本發(fā)明涉及一種基于用戶交互和形狀先驗知識的三維醫(yī)學(xué)圖像分割方法，特別注重使用用戶交互信息以及形狀先驗知識來對醫(yī)學(xué)圖像分割進行修正。

背景技術(shù)：

三維醫(yī)學(xué)圖像分割通過將計算機算法與臨床解剖學(xué)和病理學(xué)先驗知識相結(jié)合，對目標器官及病灶區(qū)域進行分割提取和定量分析，從而獲得感興趣區(qū)域的三維空間結(jié)構(gòu)或三維功能特征分布，為疾病診斷、治療方案規(guī)劃和手術(shù)導(dǎo)航等臨床應(yīng)用提供輔助信息。

醫(yī)學(xué)圖像的分割算法可分為自動分割、手動分割和交互式分割。自動分割是由計算機自主完成所有分割任務(wù)，整個過程不需要人工干預(yù)，但對機器的要求非常高，而且由于醫(yī)學(xué)圖像的復(fù)雜性和多樣性，自動分割后結(jié)果一般難以滿足醫(yī)學(xué)要求；人工分割則是完全依靠手工，整個分割過程十分耗時，而且對操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)要求非常高，在實際操作中不切實。因此，交互式的分割方法就應(yīng)運而生了。交互式分割，就是將人工和自動兩者結(jié)合起來，充分利用計算機的運算性能，并在分割過程中通過用戶操作時所做的預(yù)測和融入的先驗知識，從而使分割結(jié)果更為準確、科學(xué)。

基于形變模型的方法綜合利用了區(qū)域與邊界信息，是目前研究最多、應(yīng)用最廣的分割方法。形變模型提供了一種高效的圖像分析方法，它結(jié)合了幾何學(xué)、物理學(xué)和近似理論。他們通過使用從圖像數(shù)據(jù)獲得的約束信息(自底向上)和目標的位置、大小和形狀等先驗知識(自頂向下)，可有效地對目標進行分割、匹配和跟蹤分析。從物理學(xué)角度，可將形變模型看成是一個在施加外力和內(nèi)部約束條件下自然反應(yīng)的彈性物體。形變模型的主要優(yōu)點是能夠直接產(chǎn)生閉合的參數(shù)曲線或曲面，并對噪聲和偽邊界有較強的魯棒性。還有一些形變模型利用了形狀先驗知識和標記點集合等先驗知識，可以使分割結(jié)果更為健壯和準確。所以本專利旨在通過用戶交互和形狀先驗知識來提高分割的魯棒性和普適性。

交互式分割一共包含四個組成部分：用戶，用戶界面，交互模塊，計算模塊。用戶根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，對三維醫(yī)療圖像進行簡單的勾畫標記，標記器官類別，勾畫輪廓等操作，根據(jù)用戶的輸入進行精確的分割，返回分割的結(jié)果，用戶可以得到滿意的結(jié)果或者進一步勾畫調(diào)整。

交互式分割算法的優(yōu)劣主要有三個方面：

一，分割準確度，算法可以根據(jù)用戶的輸入得到準確的分割結(jié)果，邊界的平滑，抗噪能力等。

二，可重復(fù)性，用戶通過不同的操作可以得到目標分割結(jié)果。得到不同分割結(jié)果可能是因為兩個因素，一個是用戶操作不同，二是用戶認為看到的結(jié)果不同，而第二個因素是完全主觀的。一般通過用戶操作的多樣性來衡量可重復(fù)性。

