CN104851107A - 基于ct序列图像的脊椎定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CT序列图像的脊椎定位方法，所述脊椎定位方法包括以下步骤：S₁、载入CT序列图像，分割出所述CT序列图像的骨头区域；S₂、在每一帧中查找所述骨头区域中面积最大的区域作为脊椎骨区域；S₃、在每一帧中定位所述脊椎骨区域最上面行的脊椎定位点，利用先验信息判断所述脊椎定位点的合法性；S₄、对所述脊椎定位点的位置进行纠正。本发明能够在没有人工辅助的情况下定位脊椎，并精确地找到定位点，提高脊椎定位的速度，实现脊椎的自动、快速、准确定位。

Description

基于CT序列图像的脊椎定位方法

技术领域

本发明主要涉及医学图像处理及应用领域，尤其涉及一种基于CT序列图像的脊椎定位方法。

背景技术

在医学图像处理及应用领域，CT图像的应用越来越广泛了。CT(ComputedTomography)图像，即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描。其具有扫描时间快、图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查。根据所采用的射线不同可分为：X射线CT(X-CT)、超声CT(UCT)以及γ射线CT(γ-CT)等。

例如，肝脏是人体最大的实质性脏器，解剖学研究表明肝脏分为八个肝段，每一肝段都有独立的管道系统，可以作为一个外科切除单位。所以根据病人的CT扫描数据进行术前预案成为外科医生确定合理的肝脏切除方案之前不可缺少的一步。多层螺旋CT(mu1ti-slice spiral CT,MSCT)在临床诊断中被广泛采用，其增强扫描图像，根据病人在注射对比剂后扫描时间的不同分为动脉期、门静脉期和延迟期三期序列图像。肝动脉成像和肝门静脉成像能够清晰显示肝内的血管结构，这些信息是肝部疾病定位、定性诊断，选择治疗方法和指导手术的重要依据。

另外，在对肝脏进行疾病定位和诊断过程中，血管位置定位和病灶定位也是肝脏病理分析的重点和难点。因此，脊椎作为CT图像数据中一个相对明显且固定的位置便成为定位参考点的最佳选择。脊椎的快速准确定位便成为实现肝脏病理分析和诊断的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特点在于，所述脊椎定位方法包括以下步骤：

S₁、载入CT序列图像，分割出所述CT序列图像的骨头区域；

S₂、在每一帧图像中查找所述骨头区域中面积最大的区域作为脊椎骨区域；

S₃、在每一帧图像中定位所述脊椎骨区域最上面行的脊椎定位点，利用先验信息判断所述脊椎定位点的合法性；

S₄、对所述脊椎定位点进行修正。

较佳地，所述步骤S₁还包括以下步骤：

S₁₁、载入CT序列图像，选取脊椎区域；

S₁₂、对选取的所述脊椎区域进行预处理，分割出选取的所述脊椎区域中的骨头区域。

较佳地，所述选取脊椎区域包括：利用CT扫描图像的先验信息对CT序列图像进行选取和裁剪，得到脊椎的初步定位区域。

较佳地，所述预处理包括以下步骤：

S₁₂₁、对于步骤S₁₁中选取的所述脊椎区域进行阈值分割，得到选取区域中骨头区域的初步分割结果；

S₁₂₂、利用形态学算法去除骨头区域的初步分割结果中的细小空洞和连接断裂。

较佳地，所述判断所述脊椎定位点的合法性包括：

若脊椎定位点的Y轴坐标大于CT图像高度的四分之一，并且X轴坐标与CT图像宽度的二分之一的偏差绝对值小于CT图像宽度的四分之一，则判断为合法；否则为不合法。

较佳地，所述步骤S₄具体包括以下步骤：

S₄₁、对脊椎定位点坐标异常的切片进行修正；

S₄₂、对缺失脊椎定位点坐标的切片进行修正。

较佳地，步骤S₄₁包括以下步骤：

S₄₁₁、顺序排列检测到的脊椎定位点；

S₄₁₂、定义一个滑动窗口，将需要处理的脊椎定位点依次放置在窗口中心，计算窗口内脊椎定位点序列的位置中值点；

S₄₁₃、定义D_M为当前切片的脊椎定位点与所述位置中值点的欧氏距离，D_P为当前切片的脊椎定位点与前一切片中已经处理好的脊椎定位点的欧氏距离，若D_M或D_P中任一一值小于预设阈值TH，则采用D_M、D_P中较小者的位置代替为当前位置的脊椎位置。

