一种左心室心肌的分割方法和装置
技术领域
本发明涉及图像处理领域,尤其涉及一种左心室心肌的分割方法和装置。
背景技术
左心室心肌分割是心功能分析的主要步骤,左心室心肌壁厚、射血量等心功能分析参数均基于左心室心肌的准确分割。左心室心肌和背景灰度类似,左心室内乳头肌、小梁等和心肌属于同一物质,还存在伪影。因此,左心室心肌分割是一个困难而又重要的任务。
目前,已有不少左心室内、外膜的分割方法。左心室内膜的分割方法有基于活动轮廓形状模型和基于动态规划的方法等。基于活动轮廓形状模型的方法,利用一些边界特征点和均匀间隔点来表征左心室内膜的形状,但是,该方法存在计算复杂等问题。基于动态规划的方法,利用左心室内膜的梯度和边界点之间的距离约束关系,来搜索左心室内膜边界,但是,该方法需要大致确定内膜边界的位置。
左心室外膜的分割方法有基于极坐标区域增长的方法和基于动态规划的方法等。基于极坐标区域增长的方法,将直角坐标图像转换为极坐标图像,然后利用区域增长的方式获得二值图像,最后利用傅里叶变换来平滑曲线,该方法最大的问题在于区域增长容易出现大量过分割,而滤波并不能平滑曲线。基于动态规划的方法,利用左心室外膜边界的梯度和边界之间的距离约束关系,来搜索左心室外膜边界,但是,该方法不能有效地抑制非外膜边界梯度,容易造成分割错误。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种左心室心肌的分割方法和装置,能完全自动、均匀、稳定地分割左心室心肌。
为了解决上述问题,本发明提供了一种左心室心肌的分割方法,包括如下步骤:
(1)定位左心室中心点,根据所述左心室中心点,获取所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域;
(2)根据灰度信息和所述左心室中心点,在所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域中定位出血池区域;
(3)确定所述血池区域的质心,并根据所述血池位置质心,确定原始图像中除了所述左心室中心点所在层图像之外的所有层图像的血池区域,即获得左心室内膜的分割结果;
(4)根据所述左心室内膜分割结果,通过动态规划的方法,得到左心室外膜的分割结果,即得到所述左心室心肌的分割结果。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,所述定位左心室中心点的过程包括:
定位图像中的异地相位图像中的中间层图像;
利用所述霍夫变换,检测所述中间层图像中的最大圆形区域;
以所述最大圆形区域的中心点作为所述左心室中心点。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,所述获得左心室内膜的分割结果的过程包括:
(1)基于所述血池区域的质心,得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域,即得到所述异地相位图像中的血池区域;
(2)在所述图像中,所述异地相位图像两侧分别按离异地相位图像由近及远的次序依次选择相位图像作为当前相位;
(3)根据所述当前相位前一相位或后一相位中左心室中心点,获取所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,并根据所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,定位所述当前相位中间层图像中的血池区域;
(4)根据所述当前相位中间层图像中血池区域的质心,获得所述当前相位图像的血池区域;
(5)对所述图像中各相位图像中得到的血池区域进行凸化处理以及滤波处理,得到所述左心室内膜分割结果。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域的过程包括:
(1)在所述异地相位图像中,所述中间层图像两侧分别按离中间层图像由近及远的次序依次选择图像层作为当前层;
(2)根据所述当前层前一层或后一层中血池区域的质心,获取所述当前层的中心点,根据所述当前层中心点,获取所述当前层的感兴趣区域;