三，效率，不同于自動分割，交互式分割的效率不僅取決于算法的運行速度，還取決于需要用戶交互的勾選區(qū)域輪廓的操作量。高效率的交互式分割算法，便于用戶越少越快越簡單的選取初始目標，并能實時的給出分割結(jié)果，用于進一步調(diào)整。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種基于用戶交互和形狀先驗知識的三維醫(yī)學(xué)圖像分割方法，對醫(yī)學(xué)圖像感興趣區(qū)域用形變模型曲面進行配準，對感興趣區(qū)域進行分割和提取，尤其是對醫(yī)學(xué)圖像中邊緣比較光滑的感興趣區(qū)域分割效果良好，本發(fā)明具有的優(yōu)點：借助器官形狀的先驗知識減少用戶交互的工作量，運算速度快、實時性強、用戶可以在圖像的被分割區(qū)域的多個斷層勾畫少量斷續(xù)的邊緣，形變模型曲面與用戶勾畫的邊緣信息相結(jié)合，并對平滑邊界分割效果好。適用的圖像包括各種斷層醫(yī)學(xué)影像模式，如ct、核磁、核醫(yī)學(xué)影像等。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于用戶交互和形狀先驗知識的三維醫(yī)學(xué)圖像分割方法，步驟如下：

第一步，在交互式操作(人工操作)情況下，對ct二維醫(yī)學(xué)圖像待處理區(qū)域采集邊緣控制點，同時計算所有邊緣控制點的外法向量，求解插值系數(shù)α1....αj....αn,b∈r，β¹....β^j....βⁿ,a∈r³，得到插值函數(shù)

求解方程如下：

式中，x是三維空間中任意物理坐標，x^j是待處理區(qū)域邊緣控制點j的三維物理坐標，n^j是待處理區(qū)域邊緣控制點的外法向量，α1….αj….αn,b∈r，β¹....β^j....βⁿ,a∈r³；

第二步，對待處理區(qū)域的形變模型曲面進行物理坐標變換和中心移位，使形變模型曲面中心與待處理區(qū)域的中心重合，形變模型曲面為已有的計算機圖形學(xué)曲面，由多個三維空間中離散的點相互連接構(gòu)成模型表面，包含模型在發(fā)生解剖結(jié)構(gòu)變形時各點位移方向和幅度作為形狀先驗知識；對形變模型曲面進行坐標變換和中心移位變換方程如下：

式中x＝(xc，yc，zc)是形變模型曲面進行坐標變換后的物理坐標點(以下無論形變模型曲面如何變化，把形變模型曲面上的點都稱為插值點)，(xa，ya，za)是形變模型曲面進行坐標變換前的物理坐標點，是形變模型曲面進行坐標變換前的物理中心坐標點，是待處理區(qū)域的物理中心坐標點；分別是形變模型曲面進行坐標變換前的x，y，z方向上的物理長度；分別是待處理區(qū)域x，y，z方向上的物理長度。

第三步，根據(jù)第二步中獲取形變模型曲面插值點坐標x＝(xc，yc，zc)，代入插值函數(shù)求解出插值點的水平集函數(shù)值，在求解水平集函數(shù)值的過程中同時使用了多線程技術(shù)進行了并行加速處理。

第四步，根據(jù)第二步中獲取的插值點x＝(xc，yc，zc)和第一步中的公式(2)求解出插值點的梯度(法向量)；在求解梯度的過程中也同時使用了多線程技術(shù)進行了并行加速處理。

第五步，由第一步中的公式(1)可知待處理區(qū)域邊緣控制點xj的水平集函數(shù)值f(x^j)＝0，因此第三步得到的插值點的水平集函數(shù)值的正負決定著形變模型曲面是從待處理區(qū)域外面靠近還是從待處理區(qū)域里面靠近邊緣控制點，而第四步得到的插值點的梯度決定著形變模型曲面每次移動的速度和具體方位。

第六步，在第三、四、五步基礎(chǔ)上，使用如下變形方程(8)來對形變模型曲面進行不斷地移動和變形，在使用形變模型曲面進行移動變形時，第一次變形時需要依據(jù)勾畫的待處理區(qū)域大小來適當調(diào)整形變模型曲面大小，以保證達到更好的變形效果。重復(fù)第三、四、五步對形變模型曲面插值點的水平集函數(shù)值和梯度進行不斷地迭代移動曲面，使得形變模型曲面邊緣逐步接近于水平集函數(shù)為零的待處理區(qū)域邊緣，這時停止迭代，最終將待處理區(qū)域生成三維圖像。變形方程如下：

式中，x1為迭代前形變模型曲面插值點坐標，g為模型表面各點的水平集梯度向量場，x2為器官統(tǒng)計形狀模型對x1+g擬合得到的曲面形狀點坐標，x為當前形變模型曲面自身坐標，為權(quán)重系數(shù)，取值范圍介于0到1之間，通常取0.8。

