CT图像中一种有效的半自动血管分割方法

摘要

CT图像中一种有效的半自动血管分割方法，采用的硬件是CPU,软件采用Visual Studio 2010,本方法包括下述步骤：①血管路径曲线采样，②获取最件“球”半径③调整“球”心位置与“球半径”④优化“球”心位置与“球半径”⑤ 采样点间“球”模型插值⑥阈值膨胀。本发明优点：本发明的半自动血管分割方法，能够较为准确的分割出血管轮廓，有助于提升病情诊断的准确性，提高医疗效率。

说明书

技术领域

本发明为一种有效的CT图像血管分割方法，属于数字医疗技术领域。

背景技术

目前，很多人忽视了饮食习惯问题，导致饮食中脂类、醇类过多，又没有合理的运动促进其代谢，极易引发心脑血管疾病，从而出现了大量的心脑血管疾病患者。而医疗资源分配的欠合理，导致某些医院人满为患，如不提高医疗效率，将使得这些患者得不到及时的检测和治疗。因此，数字化医疗应运而生，其实施不仅可以大大提高医院的诊疗效率、提高服务质量，而且对提高医院未来竞争力会产生极大的影响。在数字医疗设备中，CT被认为在对心脑血管疾病的诊断价值较高，因此，快速准确的从CT图像中分割出血管信息将对提高医疗效率有着重要意义。

发明内容

本发明的目的，是针对CT图像，在给定描述血管路径的曲线后，提供一种有效的半自动血管分割方法，能够较为准确的分割出血管轮廓，有助于提升病情诊断的准确性，提高医疗效率。

采用的软硬件如下：

硬件：PC机（4核及以上CPU）；软件：Visual Studio 2010。

设计的血管分割方法包括以下步骤：

1. 血管路径曲线采样

为降低算法的计算量，同时避免血管路径曲线局部出现较大曲率，从而影响后续的算法准确性，有必要对初始路径进行采样处理，即间隔单位距离进行采样，这样既可以降低算法复杂度，同时又不改变初始路径的整体走向与趋势，采样结果为，如图1所示。

获取最佳“球”半径

提出的血管分割算法思路为将血管假设成为一根横截面为圆，且弯曲的管状结构，形成该结构的方式被假设为从起始端（路径起始位置）塞入一个“球”，沿路径前进方向（路径起始位置至终止位置方向）进行滚动形成，滚动过程中“球”的半径将自适应随之变化，最后球体滚动覆盖的所有点标记为血管。假设血管路径曲线的采样点作为“球心”，对每个“球”计算可以存在的最大半径：

(1)

(2)

式中，为“球”半径，为球中体素的个数，为体素值，为“球”中体素的平均值，为“球”包含体素的位置集合，为“球”中所有体素标准差阈值。

调整“球”心位置与“球”半径

由于初始血管路径曲线并不一定在血管中心，生成的“球”集合也不一定是最优的，因此需要对“球”心位置和“球”半径进行进一步的优化。步骤如下：

3.1 获取“球”前进方向

对于曲线来说，某个点的前进方向可表示为该点的切线方向；而曲线采样后形成若干个离散的点，这些点是不存在切线的，要获取每个点的前进方向，需要对其进行近似与估计。这里根据待处理采样点与其前后相邻采样点的位置关系，来估计出该采样点的前进方向，即待处理采样点的切线方向，计算公式为：

(3)

(4)

(5)

式中，，，，分别为待处理采样点沿路径方向的前后各两个采样点的行坐标值(，分别为列，层坐标值)，为层间像素真实距离与行列间像素真实距离的比例值，为待处理采样点切线方向的单位向量。

获取法平面

在获取了“球”的前进方向后，这里该步骤将实现获取该切线方向的法平面，为了保证相邻“球”心距离适中，定义当“球”滚到此处，“球”心位置需要在这个法平面上。其法平面获取方法如式(6)：

(6)

式中，表示“球”心位置坐标。

获取“球”心区域

由3.2可知，虽然调整后的“球”心应在法平面上，但也不应与原“球”心距离过大，这里在法平面上设置一个以原“球心”为中心，为半径的圆，从而将圆的内部作为“球”心位置调整区域。

优化“球”心位置与“球”半径

由于圆内存在无数个点，在判断哪个点为最优的新“球”心位置时，无法对所有点进行遍历，因此，这里需要在圆内进行点采样，使新的“球”心只能在这些采样点上，采样点集合如式(7)所示。

(7)

而后，假设将采样点作为新的“球”心，重复步骤2，得到满足条件(1)的最大半径。

最后，选择计算得到的最大半径所对应的点作为优化后新的“球”心，该半径为优化后最优半径，如式(8)所示。

(8)

对所有的采样点进行计算后，获得了新的采样点集合。

“球”心优化迭代与终止判断

获得了新的“球”心和半径后，需要判断该“球”心和半径是否为全局最优的，这里基于“球”心位置与“球”半径的变化情况作为是否迭代或终止的条件，即当式(9)与式(10)任何一个条件不成立时，，返回步骤1，继续迭代；反之，当式(9)与式(10)同时成立时，迭代终止。

(9)

(10)

