一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法技术

本发明专利技术提供一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，在已获得的上颌窦三维断层图像中分割提取出上颌窦空气腔模型和上颌窦骨腔初始模型，利用顶点筛选方法扫描颌窦骨腔初始模型内表面获取内表面顶点，利用平均顶点距离滤波方法筛选并删除异常顶点，并利用筛选完毕后的顶点构建顶点曲面。将顶点曲面贴合至上颌窦骨腔初始模型内表面，生成上颌窦骨腔重建模型；用上颌窦骨腔重建模型减去上颌窦空气腔模型得到囊肿或粘膜的分割结果。本发明专利技术能有效分割出厚度小于2mm的囊肿或粘膜。

【技术实现步骤摘要】
一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法
本专利技术涉及生物医学图像领域，更具体地，涉及一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法。
技术介绍
最近，利用CBCT(锥束计算机断层扫描)图像研究上颌窦的囊肿和粘膜结构形态和位置的异常形态变化与牙齿病变的关联性逐渐受到关注。上颌窦是位于眼睛下方上颌骨的一对窦，上颌窦被四个相邻的骨头包围：上颌骨的牙槽突、颧骨、眼眶下壁和鼻腔的侧壁。几何上，上颌窦是金字塔形结构，其顶点位于颧骨的外侧边界，基部位于鼻内侧边界，它的矢状切片显示了它的横截面如何从三角形变为四边形。上颌窦窦腔内存在大量的开口以及残缺的薄骨边界，这给窦腔内的囊肿分割带来了很大的难度。因此，准确切割和量化粘膜增厚为将来更详细地探索病理发现提供了基础。上颌窦最常见的形态变化是囊肿和增厚的粘膜，为了量化粘膜增厚和囊肿的厚度，应首先获得上颌窦窦腔的粘膜分割。对于囊肿(＞5mm)的分割，区域生长的方法可以适用于大多数囊肿分割，使用分割工具来准确切割出来；但是对于粘膜厚度小于2mm的上颌窦粘膜增生，一般的区域生长的算法就无法准确分割，通常会生长不充分或者生长过度。另一种方法是使用主动轮廓的多对象分割工具，如3DSlicer中的鲁棒统计分割器，它的迭代演变是由局部鲁棒统计数据驱动的，在每次迭代中更新中位数和四分位间距。它更能抵抗噪音和强度不均匀性，是一种使用快速增长的有效交互式医学图像分割方法，用户在切片图像的目标分割区域上手动绘制一些标签，然后自动生长直到囊肿的边界。然而，上颌窦结构异常可能会导致上颌窦骨腔的骨边界缺失，有囊肿或者粘膜增厚症状的上颌窦通常会有不同程度的结构变形，同时后窦壁的薄骨不能通过阈值法分割提取出来，进而会造成比较大的破洞和宽口以及上颌窦靠近鼻窦的一侧存在的大量的开口，这通常会导致生长泄漏在开口、细骨断裂边界处。此外，对于较小厚度(＜3mm)的囊肿，生长分割难度进一步复杂化，粘膜形状更不规则，厚度更加小，分割难度非常大，这给粘膜或者囊肿分割算法带来很大的困难。2019年6月14日公开的中国专利CN109886969A提供了一种呼吸道内窥光学相干断层图像的三维自动分割方法，包括图像预处理和呼吸道组织分割两个步骤；其步骤包括：(1)图像预处理，具体是：(1.1)去噪；(1.2)去除塑料保护套管；(1.3)二值化和区域滤波；(1.4)检测上边界；(2)呼吸道组织分割，具体步骤包括：(2.1)使用三维图搜索算法检测出图像中呼吸道内腔表面的边界；(2.2)使用三维图搜索方法分别在不同的搜索区域内分割粘膜与粘膜下层组织。该方法可以迅速、平滑的获得粘膜分割结果，但分割出的粘膜厚度仍不够薄。