(3)根据灰度信息,将所述当前层感兴趣区域划分为三个区域,并根据所述当前层中心点,定位所述三个区域中的血池区域,即所述当前层图像中的血池区域。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,得到所述左心室外膜分割结果的过程包括:
(1)根据所述左心室内膜分割结果和所述图像的信息,确定目标区域,其中,所述目标域包含所述左心室的外膜;
(2)抑制所述目标区域中的非心肌区域的灰度,得到抑制图像;
(3)在所述抑制图像中,利用动态规划的方法,得到左心室外膜的初次分割结果;
(4)对所述左心室外膜的初次分割结果进行修正,得到所述左心室外膜分割结果。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,得到所述抑制图像的过程包括:
(1)利用聚类方法,将所述目标区域分为三类区域,对所述三类区域的灰度值居中的区域,进行二值化,得到心肌范围掩膜;
(2)对所述心肌范围掩膜内所有像素点的灰度就行统计,得到所述心肌范围掩膜的灰度分布参数;
(3)根据所述灰度分布参数,以所述心肌范围掩膜中像素点的灰度范围为轴,将所述第二感兴趣区域中灰度大于预定阈值的像素点的灰度进行映射。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,将所述第二感兴趣区域中灰度大于预定阈值的像素点的灰度进行映射的过程包括:以所述像素点灰度均值为中心点,将所述第二感兴趣区域中灰度大于所述灰度范围最大值的像素点P,映射到小于所述灰度范围最小灰度值的范围内,其余像素点的灰度不变。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,将所述第二感兴趣区域中灰度大于所述灰度范围最大值的像素点P映射到小于所述灰度范围最小灰度值的范围内的公式为:P′i=Rmin-(Pi-Rmax),其中,P′i为所述像素点P映射后的灰度值;Rmin为所述灰度范围中的最小灰度值;Pi为所述像素点P映射前的灰度值;Rmax为所述灰度范围中的最大灰度值。
上述一种左心室心肌的分割方法,优选地,对所述左心室外膜的初次分割结果进行修正的过程包括:将所述初次分割结果中灰度值在所述灰度范围之外的像素点的灰度值赋值为0,得到第一修正结果;对所述第一修正结果进行凸化和傅里叶滤波,得到第二修正结果;在时间序列上,对所述第二修正结果进行均值滤波。
为了解决上述问题,本发明还提供了一种左心室心肌的分割装置,包括:
中心点定位单元,适于定位左心室中心点,根据所述左心室中心点,获取所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域;
血池区域获取单元,适于根据灰度信息和所述左心室中心点,在所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域中定位出血池区域;
左心室内膜分割单元,适于确定所述血池区域的质心,并根据所述血池位置质心,确定原始图像中除了所述左心室中心点所在层图像之外的所有层图像的血池区域,即获得左心室内膜的分割结果;
左心室外膜分割单元,适于根据所述左心室内膜分割结果,通过动态规划的方法,得到所述左心室的外膜的分割结果,即得到所述左心室心肌的分割结果。
与现有技术相比,本发明利用心脏的解剖结构属性,通过血池来确定左心室内膜,并根据左心室内膜,通过动态规划方法,得到左心室外膜,能自动、均匀、稳定地分割出左心室心肌,且将乳头肌、小梁等排除;
进一步地,只对异地相位图像的中间层图像进行霍夫变换,加快计算速度。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种左心室心肌的分割方法的流程示意图;
图2所示为本发明实施例获得左心室内膜的分割结果的优选过程的流程示意图;
图3所示为本发明实施例得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域的优选过程的流程示意图;
图4所示为本发明实施例得到所述左心室外膜分割结果的优选过程的流程示意图;
图5所示为本发明实施例一种左心室心肌的分割装置结构示意图。
具体实施方式
