（计算机系统结构专业论文）基于条件腐蚀的不对称度计算检测胆脂瘤.pdf

r 海大学硕t 学位论文 堡些! 望塑竺竺登竺! ! 堕坠竺韭! ! 坐! 竺堑 摘要 在自然科学和数学上，对称意味着某种变换下的不变性，即“组元的 构形在其自同构变换群作用下所具有的不变性”。除了自然的对称性，人 体内部也存在大量的对称性，比如说部分骨骼和组织就是近似左右对称的。 一些医学疾病可以看成是人体器官的不对称所造成的，而另一些则在破坏 人体器官的对称性。找出并量化这些异常情况能够帮助区分健康的和病态 的器官。胆脂瘤是一种因重复感染造成的皮肤组织增生，中耳胆脂瘤会引 起听力丧失，不及时治疗甚至有生命危险。常规的临床诊断主要依靠对c t 肉眼观察，通过对照左右中耳区域并结合一定的医学知识和经验加以判断， 对医生的要求较高，培训所需的病例数量也较多。因此计算机辅助中耳区 域不对称度计算在胆脂瘤临床诊断上有重要的应用价值。 本课题主要讨论基于对称性和不对称度理论的计算技术在临床医学 诊断中的应用以及前景，通过总结、讨论和改进，在现有的理论基础上引 入数字形态学以建立完整的对称性和不对称度理论体系以及计算框架。通 过在胆脂瘤检测的应用研究，探究在包含复杂结构的三维医学图像中发现 对称面、计算不对称度以及形态调整消除正常近似对称的方法。先使用基 于对称度的刚性配准算法对三维灰度医学图像进行自我镜像对齐，然后对 配准后的图像使用条件腐蚀算子在形态上进行调整以消除那些近似对称的 区域，每一次调整的结果通过线性学习分类器得到最终的诊断意见。在人 类头部c t 的胆脂瘤检测实验中，该算法显示出良好的挖掘效果，检测成功 率达到9 5 。 关键词：不对称度计算；医学图像配准；条件腐蚀算子；胆脂瘤检测 v r 海大学硕 学位论文 墅! 塑螋坐旦壁! ! ! ! ! ! 型型型! ! 竺兰堡 a b s t r a c t i nn a t u r a ls c i c ea n dm a t h e r n a t i c s s y m m e t r ym e a n sak i n do fi n v a r i a n c e f e a t u r ed e f i n e da g a i n s ts o m et r a n s f o r m a t i o ng r o u p w h i c hi s t h ei n v a r i a n e ea f o r m a n to ft h ec o m p o n e n th a si nt h ee f f e c to fs o m es e l f - i s o m o r p h i c t r a n s f o r m a t i o ng r o u p ”s y m m e t r yo c c u r sn o to n l yo nt h eo u t s i d e b u ti ns o m eo f t h eh u m a nb o n e sa n do r g a n sa sw e l l i fap e r s o n so r g a na p p e a r st ob em o r e a s y m m e t r i ct h a nt h eo t h e rp e o p l e , t h i sm i g h tb eas i g no fp a t h o l o g y s ot h e s e a n o m a l i e sc a nh e l pt oi d e n t i f ya n dq u a n t i f yt h ed i s t i n c t i o nb e t w e e nh e a l t ha n d d i s e a s c h o l e s t e a t o m ai sab e n i g ng r o w t ho fs k i nc a u s e db yr e p e a t e di n f c c t i o n c h o l e s t e a t o m ai nm i d d l ee a rc a u s e sh e a r i n g1 0 s s e sa n de v e nt h r e a t e n sl i v e s w i t h o u tt i m e l yt r e a t m e n t c o n v e n t i o n a ld i a g n o s i si sm o s t l yb a s e do nt h eh u m a n o b s e r v a t i o no fc tb yc o m p a r i n gt h em i d d l ec a r so nb o t hs i d e s ，w h i c hr e q u i r e s p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e sf r o md o c t o r s i ta l s oc o s t sh i g m yt o t r a i ns u c had o c t o l 功u st h ec o m p