CN110211141B - 一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法，属于图像处理领域。针对肺气道树分割中低亮度气管壁缺口导致的泄漏问题，本发明提出了一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法，包括以下步骤：(1)建立类球体区域约束模型；(2)区域内分割及参数自适应调整；(3)气管壁缺口封堵。类球体区域对分割的约束降低了泄漏检测的难度，在约束区域内易于自适应调整各参数，类球体区域约束为气管壁缺口封堵创造了条件；气管壁缺口封堵可以有效定位并封堵微小的低亮度气管壁缺口，为肺气道树三维结构提取创造了良好分割环境。

Description

一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分 割方法
技术领域
本发明属于医学图像处理领域，具体涉及基于胸部CT图像的肺气道树分割。
背景技术
基于胸部3D-CT影像数据构建的准确的三维肺气道树模型对辅助诊断肺部疾病具有重要意义。对肺气道树分割算法的研究除医学图像分割中的共性难题外，还需面对两个特有难题，即泄漏问题和细小气道提取问题。两个难题的根源为在部分容积效应和噪声的影响下，CT图像中的高亮度气管壁上存在低亮度的气管壁缺口，如图1所示，气管壁难以完美隔离气道与肺实质，导致分割过程由气道错误漫延至肺实质，而无法准确分割出细小气道，无法获得完整准确的三维肺气道树。
发明内容
针对肺气道树分割领域特有的泄漏问题和细小气道提取问题，考虑低亮度气管壁缺口为肺气道树分割难点的主要原因。
本发明的技术方案为：一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法，包括以下步骤：
步骤1：读入胸部CT图像，在主气管中设定初始种子点；
步骤2：检测连通域并标记，将种子点留存矩阵中的单连通种子点集合依次压入堆栈，该堆栈用于明确各种子点集合独立分割的顺序；
步骤3：依次提取单连通种子点集合，建立类球体区域约束模型；
步骤4：依次对建立的类球体区域进行分割，进行泄露检测并调整参数；
步骤5：依次定位各类球体区域内的气管壁低亮度缺口，提高原图像该位置体素点的CT值以封堵气管壁缺口，重新分割该区域内图像；
步骤6：依次保存分割结果，依次保存区域边缘分割结果至种子点留存矩阵P；
步骤7：若种子点留存矩阵P为空，则分割结束，否则返回步骤2。
本发明的有益效果在于：类球体区域对分割的约束降低了泄漏检测的难度，在区域约束下易于自适应调整各参数，类球体区域约束为气管壁缺口封堵创造了条件；气管壁缺口封堵可以有效定位并封堵微小的低亮度气管壁缺口，为肺气道树三维结构提取创造了良好分割环境。
附图说明
图1是肺气道树分割难点模型图；
图2是区域内分割流程图；
图3是气管壁缺口封堵流程图；
图4是完整流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明实现一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法，主要包括以下步骤：
步骤1：读入胸部CT图像，在主气管中设定初始种子点；
步骤2：检测连通域并标记，将种子点留存矩阵中的单连通种子点集合依次压入堆栈，该堆栈用于明确各种子点集合独立分割的顺序，表示为：
PLabel(P)＝[Parea(k),k],k＝1,2,3,...,n.
其中，P为种子点留存矩阵，k为堆栈中的排序值和标记值，n为该堆栈中k的最大值，Parea(k)为标记k的单连通种子点集合，满足如下性质：
(1)
Figure GDA0003571801450000021
(2)
Figure GDA0003571801450000022
(3)max[Parea(k)]＝1；
(4)
Figure GDA0003571801450000031
步骤3：依次提取单连通种子点集合，建立类球体区域约束模型：
(1)计算单连通种子点集合体素点总数，并计算区域半径R：
Figure GDA0003571801450000032
其中，farea(x,y,z,k)为种子点集合的二值图像函数，ceil为向上取整操作；
(2)计算初始阈值：
分割中的阈值用Threshold(k)表示，初始阈值为种子点集合对应原图像位置体素点的CT值变化范围；
(3)数据切割以优化算法：
首先寻找种子点曲面边界，然后将边界扩张R(k)个体素点距离，且不超出CT图像边界；
(4)实现约束区域及区域边界的生成：
以R(k)为半径的三维球形算子Sphere，对种子点集合曲面进行单次膨胀操作，可得近似球体的约束区域Tregion(k)，区域外体素的CT值取最低值：-2048HU。用Imdilate表示形态学膨胀操作，则约束区域边缘为：
Tedge(k)＝Imdilate[R(k)]-Imdilate[R(k)-1]；
步骤4：依次对建立的类球体区域进行分割，进行泄露检测并调整参数(如图2所示)：
区域内分割采用波面传播法提取待分割点，并使用阈值法对待分割点进行判定。分割过程即迭代过程，迭代次数和每一次迭代的结果均可参与泄漏判定，其中，迭代次数受区域半径R(k)限制，每一次迭代结果的体素点总量受种子点集合内元素总量限制，区域半径R(k)限制和种子点集合内元素总量限制的参数设置保留弹性；若判定泄漏发生，则该小段分割返回初始状态并分割阈值衰减，为保持分割精细程度，设定Threshold(k)-1；当迭代结果不再增加时，区域内分割结束，分割结果表示为X(k)。此时提取区域边缘上分割结果，计算其面积以判定是否泄漏，此外该小段分割结果的体积也可作为泄漏判定的条件，区域边缘面积限定法和区域内分割结果体积限定法同样参考种子点集合内元素总量和区域半径R(k)；
