CN111311583A - 肺气管和血管的分段命名方法及系统 - Google Patents

肺气管和血管的分段命名方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种肺气管和血管的分段命名方法及系统，该方法包括：提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。本发明实施例通过提取肺的气管中心线，建立气管树结构，并采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果，从而能够通过有效建立的人体管状器官的空间拓扑结构，自动对肺部气管进行分段命名，提高分段命名效率，并降低出错率。

Description

肺气管和血管的分段命名方法及系统
技术领域
本发明涉及医学影像处理领域，更具体地，涉及一种肺气管和血管的分段命名方法及系统。
背景技术
肺癌是对人类生命和健康威胁最大的肿瘤，无论是肺癌早期筛查还是肿瘤切除手术的术前规划，肺部结节和肺部组织的三维重建和可视化都是重要方法。肿瘤在肺段中的定位，对医生准确评估病灶病变情况和精准的术前规划都有很大帮助。但是，现有技术中，主流软件如Mimics等并没有此类功能。而针对肺部组织的三维重建和可视化主要集中在气管和血管的分割和重建上，气管和血管解剖分段命名多数是由人工完成，其存在着效率低、易出错的缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的肺气管和血管的分段命名方法及系统。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种肺气管和血管的分段命名方法，该方法包括：提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
根据本发明实施例第二方面，提供了一种肺气管和血管的分段命名系统，该系统包括：建立模块，用于提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；分叶模块，用于对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；分段模块，用于采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的肺气管和血管的分段命名方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的肺气管和血管的分段命名方法。
本发明实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法及系统，通过提取肺的气管中心线，建立气管树结构，并采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果，从而能够通过有效建立的人体管状器官的空间拓扑结构，自动对肺部气管进行分段命名，提高分段命名效率，并降低出错率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的左肺分段命名示意图；
图4为本发明实施例提供的右肺分段命名示意图；
图5为本发明实施例提供的肺气管和血管的分段命名系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种肺气管和血管的分段命名方法，参见图1，该方法包括但不限于如下步骤：
步骤101、提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构。
具体地，本步骤可进一步包括提取肺的气管中心线的步骤，以及根据气管中心线建立气管树结构的步骤。
其中，针对提取肺的气管中心线的步骤，作为一种可选实施例，该步骤可进一步包括：根据气管的3D图像提取气管中心线，并定义气管中心线的三维坐标；其中，定义X轴为平行于人体两肩的方向，人体左手所在方向为正方向；定义Y轴为垂直于人体胸部的方向，人体向后的方向为正方向；定义Z轴为平行于人体脚部到头部的方向，人体头部所在方向为正方向。
其中，针对根据气管中心线建立气管树结构的步骤，作为一种可选实施例，该步骤可进一步包括：根据气管中心线的起点、分叉点和末端点建立气管树结构；其中，气管树结构包括多个分支的气管，每支气管由组成气管的分支中心线的所有点、分支上游父分支节点和分支下游子分支节点定义。该步骤基于气管中心线，通过分析中心线各点之间的连接关系建立气管的树状结构，参见图3和4，该结构类似于二叉树，定义的气管树结构包括：根分支节点信息和子分支节点信息。定义分支节点包括：组成分支中线的所有点、分支上游父分支节点和分支下游子分支节点。
并且，建立气管树结构的步骤种，在气管中心线上，定义气管树的起点为主气管Z坐标值最大的一点，定义分叉点为具有3个及以上的邻接点的点，定义中间点为具有2个邻接点的点，定义末端点为只有一个邻接点的点。从气管起点出发，沿中心线不断检查邻接点，如果遇到一个分叉点就得到一个气管分支；如果遇到中间点，则继续检查该点的邻接点；如果遇到末端点，则结束该分支的检查，从而能够保证建立的器官树的结构完整。
步骤102、对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分。