u t e ra i d e da s y m m e t r ym e a s u r e m e n ti nt h e m i d d l ee a rh a si m p o r t a n tc l i n i e n lv a l u eo nc h o l e s t e n t o m ad e t e c t i o n t 1 l em a i nt o p i c si n t h i sp a p e ra r es y m m e t r yt h e o r ya n da s y m m e t r y m e a s u r e m e n ta n dt h e i ra p p l i c a t i o ni 1 1t h ec o m p u t a t i o nf o rc l i n i c a la n a l y s i s b y a b s o r b i n g , d i s c u s s i n ga n di m p r o v i n g , am o r ec o m p l e t ea n dp e r s u a s i v et h e o r y a n dc o m p u t i n gf r a m e w o r ka r ee s t a b l i s h e db a s e do nc u r r e n ta c h i e v e m e n ta n dt h e t h e o r yo fd i g i t a lm o r p h o l o g i e s t h r o u g hc h o l e s t e n t o m ad e t e c t i o ne x p e r i m e n l t h em e t h o d so ff i n d i n gas y m m e t r yp l a n e ，m e a s u r i n gt h ea s y m m e t r ya n d m o r p h o l o g i c a l l ye n h a n c i n gs y m m e t r yi n3 d c ti m a g e sa r ed i s c u s s e d f i r s lt h e 3 di m a g ei sa l i g n e dt oi t sr e f l e x i v es e l fu s i n gs y m m e t r yb a s e dr i g i di m a g e r e g i s t r a t i o na l g o r i t h m t h e nb a s e do i lt h er e g i s t o r e di m a g e ，ac o n d i t i o n a l e r o s i o n o p e r a t o ri sp r e s e n t e dt oe n h a n c et h es y m m e t r yr e g i o n t h er e s u l t si ne a c hp h a s e a r er e c o r d e dt ob eu s e di nas e l f - l e a r n i n gc l a s s i f i e rt og i v eo u taf i n a lr e s u l t t h e e x p e r i m e n t st od e t e c tc h o l e s t e a t o m ai nh u m a nh e a dc tb a s e do nt h ep r o p o s e d a l g o r i t h ms h o we n c o u r a g i n gr e s u l t s ，w h i c hc o r r e c t l yd e t e c te h o l e s t e a t o m ai n 9 5 c 勰e s k e y w o r d s ：a s y m m e t r ym e a s u r e m e n t ；m e d i c a l i m a g er e g i s t r a t i o n ； c o n d i t i o n a le r o s i o no p e r a t o r ；c h o l e s t e a t o m ad i a g n o s i s v i 海大学硕七学位论文 ! 坐坠望! 垫坐! 堕型! ! ! ! ! 竺韭! ! ! ! ! ! 堕堡 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名 本论文使用授权说明 日期：掣 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) h 上海大学硕e 学位论文 堡! ! 竺垩塑唑旦竺! 丝兰! 型型竺竺! 竺! 旦 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于北卡罗来纳大学、路易桑那州立大学、复旦大学附属眼耳鼻 喉科医院和上海大学共同发起的三维医学图像处理技术研究计划，目前已经入 第二个阶段的研究，基金项目也正在申请阶段。