（生物医学工程专业论文）MSCT心腔图像分割方法研究.pdf

东南大学硕士论文 a b s t r a c t t w om e t h o d sf o rs e g m e n t i n gc a r d i a cc a v i t i e sb a s e do nm s c ti m a g e sh a v eb e e np r o p o s e di nt h i s t h e s i s t h ef i r s to n ei ss n a k ea l g o r i t h m ，a n dt h eo t h e ri sr a t i oc o n t o u ra l g o r i t h m t h et w om e t h o d sa l ea b l e t os e g m e n tc a r d i a ci m a g es e tr a p i d l ya n de x a c t l ye v e nw h e nt h ec a v i t i e se d g e sa l ef u z z yo rac o n c a v ee d g e e x i s t s a n dt h ec o n t o u r si n2 di m a g e sw i l lb eu s e df o r3 dr e c o n s t r u c t i o n t h en e wm s c t ( m u l t i - s l i c es p i r a lc nc o m b i n e dw i t he c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a p h ) g a t i n gt e c h n i q u e e n a b l e sm o v i n gi m a g n go fo r g a n i cs t r i c t u r e s a n dt h eh 讪s p a t i a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o nb e n e f i tt h e i m a g i n go f o r g a n si nm o t i o n ，s u c ha sh e a r ti m a g i n g t h em a i np u r p o s eo fc a r d i a nc a v i t i e si m a g es e g m e n t a t i o ni st oe x l t a c tc o n t o u r so fv e n t r i c l e sa n d a t r i u m e sf r o mc o m p l i c a t em s c tc a r d i a ci m a g ea n dr e c o n s t r u c tc a v i t i e so f h e a r lw h i l et h em e d i c a li m a g e s a r ec o m p l i c a t e d , a n dt h eq u a l i t ro fi m a g e si so f t e ni n f l u e n c e db yn o i s ea n do p g a nm o t i o n , i ti sd i f f i c u l tt o e x t r a c ta c c u r a t ec a v i t i e sc o n t o u r s ，a sa 代s u ki nm a n ys i t u a t i o n st h ec o n t o u re x t r a c t i o nr e l i e so n s e g m e n t i n gm a n u a l l y r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a li m a g es e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g i e s ， i n t e r a c t i r es e g m e n t a t i o nh a sb e e ns t u d i e dd e e p l y t h ea n a t o m i c a ls t r u c t u r eo ft h ec a r d i a cc a v i t i e si sd i f f e r e n tf r o mo t h e ro r g a n s f i r s t , g r a d i e n to ft h e i m a g ed o e sn o tc o r r e s p o n dt ot h eb o u n d a r i e so fc a v i t i e sc o m p l e t e l y s e c o n d ，h e a r ti sa l w a y si nm o t i o n ， w h i c hl e a d st on o i s