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。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次,本发明利用示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,所述示意图只是实例,其在此不应限制本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明一种左心室心肌的分割方法做出详细地说明。本发明实施例左心室心肌的分割方法如图1所示,首先,执行步骤S1,定位左心室中心点,根据所述左心室中心点,获取所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域。其中,所述定位左心室中心点的过程包括:定位图像中的异地相位图像中的中间层图像;利用所述霍夫变换,检测所述中间层图像中的最大圆形区域;以所述最大圆形区域的中心点作为所述左心室中心点具体地,在本实施例中,以磁共振(MR)心脏图像为例,由于在采集图像的时候心脏跳动,MR对心脏连续检测,得到一系列数据,将这些采集到的数据重建得到10个相位图像,每一个相位图像中包含有20帧图像。优选地,由于在心脏跳动过程中,在舒张末期的时候,左心室容量最大,血液最多,因此,选取该时期的相位图像,即异地相位图像。需要说明的是,也可以为计算机断层扫描(CT)图像等其它影像图像,相位图像也可以为10个相位图像中其它的任一相位图像。
在异地相位图像中,选取中间层图像,即第10帧图像,在该层图像中,利用霍夫变换,检测该中间层图像中的最大圆形区域,所述最大圆形区域的中心为所述左心室中心点。并以该中心点为初始点,根据经验确定其周围的一定区域为感兴趣区域。需要说明的是,也可以通过区域增长等方法来确定感兴趣区域。
接着,执行步骤S2,根据灰度信息和所述左心室中心点,在所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域中定位出血池区域。具体地,在本实施例中,根据异地相位图像中间层图像的灰度信息,通过Kmeans聚类方法对步骤S1中得到的感兴趣区域进行分类,得到三个区域,而所述左心室中心点所在的区域为血池区域,即所述左心室中心点所在层图像中的左心室内膜区域。需要说明的是,也可以将步骤S1中得到的感兴趣区域分成两个区域,只要将血池区域划分出来即可。
接着,执行步骤S3,确定所述血池区域的质心,并根据所述血池位置质心,确定原始图像中除了所述左心室中心点所在层图像之外的所有层图像的血池区域,即获得左心室内膜的分割结果。
接着,执行步骤S4,根据所述左心室内膜分割结果,通过动态规划的方法,得到左心室外膜的分割结果,即得到所述左心室心肌的分割结果。
其中,所述步骤S3中获得左心室内膜的分割结果的优选过程如图2所示,首先,执行步骤S201,基于所述血池区域的质心,得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域,即得到所述异地相位图像中的血池区域。
具体地,在本实施例中,得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域的优选过程如图3所示,首先,执行步骤S301,在所述异地相位图像中,所述中间层图像两侧分别按离中间层图像由近及远的次序依次选择图像层作为当前层。具体地,在本实施例中,在异地相位图像中,以第11帧图像为当前层。接着,执行步骤S302,根据所述当前层前一层或后一层中血池区域的质心,获取所述当前层的中心点,根据所述当前层中心点,获取所述当前层的感兴趣区域。具体地,在本实施例中,步骤S2中得到了中间层图像中的血池区域(即第10帧图像的血池区域),从而可以得到该血池区域的质心。由于一个完整的位相图像包含整个心跳周期,因此,在时间序列上图像存在关联性。根据图像的这一个特性,第10帧图像血池区域质心所在位置,在第11帧图像中该位置所对应的位置即为第11帧图像的中心点。再以该中心点为初始点,根据经验确定其周围的一定区域为感兴趣区域。