本人承担其中的对称性和不对 称度的计算、以及在解剖结构中如何发现和衡量对称性的研究。其中部分成果 可被推广到其它基于对称性检测的病变辅助诊断领域。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的主要研究目的是继承前期课题的研究，开发一个具有一定临床实 用价值的计算机辅助诊断程序，旨在处理和分析医学图像自身的对称性以及不 对称度为医务人员提供便利，以辅助医生快速、准确地发现病变区域以及病变 发展情况。 对称性是对象的基本属性之一，存在于几乎所有的领域，如建筑、医学和 自然选择等等，是认识对象、识别对象和描述对象的主要手段。对称对象往往 只需更少量的数据就可以描述，在模式识别中也更容易被检测f 1 1 。但是在对称 的数学描述中，对象只能是对称或不对称的，没有中间状态，因此自然对象总 是不对称的，而衡量其不对称度也成了一个开放问题。除了自然的对称性，人 体内部也存在大量的对称性，比如说部分骨骼和组织就是近似左右对称的。一 些医学疾病可以看成是人体器官的不对称所造成的，找出并量化这些不对称度 能够帮助区分健康的和病态的器官 2 1 ；而另一些则会进一步加剧这种不对称， 此时不对称度能够帮助衡量病变程度。对于一些疾病，即使只能够区分病态和 健康器官就是一大飞跃，如通过对海马体对称性计算区分精神分裂症病人。而 在其他情况下，不对称程度以及纠正方法则更让人感兴趣，如通过对中耳的局 部不对称结构的检测区分炎症类型，获得脑部中轴平面为进一步配准提供参考 剧3 1 。除此之外，对嘴唇、上颚开裂，以及患斜头畸形综合征的儿童进行上颚 t 海大学硕 学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 骨的不对称度检查，通过比较手术i i 后对称面的变化能够衡量手术的成果，然 后通过统计，还能够计算出手术的最佳年龄。 除了对称性定义外，不对称度计算还包含一个与之紧密相关的步骤，对称 面的搜索。对称面一般都是最小化不对称度搜索到的，而不对称度又必须在给 定的对称面上给出，因此不对称度计算的优劣在于对象本身的特性以及对称和 不对称概念的定义。不同不对称计算优化往往给出不同的对称面，如图1 1 中l 型对象的两个不同的对称轴，中间对称轴追求最小化边的距离，右侧对称轴追 求最大化相交面积。两种计算标准的好坏取决于对象类型，如果对象属于v 型， 那中间的对称轴比较好；如果对象属于方型，那右侧的对称轴会更好的评价对 象同方型的区别。有时专家、环境或先验知识已经给出了对称面，那可以直接 计算不对称度，反之则需要为了确定对称面而定义一个标准。对称面搜索和不 对称度计算可以是不同的标准，但一般会把不对称度计算作为最佳对称面搜索 图1 1 不同对称轴f 的对称性 胆脂瘤是一种类似肿瘤的因病变组织不断增生而破坏周围正常结构的炎 症，多发在中耳和乳突区域，治疗不及时将有生命危险。放射科医师通过c t 直接观察患者头部中耳部位来判断病情，主要的方法是比对其正常中耳和病变 中耳的形态，也就是一种对称性检测的方法。因此对称性的计算机辅助检测能 够帮助放射科医师更快更好地判断病情，也为计算机辅助诊断打好坚实的基础。 对称性检测从函数证明引入图像分析领域后一直受到人们极大的重视，尤 其是在医学图像领域作为m i n o v i c 4 1 提出的计算机辅助诊断系统组成部分之一 展现其重要的应用价值。胆脂瘤检测作为本课题所参与研究项目的前期课题， 2 p 海大学硕七学位论文 旦! ! 坚受! ! 坐旦竺! 堕! ! 型型望! ! ! 竺堕 以及主要的数据来源，因此也作为本次课题的主要实验对象。 本研究课题的目的简单划分成以下几个层次： 1 研究基于医学图像处理技术以及胆脂瘤诊断的基本状况； 2 总结现有的对称性研究成果以及基本的计算模型； 3 发展和探索完整的对称性和不对称度计算理论和计算框架； 4 开发医学图像不对称区域提取算法和验证方法； 5 观察应用程序对已有病例资料的敏感性和可靠性，并通过实验数据修正 改进不对称度的计算程序。 另外，本研究课题也将为进一步研究和基金项目申请提供完整的理论框架 和基础，并整理出完整的相关知识背景，希望能通过本课题的开展，来探查对 称性和不对称度计算理论在医学图像辅助诊断中更深层次、更广范围的应用方 法。 1 3 国内外研究概况 虽然对称性检测问题等价于不对称度计算问题，但对于局部区域的不对称 度计算，现有的方法并没有给出直接的解决方案。传统几何对称检测侧重于对 象的对称类型区分，将对称性问题视作待测对象同其最相似对称对象的模式匹 配问题【5 】。吴刚曾在对对称类型定义和检测方法大量调研的基础上提出基于隐 含多项式的对称性计算方法【6 1 1 7 ，将对称图形进行隐含多项式拟合进行判断。这 种常规方法依赖单对象图像假设、不具备灰度不变性、且无法检测通用性不好 f s j ，因而产生了基于相位信息的面向计算机视觉的对称性检测方法。这种方法 不依赖图像的灰度信息，而在相位以及能量等其他的空间进行处理，虽然克服 了传统方法的不足，但是受到计算机视觉研究本身的限制。