ea n db l u r r e db o u n d a r i e s t h i r d ，t h es p e c i a ls t r u c t u r eo fh e a r tm a yp r o d u c ec o u c a v e e d g e s ，w h i c hm a k e st h es e g m e n t a t i o nm o r ed i f f i c u l t t h ea p p l i c a t i o no f s n a k ea l g o r i t h n la n dr a t i oc o n t o u r f o rc a r d i a cc a v r i e si m a g es e g m e n t a t i o nh a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ep r o m i s i n gr e s u l t sc o u l db eo b t a i n e d k e yw o r d s i m a g es e g m e n t a t i o n ，s n a k ea l g o r i t h m ，r a t i oc o n t o u r , m s c tc a r d i a ci m a g e ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，s h a p e m o d e l n 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已l 经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 阻丑l 日期：瑚凸月m a 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 魏2 垒兰猃名：燮日期：口寻1c ， j 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 有调查表明，心脏病已成为危害人类健康的重要杀手之一1 1 l 【2 】。随着经济水平的不断提高，堪优 的环境，沉重的压力以及激烈的竞争，心脏病的发病率也呈上升趋势。据最新统计资料，2 0 0 0 年全 世界有1 7 0 0 万人死于心血管疾病，占全球各种原因总死亡人数的1 ，3 ，预计到2 0 2 0 年这个数字将增至 2 5 0 0 万，而其中8 0 都在发展中国家【2 1 。因此，对心脏病的研究越来越受到人们的关注，已成为医学 领域的重要课题之一。 随着科学技术的不断发展和人们对于疾病研究的不断深入，许多检测技术都应用于医学，特别 是各种医学成像技术的临床应用，使得医学诊断和治疗技术得以迅猛发展。目前，对心脏的成像已 形成如下几类方法：心血管造影术( a n 西0 c a r d j o 盯a p h y ) ，心脏超声( c a r d i a cu l t r a s o u n d ) ，同位素成像 ( i s o t o p ei m a g i n g ) ，心脏核磁共振成像术( c a r d i a cm r i ) 和断层x 射线摄影术( c t ) 。其中断层x 射线摄 影术，e i p c t 技术，由于其不介入人体，得到的数值图像清晰，便于处理等特性，而在医学影像技术 领域占据了越来越重要的位置。与此同时，计算机图像处理越来越得到人们的关注。图像分割作为 计算机图像处理中的底层操作，在整个计算机视觉问题中占有重要基础地位。许多计算机图像处理 问题在一定程度上都可以归结为某种分割问题。分割问题，也就是将图像中具有同质性的区域相互 分离，提取图像感兴趣区域( r e g i o no f i n t e r e s t ) 。因此，计算机图像处理，特别是图像分割方法在心 脏医疗研究中的广泛应用成为了一个必然趋势。 1 2m s c t 心脏成像技术简介 随着m s c t 技术的发展，m s c t 心脏成像技术不断完善，成像质量不断提高，在医学i 临床以及心 脏研究等领域得剑广泛应用。 c t 是“计算机x 线断层摄影机”或“计算机x 线断层摄影术”的英文简称，是从1 8 9 5 年伦琴发现x 线 以来在x 线诊断方面的最大突破，是近代飞速发展的电子计算机控制技术和x 线检查摄影技术相结合 的产物”1 。c t 由英国物理学家在1 9 7 2 年研制成功，先用于颅脑疾病诊断，后于1 9 7 6 年又扩大到全身 检查，是x 线在放射学中的一大革命。我国也在7 0 年代末引进了这一新技术，在短短的3 0 年里，全 国各地乃至县镇级医院共安装了各种型号的c t 机数千台，c t 检查在全国范围内迅速地层开，成为医 学诊断中不可缺少的设备。 c t 是从x 线机发展而来的，它显著地改善了x 线检查的分辨能力，其分辨率和定性诊断准确率 大大高于一般x 线机，从而开阔了x 线检查的适应范围，大幅度地提高了x 线诊断的准确率。c t 利用 x 线束对人体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描，当x 线射向人体组织时，部分射线被组织吸收， 部分射线穿过人体被检测器官接收，产生信号。