一种基于图割和断裂补全的血管提取方法

摘要

本发明公开了一种基于图割和断裂补全的血管提取方法，包括：対图像进行血管增强；基于图割法进行血管分割；对血管中心线进行提取；基于斜率一致性分析对血管进行补全。本发明提出的方法是一种全自动的血管提取方法，无需人为的交互与参数设置，能够有效弥补现有分割方法容易导致血管结构断裂的不足，提取出较为完整的血管结构，提高血管分割的准确性，有利于更进一步的血管结构和功能分析。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种基于图割和断裂补全的血管提取方法。

背景技术

血管是人体内的重要结构，从医学影像中分割出血管的精准结构对于血管疾病的诊断以及量化分析具有重要的作用。分割的血管影像在外科手术中可以帮助医生最大程度控制手术出血，最终使手术患者获得最佳康复效果。因此，如何准确提取血管对手术规划具有十分重要的意义。

目前，常用的血管成像技术，在对血管较为细小、狭窄或者病变区域成像信息较弱，传统血管分割方法在提取血管结构时容易造成血管结构的断裂，对后续的结构分析造成困扰。所以，迫切需要一种血管分割新技术，提高血管分割的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图割和断裂补全的血管提取方法，弥补现有技术的不足，提高血管分割的准确性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种基于图割和断裂补全的血管提取方法，包括以下步骤：

S1、対图像进行血管增强；

S2、基于图割法进行血管分割；

S3、对血管中心线进行提取；

S4、基于斜率一致性分析对血管进行补全。

优选地，所述步骤S1具体包括：

对获取的图像使用基于Hessian矩阵特征值的多尺度血管增强方法进行血管增强，增强图像中的管状结构和背景的对比度。

优选地，所述步骤S2具体包括：

将图像中的所有体素点与一个源节点S和一个汇节点T结合起来，形成一个图模型G＝(V，E)，其中V和E分别表示顶点和边的集合；

其中，顶点包括两种：一种是所有体素点对应的法向顶点；另一种是终端顶点；边包括两种：一种是普通相邻体素点之间的连接，为n-link；另一种是体素点和终端顶点之间的连接，为t-link；每条边对应一个非负权重W，一个割是指图中边集合E的一个子集C，C中的所有边断裂都能够分离剩余的S图和T图，割的代价是C中所有W的和；

设计代价函数，找到使代价函数最小的割，在体素点实现血管和背景分割。

优选地，所述步骤S3具体包括：

使用迭代细化算法进行血管中心线提取，包括：

连续遍历包含血管的前景体素点并找到要删除的简单点，直到所有点都不是简单点；

其中，将前景体素定义为26连通，背景体素定义为6连通，欧几里德距离等于1的体素点称为6邻域邻接点，欧几里德距离等于

同时满足以下条件的点被定义为简单点：点的26邻域邻接点至少有一个前景点、点的邻域邻接点中至少有一个背景点、点的26邻域邻接点的前景点必须形成一个连通域、点的26邻域邻接点的背景点必须形成一个连通域。

优选地，所述步骤S4具体包括：

对提取的血管中心线中的点进行编号处理，并根据其相邻位置关系构建血管中心线树；

根据血管中心线树获取所有的端点，计算端点方向，根据每个端点方向选取拟合数组，拟合出三维曲线的曲线方程和端点切线；

判断切线方向；

进行血管中心线端点优化连接；

根据血管分割结果得到每个端点的血管半径以及待补全的血管半径，再结合血管中心线补全血管。

优选地，所述根据每个端点方向选取拟合数组，拟合出三维曲线的曲线方程和端点切线具体包括：

假设拟合数组中用于拟合的点的数目为n，则使用n-1阶多项式进行拟合，为了防止过拟合，对于n＝4和n＝5都用3次多项式进行拟合；

统计每个拟合数组中左右点的XYZ三个方向上的变化率，选择变化率最大的方向作为拟合自变量，其他两个方向作为拟合因变量；

如果选择X方向为拟合自变量，则曲线方程为：

f

端点切线为：

优选地，所述判断切线方向具体包括：

假设端点为I

其中，Angel为两个方向的夹角。

优选地，所述进行血管中心线端点优化连接具体包括：

根据端点方向找出所有应该相连的端点对；

对于一对端点相连的可能性通过以下四个条件来度量：

两个端点的欧式距离；两个端点方向的夹角；两个端点不能属于同一个连通域；两个端点连接后的平滑性。

优选地，所述根据血管分割结果得到每个端点的血管半径以及待补全的血管半径，再结合血管中心线补全血管具体包括：

通过遍历所有已经分割出的血管前景点，判断其26邻域内是否有背景点；提取出血管表面体素集合VS，则端点的血管半径为：

d＝min(dist(endpoint,I),I∈VS)

其中endpoint为血管端点，dist为计算两个点的欧式距离；

假设待连接的两个端点的血管半径分别为d1、d2，则待补全的血管半径为(d1+d2)/2，之后再根据血管中心线补全血管。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提供了一种全自动的血管提取方法，无需人为的交互与参数设置，能够有效弥补现有分割方法容易导致血管结构断裂的不足，提取出较为完整的血管结构，提高血管分割的准确性，有利于更进一步的血管结构和功能分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于图割和断裂补全的血管提取方法的流程图；