首先，相位信息方 法没有经过三维图像的实验，图像中对象间边界明显，而在三维图像中对象在 某个层面上存在交叉的情况；其次灰度信息没有得到充分利用，虽然得到了对 称轴，但是无法进一步判断是何种对称类型，无法结合原图像作进一步的处理 等；而且仅考虑局部对象的几何对称性，忽视整体对称性，也要求对称对象必 须是连续图像，无法检测那些非连续图像的对称性；最后这种方法在检测对称 上海大学硕t 学位论文 卫! ! ! 塑璺尘型! 旦竺堡! ! ! ! 竺然型望! ! ! 型堡 类型时也并非通用，仅检测了镜像对称、曲线对称和旋转对称，而没有检测出 其他类型。 医学图像对称性更加关注对称度，虽然图像对称性没有一个准确的数学描 述1 6 】，但是通过对人类和动物行为的观察，对称性依然是一个可以比较的特征羽。 根据对称原本的数学描述，对象只存在对称和不对称的状态，因此自然物体几 乎都不是对称的。对于一个不对称的物体，衡量其同对称究竟相差多少仍然是 个没有解决的开放问题。从对称性群论基础【9 】到对称的连续性证明“0 1 ，基于对 称度优化的方法开始不断发展。m i n o v i e 确立了医学对称性检测问题的特殊性 【4 】，即处理对象为二维或三维医学图像数据，而图像中的对象具有复杂表面特 征，并且提出了“对称距离”的概念。t u z i k o v 曾经提到可以将待测图像同其镜 像反射的图像进行对齐来计算脑部的对称性【3 1 ，但是其文章中并没有进一步说 明。随后g l e r u p 则证明了基于对称度优化的对称性检测问题等价于图像刚性反 射配准问题，将图像配准技术引入了基于对称度的对称检测方法【2 1 0 但是这些 医学图像对称性检测方法还是存在两个问题，一方面依赖不对称度指导配准算 法，影响配准结果，其次无法处理多对象图像，依赖图像分割技术，对于骨骼 等边界明显的大器官来说，这并不成问题，但是对于那些同周围软组织联系紧 密、边界不明显甚至半开放结构的器官，如中耳结构等，就没有好办法了。 1 4 论文的主要研究内容 本课题将研究两个问题： 胆脂瘤患者的不对称度计算； 通过消除正常近似对称性，区分正常人、炎症和胆脂瘤患者； 第一个问题主要研究胆脂瘤患者的中耳区域是否比正常人更不对称。理论 上人的脑部【3 】和头骨【l l 】被认为是近似刚性对称的，胆脂瘤因骨骼被侵蚀、空腔 被液化，势必影响中耳区域的对称性。由于胆脂瘤已经是中耳炎后期病变，因 此计算对称性比分类更能挖掘出病情的影响程度。胆脂瘤检测一直是一项重要 的医学研列12 】 1 4 ) 。通过判断中耳区域的空腔、液化及软组织破坏程度以及骨质 损害程度，能够判断病变的发展程度。此时不对称度计算能够帮助在炎症早期 4 r 海大学硕十学位论文 旦! ! 竺受! 唑坠竺! 堕! ! 竺g 堕型! ! ! 型堡 发现并治疗患者，将极大降低胆脂瘤发病率。 第二个问题在第一个问题完成的基础上提出，由于人体自身具有一定的不 对称性，如何做到不同主体间不对称度的比较是一个关键。同时炎症和胆脂瘤 的不对称度计算是否相同，以及其他各种病变情况的不对称度计算又有什么特 点，都是需要回答的问题，同时也显示了不对称度的应用范围。 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章主要说明胆 脂瘤c t 诊断现状，以及后文所使用到的各种医学图像分析技术和工具，并指 出计算机辅助c t 诊断胆脂瘤的必要性。第三章是当前对称性理论和不对称度 计算研究的综述，对前期课题的研究成果做一些总结和回顾，并介绍了数字形 态学的对称强化功能。第四章在继承现有的对称性理论的基础上加以创新，补 充并丰富了不对称度计算模型，提出了特征生物学不对称度的概念和算法。第 五章会根据理论创新结合实际工作的原则，实现了不对称度计算方法和特征不 对称度分类器，并通过实验验证了所提出方法和模型的正确性和有效性。最后 第六章给出课题总结，并对本课题的进一步深入研究目标提出了方向和建议。 5 p 海大学硕j ：学位论文 ! 坠! ! 型竺堡! ! 壁! 1 2 1 兰皇竺韭型坚里! 型垡 第二章胆脂瘤c t 诊断 胆脂瘤是一种需要及时治疗，否则会危及生命的中耳炎症，通过c t 观察 以及外科手术能够治愈。由于国内发病人数较多，因此放射科医师均能够准确 的通过c t 观察判断病情，但是缺乏病例的地方治愈率较低，而且相关培训成 本较高。借助计算机辅助诊断的方法，能够帮助医生提高诊断胆脂瘤的效率， 提高缺乏病例地区的胆脂瘤治愈率，同时能够尽量在早期诊断出胆脂瘤倾向。 2 1 胆脂瘤c t 诊断 2 1 1 胆脂瘤概述 胆脂瘤是馒性化脓性中耳炎的一种临床表现，并非真性肿瘤，而是位于中 耳、乳突腔内的囊性结构。囊性结构的内壁为复层鳞状上皮，囊内充满脱落上 皮、角化物质及胆固醇结晶，囊外侧以一层厚薄不一的纤维组织与其邻近的骨 壁或组织紧密相连。由于囊性结构内含有胆固醇结晶，故称胆脂瘤。 从医学图像诊断学角度来看，中耳炎症表现可分为两大类，如图2 1 所示。 第一类表现为正常结构形态( 图2 1 a ) 或大小的改变，如骨骼发育异常造成乳 突气房较小( 图2 1 b ) ，絮状物过密( 图2 1 c ) 或经过引流手术后的不规则空 腔( 图2 1 d ) 。