第七步，如果第六步中得到的形變模型曲面插值點坐標x與圖像中被分割圖像中的邊緣吻合有誤差，則在有誤差的邊緣處進行進一步的人工交互式修正，即添加更多的邊緣控制點，然后重新運行第一步至第六步，直至用戶對邊緣吻合的準確度滿意為止。這里需要說明的是：一方面控制點越多越能更好的引導(dǎo)形變模型曲面貼近待處理區(qū)域的邊緣，另一方面控制點過多會導(dǎo)致形變模型曲面過多的依據(jù)人工勾畫的控制點來貼近被處理區(qū)域的邊緣，由于待處理區(qū)域本身并不是很清晰規(guī)則，人工勾畫的某些控制點可能是錯誤的。所以控制點的勾畫過少過多都不合適，應(yīng)該依據(jù)被處理區(qū)域來盡量優(yōu)化控制點的勾畫。也基于此形變模型曲面在移動變形的過程中，保留了自身的形狀先驗知識，它在變形的過程中會保留自身的形狀模式，并不是隨意的接近待處理區(qū)域的邊緣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：借助器官形狀的先驗知識減少用戶交互的工作量，運算速度快、實時性強、用戶可以在圖像的被分割區(qū)域的多個斷層勾畫少量斷續(xù)的邊緣，統(tǒng)計形狀模型與用戶勾畫的邊緣信息相結(jié)合，并對平滑邊界分割效果好。適用的圖像包括各種斷層醫(yī)學(xué)影像模式，如ct、核磁、核醫(yī)學(xué)影像等。

具體表現(xiàn)如下：

1)構(gòu)建三維圖像邊緣運算速率高。

2)用戶可以根據(jù)分割得到的三維圖像效果交互式地在ct圖像各個截面上進行邊緣勾畫，不斷地進行實時交互式修正，使得分割效果逐步改善。

3)在分割的過程中，利用統(tǒng)計形狀模型變形和移動的方式對被分割區(qū)域進行分割。為了保證被分割區(qū)域的完整性，一方面保留了形狀模型自身的性質(zhì)(形狀先驗知識)，另一方面為了變形更加貼合被分割區(qū)域，結(jié)合了用戶修改的信息。

4)邊緣光滑的三維空間分割效果較好。

5)所需要的被分割區(qū)域的邊緣信息少。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的醫(yī)學(xué)圖像分割算法的流程圖。

圖2(a)為待處理區(qū)域的橫截面圖。

圖2(b)為待處理區(qū)域的矢狀面圖。

圖2(c)為待處理區(qū)域的冠狀面圖。

圖2(d)為形變模型曲面對待處理區(qū)域分割得到的三維圖像。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

如圖1所示，本發(fā)明的基于用戶交互和形狀先驗知識的醫(yī)學(xué)圖像分割方法，處理對象是由多層二維圖像構(gòu)成的三維醫(yī)學(xué)圖像，具體步驟包括勾畫感興趣區(qū)域邊緣得到控制點坐標和外法向量、求解插值系數(shù)和插值函數(shù)、導(dǎo)入統(tǒng)計形狀模型曲面得到插值點坐標、利用插值系數(shù)和插值點計算插值點的水平集函數(shù)值、利用插值系數(shù)和插值點計算插值點的梯度值、形狀模型移動和變形分割感興趣區(qū)域、用戶實時交互修正控制點改善分割效果。

一種基于用戶交互和形狀先驗知識的三維醫(yī)學(xué)圖像分割方法,包括如下步驟：

第一步，在交互式操作(人工操作)情況下，對ct二維醫(yī)學(xué)圖像待處理區(qū)域采集邊緣控制點，同時計算所有邊緣控制點的外法向量，求解插值系數(shù)α1....αj....αn,b∈r，β¹....β^j....βⁿ,a∈r³，得到插值函數(shù)