较佳地，所述步骤S₄₂中包括以下步骤：采用脊椎定位点坐标缺失切片的邻近切片的定位点坐标进行修补。

与现有技术相比，本发明基于CT图像的脊椎定位方法具有以下优点：

一、本发明在脊椎骨的定位过程中利用了大量的先验知识，如骨质的CT成像特质和人体脊椎图的解剖特性，这样就大大提高了脊椎定位的准确性。

二、在脊椎定位过程中，对于已经得到的脊椎位置和无法定位的脊椎都有相应的策略进行处理，能够保证脊椎定位方法的健壮性。

三、本发明的脊椎定位方法能够全自动完成定位，无需进行人工干预，能够大幅度提高效率。

附图说明

图1是本发明基于CT图像的脊椎定位方法的流程图。

图2是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中选取脊椎区域的示意图。

图3是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎骨区域中阈值分割的效果图。

图4是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎骨区域中区域连接的效果图。

图5是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎骨区域中面积查找结果示意图。

图6是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎定位点坐标位置示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是本发明基于CT序列图像的脊椎定位方法的流程图。如图1所示，本发明基于CT图像的脊椎定位方法包括以下步骤：

步骤一、载入CT序列图像，分割出所述CT序列图像的骨头区域。

载入CT序列图像，例如腹部多螺旋CT序列图像，选取脊椎区域，得到脊椎的初步定位区域。其中选取的脊椎区域可以包括利用CT扫描图像中的先验信息(如人体脊椎位置)对CT序列图像进行选取和裁剪实现的。

进一步具体地说，可以根据CT扫描的方向、人的脊椎位置等先验信息来进行选取区域的定位。由于人的脊椎在CT图像中的位置相对固定，因此本发明先选取CT图像中的固定区域进行预处理。

图2是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中选取脊椎区域的示意图。如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述脊椎定位方法选取的为X轴坐标范围为[H/4,7H/8]，Y轴坐标范围为[W/4,3W/4]的区域，其中W表示CT图像的宽度，H表示为CT图像的高度。

特别地，此处所述腹部多螺旋CT序列图像可以包括门静脉期序列图像和动脉期序列图像。

然后，对选取的所述脊椎区域进行预处理，以分割出选取的所述脊椎区域中的骨头区域。根据本发明的一个实施例，预处理主要包括以下两步：

a)阈值分割：对于选取的所述脊椎区域进行阈值分割，得到选取区域中骨头区域的初步分割结果。具体地说，根据CT成像原理，CT图像的灰度反映了器官和组织对X线的吸收程度，白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。然而其他的器官和组织与骨骼吸收程度相差较大，灰度较低。故本方法通过先验知识确定一个CT值作为阈值对CT图像进行分割。图3是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎区域中阈值分割的效果图。如图3所示，通过初步分割，所述脊椎定位方法已经分割出大部分骨骼。

b)区域连接：由于CT图像中的噪声，如图3所示，初步分割后会出现骨头区域不连续的情况，因此可以通过膨胀操作将分割结果中不连续小块区域连接成大块连续区域。具体地，在完成初步分割后，利用形态学算法去除骨头区域的初步分割结果中的细小空洞和连接断裂，最后得到选取的所述脊椎骨区域中最终的骨头区域分割图像。

图4是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎骨区域中区域连接的效果图。如图4所示，经过对脊椎区域进行区域连接，已经分割出大部分骨头区域。

步骤二、在每一帧图像中查找所述骨头区域中面积最大的区域作为脊椎骨区域。

利用腹部CT脊椎面积较大的特性，在每一帧图像中查找分割区域中面积最大的区域作为脊椎骨区域，即进行区域查找。如图4所示，选取分割区域中CT序列图像分割得到的骨骼分割图像中具有多块骨骼区域，图5是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎骨区域中面积查找结果示意图。对分割出的所述骨骼区域进行查找和筛选，如图5所示，得到最终的脊椎骨区域分割图像。这样通过面积进行查找筛选后，就可以分割出脊椎骨区域部分。

步骤三、在每一帧图像中定位所述脊椎骨区域最上面行的脊椎定位点，利用先验信息判断所述脊椎定位点的合法性。

根据本发明的一个实施例，得到脊椎骨区域的分割结果之后，选取脊椎骨区域中最上面一行的中间点作为脊椎区域的定位点，图6是本发明基于CT图像的脊椎定位方法中脊椎定位坐标点位置示意图。根据脊椎位置的先验信息，可利用限定偏移区域的方式来对分割得到的所述脊椎骨区域选取的定位点进行合法性判断。具体操作方法为：将位置点坐标记为(x_med，y_top)，其中y_top为最大面积区域最上面一行的Y轴坐标，x_med为最大面积区域上Y轴坐标为y_top的一行的中心点的X轴坐标。利用人体脊椎位于人体中央位置的特性，通过合法性量度M来判断：

y_top>H/4确保位置点Y坐标位于中下位置；abs(x_med-W/2)<W/4确保位置点X坐标与人体中心位置的偏移程度。其中W和H为CT图像的宽度和高度。

由上述公式可知，若脊椎定位点的Y轴坐标大于CT图像高度的四分之一，并且X轴坐标与CT图像宽度的二分之一的偏差(绝对值)小于CT图像宽度的四分之一，则为合法；否则为不合法。