第二类表现为在正常组织结构中出现异常的结构区域，如中耳 窦腔内低密度软组织影充填( 图2 1 e ) 是中耳炎的必备特征f 1 2 】，胆脂瘤( 图2 i f ) 是慢性化脓性中耳炎的一种临床表现，会进一步侵蚀周围骨骼【l3 】等。 6 p 海大学硕t 学位论文 ! ! ! ! ! 塑竺生苎! ! ! 竺! ! 垡兰! 型型望呈! ! 竺l 皇 图2 1 中耳各种表现 胆脂瘤易发的地方是中耳和乳突，其周围又都是重要的器官，如大脑、小 脑、大血管、面神经及听神经。特别是由于它接近颅腔，与脑颅只有一层薄骨 板相隔。随着胆脂瘤体的不断增大，压力加大，压迫骨质板被吸收，空洞也扩 大。一旦骨壁穿破，脓液和细菌即可经此而进入颅内，由此可发生严重的颅内 并发症，如硬脑膜脓肿、乙状窦血栓性静脉炎、化脓性脑膜炎及脑脓肿等。如 果不及时处理，发展下去可严重危及生命。 胆脂瘤的治疗方法一般是手术治疗为主，辅助以药物治疗。如果胆脂瘤瘤 体不大，对周围组织的侵蚀破坏不严重，则手术治疗效果相当好，复发率低， 对病人听力的影响很小，且对于中耳炎引起的胆脂瘤患者来说，随着胆脂瘤的 切除，中耳炎也能痊愈了。但是，如果胆脂瘤病情已经发展到很严重，引起了 多种并发症，则手术治疗的难度很大，成功率不高且容易复发。 正是由于胆脂瘤在发展到一定程度后具有相当的危害性，而早期的治疗效 果又很好，因此尽可能的提高在较早期的胆脂瘤确诊率对于减少患者痛苦和降 低治疗难度具有十分重要的价值。 2 1 2 胆脂瘤人工c t 诊断 仅根据病史、临床表现再加上病理检查手段，也能诊断出胆脂瘤，但这样 一方面诊断周期长，需要等待化验结果；另一方面也不利于胆脂瘤的早期诊断。 由于胆脂瘤在发展的过程当中，始终会伴随着对周围骨组织的侵蚀行为，因此， 临床上往往利用c t 图像本身的特点，尤其是高分辨率c t 对显示颞骨细微结构、 病变软组织及骨质破坏方面的优势，将高分辨率c t 广泛地应用于胆脂瘤的诊 7 r 海大学顾 学位论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i s o f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 断中，以利于明确诊断胆脂瘤及选择手术方式。 术前c t 检查已经被证明在辅助手术计划中有一定指导意义，且已经大量 应用于胆脂瘤型中耳炎的治疗中【1 4 1 。借助于医学影像技术，主要是依靠高分辨 率c t 对颞骨部位细微结构强大的显示能力。从c t 图片上，医生可以直观地观 察到胆脂瘤瘤体以及它对周围骨质的破坏程度。这对于胆脂瘤诊断的帮助不可 谓不大。比如图2 2 中标出了一些人工的规则便于判断胆脂瘤。其中图2 2 a 属 于典型的胆脂瘤形态，液体充满整个中耳区域，同时对周围骨骼压迫甚至破坏， 乳突区域完全消失；图2 2 b 的冠状位是放射科医师的首选观察方式，因为只需 观察中耳部位是否有空洞既能够判断胆脂瘤情况，尤其是在仅仅需要确认胆脂 瘤的情况下；图2 2 c 则是另一种情况，左侧液体自然引流，但是胆脂瘤所造成 的骨骼缺损现象明显，右侧炎症情况也很清晰。 图2 2 部分胆脂增中耳判断规则 虽然c t 图像本身的特性对诊断胆脂瘤很有裨益，但是由于胆脂瘤的情况 比较复杂、并不是每个医生都可以很顺利地从高分辨率的c t 图像上得到有价 值的信息，从而快速、准确地做出诊断的。对于胆脂瘤这样的疾病，即便提供 了高分辨率的c t 图像，医生自身也需要有足够的专业知识和i 艋床经验来识别、 诊断。 比如，虽然医学上对胆脂瘤在c t 片上形态的描述很详细，但是一方面由 于颞骨部位的结构复杂，另一方面由于每个人的颞骨形态都不尽相同，有的差 异很大，导致一些缺乏足够临床经验的医生不能很准确地辨识出胆脂瘤，尤其 是那些对骨质尚未造成严重破坏的早、中期胆脂瘤。所以，即便是经验丰富的 医生，也都希望能拥有患者以前同一部位的c t 图像来与现在的c t 图像进行对 j ：海大学硕 学位论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i s o f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 比，以尽可能地剔除其它干扰信息，提高诊断正确率。不过，患者在之前往往 没有拍过这一部位的c t 片，无法提供给医生这类有价值的参照数据。在这种 情况下，医生通常不得不另辟蹊径，利用胆脂瘤几乎总是只发生在- - n 的特点， 在进行c t 检查时，将另一侧的颢骨区域c t 图像作为参照数据，与目标区域进 行对比。这种做法的依据在于，尽管人与人之间的颞骨形态差异较大，但是， 对于独立的个人来说，其左右两边的颞骨区域形态，在健康时虽然不是完全对 称，但还是具有很高的相似度的。这是人类以及大多数动物遗传特征使然。 医生参照对侧颞骨区域形态的方法，本质上来说就是一种比较不对称度的 方法。不过，这种利用人体天然对称性的方法，其实施是由医生的肉眼观察来 进行的，其判断也带有医生个人浓厚的主观色彩，受医生个人专业知识、临床 经验的限制，难以做到客观量化。因此，虽然这种参照比对方法有足够坚实的 理论基础，由于其不完善的实行方法，其辅助诊断的效果还是不能得到充分的 发挥。 