图2a-图2d是本发明实施例中判断端点是否连接的四种情况；图2a表示端点欧氏距离不能过大，图2b表示端点方向的夹角不能过小，图2c表示端点不能属于同一连通域，图2d表示端点连接后要足够平滑；

图3是本发明实施例中的血管断裂补全示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的实施例提供了一种基于图割和断裂补全的血管提取方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、対图像进行血管增强；

S2、基于图割法进行血管分割；

S3、对血管中心线进行提取；

S4、基于斜率一致性分析对血管进行补全。

本发明方法能够有效提取出较为完整的血管结构，提高血管分割的准确性，有利于更进一步的血管结构和功能分析。

具体地，本发明所述基于图割和断裂补全的血管提取方法的详细流程如下：

步骤S1、対图像进行血管增强；该步骤具体包括：

对获取的图像使用基于Hessian矩阵特征值的多尺度血管增强方法进行血管增强，增强图像中的管状结构和背景的对比度。

步骤S2、基于图割法进行血管分割；该步骤具体包括：

将图像中的所有体素点与一个源节点S和一个汇节点T结合起来，形成一个图模型G＝(V，E)，其中V和E分别表示顶点和边的集合；

其中，顶点包括两种：一种是所有体素点对应的法向顶点；另一种是终端顶点；边包括两种：一种是普通相邻体素点之间的连接，为n-link；另一种是体素点和终端顶点之间的连接，为t-link；每条边对应一个非负权重W，一个割(cut)是指图中边集合E的一个子集C，C中的所有边断裂都能够分离剩余的S图和T图，割的代价是C中所有W的和；

设计代价函数，找到使代价函数最小的割，在体素点实现血管和背景分割。

步骤S3、对血管中心线进行提取；该步骤具体包括：

使用迭代细化算法进行血管中心线提取，包括：

连续遍历包含血管的前景体素点并找到要删除的简单点，直到所有点都不是简单点；

其中，将前景体素定义为26连通，背景体素定义为6连通，欧几里德距离等于1的体素点称为6邻域邻接点，欧几里德距离等于

同时满足以下条件的点被定义为简单点：点的26邻域邻接点至少有一个前景点、点的邻域邻接点中至少有一个背景点、点的26邻域邻接点的前景点必须形成一个连通域、点的26邻域邻接点的背景点必须形成一个连通域。

步骤S4、基于斜率一致性分析对血管进行补全；该步骤具体包括：

对提取的血管中心线中的点进行编号处理，并根据其相邻位置关系构建血管中心线树；

根据血管中心线树获取所有的端点，计算端点方向，根据每个端点方向选取拟合数组，拟合出三维曲线的曲线方程和端点切线；

假设拟合数组中用于拟合的点的数目为n，则使用n-1阶多项式进行拟合，为了防止过拟合，对于n＝4和n＝5都用3次多项式进行拟合；

统计每个拟合数组中左右点的XYZ三个方向上的变化率，选择变化率最大的方向作为拟合自变量，其他两个方向作为拟合因变量；

如果选择X方向为拟合自变量，则曲线方程为：

f

端点切线为：

判断切线方向，包括：

假设端点为I

其中，Angel为两个方向的夹角。

进行血管中心线端点优化连接，包括：

根据端点方向找出所有应该相连的端点对；

对于一对端点相连的可能性通过以下四个条件来度量：

1.两个端点的欧式距离；2.两个端点方向的夹角；3.两个端点不能属于同一个连通域；4.两个端点连接后的平滑性。

图2a-图2d给出了判断端点是否连接的四种情况。其中，图2a表示端点欧氏距离不能过大，图2b表示端点方向的夹角不能过小，图2c表示端点不能属于同一连通域，图2d表示端点连接后要足够平滑。

根据血管分割结果得到每个端点的血管半径以及待补全的血管半径，再结合血管中心线补全血管，具体包括：

通过遍历所有已经分割出的血管前景点，判断其26邻域内是否有背景点；提取出血管表面体素集合VS，则端点的血管半径为：

d＝min(dist(endpoint,I),I∈VS) (4)

其中endpoint为血管端点，dist为计算两个点的欧式距离；

假设待连接的两个端点的血管半径分别为d1、d2，则待补全的血管半径为(d1+d2)/2，之后再根据血管中心线补全血管。

图3是本发明实施例提供的血管断裂补全示意图，深色部分为初步血管分割结果，黑色虚线为血管中心线，黑点是中心线端点，白色虚线是补全的血管中心线，中间浅色部分为补全的血管，d1、d2为血管半径。

综上所述，本发明实施例提供的基于图割和断裂补全的血管提取方法通过血管增强、基于图割法的血管分割、血管中心线提取、基于斜率一致性分析的血管补全等步骤，能够提取出较为完整的血管结构，有利于更进一步的血管结构和功能分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。