5 采样点间“球”模型插值

基于采样点获取了所有“球”模型后，需要对相邻的“球”模型进行插值处理，从而分割出完整的连续的血管模型。假设优化后相邻“球”心的坐标分别为和，半径分别为和，假设两个采样点存在个插值“球”心点，那么第个插值“球”模型中心位置和半径分别如式(11)和式(12)所示。

(11)

(12)

6 阈值膨胀

由于血管边缘体素的灰度值明显小于血管内部体素的灰度值，也就是说血管内部的灰度值集中程度较高，因此在计算“球”内体素方差时，容易将血管边缘处的体素排除在外，但这些体素同样也是血管的一部分，因此需要对步骤5的分割结果进行阈值膨胀处理。即对于图像中非分割结果的体素，如果其体素值满足血管阈值条件，则将该体素作为血管的一部分。同时，膨胀次数应小于给定给定阈值。

实验结果与分析

实验证明，当采用设计的分割算法，在分割血管时，可以取得良好的分割效果。

本发明的半自动血管分割方法，能够较为准确的分割出血管轮廓，有助于提升病情诊断的准确性，提高医疗效率。

注：再增加点优点。

附图说明

图1是血管路径曲线采样示意图；

图2是“球”半径计算示意图；

图3是采样点切线方向示意图；

图4是法平面示意图；

图5是“球”心调整区域示意图；

图6是“球”，模型插值示意图；

图7插值后“球”模型值示意图；

图8是血管分割流程图；

图9是颈、椎动脉及主动脉CT图像血管分割实例；

图10是具有病灶的CT图像血管分割实例。

图11为待测血管路径图。

图12为血管分割结果图。

图13为待分割血管起点图。

图14为待分割血管终止图。

具体实施方式：

CT图像中一种有效的半自动血管分割方法，本方法中硬件采用4核及以上CPU，软件采用Visual Studio 2010,包括下述步骤：

1）血管路径曲线采样：

对血管路径采样采用间隔单位距离进行采样，采样结果为：

，（1）

2）获取最佳“球”半径：

本方法将血管假设成为一根横截面为圆，且弯曲的管状结构，形成该结构的方式被假设为从起始端塞入一个“球”，沿路径前进方向（路径起始位置至终止位置方向）进行滚动形成，滚动过程中“球”的半径将自适应随之变化，最后球体滚动覆盖的所有点标记为血管。假设血管路径曲线的采样点作为“球心”，对每个“球”计算可以存在的最大半径：

(1)

(2)

式中，为“球”半径，为球中体素的个数，为体素值，为“球”中体素的平均值，为“球”包含体素的位置集合，为“球”中所有体素标准差阈值。

3）调整“球”心位置与“球”半径：

根据待处理采样点与其前后相邻采样点的位置关系，来估计出该采样点的前进方向，即待处理采样点的切线方向，计算公式为：

(3)

(4)

(5)

式中，，，，分别为待处理采样点沿路径方向的前后各两个采样点的行坐标值(，分别为列，层坐标值)，为层间像素真实距离与行列间像素真实距离的比例值，为待处理采样点切线方向的单位向量。

（2）获取法平面：

定义当“球”滚到此处，“球”心位置需要在这个法平面上；其法平面获取方法如式(6)：

(6)

式中，表示“球”心位置坐标；

（3）获取“球”心区域：

在法平面上设置一个以原“球心”为中心，为半径的圆，从而将圆的内部作为“球”心位置调整区域；

（4）优化“球”心位置与“球”半径：

在圆内进行点采样，使新的“球”心只能在这些采样点上，采样点集合如式(7)所示；

(7)

而后，假设将采样点作为新的“球”心，重复步骤2，得到满足条件(1)的最大半径；

最后，选择计算得到的最大半径所对应的点作为优化后新的“球”心，该半径为优化后最优半径，如式(8)所示；

(8)

对所有的采样点进行计算后，获得了新的采样点集合。

4）“球”心优化迭代与终止判断

基于“球”心位置与“球”半径的变化情况作为是否迭代或终止的条件，即当式(9)与式(10)任何一个条件不成立时，，返回步骤1，继续迭代；反之，当式(9)与式(10)同时成立时，迭代终止。

(9)

(10)

5）采样点间“球”模型插值：

假设优化后相邻“球”心的坐标分别为和，半径分别为和，假设两个采样点存在个插值“球”心点，那么第个插值“球”模型中心位置和半径分别如式(11)和式(12)所示。

(11)

（12）

6）阈值膨胀

对于图像中非分割结果的体素，如果其体素值满足血管阈值条件，则将该体素作为血管的一部分；同时，膨胀次数应小于给定给定阈值。

初始血管路径经过采样后，坐标如表1所示。

表1. 采样后血管路径体素坐标集合

计算采样点切线方向，即确定“球”模型优化过程中球心前进方向的法平面，其单位向量如表2所示。

表2. 采样点切线方向单位向量

“球”模型不断优化迭代，迭代过程中球半径变化情况如表3所示，这里式(2)中阈值设为50。

表3. 迭代过程中球半径值

对采样点间“球”模型进行插值，插值后半径大小如表4所示。

表4. “球”模型插值后半径值序列

将所有“球”模型覆盖的体素进行标记，并进行膨胀操作两次，从而得到最终的血管。