一种全自动分割量化心脏磁共振图像左心室的方法

摘要

本发明公开了一种全自动分割量化心脏磁共振图像左心室的方法，其具体步骤是：先对4D心脏磁共振图像进行自动去噪和边缘增强处理；利用霍夫变换自动初步确定左心室中心，以此作为起始种子点实施区域增长技术提出左心室全体素血液区域，以该区域质心为当前层面左心室中心；利用种子繁殖技术找到每一层面中心；以每一层面左心室中心为起始种子点，实施基于迭代下降阈值区域增长技术自动提出每一层面左心室血液区域并计算其面积；然后根据左心室面积时空连续性自动分割左心室顶部并计算其面积；根据左心室面积和形状时空连续性定位左心室底部，并采用受时空连续左心室形状约束的区域增长技术自动分割心脏左心室底部并计算其面积；最后实现左心室图像的整体分割。本发明是一个全自动过程，无需任何手动介入。

说明书

技术领域

本发明属磁共振成像的技术领域，具体的是指一种自动准确定 位4D心脏磁共振图像左心室、自动识别左心室底部和顶部位置，从 而实现全自动分割量化整个心脏磁共振图像左心室的方法。

背景技术

近年来，心脏疾病已成为危害人类身体健康的头号杀手。为了 提高生活质量降低心脏病死亡率，现已发展大量技术用于临床前瞻 性地诊断和治疗心脏疾病。借助医学影像技术准确评价心脏疾病已 成为当今临床诊断心脏疾病、制定治疗方案的常规有效手段。磁共 振成像具有无损伤、软组织对比度高、视野广阔、可任意断层成像 等特点，已广泛应用于临床医学诊断。据研究表明，心脏磁共振成 像精度高，可重复性好，在临床上的应用越来越广，已成为估计心 脏功能、评价心肌变异、检测心肌疤痕和先天心脏疾病的黄金标准。 运用心脏磁共振图像不仅可以观察到心脏的形态结构，还可以估计 心脏的功能状态，能够帮助医生对心脏结构和功能做出正确的判断。

由于左心室是全身血液循环的泵体，左心室功能指标，例如左 心室舒缩容积(包括舒张末期容积和收缩末期容积，是评价心室形 态功能的基本指标)、左心室每博输出量(从左心室泵出经主动脉瓣 进入主动脉的血液体积，是反映心脏收缩强度和速度的重要指标) 和左心室射血分数(左心室每搏输出量与舒张末期容量比值，是评 价心脏泵功能的重要指标之一)，是临床诊断心脏疾病及疗效的重要 参考，量化左心室功能指标也就成为临床诊断和治疗心脏病采用的 常规手段。

分割左心室是量化左心室功能指标的前提。在标准的临床实践 中，心室分割都是由有经验的医师手工描绘的。然而，临床图像数 据量很大，手动分割一般只对舒张末期和收缩末期的图像，并且在 描绘像小梁肌、乳头肌等复杂的心肌结构时存在主观差异。由此可 见，手工分割心室十分耗时，工作效率低，劳动强度大，可重复性 差。因此，自动高效精确分割量化左心室一直是当前研究的重点和 热点。

迄今为止，左心室分割算法已经发展得比较成熟。这些算法包 括传统的边缘提取、区域增长，以及一些基于特定理论的方法，如 水平集算法、遗传算法等等。然而，这些算法几乎都只在分割被心 肌完全包围的左心室时有效，大致还存在如下一些问题：不能自动 精确有效定位左心室，不能自动识别左心室的底部和顶部，不能自 动提取左心室底部血液体积。也就是说，在分割量化左心室功能参 数之前，仍然需要手动定位左心室，手动确定左心室的底部和顶部 的位置，手动封闭底部左心室等，同时还需手动校正一些分割效果 不好的图像。此外，虽然临床中已经使用一些商业软件代替传统的 纯手动分割，但是由于受到算法的局限，仍然需要大量的手动介入 才能完成左心室的功能指标量化。因此，临床上仍急需一种可靠有 效的全自动方法来进一步提高心脏功能参数的精确性和可重复性， 提高工作效率，减轻工作强度。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种自动 定位4D心脏磁共振图像左心室、自动识别左心室底部和顶部位置， 从而实现全自动分割量化心脏磁共振图像左心室的方法。