步骤四、对所述脊椎定位点进行纠正。

CT序列图像的脊椎定位点可能会出现偏差，同时还可能存在无法确定脊椎定位点的情况，因而需对序列图像切片的脊椎定位点坐标进行修正，具体地，包括对脊椎定位点坐标异常的切片进行修正和对缺失脊椎定位点坐标的切片进行修正：

a)对脊椎定位点坐标异常的切片进行修正。若脊椎位置坐标异常，在对脊椎定位点坐标进行纠正时，通过定义两个距离量度D_M和D_P来衡量坐标合法性，并对不正确的脊椎定位点坐标进行纠正。具体过程如下：

1、按照切片序号顺序排列检测到的脊椎定位点。设CT数据的切片序列下标取值为[0,1…,N]，已经检测到脊椎定位点的切片数为M，脊椎定位点坐标序列sp＝{(x₁,y₁,t₁),(x₂,y₂,t₂),…,(x_M,y_M,t_M)}，坐标序列Z轴坐标t_k∈[0,N]，k＝1,2,…M，并且满足当i<j时t_i<t_j。

2、定义一个滑动窗口，将需要处理的脊椎定位点依次放置在窗口中心，计算窗口内脊椎点序列的位置中值P_medium。计算过程如下：

设对脊椎定位点坐标序列中的第k个点进行处理，则当前处理点坐标为sp_current＝(x_k,y_k,t_k)，滑动窗口大小为S_window，则：

窗口中的起始点下标N₁＝max(k-S_window/2,1)

窗口中的结束点下标N₂＝min(N₁+S_window-1,M)

窗口中的点序列 $P=\{(x_{N_1},y_{N_1},t_{N_1}),(x_{N_1+1},y_{N_1+1},t_{N_1+1}),...(x_{N_2},y_{N_2},t_{N_2})\}$

本方法利用窗口中的坐标序列P计算位置中值P_medium，通过计算P中每个点P_medium与其他点XY轴坐标的欧氏距离和d_i，并将d_i取最小值对应的点坐标记为位置中值P_medium，计算过程如下：

$d_i=\underset{k=1}{\overset{S_{window}}{\&Sigma;}}\sqrt{{(x_i-x_k)}^2+{(y_i-y_k)}^2}---\left(1\right)$

$d_{min}=min\{d_{1,}{d}_2,d_3,...d_{S_{window}}\}---\left(2\right)$

公式(1)中d_i为坐标序列P中第i个点与序列其他点XY轴坐标的欧氏距离和；公式(2)中d_min为公式(1)中所求各个欧氏距离和的最小值。

由欧氏距离和最小值d_min，即可得到最小欧氏距离和对应点坐标，即位置中值P_medium：

P_medium＝(x_(min),y_(min))      (3)

公式(3)中的(x_(min),y_(min))为取最小值对应点的XY轴坐标。

3、计算D_M和D_P两个距离量度来判断并纠正脊椎点位置。由前一已处理的脊椎位置坐标sp_previous＝(x_pre,y_pre,t_pre)当前处理点坐标sp_current＝(x_k,y_k,t_k)和求得的位置中值P_medium计算距离量度：

$D_M=\sqrt{{(x_k-x_{\left(min\right)})}^2+{(y_k-y_{\left(min\right)})}^2}---\left(4\right)$

$D_P=\sqrt{{(x_k-x_{pre})}^2+{(y_k-y_{pre})}^2}---\left(5\right)$

公式(4)中的D_M为当前切片中检测到的脊椎位置与位置中值的欧氏距离；公式(5)中的D_P为当前切片检测到的脊椎位置与前一切片中已经处理好的位置的欧氏距离。

设定距离阈值TH限制当前切片中的脊椎位置与位置中值的偏移量。如果D_M<TH且D_P<TH，则认为当前处理点坐标为正确坐标，无需纠正；反之，则用D_M、D_P中较小者的位置代替为当前位置的脊椎位置。

b)对缺失脊椎定位点坐标的切片进行修正。

如果无法定位脊椎骨坐标，则根据脊椎骨的解剖特性，即脊椎骨的走向统一，相邻切片的脊椎骨坐标比较接近，故对于无法找到脊椎骨的切片，可用缺失切片的邻近切片脊柱骨坐标进行插值修补。