2 2 计算机辅助c t 诊断 2 2 1 计算机辅助诊断概述 计算机辅助诊断在医学中的应用可追溯到2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 9 年，美国 学者l e d l e y 等首次将数学模型引入临床医学，提出了计算机辅助诊断的数学模 型，并诊断了一组肺癌病例，开创了计算机辅助诊断的先河；1 9 6 6 年，l e d l e y 首次提出“计算机辅助诊断”( c o m p u t e ra i d e dd i a g n o s i s ，简称c a d ) 的概念。 计算机辅助诊断的过程包括病人一般资料和检查资料的搜集、医学信息的量化 处理、统计学分析，直至最后得出诊断。 基于医学影像的计算机辅助诊断( m e d i c a li m a g eb a s e dc o m p u t e ra i d e d d i a g n o s i s ，简称m i b c a d ) 就属于属于医学影像学的研究范畴。自2 0 世纪印 年代开始。就出现了用计算机分析医学影像资料的报道。此后十几年里由于计 算机技术等各种原因，m i b c a d 的研究一度陷入低谷：一方面，由于人们对于 m i b c a d 期望过高，希望能够借助计算机实现自动诊断( a u t o m a t e d d i a g n o s i s ) ； 9 t 海大学硕士学位论文 旦! ! ! 堂堂旦竺坐竺兰! 竺韭型望旦! 竺塑 另方面m i b c a d 的研究结果也并不理想。直到八、九十年代，由于计算机技 术及各种数学、统计学的快速发展，计算机辅助诊断才在一些发达国家的医学 影像学领域获得较快发展，并取得了可喜的成就【1 5 】。 随着对这一方向的研究不断深入，各方面研究人员包括医生、学者以及工 程人员对于计算机辅助诊断在医学影像学中的含义也逐渐达成了一个共识：在 应用计算机辅助诊断系统时，做出最终诊断结果的仍应该是医生等医务工作者， 只是医生在判断时可以也需要参考计算机输出的计算结果，这样使得诊断结果 更客观更准确。简单地说，计算机的输出结果被强调为一种参考( s e c o n d o p i n i o n ) 而不是最终结果，这与最初六、七十年代的计算机自动诊断的观念以 及现在某些人对于m i b c a d 的理解是很不相同的。 医学影像学中，计算机的输出结果是定量分析相关影像资料特点而获得的， 其作用是絮助放射科医师提高诊断准确性和对于图像、疾病解释的一致性 ( c o n s i s t e n c y ) 。m i b c a d 之所以能够提高医生的诊断准确性，原因就在于： 放射科医生的诊断是主观判断过程，因而会受到医生经验及知识水平的限制和 影响；其次，医生诊断时易于遗漏某些细微改变，如肺结节，乳腺内的细微钙 化等。而计算机对于纠正这些错误和不足具有巨大的优势。 2 2 2 计算机辅助诊断的一般过程 医学影像学中通常把计算机辅助诊断分为三步来进行 1 6 l ： 图2 3 计算机辅助诊断的一般过程 第一步是图像的处理过程，目的是把病变由正常结构中提取出来。在这里 图像处理的目的是让计算机易于识别可能存在的病变，让计算机能够从复杂的 1 0 卜海大学硕 学位论文 旦! ! ! 苎墅璺! 坐旦竺! ! ! ! ! ! 型塑! ! ! ! 苎塑 解剖背景中将病变及可疑结构识别出来。通常此过程先将图像数字化：一般用扫 描仪将图像扫描；如果是数字化图像如d r 、c t 、m r i 图像则可省去此步。各 种病变运用不同的图像处理和计算方法，基本原则是图像增强和图像滤过的应 用等，通过处理计算机将可疑病变从正常解剖背景中分离、显示出来。 第二步是图像征象的提取，或图像特征的量化过程。目的是将第一步计算 机提取的病变特征进一步量化，即病变的征象分析量化过程。所分析征象是影 像诊断医生对病变诊断具有价值的影像学表现，如病变的大小、密度、形态特 征等。 第三步是数据处理过程。将第二步获得的图像征象的数据资料输入人工神 经元网络等各种数学或统计算法中形成c a d 诊断系统，可以对病变进行分类处 理，进而区分各种病变，也即实现疾病的诊断。这一步中常用的方法包括决策 树、神经元网络( a n n ) 、b a y e s 网络、规则提取等方法，目前a n n 应用十分 广泛，并取得较好的效果。 2 2 3 胆脂瘤计算机c t 诊断 人体组织医学图像有三个特性：一是近似对称性，如头部1 、脑部【3 1 、躯 干和四肢都是近似镜像对称的；其次是近似对称的组织在同一平恧或整个空间 中可能是不连续的，如脑组织和眼球；不同组织的对称轴不同但接近，如头骨 和眼球的对称轴。人体组织的不对称度通常是一种病交的特征。比如说下颚骨 不对称可能是由于头骨不对称发育，然后压迫下颚骨所引起的【l 刀，而脑部的发 育也会因此受到影响。由于生物组织总是表现出一定的不对称度，因此为了区 分正常和病变组织，需要判断哪些是非常不对称，那些仅仅是属于正常范围内 的般不对称。通过计算不对称度，正常和健康组织能够被区分出来。 图2 4 显示了正常的中耳区域和病变的中耳区域的c t 图像，其中上侧的中 耳是正常的，下侧的中耳是有胆脂瘤病变的。