因为人体各种组织的疏密程度不同，x 线的穿透能 力不同，所以检测器接收到的射线就有了差异。将所接收的这种有差异的射线信号，转变为数字信 息后由计算机进行处理，输出到显示的荧光屏上显示出图像，这种图像被称为横断面图像。c t 的特 点是操作简便，对病人来说无痛苦，其密度、分辨率高，可以观察到人体内非常小的病变，直接显 示x 线平片无法显示的器官和病变，它在发现病变、确定病变的相对空间位置、大小、数目方面非 常敏感而可靠，具有特殊的价值，但是在疾病病理性质的诊断上则存在一定的限制。 c t 与传统x 线摄影不同，在c t 中使用的x 线探测系统比摄影胶片敏感，是利用计算机处理探测 器所得到的资料。c t 的特点在于它能区别差异极小的x 线吸收值。与传统x 线摄影比较，c t 能区分 东南大学硕士论文 的密度范围多达2 0 0 0 级以上，而传统x 线片大约只能区分2 0 级密度。这种密度分辨率，不仅能区分 脂肪与其他软组织，也能分辨软组织的密度等级。这种革命性技术显著地改变了许多疾病的诊断方 式。在进行c t 检查时，目前最常应用的断层面是水平横断面，断层层面的厚度与部位都可由检查人 员决定。常用的层面厚度在1 l o 毫米间，移动病人通过检查机架后，就能陆续获得能组合成身体架 构的多张相接影像。利用较薄的切片能获得较准确的资料，但这时必须对某一体积的构造进行较多 切片扫描才行。在每次曝光中所得到的资料由计算机重建形成影像，这些影像可显示在荧光屏上， 也可将其摄成胶片以作永久保存。此外，其基本资料也可以储存在磁光盘或磁带里。 1 2 1c t 成像原理 c t 本质上是一种利用x 线穿透人体后的衰减特性作为依据的诊断方法 7 1 。在物理学原理方面， c t 与普通x 线检查具有一致性，即都遵从x 线指数衰减规律。数学表达式为： 1 = ie - , a a( 1 1 1 o 式中，i ：表示通过物质衰减后的x 线强度。 i o ：表示入x 线强度。 “：为物质的吸收系数，它与物质的原子系数即密度有关。 d ：表示物体厚度。 当x 射线穿过一组厚度相同，值不同的物体时，其强度与入射x 线的强度关系为 ，= ，p 一印p n 4 e 一即e - ( 1 2 ) 即： ，= i o e 一一+ 地+ 肋+ + “f ( 1 3 ) ，= ，p j 耐 ( 1 4 ) 0 即馆的总和是射线路径上的线积分。p 值又与x 线波长、物质原子系数以及物质密度有关。 可以利用x 线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的x 线，转变为 可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换器( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) 转为数字，输 入计算机处理。图像形成的处理有如将选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素( v o x e l ) ， 见图1 1 。扫描所得信息经计算而获得每个体素的x 线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字 矩阵( d i g i t a lm a t r i x ) ，见图i 2 。数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字，模拟转换器 ( d i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r ) 把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即象素( p i x e l ) ， 并按矩阵排列，即构成c t 图像。所以，c t 图像是重建图像。每个体索的x 线吸收系数可以通过不同 的数学方法算出。 图l 1 扫描层面像素及体素 2 图1 2 数字矩阵 第一章绪论 c t 图像是由一定数i i 由黑到向不同灰度的象素按矩阵排列所构成。这些象素反映的是相应体素 的x 线吸收系数p 。q 。不同c t 装置所得图像的象素大小及数目不同。大小可以是1 0 x 1 0 m m ， o 5 x 0 5 m m 不等：数目可以是2 5 6 2 5 6 ，即6 5 5 3 6 个，或5 1 2 x 5 1 2 ，即2 6 2 1 4 4 个不等。显然，象素越小， 数目越多，构成图像越细致，即空间分辨力( s p a t i a lr e s o l m i o n ) 高。c t 图像的空间分辨力不如x 线 图像高。 c t 图像是以不同的灰度来表示，反映器官和组织对x 线的吸收程度。因此，与x 线图像所示的 黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如含气体多的肺部；白影表示高吸收区，即高密 度区，如骨骼。但是c t 与x 线图像相比，c t 的密度分辨力高，即有高的密度分辨力( d e n s i t yr e s o l u t i o n ) 。 