步骤5：依次定位各类球体区域内的气管壁低亮度缺口，提高原图像该位置体素点的CT值以封堵气管壁缺口，重新分割该区域内图像：
对步骤4的分割结果X(k)进行形态学闭操作，其结果减去X(k)可得存在低亮度气管壁缺口的气管壁图像，再对该图像进行形态学闭操作，其结果减去该图像，可得准确的气管壁缺口位置，针对性提高原图像相应位置体素点的CT值，实现对低亮度气管壁缺口的封堵；通过设定缺口封堵开关，重复气管壁缺口封堵操作，可在同一小段气道上实现多个气管壁缺口的封堵，当缺口封堵检测时区域内分割阈值不再增加或超出细小气道阈值范围(Threshold(k)＝200)时，关闭缺口封堵开关，跳出循环，封堵结束；
步骤6：依次保存分割结果，依次保存区域边缘分割结果至种子点留存矩阵P；步骤7：若种子点留存矩阵P为空，则分割结束，否则返回步骤2，完整流程如图4所示。
最后应说明的是，以上实施实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实施实例对本发明进行了详细的说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在类球体区域约束下进行气管壁缺口封堵的肺气道树分割方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：读入胸部CT图像，在主气管中设定初始种子点；
步骤2：检测连通域并标记，将种子点留存矩阵中的单连通种子点集合依次压入堆栈，该堆栈用于明确各种子点集合独立分割的顺序；
步骤3：依次提取单连通种子点集合，建立类球体区域约束模型；
步骤4：依次对建立的类球体区域进行分割，进行泄露检测并调整参数；
步骤5：依次定位各类球体区域内的气管壁低亮度缺口，提高原图像该位置体素点的CT值以封堵气管壁缺口，重新分割该区域内图像；
步骤6：依次保存分割结果，依次保存区域边缘分割结果至种子点留存矩阵P；
步骤7：若种子点留存矩阵P为空，则分割结束，否则返回步骤2；
所述步骤2中连通域检测和标记的方法如下：
PLabel(P)＝[Parea(k),k],k＝1,2,3,...,n.
其中，P为种子点留存矩阵，k为堆栈中的排序值和标记值，n为该堆栈中k的最大值，Parea(k)为标记k的单连通种子点集合，满足如下性质：
(1)
Figure FDA0003623351600000011
(2)
Figure FDA0003623351600000012
(3) max[Parea(k)]＝1；
(4)
Figure FDA0003623351600000013
所述步骤3中，建立类球体区域约束模型的过程如下：
(1)计算单连通种子点集合体素点总数，并计算区域半径R：
Figure FDA0003623351600000014
其中，farea(x,y,z,k)为种子点集合的二值图像函数，ceil为向上取整操作；
(2)计算初始阈值：
分割中的阈值用Threshold(k)表示，初始阈值为种子点集合对应原图像位置体素点的CT值变化范围；
(3)数据切割以优化算法：
首先寻找种子点曲面边界，然后将边界扩张R(k)个体素点距离，且不超出CT图像边界；
(4)实现约束区域及区域边界的生成：
以R(k)为半径的三维球形算子Sphere，对种子点集合曲面进行单次膨胀操作，可得近似球体的约束区域Tregion(k)，区域外体素的CT值取最低值：-2048HU，
用Imdilate表示形态学膨胀操作，则约束区域边缘为：
Tedge(k)＝Imdilate[R(k)]-Imdilate[R(k)-1]。
2.根据权利要求1所述的肺气道树分割方法，其特征在于，所述步骤4中，区域内分割采用波面传播法提取待分割点，并使用阈值法对待分割点进行判定。
3.根据权利要求2所述的肺气道树分割方法，其特征在于，分割过程即迭代过程，迭代次数和每一次迭代的结果均可参与泄漏判定，其中，迭代次数受区域半径R(k)限制，每一次迭代结果的体素点总量受种子点集合内元素总量限制，区域半径R(k)限制和种子点集合内元素总量限制的参数设置保留弹性；若判定泄漏发生，则该小段分割返回初始状态并分割阈值衰减，为保持分割精细程度，设定Threshold(k)-1；当迭代结果不再增加时，区域内分割结束，分割结果表示为X(k)；此时提取区域边缘上分割结果，计算其面积以判定是否泄漏，此外该小段分割结果的体积也可作为泄漏判定的条件，区域边缘面积限定法和区域内分割结果体积限定法同样参考种子点集合内元素总量和区域半径R(k)。
4.根据权利要求1所述的肺气道树分割方法，其特征在于，所述步骤5中，对步骤4的分割结果X(k)进行形态学闭操作，其结果减去X(k)可得存在低亮度气管壁缺口的气管壁图像，再对该图像进行形态学闭操作，其结果减去该图像，可得准确的气管壁缺口位置。
5.根据权利要求4所述的肺气道树分割方法，其特征在于，设定缺口封堵开关，重复气管壁缺口封堵操作，在同一小段气道上实现多个气管壁缺口的封堵，当缺口封堵检测时区域内分割阈值不再增加或超出细小气道阈值范围Threshold(k)＝200时，关闭缺口封堵开关，跳出循环，封堵结束。
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