论文研究-基于三维形态学的冠脉血管自动提取研究 .pdf

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基于三维形态学的冠脉血管自动提取研究,欧阳自鹏,房斌,目的 快速、有效地将冠状动脉血管从CT图像中自动提取以及冠脉开口处的自动识别。方法 结合直方图阈值、三维腐蚀膨胀和区域增长等��
山国武花论文在丝 三维预分割 根据上个步骤得到的分割阙值,得到了心脏冠脉大概的灰度范围,保留此范围内像素值 其余的根据相关公式置为或。为实现血管的预分割,此处引入了三维阈值分割和区域增 长操作。由于噪声和灰度不均,简单的阈值分割可能会导致图像空洞和过分割,导致结果的 不准确性。木文引入了三维区域增长操作,将像素值属性相似的相邻点合并到此区域。设原 始有效像素点集合为,中有一有效像素点,其邻接点的集合为,有一需判断的 点为,满足相似性度量即与像素值差的绝对值在规定好的范围内,判断公式如下, 这两步操作将冠脉血管粗略地提了出来,效果如图 如果满足 三维形态学操作提取冠状窦口 通过对粗糙分割结果的观察,可以发现,冠脉血管分支相对于主动脉来说,具有细长的 特点。通过三维腐蚀操作易于将细小的血管完全腐蚀掉。再通过恢复性膨胀操作就可以得到 除细长分支之外的主动脉部分。通过原体数据和腐蚀后数据进行减操作得到腐蚀掉的分支, 最后根据邻接关系得到疑似点(如图)。此处使用结构模板对伾数据进行腐蚀得到 体数据,表示为: 使用结构模板对体数据进行膨胀得到体数据,如图,表示为: 减操作得到腐蚀掉数据,表小为: 此处的结构模板为ⅹ×的三维算子。根据不同数据可以自由设置以达到最好的结 果。根据套数据的统计学分析,其中以ⅹⅹ的三维算了最为适合。 由于数据中具有大量冗余信息,上步得到的开∏疑似点过多。如何甄别出准确的开 点是一个难题。本文根据医学先验知识,可以看出心脏主动脉是平滑的,形态也是保持接近 园柱。开凵点总是在主动脉中心线一定半径内,且其所映射的在上下几层的点必在主动脉所 在层区域内。根据此信息由种子点所在层向血管延伸层遍历(方法如图),搜索到准确 的两个冠状窦口就结束,具体的算法框图如图,图所示: 山国武技论文在丝 开始 输入粗分割 输入粗分割 数据、连通 数据 或数据和和 维形态学处理 计算当前切片主 区域半径和重心 下一张切片 计算主动脉部分与 买余部分邻接点 连通域重心 下连通域 域邻 计算连通域 此连通域重 遍历是香结束 心作为窦口 一是否遍历全部 连通域 是否全部找到 输出每个连 甬域 <或切片遍历完 图:邻接点获取流程图 图:冠状窦∏探寻流程 切割获得冠脉 从图像可以看岀,根据找出的窦口点,只要选取合适的角度进行切割,就可以将冠脉血 管与杂质进行分隔,达到分割的目的。切面是两个窦口点和计算出来的点所构成的平面。设 这两个窦口点为 和 则第三个点的计算方法如下 由于三点构成一个平面,通过这个面(如图所示),对预分割后的图像进行切割 最终去除杂质得出分割的数据,结果如图所示。 A:预分图;B:形态宇凜作后的三动脉部分;G:开口疑似点,以红色标记;D:探寻窦口示意图 图:不同分割阶段图示 分割效果评价标准 为进一步验证夲文算法准确性,本文邀凊医学专家对原始实验数据进行手工精细分割, 以此作为分割标准,并将其与木文算法分割结果进行实验对比。结果通过三维显示后的对比 分析得出分割的有效性与一致性程度 山国武花论文在丝 结果 分割工具及过程展示 上述基于三维形态学的冠脉血管分割算法在 中实现,通过 库实现三维重建。图所示为直方图阈值前后对比的结果,可以观察到,经过直方 图阈值后,感兴趣区域得到明显地增强,方便下一轮的准确分割。图所示为三维形态学操 作提取冠状窦口不同分割阶段图。如图可见,冠状窦口点准硝地提取出来并很好地在图 中展示。图为基于冠状窦口的切割流程,可见根据冠状窦口得刭的切面,平滑地将杂质和 冠脉分离开来,最终得到准确的冠脉血管,效果如图所示。 1000-500 10 1000 -1000500C 500 100C 图:直方图阈值前后对比图 A A:冠状窦口检测结果,以红色小球标志;B:切割的平面示意图;G:切割后结果图 图:冠状窦口提取后的分割结果 分割结果评佔 专家分割结果与本文分割方法具体实验效果如图所示:分别为原始数据、于动分割数 据、本文分割数据。可见多套数据运用本文方法自动分割得到的冠状动脉在轮廓形态上与相 应的原始图像匹配度好。同时,在同一视角观察,与手动分割结果相比,本文分割结果较为 平滑,两者的血管脉络和细密稈度基本一致,且无多余的杂质残留,一致性程度高。 山国武花论文在丝 图像第一列为原始数据;第二列为专家手动分割结果;第三列为本文分割结果。 图:专家分割与本文分割对比图 寸论 造影图像序列不仅展现了血管的全貌,而且提供了心动周期中血管变形以及心脏供血功 能等动态信息。利用冠脉血管三维重构技术得的三维血管空间结构,不仪可以精确定位病 变的空间位置,而且可以应用于虚拟规划及手术导航中,提扃临床手术的质量和成功率。 由于原始图像为胸腔原始图像集,不同组织以不同的灰度显示。心血管由于存在造 影剂分布不均、衰減以及曝光不均等复杂情况,由相关设备直接获取的造影图像经常不能清 晰的显示血管树的局部和全局结构。再加上受各组织之间的粘连影响,会造成血管显示不明 显。现有图像分割技术的研究往往集中在单个方法的改进上,较少的结合冠脉血管的自身特 点进行分割。本文核心内容在于以现有成熟分割技术为基础组成一套完整分割流稈来实现更 具有现实意义的分割,提出一种仝自动的基于三维形态学的冠脉血管自动提取方法。 本文的方法最大的创新在于通过冠状窦口进行分割,窦口作为冠脉的起源,它的定位能 够帮助主动脉根部的定位,并建立平面,阻断血液的连通性,将冠脉和比邻的解剖结构区分 丌来,也可以为其他的基于血管追踪的冠脉提取提供种了点参考依据。同时,得到的冠状窦 ∏可作为影像学数据为心导管术提供参考,为临床行逆行灌注心脏造影和消融导管的插入等 山国武花论文在丝 技术提供依据,了解窦∏坐标可以获得病人病理信息,为初期的诊断提供判断依据,应用于 临床实践,将有助于提髙心导管送入的成功率。 实验测试可知,本文方法实现的分割方法比手工分割更简易,快速,更精确,更灵活, 只备很好的运行速度与精确度,只有重要的实用价值,在今后的工作中,本文可以在速度和 精确度两方面分別做更多事情,希望以更快的速度达到更好的冠脉血管分割效果。 参考文献 范丽婿张立仁于铁链等值分割技术在冠状动脉钙化性斑块研究中的应用中国医学计算机成像杂 邹利光戴书华张冬等冠状动脉起源昰常多层螺旋诊断及临床意义第三军医大学学 报 张朝霞李宏霄陈晓冬等基于概率决策和区域生长的冠状动脉三维分割天津大学学报

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