因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是c t 的突出 优点。所以，c t 可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆 部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。 x 线图像可反映正常与病变组织的密度，如高密度和低密度，但没有量的概念。c t 图像不仅以 不同灰度显示其密度的高低，还可用组织对x 线的吸收系数说明其密度高低的程度，具有一个量的 概念。实际工作中，不用吸收系数，而换算成c t 值，用c t 值说明密度。单位为h u ( h o t m s f i e l du n i t ) 。 水的吸收系数为1 0 ，c t 值定为0 h u ，人体中密度最高的骨皮质吸收系数最高，c t 值定为+ 1 0 0 0 h u ， 而空气密度最低，定为一1 0 0 0 h u 。人体中密度不同和各种组织的c t 值则居于1 0 0 0 h u 至i j + 1 0 0 0 h u 的2 0 0 0 个分度之间。 c t 图像是层面图像，常用的是横断面。为了显示整个器官，需要多个连续的层面图像。通过c t 设备上图像的重建程序的使用，还可重建冠状面和矢状面的层面图像。可以多角度查看器官和病变 的关系。 1 2 2 利用e c g 门控电路的m s c t 心脏成像 螺旋c t 已经普及到秒级，现已进入头足方向具有1 6 列探测器的多层螺旋c t 时代l t l 】。每幅图像 的时间分辨率也已缩短至0 4 o 2 5 s 。而且随着多层螺旋c t 所谓扇形或斑状扫查，可使一层面的数 据重建由多列探测器分担采集，时间分辨率已进一步缩短至百余毫秒甚至数十毫秒。各c t 厂家也正 努力开发z 轴方向多列探测器的螺旋c t ，以进一步提高时间分辨率。c t 心脏成像得以普及与以下因 素密切相关：心脏成像能够在达0 i 0 2 s 内完成；心电门控触发技术得到进一步开发应用；各种心 动周期横断面图像数据的采集、处理软件的开发使用；通过工作站进行数据重建处理后以交互式2 d 3 d 电影显示以及心功能分析软件的进一步开发。 1 9 9 8 年第一台亚秒级多层螺旋c t 问世后，心脏c t 成像逐步推广，2 0 0 2 年1 6 层螺旋c t 开始应用 于临床，其时问分辨率达到电子柬c t 水平，空间分辨率优于电子束c t 和磁共振成像，可以更加快速 准确地评价心脏及冠状动脉。就1 6 层螺旋c t 而言，之所以能作心，血管的检查，主要得益于扫描速 度的提高。通常，正常人的心率在每分钟6 0 - 8 0 次，也就是说，每一次心跳所花的时间是1 - 0 7 5 秒， 而最新的1 6 层螺旋c t 扫描仪的扫描时间达到了0 4 2 秒，该速度足以冻结类似心脏这样的运动器官： 其次，1 6 层螺旋c t 一次扫描能获得1 6 层图像，使心脏这种相对较小的器官扫描的覆盖率大大提高， 加上专门的成像处理手段，使心脏的成像目前成为现实。2 0 0 4 年多层螺旋c t 的发展义迈上了新台阶， 6 4 层螺旋c t 开始应用于临床。6 4 层螺旋c t 与1 6 层螺旋c t 相比，在扫描速度、图像清晰度、降低辐 射剂量等技术方面有了质的突破。6 4 层螺旋c t 在心脏疾病的诊断方面尤显优势，完成整个心脏扫描 只需1 0 秒，较1 6 层c t 扫描时间减少了一半，造影剂用量也减少近半；空间分辨率的提高使对心腔 及冠状动脉分支和斑块的显示能力明显增强；应用4 d 技术还可动态观察心脏搏动。6 4 层螺旋c t 时间 分辨率和空间分辨率的进一步提高为诊断心脏病提供了一种安全、可靠、易于普及的方法。 近年来，多层螺旋c t ( m s c t ) 9 3 得了突飞猛进的发展，z 轴空间分辨率在l m m 以下，全周扫描1 次成像层数从4 层增加到6 4 层，全周扫描时间也从0 5 s 提高到0 3 7 5 s ，使m s c t 的l 临床应用范围不断扩 3 东南大学硕士论文 展。m s c t 具有空间分辨率高、容积覆盖速度快、图像信噪比高的优势，特别适合运动器官成像。 针对m s c t 的特点，开发的心脏专用图像重建算法，使时间分辨率提高到2 5 0 m s 以上。虽然一般认为 在正常心率，时间分辨率至少要在1 0 0 m s 以下，才能有效消除心脏运动伪影，但心脏专用图像重建算 法结合心电门控技术，可以选择在心脏运动最慢的时期扫描或采集i 玺| 像数据，使运动伪影减到最小， 图像质量可以满足评价心脏及冠脉疾病的需要。在m s c t j 0 脏成像中，心电门控技术的正确应用， 是保证图像质量的重要因素之一。 前瞻性心电门控技术是一种利用心电信号控制c t 扫描的技术，该技术早已经在e b c t ( 电子束 c t ) 和其它成像技术中应用。其基本原理是在扫描过程中，同步检测患者心电信号。通过心电信号 对心脏运动期相的标记，选择适当的扫描起始时点，实现获得心脏特定期相的图像或消除心脏运动 伪影的目的。在心电信号控制下，每个心动周期进行1 次扫描，扫描模式与传统c t 一榉，x 线发射为 间断式、检查床运动为步进式。通常以心电信号的r 波为参考点，确定扫描的开始时间。