.. Inherently, alignment methods based on points (point-based),are able to align data with arbitrary initial conditions of surfaces or partially overlapping surfaces.