具体地，作为一种可选实施例，该步骤102可进一步包括：根据气管树结构的不同分支气管的方向、位置和直径的信息，将每个分支的气管划分为左肺上叶气管、左肺下叶气管、右肺上叶气管、右肺中叶气管和右肺下叶气管中的一种。
并且，在本步骤中，沿主气管第一次分叉产生两个分支B1和B2，分别计算两个分支中心线的X坐标平均值XP1和XP2，若XP1<XP2，则B1为右肺气管，B2为左肺气管。对于左肺气管，在气管树第一次分叉的时候，产生两个支分支L1和L2，分别计算两个子分支中心线Z坐标的平均值ZL1和ZL2，若ZL1<ZL2,则L1为左肺上叶气管，L2为左肺下叶气管。对于右肺气管，在气管树第一次分叉的时候，产生两个支分支R1和R2，分别计算两个子分支中心线Z坐标的平均值ZR1和ZR2，若ZR1<ZR2，则R1为右肺肺上叶气管。对于气管分支R2，其分叉时产生两个分支R3和R4，分别计算R3和R4的中心线Y坐标平均值YR3和YR4，若YR3<YR4，则R3为右肺中叶气管，R4为右肺下叶气管。
步骤103、采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
具体地，作为一种可选实施例，该步骤103可进一步包括：
步骤1031、采用样本数据分别为每一种肺叶类型训练相对应的第一分类器，其中，肺叶类型包括左肺上叶、左肺下叶、右肺上叶、右肺中叶和右肺下叶。
具体地，所采用的分类器的类型可以为支持向量机、决策树或者随机森林。定义肺叶的根部分支中心线终点为该肺叶的局部坐标原点P0，根部分支的方向为D0，每一个分支的坐标定义为该分支中心线坐标的平均值P，则每一分支的相对坐标为Pr，对应的球坐标为M。分类器所需要的特征有：分支的局部球坐标M1，分支的方向D1，分支方向D1和根部分支方向D0的外积A1，分支父节点的局部球坐标M2，分支父节点分支方向D2，父节点分支与根部分支方向D0的外积A2，分支直径N。将上述特征组合为一个长度为19的数组，作为该分支的特征数组。训练过程中，需训练5个分类器，分别对5个肺叶内的气管分支进行分类。训练的输入数据为气管分支的特征数组，输出结果为该分支所属肺段的标签。训练所需的3D气管图像的数量为100，对应到不同肺段气管分支的数量级为5000。训练过程中，80套数据用作训练，20套数据用作验证。
步骤1032、提取气管的分支特征，将分支特征输入至与气管的肺叶类型相对应的第一分类器，获得分类器输出的肺段命名结果。
具体地，提取气管分支特征，利用训练完成的左肺上叶、左肺下叶、右肺上叶、右肺中叶和右肺下叶等5个分类器，分别对5个肺叶内的每一个气管分支进行分类。气管按照肺段解剖结构，一共分为18段，具体为：左上叶尖后段(LB1/2)、左上叶前段(LB3)、左上叶上舌段(LB4)和左上叶下舌段(LB5)、左下叶背段(LB6)、左下叶前基底段(LB8)、左下叶外基底段(LB9)、左下叶后基底段(LB10)、右上叶尖段(RB1)、右上叶后段(RB2)、右下叶前段(RB3)、右中叶外侧段(RB4)、右中叶内侧段(RB5)、右下叶背段(RB6)、右下叶内基底段(RB7)、右下叶前基底段(RB8)、右下叶外基底段(RB9)、右下叶后基底段。即肺段命名结果包括上述18种。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该方法还包括如下步骤：
步骤104、提取肺的血管中心线，并根据血管中心线建立血管树结构。其中，上述提取肺的血管中心线的方法以及建立血管树结构的方法可参见步骤101，血管的方法与气管的相似，只需将气管相应的替换为血管。
步骤105、根据气管的肺段命名结果，采用第二分类器对血管树结构中的每个分支的血管进行肺段分类，获得每支血管的肺段命名结果。
具体地，本发明实施例对步骤104与步骤101、102和103的执行顺序不做限定。根据步骤103中气管肺段命名的结果，利用K最邻近分类器(即第二分类器)对同一套三维影像的血管树进行分类。该第二分类器输入特征为气管树或血管树中心线上点的坐标，输出结果为该点的肺段标签。第二分类器使用的训练数据为气管分支中心线的坐标点和标签值，输出结果为血管树上所有点的肺段标签。根据第二分类器的分类结果，统计每一个血管分支上中心线上点的分类标签，取数量最多的一个标签值作为该血管分支的肺段标签。
为了对上述实施例提供的方法进行说明，图2为本发明另一实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法的流程示意图，参见图2，该方法包括如下步骤：步骤S1，提取气管中心线。步骤S2，建立气管树结构。步骤S3，气管肺叶划分。步骤S4，气管肺段分类。步骤S5，按照步骤S1中方法，提取肺血管中心线。步骤S6，按照步骤S2中方法，建立血管树结构，其中，肺血管中心线起点定义为肺外血管Y坐标最小的末端点。步骤S7，根据S4中气管肺段命名的结果，利用K最邻近分类器对同一套三维影像的血管树进行分类。
综上所述，本发明实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法，通过提取肺的气管中心线，建立气管树结构，并采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果，从而能够通过有效建立的人体管状器官的空间拓扑结构，自动对肺部气管进行分段命名，提高分段效率，降低出错率。
