基于双相高分辨率CT数据的体素级细节肺功能定量研究

摘要

随着医学影像技术的飞速发展，高分辨率数字图片大量产生，这一方面为影像诊断师提供了更清晰的解剖或功能图片，另一方面也增加了读片负担，致使漏诊和误诊率增加。在此背景下，计算机辅助诊断(computer aided diagnosis，CAD)的研究蓬勃发展起来。计算机断层扫描(cornputed tomography：CT)是肺功能测定和肺部疾病诊断的重要成像手段，但是传统的CT肺功能测定只能测算整体肺的定量指标，如：全肺或单肺的容积、象素指数等，无法从局部和细节定量出肺功能。本课题提出一种基于胸部高分辨率CT(high．resolution CT，HRCT)序列图片的计算机辅助诊断肺功能技术，实现了高分辨率的细节肺功能定量测定，不仅可以测算出一般的CT肺功能指标，还能观察到呼吸过程中肺部每一体素容积大小的变化，从整体和局部定量出个体肺部的呼吸功能。 本课题的研究思路为：首先采集被试者处于深呼气术和深吸气末的双相胸部HRCT序列，自动化分割出肺部组织，测算出一般的CT肺功能指标；然后对双相肺部容积图像进行配准，将呼气相配准到吸气相，得到该过程的形变场：再基于配准形变场计算出能反映体素体积收缩或膨胀的Jacobian矩阵，提取细节肺功能定量指标。 主要涉及三方面的研究内容：肺组织自动化分割、同体异态肺部容积图像的配准、基于形变场的Jacobian计算。对于自动化分割肺组织而言，我们基于结构连续性的分割策略，采取由粗到精的步骤，首先通过阈值法和数学形态学分割出粗略的肺组织，再利用动态阈值区域生长法去除气管和主支气管，接着用“移动射线”技术将左右肺粘连处分开，最后由“滚球”算法平滑肺边缘的锯齿和裂缝。经资深影像诊断师目测检验，得到平均分割满意率为95％；自动分割与人工分割的吻合度均值达到0.9620；平均每层的分割时间低于6s。在对同体异态肺部容积图像进行配准时，我们首先基于解剖标志面寻找仿射变换参数，对呼气相容积图像进行全局仿射变换；再利用多分辨率模式的Demons算法进行非刚性配准；最后将这两个阶段的形变场进行叠加，得到总体形变场。配准评估显示：平均体积重合度从0.7982上升至0.9544；平均灰度均方根误差从171.6622下降至69.5829。有了良好的配准结果，形变场则具有实际意义。 我们将Jacobian理论类比到图像上，详细分析了该矩阵所代表的体素收缩或膨胀的物理意义，然后计算出总体形变场的Jacobian矩阵。在影像诊断师的指导之下，我们创新性地提出了能够反映细节肺部呼吸功能的定量指标：Jacobian直方图以及该图的集中点和集中度、Jacobian指数等。这些指标不同于常规CT肺功能指标，为细节肺功能测定开辟了新的途径。综观整个课题，实现了细节肺功能的定量研究目的，并且在肺部自动化分割、同体异态容积图像的大形变配准两方面有良好的效果，具有一定的参考价值。 本论文的研究工作得到安徽省教委重点科研项目(2006KJ097A)和国家自然科学基金项目(60771007)的资助。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究概况

1.3研究目标、内容及本文的组织安排

第二章自动化分割肺组织

2.1概述

2.1.1胸部高分辨率CT序列中肺组织的特点

2.1.2分割的目的和要求

2.2序列层片分割的策略和步骤

2.3分割的技术细节

2.3.1阈值法和数学形态学粗略分割肺组织

2.3.2基于自适应阈值的区域生长法去除气管和主支气管

2.3.3“移动射线”法消除左右两肺的粘连

2.3.4滚球算法平滑肺边缘

2.4实验方法及结果评估

2.4.1实验数据采集

2.4.2实验平台及操作界面

2.4.3实验结果评估

第三章双相高分辨率肺部容积图像的配准

3.1概述

3.1.1医学图像配准技术介绍

3.1.2本课题配准的目的和要求

3.1.3 工具包ITK简介

3.2双相高分辨率肺部容积图像配准的策略

3.3双相高分辨率肺部容积图像配准的技术细节

3.3.1全局仿射变换

3.3.2局部非刚性配准

3.4实验方法及结果评估

3.4.1实验数据采集

3.4.2实验平台及操作步骤

3.4.3实验结果评估

第四章细节肺功能的定量测定

4.1基于分割结果的肺功能定量指标计算

4.2基于配准形变场的Jacobian分析

4.2.1 Jacobian在配准中的物理意义

4.2.2求解同体异态肺部容积图像配准形变场的Jacobian矩阵

4.2.3基于Jacobian矩阵的定量指标测算

4.3细节肺功能测定实验

4.3.1实验方法

4.3.2实验结果

第五章总结和展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

读硕士期间发表的论文