当检测到r 波峰时，开始计数延迟时间，延迟时间结束触发扫描，扫描时间结束移床，移床距离为准直宽度( 如 8 x1 s m m ，重复上述过程完成整个心脏扫描。 前瞻性门控为心电同步间断式扫描，在移床过程中不产生x 射线，患者辐射剂量低是其最大优 点。缺点主要表现在以下几个方面：o ) e h 于扫描方式为间断式，构成整个心脏容积的数据集不连续， 影响三维重建圈像质鼋：( 2 ) 由于采用半扫描重建，用于图像重建的数据量较少，为了保证图像有足 够的信噪比，所用扫描层厚较厚，一般对e b c t 要求层厚在3 m m ；4 8 层c t 层厚在2 5 - 3 m m ：1 6 层c t 层厚在1 5 m m ，这样的层厚不适合做冠状动脉三维重建，一般在显示心腔结构和评价冠脉钙化分数 时应用；( 3 ) 容积覆盖速率慢。总扫描时间长，病人心率因屏气时间长而加快，图像质量易受心率变 化影响：( 4 ) 时间分辨率有限，最高只能达到全周扫描时间的一半，对连续运动的心脏及冠状动脉成 像来说，时间分辨率仍然不够，特别是心率较快或心律不齐的患者，扫描时间可能跨越2 个r - r 间期， 造成重建图像解剖结构紊乱及伪影。 回顾性心电门控技术是另外一种心电门控技术。它的图像图像重建采用螺旋连续扫描、同步记 录患者心电信号，心电信号对应着相应的扫描数据，患者1 次屏气完成整个心脏容积的数据采集，然 后根据心电信号选择r r 间删特定时相的扫描数据重组出相应的图像。它和前瞻性心电门控最大区别 在于后者是利用心电信号控制扫描，也就是说心电信号直接影响着扫描，如果心电信号丢失，扫描 不能进行；而前者只是伴随扫描同步记录心电信号，心电信号并不干涉扫描过程，即使心电信号丢 失，扫描照常进行，但在重建图像时却会因无心电信号标识，不能重建出对应期相的图像，致使扫 描失败。所以，在回顾性心电门控时，要特别注意检查病人的心电信号，确保其在扫描过程被同步 记录。 回顾性心电门控的优点主要表现在：( 1 ) 扫描所得为整个心脏容积的连续数据，图像重建比较灵 活，可根据时间窗的选择重建任意期相的图像，保证处在不同运动期相的冠脉节段都能得到最佳显 示；( 2 ) 可根据心率选择单节段或多节段扫描数据重建图像，实现时间分辨率最优化，使心脏运动伪 影最小。采用多节段数据重建图像时。时间分辨率可达到t 9 2 m ；这里的知为全周扫描时间、m 为数 据节段数或r - r 间期数：( 3 ) 病人屏气时间短，心率变化小。主要缺点为：( 1 ) 辐射剂量较大：在m s c t 冠 脉成像时，通常采用高分辨率，低螺距重叠扫描，辐射剂量相当高。大约为i o m s v ，是年均本底辐 射的2 - 3 倍，与传统插管法x 线冠脉造影的辐射剂量相当1 5 1 。正如前面所述，回顾性心电门控采用螺 旋连续扫描，在整个扫描期间都有同样剂量的x 线产生，但同颇性图像重建一般只选择某些期相的 扫描数据，而其余期相的扫描数据并没有得到完全利用，却接受了相同的辐射剂量。 近几年随着螺旋c t 分辨率的提高和特定造影剂的使用，c t b 逐渐成为评价心脏病变的重要工 具。m s c t 作为无创检查方法可对心脏病作精确的测量和准确定位，是评价患者的最可靠方法。而 c 心脏造影是目前c t 技术发展史上的一大突破和亮点，由于采用前瞻性及回顾性门控技术、多排探 测器和部分及分段的重建方法，其对心脏检测的效果不断改善，越来越多的数据证实了此结果。 综上所述心脏c t 成像有以下优点：没有盲区：扫描时间短( 1 0 3 0 秒) ；扫描间可连接金属器械， 4 第一章绪论 如通气泵、起搏器和主动脉内球囊泵等，能够对急性心肌梗死的病人进行检查；使朋同一组数据评 价冠状动脉、左室功能和左宝壁的运动。虽然心脏c t 成像是一种同顾性分析、非实时分析，但在憋 气的3 0 秒内获得大量的数据信息，计算多项指标用于评价心脏功能、冠脉和心室运动，是其最大的 魅力所在。 1 2 心脏分割技术简介 1 2 1 图像分割的概念 在对图像的研究和应用中，人们往往对图像中某些部分感兴趣，我们称之为目标或前景( 相应的 非目标区称为背景) 。目标通常对应于图像中特定的并且具有独特性质的区域。对于医学图像而言， 医生一般只对某个器官或组织病变区域感兴趣，而对其它部分关注相对较少。为了识别和分析图像 中的目标，需要将它们从原图中分离出来，在此基础上才能对目标做进一步的研究和利用。图像分 害1 ( i m a g es e g m e n t a t i o n ) 是把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣的目标区域的过程和技术1 1 2 】。 图像分割在实践中有着广泛的应用，如工业自动化、在线产品检测、遥感和医学图像分析、安 全监视以及军事、体育、农业等各领域。概括来说，在各种图像应用中，只要对图像目标进行提取、 测量等都离不开图像分割。多年来，科技工作者们一直高度重视对图像分割的研究，至今己经提出 了上千种的分割算法。然而i 割像分割作为计算机图像处理与分析中的一个经典问题，其本质问题尚 未得到圆满解决，迄今为止，大部分研究成果都是针对某一类型闰像或某一具体应用的分割，仍没 有一个通用而且有效的分割方法能够满足不同目的的需要，这一问题在医学图像分析中尤为突出。 