病灶区域会因病变组织发生质变 而破坏对称性，如图2 4 b 中左耳腔内的大量液体说明左耳有病变，但图2 4 a 中耳腔内虽然气泡分布不均衡，但总体上要比2 4 b 对称。 上海大学硕t 学位论文 ! ! ! ! 竖塑里! ! 坐! ! 竺堡苎! ! ! ! 鲤型! ! ! ! 竺塑 图2 4 中耳c t 中的不对称度 中耳区域病变经历着许多阶段。正常的中耳区域应当包含大量气房，伴随 有少量的絮状物隔离，软组织和微小骨质结构清晰，骨质边界明显。随着炎症 的产生，中耳区域表现为絮状物增多，液体开始侵蚀气房直至充满中耳和乳突 区域，软组织边界不明显，骨质结构还是比较清晰。胆脂瘤会进一多侵蚀周围 骨骼】，微小骨质结构被破坏。在不同阶段所做的治疗也不同，在这种情况下， 发展出一种既有足够理论依据，同时又可客观计算的方法来辅助胆脂瘤诊断的 过程，就可以确定中耳病变的阶段，以及最佳的治疗手段。 2 3 医学图像分析技术 自从x 射线发明以来，c t ( 计算机断层成像) 、m r j ( 核磁共振成像) 、c r ( 计算机x 线成像) 、b 超、电子内窥镜等现代医学图像设备先后出现，使得 传统的医学诊断方式发生了革命性的变化。使用计算机对医学图像设备采集到 的图像进行处理这一技术被称为医学图像处理，它可以辅助医生进行更好、更 准确的诊断。医学图像处理与分析技术牵涉很多学科，包括图像处理、计算机 图形学、模式识别、虚拟现实以及医学相关知识等，目前它的最主要的研究方 向有图像分割、图像配准、三维可视化这三个大的方面。现在已经成为- - f q 新 兴的发展迅速的交叉科学领域。 2 3 1c t 成像技术 c t 是利用x 射线束对人体某部位按一定厚度的横断面进行扫描。由探测 器接受透过该层面剩余的x 射线，将其转变为可见光，由光电转换器再转变为 1 2 p 海大学硕十学位论文 堡! 垒塑兰查竺堕! ! 堕! ! 竺壁型型垡塑堡 电流，经模数转换器转为数字，经电算机处理，获得扫描层面每个单位长方 体( 体素) 的x 线衰减系数，排列成矩阵即数字矩阵。数字矩阵可存储于磁盘中。 又经数模转换器将矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块( 像 素1 ，按矩阵排列构成c t 图像。c t 图像的实质是重建图像。 患者通常取仰卧位，使扫描部位进入扫描孔内，先作定位扫描，在定位图 像上作好扫描计划线，进行横断扫描。扫描层间距通常选为2 0 m m ，对病灶兴 趣区可根据需要使用o 7 5 m m 或者o 5 m m 等不同的精细薄层扫描，某些部位可 作冠状扫描，如垂体、腹部扫描要训练病人呼吸，应在屏气状态下扫描。目前， 快速螺旋c t ( s p c t ) 的应用已大大提高了图像质量。c t 检查分平扫、增强扫描 和造影扫描三种。 c t 图像是由一定数目由黑到白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。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 1 0 m m ，0 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 u t i o n ) 高。c t 图像的空问分辨 力不如x 射线图像高。 c t 图像是以不同的灰度来表示，反殃器官和组织对x 射线的吸收程度。 因此，与x 射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， 如肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是c t 与x 射线图像相 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、纵膈、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 射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 射线的 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 的值来说明密度。单位为f l u ( h o u n s f i e l du n i t ) 。 t 海大学硕十学位论文 ! 生! ! 堕塑! ! 坐! ! 型! ! ! ! ! 竺韭竺! ! ! 竺竖 c t 值的使用，使在描述某一组织影像的密度时，不仅可用高密度或低密度 形容，且可用它们的c t 值的水平说明密度高低的程度。 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，还可重建冠状位和横断 面的层面图像。 2 3 2 图像分割 图像分割是图像分析的一个中间步骤，是低级视觉的首要部分，它将图像 划分成互不相交的部分并保证每个部分内部的相似特性【1 8 1 。分割的最终目标是 确定图像中的哪些部分能够构成实际的对象，并将感兴趣的对象从背景中分离 并且识别出来【1 们。