接着,执行步骤S303,根据灰度信息,将所述当前层感兴趣区域划分为三个区域,并根据所述当前层中心点,定位所述三个区域中的血池区域,即所述当前层图像中的血池区域。具体地,在本实施例中,根据第11帧图像的灰度信息,通过Kmeans聚类方法对步骤S302中得到的感兴趣区域进行分类,得到三个区域,而所述第11帧图像中心点所在的区域为血池区域,即所述第11帧图像中的左心室内膜区域。同样地,以第12帧图像为当前层图像,采用和第11帧图像相同的处理方法,可以得到第12帧图像中的左心室内膜区域。依此类推,可以得到异地相位图像中所有20帧图像的血池区域,所述20帧图像的血池区域连接即为异地相位图像的血池区域,即异地相位图像的左心室内膜区域。
接着,执行步骤S202,在所述图像中,所述异地相位图像两侧分别按离异地相位图像由近及远的次序依次选择相位图像作为当前相位。在本实施例中,所述异地相位图像为所述MR图像中10个相位图像中的第4个相位图像,在异地相位图像两侧,按照离异地相位图像由近及远的次序,选取第5个相位图像为当前相位图像。接着,执行步骤上203,根据所述当前相位前一相位或后一相位中左心室中心点,获取所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,并根据所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,定位所述当前相位中间层图像中的血池区域。具体地,根据心脏图像时间上序列上的关联性,步骤S1中得到的异地相位图像的左心室中心点的位置在第5个相位图像中的对应的位置,即为所述第5个相位图像的左心室中心点,也为第5个相位图像中间层图像(第10帧图像)的左心室中心点。采用和异地相位图像中间层图像同样的方法,即通过步骤S2的方法,得到第5个相位图像中间层图像(第10帧图像)的血池区域。
接着,执行步骤S204,根据所述当前相位中间层图像中血池区域的质心,获得所述当前相位图像的血池区域。具体地,采用和异地相位图像中其它层图像同样的方法,通过步骤S301、S302和S303可以得到第5个相位图像的血池区域。依此类推,可以得到所述MR图像中所有十个相位图像的血池区域。
接着,执行步骤S205,对所述图像中各相位图像中得到的血池区域进行凸化处理以及滤波处理,得到所述左心室内膜分割结果。具体地,将步骤S204中得到的十个相位图像的血池区域进行连接,得到所述MR图像中的血池区域,即左心室内膜分割的初步结果,对所述左心室分割的初步结果进行凸化处理,排除乳头肌和小梁等的影响,接着进行傅里叶滤波,从而得到MR图像的左心室内膜分割结果。
其中,所述步骤S4中得到所述左心室外膜分割结果的优选过程如图4所示,首先,执行步骤S401,根据所述左心室内膜分割结果和所述图像的信息,确定目标区域,其中,所述目标包含所述左心室的外膜。具体地,根据上述得到的左心室内膜分割结果,以及MR图像中的灰度信息,根据经验在所述MR图像中确定第二感兴趣区域。接着,执行步骤S402,抑制所述目标中的非心肌区域的灰度,得到抑制图像。具体地,在本实施例中,利用Kmeans聚类方法,将步骤S401中得到的目标分为三类区域,根据所述三类区域的灰度值从大到小排列,第二类区域即为包含有心肌的区域,接着根据第二类区域灰度的范围直接对第二类区域进行二值化,得到心肌范围掩膜。假设所述心肌范围掩膜中的像素点灰度符合高斯分布,那么,将所述心肌范围掩膜所在的图像区域作为统计对象,计算该区域内所有像素点的均值和方差,即得到了所述心肌范围掩膜的灰度分布参数。
接着,根据所述灰度分布参数,以所述心肌范围掩膜中像素点的灰度范围为轴,将所述第二感兴趣区域中灰度大于预定阈值的像素点的灰度进行映射。具体地,以所述像素点灰度均值为中心点,将所述第二感兴趣区域中灰度大于所述灰度范围最大值的像素点,通过公式(1)映射到小于所述灰度范围最小灰度值的范围内,其余像素点的灰度不变。其中,所述公式(1)为:
P′i=Rmin-(Pi-Rmax),其中,P′i为所述像素点P映射后的灰度值;Rmin为所述灰度范围中的最小灰度值;Pi为所述像素点P映射前的灰度值;Rmax为所述灰度范围中的最大灰度值。通过上述步骤,得到所述抑制图像。