医学图像是反映人体生物组织的复杂图像，图像信息大，而且由于成像设备的场偏移效应、局部体 效虑( 同一体素中包含多种组织) 、患者检奄时的体位运动等，使得图像中经常出现噪卢、伪影、边缘 模糊和信号强度不均匀等现象，图像质量很难保证。这些都给医学图像分割带来了巨大困难。 针对目前已有的林林总总的分割算法，从分割完成的形式来分，分割可分为三类l l3 j ：完全手工 分割、自动分割和交互式分割。交互式分割是指从完全手1 = 分割图像剑部分甚至极小部分人工干预 完成的分割。医学图像分割结果要尽可能地完全保留感兴趣区域的信息，才有助于医生对解剖结构 以及病变进行有效地观察、研究和诊断，目前只有手动分割可以尽可能保证保留感兴趣区域。近年 来，由用户参与控制和引导的半自动的交互式分割方法是医学图像领域常采用的分割方法。随着图 像分割技术的发展，构建稳健的自动分割算法将是进一步研究的重点。 从分割的方法上来分，图像分割基本可分为两类：基于边缘的方法和基于区域的方法。基于边缘 的方法是寻求图像特征( 如灰度、纹理等) 变化比较剧烈的位置，一般基于图像的梯度信息来确定边界。 最简单的边缘检测方法是微分算子法，采用一阶或二阶导数来检测边缘点，边缘检测和边缘连接一 起构成完整的图像分割过程。另外还有如边界跟踪、哈夫( h o u g l l ) 变换法、状态空间搜索法等。基于 区域的方法利用区域内特征的相似性，将图像划分为若干不重叠的区域，这时所得到的边界自然是 一些闭合的曲线。主要有阈值法、区域生长法、分裂合并法、空间聚类法等，这类方法需要区域之 间的不连通足够的明显，才能得到一个合理的划分。目前，对医学图像分割方法的研究主要集中在 可形变模型( d e f o r m a b l em o d e l ) 上，这是一种基于边缘的分割方法，有两种表现形式：参数活动轮廓 模型和几何活动轮廓模型。 1 2 2m s c t 心腔图像分割技术 m s c t , l , 腔数据分割是心腔图像分析的基础，准确快速的分割对进一步的心腔结构分析具有重 要意义，并直接影响到后续工作。m s c t 心腔图像分割受到很多因素的制约：首先，图像中的灰度 5 东南大学硕士论文 变化与腔体的分隔线并非完全对应，某些在灰度上连通的区域在心脏解剖结构上是分离的；其次， 心脏一直处于运动状态，成像的伪影以及噪声经常会影响成像效果；最后，由于心脏结构的特殊性， 图像中会出现曲率很大的凹陷区域，这部分图像难以分割。传统的一些l 呈| 像分割方法，例如基于边 缘的c n y 方法i j 4 j i ”i ，一般仅利用了图像的灰度，纹理等低层次属性，难以适j j 于m s c t 心腔分割。 因此，目前对m s c t , g 腔的分割一般较少采片j 自动分割方法，都是采用了人机交互式的方法。 m s c t 心脏图像具有复杂性和多样性，成像质量受到诸如噪声、场偏移效应、局部体效应和组 织运动的影响。因此，m s c t 心脏图像具有模糊、灰度不一致性等特点【1 6 1 。在很多场合依然依靠专 业人士进行手工分割。近年来，随着m s c t 心脏图像技术的发展，由用户参与控制和引导的半自动 的交互式分割受到了深入的关注和研究。 m s c t 心腔图像的分割根据分割数据的维数可分为二维分割以及三维分割： 1 在二维l 割像上对腔体和血管进行分割，得到二维轮廓数据。 2 体数据重建，再利用三维分割技术对体数据进行分割，直接得到心腔的面分割数据。 本课题计算得出的数据主要用于心腔三维重建，对于三维重建而言，这两种方法各有其优劣之 处：第二种方法由于可以人工控制二维轮廓线的范围，因此对于复杂腔体的处理能力稍强，但是由 轮廓线重建三维模型时由于层与层之间相关性差，存在着三维光滑性差的缺点；第一种方法由于在 对体数据使用三维s n a k e 等分割算法工具，在z 轴方向上不存在由插值重建算法带来的一系列问题， 例如插值误差，三维平滑性问题等，但是重建体数据这个过程本身存在误差，且算法复杂性高，稳 定性不够高。 本课题采用的是第一类方法，重点在于心腔图像以及部分冠状动脉的分割。 p h i l i p s 公司的oe c a b e r t 等人i l ”使用第二类方法，即直接对体数据进行分割，重建心腔的内外表 面，取得了较好的效果，这种方法将在3 5 节介绍。 心腔包括左右心房和左右心室，构成占心脏内体积大部分的空间，在心脏三维建模中属于比较 重要的部分。右心房、室位于房，室间隔平面的右前方，右心室是最前方的心脏，右心房是最靠右 侧的心脏，构成心右缘；左心房、室位于房、室间隔平面的左后方，左心房是最后方的心脏，左心 室是最靠左侧的心腔，构成心左缘。在本课题中利用比例轮廓提取以及改进的s n a k e 这两种算法对 心腔图像进行分割。 目前对心腔分割的研究主要集中在可形变模型i l 之上，无论是参数活动轮廓模型，还是几何活 动轮廓模型，在心腔分割当中都有很多研究结果受到重视。同时数学形态学【”1 的方法也在心腔分割 上得到广泛应用。 1 3 心脏分割技术在三维重建方面的的应用 c t 是一种二维断层无损透视设备及技术，呈现断层部位的平面图像，称为二维断层图像。若要 获得一个机体内部结构的三维图像，需沿断层垂直方向等间隔c t 扫描，得组二维断层图像，再由 这一组= 维断层图像通过配准、插值、滤波等图像处理措施重建出三维图像，并可以根据需要构建 出各种器官的内部结构。