求解方程如下：

式中，x是三維空間中任意物理坐標，x^j是待處理區(qū)域邊緣控制點j的三維物理坐標，n^j是待處理區(qū)域邊緣控制點的外法向量，α1....αj....αn,b∈r，β¹....β^j....βⁿ,a∈r³；

第二步，對待處理區(qū)域的形變模型曲面進行物理坐標變換和中心移位，使形變模型曲面中心與待處理區(qū)域的中心重合，變換方程如下：

式中x＝(xc，yc，zc)是形變模型曲面進行坐標變換后的物理坐標點(以下無論形變模型曲面如何變化，把形變模型曲面上的點都稱為插值點)，(xa，ya，za)是形變模型曲面進行坐標變換前的物理坐標點，是形變模型曲面進行坐標變換前的物理中心坐標點，是待處理區(qū)域的物理中心坐標點；分別是形變模型曲面進行坐標變換前的x，y，z方向上的物理長度；分別是待處理區(qū)域x，y，z方向上的物理長度。

第三步，根據(jù)第二步中獲取形變模型曲面插值點坐標x＝(xc，yc，zc)，代入插值函數(shù)求解出插值點的水平集函數(shù)值，在求解水平集函數(shù)值的過程中同時使用了多線程技術(shù)進行了并行加速處理。

第四步，根據(jù)第二步中獲取的插值點x＝(xc，yc，zc)和第一步中的公式(2)求解出插值點的梯度(法向量)；在求解梯度的過程中也同時使用了多線程技術(shù)進行了并行加速處理。

第五步，由第一步中的公式(1)可知待處理區(qū)域邊緣控制點x^j的水平集函數(shù)值f(x^j)＝0，因此第三步得到的插值點的水平集函數(shù)值的正負決定著形變模型曲面是從待處理區(qū)域外面靠近還是從待處理區(qū)域里面靠近邊緣控制點，而第四步得到的插值點的梯度決定著形變模型曲面每次移動的速度和具體方位。

第六步，在第三、四、五步基礎(chǔ)上，使用如下變形方程(8)來對形變模型曲面進行不斷地移動和變形，在使用形變模型曲面進行移動變形時，第一次變形時需要依據(jù)勾畫的待處理區(qū)域大小來適當調(diào)整形變模型曲面大小，以保證達到更好的變形效果。重復(fù)第三、四、五步對形變模型曲面插值點的水平集函數(shù)值和梯度進行不斷地迭代移動曲面，使得形變模型曲面邊緣逐步接近于水平集函數(shù)為零的待處理區(qū)域邊緣，這時停止迭代，最終將待處理區(qū)域生成三維圖像。變形方程如下：

式中，x1為迭代前形變模型曲面插值點坐標，g為模型表面各點的水平集梯度向量場，x2為器官統(tǒng)計形狀模型對x1+g擬合得到的曲面形狀點坐標，x為當前形變模型曲面自身坐標，為權(quán)重系數(shù)，取值范圍介于0到1之間，通常取0.8。

第七步，如果第六步中得到的形變模型曲面插值點坐標x與圖像中被分割圖像中的邊緣吻合有誤差，則在有誤差的邊緣處進行進一步的人工交互式修正，即添加更多的邊緣控制點，然后重新運行第一步至第六步，直至用戶對邊緣吻合的準確度滿意為止。這里需要說明的是：一方面控制點越多越能更好的引導(dǎo)形變模型曲面貼近待處理區(qū)域的邊緣，另一方面控制點過多會導(dǎo)致形變模型曲面過多的依據(jù)人工勾畫的控制點來貼近被處理區(qū)域的邊緣，由于待處理區(qū)域本身并不是很清晰規(guī)則，人工勾畫的某些控制點可能是錯誤的。所以控制點的勾畫過少過多都不合適，應(yīng)該依據(jù)被處理區(qū)域來盡量優(yōu)化控制點的勾畫。也基于此形變模型曲面在移動變形的過程中，保留了自身的形狀先驗知識，它在變形的過程中會保留自身的形狀模式，并不是隨意的接近待處理區(qū)域的邊緣。

本發(fā)明不局限于前述的醫(yī)學(xué)圖像。本發(fā)明可擴展到任何在本說明書中披露的各種圖像中。