设由a)得到修正后的脊椎点序列：

sp_fixed＝{(x₍₁₎,y₍₁₎,t₁),(x₍₂₎,y₍₂₎,t₂),…,(x_(M),y_(M),t_M)}

对于脊椎点序列中缺失的切片t，即满足切片序号t∈[0,N]且t≠t₁,t₂,…t_M，则用缺失切片附近的已处理切片坐标来进行修补：

1、首末切片脊椎点缺失。如果脊椎点序列中缺失的切片t位于首末位置，即切片t<t₁或者t>t_M。如果t<t₁，则用第一个脊椎点坐标代替缺失坐标，修补得到的脊椎点坐标为(x₍₁₎,y₍₁₎,t)；如果t>t_M，则用最后一个脊椎点坐标代替缺失坐标，修补得到的脊椎点坐标为(x_(M),y_(M),t)。

2、首先找到缺失切片邻近的两个切片，即切片t∈[t_k,t_k+1]，即缺失切片邻近的切片下标为t_k、t_k+1，对应的脊椎点坐标为和用邻近切片进行线性插值。计算过程如下：

$x_t=x_{\left(t_k\right)}+\frac{t-t_k}{t_{k+1}-t_k}\&CenterDot;(x_{\left(t_{k+1}\right)}-x_{\left(t_k\right)})$

$y_t=y_{\left(t_k\right)}+\frac{t-t_k}{t_{k+1}-t_k}\&CenterDot;(y_{\left(t_{k+1}\right)}-y_{\left(t_k\right)})$

经修补得到的脊椎点坐标为(x_t,y_t,t)

综上所述，本发明提供的脊椎定位方法首先对肝脏CT序列图像进行脊椎区域选取，选取定位脊椎的一个范围区域。其次利用基于CT值的阈值分割方法分割出范围区域中的骨头区域，并利用形态学算法对分割区域进行修补。然后在分割出的骨区域中选取面积最大的连接区域作为脊椎区域，并选取连接区域最上面行的中间点作为脊椎定位点。之后对得到的定位点进行判断，判断定位点的正确性并纠正错误的定位点，对于无法找到定位点的切片，利用修补策略进行修补，最后得到CT序列图像中所有的脊椎定位点。

根据上述描述，本发明基于CT图像的脊椎定位方法能够实现在没有人工辅助的情况下定位脊椎，并能有效精确地找到定位点，提高脊椎定位的速度，从而实现脊椎的自动、快速、准确定位。本发明能有效对CT序列图像中的脊椎骨进行定位，找出序列图像中的脊椎骨定位点，方便进行基于脊椎骨位置的病理分析。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述脊椎定位方法包括以下步骤：

S₁、载入CT序列图像，分割出所述CT序列图像的骨头区域；

S₂、在每一帧图像中查找所述骨头区域中面积最大的区域作为脊椎骨区域；

S₃、在每一帧图像中定位所述脊椎骨区域最上面行的脊椎定位点，利用先验信息判断所述脊椎定位点的合法性；

S₄、对所述脊椎定位点进行修正。

2.根据权利要求1所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述步骤S₁还包括以下步骤：

S₁₁、载入CT序列图像，选取脊椎区域；

S₁₂、对选取的所述脊椎区域进行预处理，分割出选取的所述脊椎区域中的骨头区域。

3.根据权利要求2所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述选取脊椎区域包括：利用CT扫描图像的先验信息对CT序列图像进行选取和裁剪，得到脊椎的初步定位区域。

4.根据权利要求2所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述预处理包括以下步骤：

S₁₂₁、对于步骤S₁₁中选取的所述脊椎区域进行阈值分割，得到选取区域中骨头区域的初步分割结果；

S₁₂₂、利用形态学算法去除骨头区域的初步分割结果中的细小空洞和连接断裂。

5.根据权利要求1所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述判断所述脊椎定位点的合法性包括：

若脊椎定位点的Y轴坐标大于CT图像高度的四分之一，并且X轴坐标与CT图像宽度的二分之一的偏差绝对值小于CT图像宽度的四分之一，则判断为合法；否则为不合法。

6.根据权利要求1所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述步骤S₄具体包括以下步骤：

S₄₁、对脊椎定位点坐标异常的切片进行修正；

S₄₂、对缺失脊椎定位点坐标的切片进行修正。

7.根据权利要求6所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，步骤S₄₁包括以下步骤：

S₄₁₁、顺序排列检测到的脊椎定位点；

S₄₁₂、定义一个滑动窗口，将需要处理的脊椎定位点依次放置在窗口中心，计算窗口内脊椎定位点序列的位置中值点；

S₄₁₃、定义D_M为当前切片的脊椎定位点与所述位置中值点的欧氏距离，D_P为当前切片的脊椎定位点与前一切片中已经处理好的脊椎定位点的欧氏距离，若D_M或D_P中任一一值小于预设阈值TH，则采用D_M、D_P中较小者的位置代替为当前位置的脊椎位置。

8.根据权利要求6所述的基于CT序列图像的脊椎定位方法，其特征在于，所述步骤S₄₂中包括以下步骤：采用脊椎定位点坐标缺失切片的邻近切片的定位点坐标进行修补。