c t 三维图像重建理论与技术的开发对于信息技术的发展具有重大的理论意 义和现实意义，在医学、生物学、人体科学、古生物学、考古学等领域具有重大的应用价值口“。例 如，c t 三维图像重建为临床医学及医学科学研究提供清晰的人体结构图像和详尽的病理信息。一般 情况下，医生是凭借经验和解剖学知识分析一组c t 二维图像。由此判断病变部位，诊断病因。由于 人脑对平面的立体还原能力有限以及经验的局限性，可能因误诊造成医疗事故。c t z 维图像重建可 以帮助医生更好地理解病体的三维结构，实现病灶的测量和定位，从而辅助医生做出准确诊断和制 定周密的手术方案，并为进一步模拟操作提供视觉交互手段。 由于c t 、超声等非介入性检测手段的发展，临床上心脏诊断技术不断进步。但是作为二维图 6 第一章绪论 像数据，c t 图像等诊断结果具有其局限性，腔体血管的三维位置无法直接得到，医生需要丰富的 经验才能利用图像数据进行判断和治疗，同时也非常容易出现误差。而心脏三维建模技术可以作为 辅助治疗手段解决这个问题。个三维的心脏模犁可以让医生更为清晰的进行分析，从而判断病情。 三维重建技术口”能在不损伤病人的情况下抽取心脏中的腔体目标，并进行解剖学、功能和组织 学分析。在临床有极大的使用价值。 心脏可视化的任务就是要揭示心脏内部复杂结构，使用户能够看到通常情况下看不到的心脏内 部结构。运用三维重建技术，将二维图像直接重构出三维图形，从而清晰地显示出心脏中的复杂特 征和空问定位关系。有助于医生做出正确的诊断。这些应用可概括如下“1 ： 1 在医疗诊断中应用 在临床和医学研究中，c t 图像、核磁共振图像和超声图像的广泛应用是医疗诊断有力的手段。 利用三维重建技术对图像进行处理、构造三维几何模型，对重建模型不同方向观察、剖切，使得医 生对感兴趣的部位的大小、形状和空间位置不仅有定性的认识。也可获得定量的认识。 2 在手术规划及放射治疗规划中的应用 由c t m r 图像序列重建出病变体、敏感组织、重要组织的三维模型。在手术规划中，医生可观 察病变体、敏感组织、重要组织的形状和空间位置。确定科学的手术方案。在放射治疗中，根据重 建组织的三维几何描述，进行射束安排，使射线照射肿瘤时不穿过敏感组织和重要组织，不伤害正 常组织或对正常组织伤害尽量小，制定出最优的治疗方案。 4 在虚拟手术及解剖教育中的应用 v i s i b l eh u m a n 计划是由美国国家医学图书馆发起，委托科罗拉多大学医学院建立起一个男人和 一个女人的全部解剖结构的数字化图像库( c t m r i i 刳像) 。通过这些资源，研究者可以分析和重建人 体内部的各种器官或组织并进行三维显示，建立起具有真实感的虚拟人体。并可对重建的虚拟人体 进行各种剖切、透明效果设置等，便于了解人体各组织器官的解剖结构。这对医学教育及解剖分析 起着重要作用。 心脏的三维重建按照图像来源能够分为：心脏c t 图像三维建模、心脏超声三维建模、心脏m r 图像三维建模、心脏p e t = 维成像等。其中心脏c t 、p e t 和m r 图像的三维建模方法比较类似，都是 由层数据通过插值等方法得到三维体数据模型。而心脏超卢三维重建方法有两种：常用的方法是利 用现有的超声成像设备从连续的固定二维图像获取切片图像重建物体，另一种方法是实时三维数据 的获取用模拟成像系统通过金字塔体积快速扫描获取数据。多维重建i 璺i 像的显示技术包括：二维图 像体视化、用透视梯度作表恧显示、光学全息图、变焦镜等。 1 4 本文的研究工作及内容安排 本文的主要研究了g v fs n a k e 算法和比例轮廓算法在心腔图像分割上的应用。对于心腔分割来 说，其解剖结构有一些特殊性，首先图像中的灰度变化与腔体的分隔线并非完全对应，某些在灰度 上连通的区域在心脏解剖结构上是分离的；其次，心脏一直处于运动状态，它的成像效果不能保证 完全稳定，些图像上可能会出现不明的空洞，影响分割效果；最后，心脏内丰富的血管，有可能 导致图像中出现深凹区域，这部分图像难以分割。 本文使用交互式方法为g v fs n a k e 算法提供恰当的初始轮廓曲线，有效的解决了上述问题，同 时首次将比例轮廓算法用于心腔的分割，得到了较为理想的实验结果。 文章内容的安排如下： 第一章绪论介绍心脏图像分割技术的在国内外的发展状况以及在重建方面的使用，同时还介绍 了图像分割的相关理论和概念。 7 东南大学硕士论文 第二章可形变模型在心腔分割中的研究进展以及相关理论和方法。 第三章介绍了比例轮廓提取算法的理论。 第四章阐述了文章所提出算法的实施框架，包括实现思路、具体流程和结果及对比分析。 第五章就实验结果进行总结和展望。 8 第二章可形变模型在心腔分割中的应用 第二章可形变模型在心腔分割中的应用 正如上章所述，心腔分割的研究目前主要集中在可形变模型的改进和应用之上，无论是参数活 动轮廓模型，还是几何活动轮廓模型，都得到了图像分割方面研究者极大的重视，并取得一系列研 究成果。 一般而言，可形变模型i l 川在几何上适应性很广，可以在受力学方程控制下进行比较自由的演化。 从力学的角度看，形变体可以看作一个弹性体，在约束力的作用下发生形变，用几何自由度定义该 形变体的形变能量。当形变体发生形变时，该形变能鼍会单调增加，这是形变体的内力；从该形变 体要逼近的数据来定义外部势能，这就定义了形变体的外力。