本发明的实现由以下技术方案完成：

一种全自动分割量化心脏磁共振图像左心室的方法，其特征在 于，该方法的具体实施步骤是：

(1)对4D心脏磁共振图像进行自动去噪和边缘增强处理；

(2)初步确定左心室中心，以该中心为初始种子点实施区域增 长技术提出左心室全体素血液区域计算该区域的质心，并将其确定为 当前层面左心室中心；实施种子繁殖技术估计剩余层面左心室中心；

(3)以步骤(2)中确定的左心室中心为起始种子点，对左心室中 部层面采用基于迭代下降阈值的区域增长技术自动提出左心室血液 区域并计算相应面积；

(4)以步骤(2)中确定的左心室中心为起始种子点，对左心室中 部层面采用基于迭代下降阈值的区域增长技术自动提取每一层图像 在所有时相上的血液区域并计算相应面积，根据提取区域面积变化的 时空连续性自动定位心脏左心室顶部，并校正估算左心室顶部的面 积；

(5)根据左心室面积和形状时空连续性定位左心室底部，利用 受形状约束的区域增长技术自动分割心脏左心室底部并对分割出的 区域进行自动校正；

(6)根据左心室的面积计算左心室功能指标：包括左心室舒缩 容积、每博输出量、射血分数，并描绘充盈曲线。

优选的，所述步骤(1)中对4D心脏磁共振图像的处理采用 anisotropic diffusion方法。

优选的，所述步骤(2)中在提出左心室全体素血液区域之前， 对左心室中部层面舒张末期和收缩末期减影图像进行Hough变换。

优选的，所述步骤(2)中的种子繁殖技术是以临近以层面的已 经确定得左心室中心为当前层面的初始种子点，实施区域增长技术 提取全血体素左心室区域，并将该区域重心确定为当前层面的左心 室中心。

优选的，所述步骤(4)中采用先从左心室中部层面沿着左心室 顶部方向进行左心室中心繁殖，以该中心为起始种子点实行基于迭代 下降阈值法的区域增长技术来自动提取每一层图像在所有时相上的 血液区域。

所述阈值续下降阈值可由如下公式得到：

th＝u_b/r

上述公式中，μ_b为血液区域的均值，r是一个变量，初始值是 1.0，以步长0.05递增。

优选的，所述步骤(4)中当某一层有部分相位生长区域面积发 生跃变，根据时间连续性采用如下公式估计面积：

$A(p,s)=A(q,s)*\underset{i=\mathrm{ms}}{\overset{s-1}{\Sigma }}A(p,i)/\underset{i=\mathrm{ms}}{\overset{s-1}{\Sigma }}A(q,i)$

其中，s代表第s层，p代表发生跃变的时相，q代表离p最近 的未发生面积跃变的时相，ms代表左心室中间层面的层数。 优选的，所述步骤(4)中某一层所有相位生长区域面积都发生跃变， 将心室顶部视为圆锥或椭圆锥，根据空间连续性采用如下公式估计 面积：

$A(p,s)=9A(p,s-2)+4A(p,s-3)-12\sqrt{A(p,s-2)\times A(p,s-3)}$

其中，s代表第s层，p代表发生跃变的时相。

优选的，所述步骤(5)中采用先从左心室中部层面沿着左心室 底部方向进行左心室中心繁殖，以该中心为起始种子点实行基于迭 代下降阈值法的区域增长技术来自动提取每一层图像在所有时相上 的血液区域。

本发明的优点是，本发明方法能够准确快速实现心脏磁共振图 像整个左心室部分的自动定位分割。与当今现存方法比较，本发明 采用全自动的自动分割量化方法，可以自动完成对左心室的分割及 左心室的功能参数的计算，不需要任何的手动介入，功能参数都包 括，左心室舒缩容积，射血分数，每博输出量，充盈曲线，由于以 前的方法都是需要人为去手工分割心脏底部和顶部，具有很强的主 观性，不同的人得到的结果会有很大的差异性。

附图说明

图1是一张曲线图，表明提取区域的体积变化；

图2是实施例中一左心室中部原始图像及其分割图像(左为原 始图像，右为分割图像)；

图3是实施例中左心室的面积和形状在时空上的变化(左为空 间连续性，右为时间连续性)；

图4是一张三维曲线图，表明左心室面积时空连续性；

图5是实施例中一左心室顶部原始图像及其分割图像(左为原 始图像，右为分割图像)；

图6是实施例中一左心室底部原始图像及其分割图像(左为原 始图像，右为分割图像)；

图7是实施例中左心室充盈曲线(横轴是左心室时相，纵轴是 左心室容积)。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一 步详细说明：