医学图像分割的目标则是将医学图像中的特定组织完全提取 出来进行可视化或进一步处理。以前医生往往是通过自己的经验手工分割病灶 区( 目前国内这种情况也比较普遍) ，而分割的目的就是尽量自动、准确地将这 些病灶区提取出来。图像分割是图像处理、图像分析和计算机视觉等领域经典 的研究课题之一，也是难点之一，其理论和方法至今尚未获得圆满的结果。在 医学领域，图像分割也一直是一个非常活跃的研究课题。 图像分割可以大致分为以下几种类型：基于区域的分割方法，包括阈值分 割 2 0 l 、区域生长等【2 1 j ；基于边缘的分割方法，包括梯度算子、r o b e r t s 算子， s o b e l 算子、p r e w i t t 算子、l a p l a c i a n 算子和k i t s c h 算子等；基于形变模型的方 法，包括主动轮廓( a c t i v ec o n t o u r ) 瞄j 、水平集( l e v e ls e t ) 、快速移动( f a s t m a r c h i n g ) 2 4 1 等；基于人机交互的方法，包括手工交互式分割、l i v ew i r e 分割 f 2 爿等。 2 3 3 图像配准 图像配准是将两个或多个取自不同时间、不同视点或者不同采集装置的图 像进行几何对齐的过程【2 6 1 。图像配准作为图像分析任务的重要步骤，能够为其 他操作如图像融合、变化监测、多途径图像复原等，提供图像间有用的差异性 信息。在医学上，图像配准主要侧重于将不同类型图像( 解剖图像和功能图像) 1 4 p 海大学硕士学位论文 堡! 墼塾! 型! 坐! 塑! 生! ! 竺韭! ! 型! ! 竺堕 的信息进行空间对齐匹配，然后进行图像融合以得到既能反映生理解剖结构、 又能体现器官功能的医学图像l 矧。配准算法根据变换本质可分为刚性变换、仿 射变换、投影变换和曲线变换，核心则是特征提取、变换方法、参数搜索算法 和相似性测度，主要问题是配准算法的验证和精确度。 刚性配准的方法有很多，一些依赖于图像表示的类型，如对象是否已经被 分割，图像是否包含色彩信息，图像是否仅包含边界信息；另外一些方法则是 用于所有的表示类型。尽管如此，配准方法可能会要求图像经过预先的处理， 比如说对于不同类型的图像( m 砒和c t ) ，配准操作会要求进行灰度调整。另 外一些配准方法还会要求进行二值化、表面剥离或标记点操作。配准方法还可 分为自动和手动的。医学图像分析中，多数图像是二维射线图或三维的体数据， 且经过了数字化。常用的刚性配准方法可以参考文献【2 _ 7 】【2 8 】，非刚性配准方法包 括基于地标2 卵【3 0 1 、弹性1 3 ”、流体力学( 3 4 1 3 习和最小化函数【3 5 】【圳，其它还有源 目标对称配准法【3 7 】和搜索对称面法【3 s j 。 2 3 4 三维可视化 三维可视化的主要目的是将医学影像设备得到的一系列的二维切片，使用 计算机图形学的技术，构造出一个器官的三维模型，并且非常逼真地显示给医 生。这是科学可视化研究的一个重要分支。目前，随着医疗设备的进展，医学 影像数据集越来越大，极大的数据量给传统的三维重建与绘制技术带来了非常 大的挑战，一所以目前大数据量的三维医学影像的快速重建和绘制技术也是一个 非常具挑战性的问题。 三维可视化可以分为3 个大类：表面绘制( s u m c er e n d e r i n g ) 、体绘制 ( v o l u m er e n d e r i n g ) 和数字几何处理( d i g i t a lg e o m e t r yp r o c e s s i n g ) 。表面绘制 包括经典的m a r c h i n gc u b e s 算法f 3 州、c u b e r i l l e 算法一1 1 等；体绘制包括经典的 r a yc a s t i n g 算法【4 2 】、s p l a t t i n g 算法【4 3 】、s h e a rw a r p 算法脚1 以及新近出现的基于 图形硬件g p u 的加速算法f 4 5 1 1 删等：而数字几何处理 4 7 】娜】是在s i g g r a p h 2 0 0 1 上 提出的一个概念，用于对表面绘制产生的网格进行处理，包括网格化简、网格 细分、网格平滑等算法。 1 5 p 海大学硕十学位论文 ! ! ! ! ! 塑竺些堡! ! 塑! 垡! ! 竺业! ! ! ! ! ! 竺堕 2 。4 医学图像分析工具 i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o l k i t ) 【4 9 】主要提供医学图像的 分割与配准功能，是专门针对医学图像领域开发的。1 9 9 9 年，美国国家卫生院 下属的国立医学图书馆发起了一个投标活动，要出资赞助开发一个分割与配准 的开发平台，作为v i s i b l e h u m a n 项目的一个工具，对v i s i b l e h u m a n 项目得到 的数据进行处理与分析，最终选中六家单位合作开发，包括三个大学和三个商 业公司。从1 9 9 9 年1 0 月开始，到2 0 0 2 年l o 月发行了i t k1 0 版本。目前i t k 的开发也采用