醫(yī)學(xué)圖像序列三維水平集分割及在體繪制中的應(yīng)用.pdf

1、醫(yī)學(xué)圖像序列的三維分割一直是圖像處理研究領(lǐng)域的重要問題之一。三維分割為擺脫繁瑣的二維分割，實(shí)現(xiàn)圖像序列的自動(dòng)或半自動(dòng)分割提供了理論基礎(chǔ)。由于受偏移場效應(yīng)和成像技術(shù)的影響，醫(yī)學(xué)圖像具有邊緣模糊和灰度不均勻的特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)分割模型獲得的分割結(jié)果往往不太理想。與傳統(tǒng)分割模型相比，水平集方法具有自適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、數(shù)值穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像序列的分割研究。醫(yī)學(xué)圖像可視化將斷層圖像序列以三維立體視圖的形式呈現(xiàn)，方便醫(yī)

2、療工作者對(duì)病灶進(jìn)行更為細(xì)致的觀察，現(xiàn)已成為輔助疾病診斷和治療的重要手段。如何將感興趣區(qū)域從圖像序列中分割出來，并利用可視化技術(shù)將其方便、快捷地顯示已成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像序列的三維水平集分割與可視化技術(shù)，本文在詳細(xì)了解理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些有益的探討，貢獻(xiàn)主要有以下四個(gè)方面：
　　(1)針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像序列的邊界模糊問題，提出一種圖像序列三維邊界面增強(qiáng)的預(yù)處理方法：首先，為了將圖像序列適應(yīng)于三維分割

3、，對(duì)圖像序列進(jìn)行體數(shù)據(jù)構(gòu)造、層間插值處理；其次，結(jié)合邊界的梯度特征，利用三維梯度函數(shù)對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界面粗提取，并將該邊界面與原體數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)值融合。經(jīng)過預(yù)處理，原圖像序列的弱邊界得到明顯改善。
　　(2)醫(yī)學(xué)圖像普遍存在的灰度不均導(dǎo)致傳統(tǒng)基于區(qū)域的水平集分割模型分割效果不理想，而圖像局部信息的利用可以將圖像灰度值進(jìn)行小范圍的分離來克服灰度不均。為此，針對(duì)圖像灰度不均特性，提出一種改進(jìn)的空間域水平集分割模型。該方法引入局部信息項(xiàng)，通過

4、局部性質(zhì)的核函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部信息的提取，并將局部信息項(xiàng)成功地嵌入原水平集混合模型。將該模型進(jìn)行二維分割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明較原混合模型、LBF模型在分割速度、抗噪方面均有優(yōu)勢。進(jìn)一步，利用圖像序列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連續(xù)性，將上一切片的分割結(jié)果作為下一張切片的水平集初始輪廓線，實(shí)現(xiàn)圖像序列的三維分割。通過對(duì)真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像序列的分割處理，證明了該模型的有效性。
　　(3)考慮到頻域上分割可有效避開灰度不均、偏移場效應(yīng)等問題，提出一種水平集自動(dòng)初始化的高

5、頻能量最小化三維分割模型。利用形態(tài)學(xué)腐蝕從三維體數(shù)據(jù)提取水平集的初始邊界輪廓面，由于其逼近真實(shí)邊界，保證水平集初始化的準(zhǔn)確性。研究頻率域三維水平集分割模型，主要包括模型能量泛函的表達(dá)與頻率域?yàn)V波器的構(gòu)造。最小化該分割模型能量泛函的結(jié)果是通過濾波器提取出包含目標(biāo)邊界的高頻信息，從而有效避免灰度不均等低頻信息的干擾。將該方法應(yīng)用于圖像序列的分割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該模型能夠很好的解決灰度不均圖像序列的三維分割。
　　(4)在已有的分割結(jié)果基

6、礎(chǔ)上，進(jìn)行三維可視化實(shí)際應(yīng)用研究。為了凸顯分割結(jié)果，提出一種基于邊界面歐氏距離的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)方法。將三維數(shù)據(jù)場中灰度值相同的體素到分割邊界面的最短歐式距離的統(tǒng)計(jì)平均值，作為傳遞函數(shù)不透明度值的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)傳遞函數(shù)的映射過程。通過將邊界面附近的體素設(shè)置高的不透明值，對(duì)遠(yuǎn)離邊界面的體素設(shè)置低的或者為零的不透明值，突出顯示分割結(jié)果。同時(shí)，結(jié)合可視化工具VTK，在VC++平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有簡單用戶界面的可視化應(yīng)用程序。導(dǎo)入本文分割結(jié)果進(jìn)行三

7、維可視化，僅通過鼠標(biāo)可以與可視化窗口進(jìn)行簡單的交互操作，來觀察可視化結(jié)果。
　　綜上所述，本文的第一部分主要改善了醫(yī)學(xué)圖像序列存在的模糊邊界，為后續(xù)分割模型提供高質(zhì)量的體數(shù)據(jù)；第二與第三部分別從空間域和頻率域提出水平集分割模型，并對(duì)真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明提出方法的有效性；第四部分針對(duì)本文的分割結(jié)果進(jìn)行三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究，提出基于分割面歐式距離的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)方法，并將分割結(jié)果作為可視化系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證系統(tǒng)