基于上述实施例的内容，本发明实施例提供了一种肺气管和血管的分段命名系统，该肺气管和血管的分段命名系统用于执行上述方法实施例中的肺气管和血管的分段命名方法。参见图5，该系统包括：建立模块201，用于提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；分叶模块202，用于对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；分段模块203，用于采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
本发明实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该设备包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503上并可在处理器501上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法，例如包括：提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的肺气管和血管的分段命名方法，例如包括：提取肺的气管中心线，并根据气管中心线建立气管树结构；对气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；采用与气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种肺气管和血管的分段命名方法，其特征在于，包括：
提取肺的气管中心线，并根据所述气管中心线建立气管树结构；
对所述气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；
采用与所述气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
提取所述肺的血管中心线，并根据所述血管中心线建立血管树结构；
根据所述气管的肺段命名结果，采用第二分类器对所述血管树结构中的每个分支的血管进行肺段分类，获得每支血管的肺段命名结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取肺的气管中心线，包括：
根据气管的3D图像提取所述气管中心线，并定义所述气管中心线的三维坐标；其中，定义X轴为平行于人体两肩的方向，人体左手所在方向为正方向；定义Y轴为垂直于人体胸部的方向，人体向后的方向为正方向；定义Z轴为平行于人体脚部到头部的方向，人体头部所在方向为正方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述气管中心线建立气管树结构，包括：
根据所述气管中心线的起点、分叉点和末端点建立所述气管树结构；其中，所述气管树结构包括多个分支的气管，每支气管由组成所述气管的分支中心线的所有点、分支上游父分支节点和分支下游子分支节点定义。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分，包括：
根据所述气管树结构的不同分支气管的方向、位置和直径的信息，将每个分支的气管划分为左肺上叶气管、左肺下叶气管、右肺上叶气管、右肺中叶气管和右肺下叶气管中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用与所述气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果，包括：
采用样本数据分别为每一种肺叶类型训练相对应的第一分类器，其中，所述肺叶类型包括左肺上叶、左肺下叶、右肺上叶、右肺中叶和右肺下叶；
提取所述气管的分支特征，将所述分支特征输入至与所述气管的肺叶类型相对应的第一分类器，获得所述分类器输出的肺段命名结果。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述气管的肺段命名结果，采用第二分类器对所述血管树结构中的每个分支的血管进行肺段分类，获得每支血管的肺段命名结果，包括：
训练获得所述第二分类器；其中，训练数据为气管分支的所述气管中心线的坐标值和由所述肺段命名结果获得的标签值；
将每个分支的所述血管中心线的每个点分别输出至所述第二分类器，获得所述第二分类器输出的每个点分别对应的分类结果；
针对每个分支的所述血管中心线，统计所述血管中心线中每个点对应的分类结果，并将数量最多的分类结果作为所述分支的血管的肺段命名结果。
8.一种肺气管和血管的分段命名系统，其特征在于，包括：
建立模块，用于提取肺的气管中心线，并根据所述气管中心线建立气管树结构；
分叶模块，用于对所述气管树结构中的每个分支的气管进行肺叶类型划分；
分段模块，用于采用与所述气管的肺叶类型相对应的第一分类器对每支气管的肺段进行分类，获得每支气管的肺段命名结果。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述肺气管和血管的分段命名方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述肺气管和血管的分段命名方法的步骤。
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