接着,执行步骤S403,在所述抑制图像中,利用动态规划的方法,得到左心室外膜的初次分割结果。具体地,以所述左心室内膜的边界为起始边界,根据经验值向外取一定距离的区域,得到环形区域,通过极坐标转换将所述环形区域转换到极坐标图像,根据动态规划公式,其中,所述公式中含有极坐标中每个像素点的内能(基于梯度)和外能(相邻点之间的距离约束)项,在所述极坐标图像中,以每一列为基准,计算并存储相对于每一个像素点的最小能量,并向后追溯最小能量路径,最后,将最小路径像素点坐标转换到直角坐标系中,得到左心室外膜的边界,即所述左心室外膜的初次分割结果。
接着,执行步骤S404,对所述左心室外膜的初次分割结果进行修正,得到所述左心室外膜分割结果。具体地,将所述初次分割结果中灰度值在所述心肌范围掩膜的灰度范围之外的像素点的灰度值赋值为0,得到第一修正结果;对所述第一修正结果进行凸化和傅里叶滤波,得到第二修正结果;接着,在时间序列上,对所述第二修正结果进行均值滤波。从而得到左心室外膜的分割结果。分割出左心室内膜和外膜,即分割出左心室心肌。
对应于上述左心室心肌的分割方法,本发明实施例还提供了一种左心室心肌的分割装置,如图5所示,所述分割装置包括中心点定位单元1、血池区域获取单元2、左心室内膜分割单元3和左心室外膜分割单元4。
所述中心点定位单元1适于定位左心室中心点,根据所述左心室中心点,获取所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域。其中,定位图像中的异地相位图像中的中间层图像,利用所述霍夫变换,检测所述中间层图像中的最大圆形区域,所述最大圆形区域的中心为所述左心室中心点。
所述血池区域获取单元2适于根据灰度信息和所述左心室中心点,在所述左心室中心点所在层图像中的感兴趣区域中定位出血池区域。具体地,根据异地相位图像中间层图像的灰度信息,通过Kmeans聚类方法对步骤S1中得到的感兴趣区域进行分类,得到三个区域,而所述左心室中心点所在的区域为血池区域,即所述左心室中心点所在层图像中的左心室内膜区域。
所述左心室内膜分割单元3适于确定所述血池区域的质心,并根据所述血池位置质心,确定原始图像中除了所述左心室中心点所在层图像之外的所有层图像的血池区域,即获得左心室内膜的分割结果。具体地,所述左心室内膜分割单元3包括异地相位图像血池区域获取单元、当前相位确定单元、当前相位中间层图像血池区域确定单元、当前相位图像获取单元和血池区域处理单元。所述异地相位图像血池区域获取单元适于基于所述血池区域的质心,得到所述异地相位图像中除了所述中间层图像的各层图像的血池区域,即得到所述异地相位图像中的血池区域;当前相位确定单元适于在所述图像中,所述异地相位图像两侧分别按离异地相位图像由近及远的次序依次选择相位图像作为当前相位;当前相位中间层图像血池区域确定单元适于根据所述当前相位前一相位或后一相位中左心室中心点,获取所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,并根据所述当前相位的中间层图像的左心室中心点,定位所述当前相位中间层图像中的血池区域;当前相位图像获取单元适于根据所述当前相位中间层图像中血池区域的质心,获得所述当前相位图像的血池区域;血池区域处理单元适于对所述图像中各相位图像中得到的血池区域进行凸化处理以及滤波处理,得到所述左心室内膜分割结果。
所述左心室外膜分割单元4适于据所述左心室内膜分割结果,通过动态规划的方法,得到所述左心室的外膜的分割结果,即得到所述左心室心肌的分割结果。具体地,所述左心室外膜分割单元4包括目标区域确定单元、抑制图像获取单元、动态规划单元以及修正单元。所述目标区域确定单元适于根据所述左心室内膜分割结果和所述图像的信息,确定目标区域,其中,所述目标域包含所述左心室的外膜;抑制图像获取单元适于抑制所述目标区域中的非心肌区域的灰度,得到抑制图像;动态规划单元适于在所述抑制图像中,利用动态规划的方法,得到左心室外膜的初次分割结果;修正单元适于对所述左心室外膜的初次分割结果进行修正,得到所述左心室外膜分割结果。
上述左心室心肌分割装置中各单元的配合及工作过程可以参考上述左心室心肌分割方法的说明,在此不再赘述。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。