本发明方法精确高效地全自动量化4D心脏磁共振图像(CMRI) 左心室功能指标，不需要任何手动介入。以下实例分步介绍本发明 方法自动定位左心室，自动确定左心室顶部和底部位置，自动分割 量化左心室的具体操作过程。

本实施例采集的磁共振成像数据为心脏磁共振成像数据。数据 来源于GE Signa 1.5T磁共振成像系统，所选用的成像序列为SSFP 序列。具体成像参数：TR 3.3-4.5ms，TE 1.1-2.0ms，翻转角55-60， 矩阵大小192×192 256×256，图像大小256×256，接收带宽 125kHz，视野(FOV)290-400×240-360，层厚和层间距分别是6-8 mm和2-4mm(一共10mm)，每个数据的左心室有6-10层，20-28心 脏时相。

(1)迭代下降阈值法提取血液

首先从种子点开始执行区域增长技术提取出全血体素，计算全 血样本区域的均值和标准差(μ_b和σ_b)。然后以μ_b为初始阈值实行 一系列基于连续下降阈值(th)的区域增长技术提取出一系列生长 区域直到该区域突然从心肌突破出去。连续下降阈值可由μ_b和一个 变量得到，具体采用如下公式：

th＝u_b/r

①

上述公式中，r是一个变量，初始值是1.0，以步长0.05递增。 附图1(a)从区域面积的角度描绘了提取区域的面积随着连续降低 的阈值连续变化直至突变。横轴表示变量r，纵轴表示面积(以体 素个数表示)。根据体积突变前的阈值和σ_b可以找到一个最适值用 于分割左心室。图2显示了实施例中一左心室中部原始图像及基于 连续下降阈值法获取的分割图像。

(2)心脏磁共振图像左心室中心繁殖

在心脏中部部分，以邻近层左心室中心为起始点对当前层面实 行区域增长技术，将生长区域的质心确定为当前层面左心室的中心； 在心脏的顶部和底部以各自邻近层面左心室的中心为当前层面左心 室的中心。

(3)左心室顶部分割及其面积估计

左心室面积在时间和空间是连续变化的。图3说明了左心室的 面积和形状在时空上的连续性。图4用实施例中左心室面积数值表 明了时空连续性。如图4所示，y轴代表时相数，x轴代表采集到的 数据层数，z轴代表生长区域面积。该实施例一共有12层20个时 相，图中12条样条曲线代表12层，每一条代表每一层提取出的生 长区域面积随时相的变化。根据提取区域的面积变化时空连续性自 动的分割心脏顶部，并根据顶部发生跃变的情况来估计这些位置的 面积。有两种情况：

(a)某一层有部分相位生长区域面积发生跃变，根据时间连续 性采用如下公式估计面积：

$A(p,s)=A(q,s)*\underset{i=\mathrm{ms}}{\overset{s-1}{\Sigma }}A(p,i)/\underset{i=\mathrm{ms}}{\overset{s-1}{\Sigma }}A(q,i)$

②

其中，s代表第s层，p代表发生跃变的时相，q代表离p 最近的未发生面积跃变的时相，ms代表左心室中间层面的 层数。

(b)某一层所有相位生长区域面积都发生跃变，将心室顶部视 为圆锥或椭圆缀，根据空间连续性采用如下公式估计面积：

$A(p,s)=9A(p,s-2)+4A(p,s-3)-12\sqrt{A(p,s-2)\times A(p,s-3)}$

③

这里，s代表第s层，p代表发生跃变的时相。

图5显示了实施例中一左心室顶部原始图像及根据时空连续性 得到的分割图像。

(4)左心室底部定位及估计

根据提取区域的面积变化和重心变化时空间连续性确定左心室 的底部位置。并利用受形状约束的区域增长技术自动分割心脏左心 室底部并对分割出的区域进行校正。图6显示了实施例中一左心室 底部原始图像及根据时空连续性得到的分割图像。

(5)左心室充盈曲线

完成全自动分割左心室后，可以根据分割出区域的面积量化左 心室功能参数，包括左心室舒缩容积、每博输出量、射血分数，并 描绘充盈曲线。图7描绘了实施例左心室充盈曲线，横轴是时相， 纵轴是左心室体积。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做 出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。