正是在内力与外力的作用之下，使形 变体在形变的过程中达到平衡，此时的状态被认为是最优的状态。可形变模型的这种自由度使其能 够适应医学图像中具有某一类固定形状目标的复杂分割，因此，在医学图像处理领域，可以经常发 现可形变模型的应用实例，特别在心脏的图像分析中，可形变模犁的使用是十分普遍的。 由于心腔的形状相对周定，使用形状信息对可形变模型的形变进行约束是一个非常实用的方法。 g u t ”1 尝试将形态学上侵蚀和扩张的方法修复可形变模型对目标形状的忽略；c h e nf l o l 将可形变模型 与统计模型结合起来，这种方法对于噪声的处理效果较为有效。这里需要特别提到的是，由于近年 来迅速发展的三维成像技术。三维分割算法也越来越收到关注，利用三维的可形变模型对心脏处理 也成为一种趋势。 本章将介绍0e c a b e r 肖人的研究成果，这种方法利用一个心脏形状模型约束形变，在3 维空间上 得到心腔的分割结果。同时本章还将介绍f a s tm a r c h i n g 以及g v fs n a k e 两种可形变模型，并就这两种 方法对m s c t , i , 腔图像的分割进行比较分析。最后，本章介绍了主动形状模型的相关概念 2 1 可形变模型简介 可形变模型的思想来自上世纪8 0 年代前期t e r z o p o u l o s 关于表面重建的变分模型【3 l i ，在这个模 型中，他采用薄片样条作为表面重建这一病态问题的约束来刻画表面的连续性和光滑性，这时物体 被刻画成一个弹性形变体，这一模型也被用于计算机图形学中mj 9 0 年代初期，由于超二次曲面在形 状表达中的优异表现，m e t a x a s 和t e r z o p o u l o s 等又提出了可形变超二次曲面( d e f o r m a b l es u p e r q u a ( h r i c s ) d 6 1 1 3 ”，这时可形变模型的思想深入人心【“，并且基于物理学的建模框架正式确立，国际权威期刊 p a m i 也出版了专刊 4 0 j 。在此之前，s o l i n a ) b b a j c s y 也对超= 次曲面进行了研究 4 1 1 ，并且引入了形变 参数，只是他们采用一种静态的拟合方式完成模型对数据的逼近。在可形变模型的发展中一个有意 思的现象是先有3 d 可形变模型，再有2 d 可形变模型，即可形变轮廓，也就是s n a k e 模型1 4 2 l 。事实上 t e r z o p o u l o s 在讨论其3 d 变分模型时就给出了该模型的2 d 表现p 4 j ，但只有当g a s s 将它作为一个独立的 模型提出时，才引起广泛重视。 对可形变模型的研究己经出现了大量的文献，并有相关的文献综述，如m c l n e m e y 和t c r z o p o u l o s 从医学图像分析的角度考察了可形变模型1 4 j j ，b r o w n 炯准的角度考察可形变模型m 1 a u d e m 贝) j 纯粹 从算法的角度考察配准中的可形变模型1 4 5 j ，m o n t a g n a t 对可形变表面模型的数学描述以及拓扑结构的 变化做了详尽的考察1 4 6 1 。2 d 可形变模型主要是s n a k e 模型及其推广、几何主动轮廓模型。 这里简略介绍s n a k e 模型的几个推广及几何主动轮廓模型。s n a k e 模型的推广包括点分布模型 4 7 1 ( p d m ，t r a i n a b l es n a k e ) ，主动形状模型l “1 ( a s m ，s m a r ts n a k e ) ，主动表面模型【4 9 1 ( a a m ) ，a i s n a k e 5 0 捌i 和可形变模板p 2 - 5 9 1 。而s n a k e 模型的算法原理将在下一节详细介绍。 点分布模型是一种功能强大的形状描述方法，适用于不宜用刚体模型来描述但大致形状己知的 一般形状，即特定形状可以看成是由一般形状发生小的变化得到的。它假设存在m 个训练样本，先 9 东南大学硕士论文 用最小二乘法将样本对齐，从中得到形状的统计描述并用主成分分析得到这些数据的变化。当有了 新的图像数据时，只需要确定特定形状的向量参数和姿态( 平移，旋转和缩放) ，就可以得到该形状的 位置。而这些向量参数和姿态参数可以通过优化算法得到，很可能收敛很慢。 主动形状模型可以得到较快的速度，其核心思想是约束p d m 模型的形变，使得通过形变得到的 形状与训练集中的形状相似。它首先预测得到一个模型各控制点移动的位移矢量，根据此位移矢量 计算参数数量，再计算控制点的位移矢量，直到不再变化。该模型的一个不足就是a s m 模型的先验 模型没有考虑不同图像中灰度的变化，主动表面模型( a a m ) 就是作为对这一问题的改进而提出的， 它首先采用诸如三角化等算法将训练样本集中各分布点所包围的区域变形到平均形状所包围的区域 中，然后在各变形后的区域中对形状和灰度用p c a 算法进行分析。在a a m 模型中，先验模型不仅考 虑了形状信息，而且还包含灰度信息，使得在很多应用下，a a m 模型能够获得比a s m 模型更好的效 果。传统的s n a k e 模型只寻找目标边缘而不考虑目标的几何结构，p d m 模型则严格考虑了目标的结构， 但通过优化来确定特定