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术分割出的上颌窦的粘膜或囊肿厚度不够薄的缺陷，提供一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，包括以下步骤：S1：使用CT扫描技术获得上颌窦三维断层图像，记为R；S2：在上颌窦三维断层图像R中分割提取出上颌窦空气腔模型，记为A；S3：在上颌窦三维断层图像R中初步分割提取出上颌窦骨腔初始模型，记为B；S4：以上颌窦骨腔初始模型B内表面上突出的点为顶点，利用所述顶点构建顶点曲面；S5：将顶点曲面转换为标签体素并贴合至上颌窦骨腔初始模型B的内表面上，构成上颌窦骨腔重建模型，记为C，以上颌窦骨腔重建模型C减去上颌窦空气腔模型A，获得粘膜或者囊肿的分割结果。优选地，所述S2提取分割上颌窦空气腔模型A的具体操作方法为：使用多对象分割工具(3DSlicer)中的鲁棒统计分割器(RobustStatisticsSegmenter)进行分割。优选地，所述S3的具体步骤为：S3.1：对上颌窦三维断层图像R中所有体素扫描并划分为三类领域，划分依据为体素的强度值的大小；设定强度值阈值p和q，体素强度值小于p时体素被划分为空气领域，体素强度值在p和q之间时体素被划分为软组织领域，体素强度值大于q时体素被划分为骨头领域；S3.2：对已被划分为软组织领域的体素再次扫描，确保体素强度值临近强度值阈值q的体素被准确划分；S3.3：将属于骨头领域的体素标记并且生成上颌窦骨腔初始模型B。优选地，对所述S3.1中体素进行划分时的具体方法为：采用FuzzyC-mean方法进行划分。优选地，所述S4的具体步骤为：S4.1：扫描上颌窦骨腔初始模型B的内表面；S4.2：定义上颌窦骨腔初始模型B的顶点集为：为B内表面所有顶点，分别为所述顶点在3D笛卡尔空间中的坐标和法向量；S4.3：扫描选取顶点；对于沿路径的每个切片，将切片圆心O表示为原点，坐标为(0，0，0)；将切片等分为M个扇形，每个扇形的角度为θth，并为每个扇形定义方向矢量为在每个角度为θth的扇形部分中，计算每个顶点到圆心O的距离，选择距离最小的顶点；设被扫描的顶点的法向量为当与该扇形方向矢量之间的角度θ＜θth时，顶点才会被初步选中；顶点如被最终选中，还需具备以下两个条件：顶点面向原点O，即：顶点的法向量在被扫描的顶点的法向量上的投射角度φ小于阈值φth，S4.4：使用平均顶点距离滤波方法筛选S4.3中得到的顶点并删除异常顶点；S4.5：顶点筛选完毕，利用所述顶点构建顶点曲面。优选地，所述S4.4具体步骤如下：在一个切片的一个扇形部分中的一个顶点到圆心O的距离是d(i)，设一个扇形部分中的所有顶点到圆心O的距离的平均值为dsect-mean(k)，则其中，i＝1，...，Nk，Nk是该扇形部分中的顶点数量；设该切片所有扇形部分的dsect-mean(k)的平均值为dslice-mean，则其中，k＝1，...，M，M为扇形部分的数量；如果|dsect-mean(k)-dslice-mean|＜da，相应扇形部分中的顶点将被保留，da为全局阈值；将每个扇形部分的dsect-mean(k)与其前面三个扇形部分的dsect-mean(k)进行进一步比较，差值记为Z(m)，则Z(m)＝|dsect-mean(k)-dsect-mean(k+m)|，其中，m＝1，2，3；如果有任何一个Z(m)＞dl，相应扇形部分中的顶点视为异常定点，将被删除，dl为局部阈值。优选地，所述S4.1实施前，还需要在上颌窦骨腔初始模型B中的鼻壁面上标记任意4个不重合的点：M1、M2、M3和M4，以及在上颌窦骨腔初始模型B中鼻壁面外标记任意一点Apex，以所述5个标记点计算上颌窦骨腔初始模型B的几何约束关系，生成切片路径。优选地，所述S4.1中使用顶点筛选算法实现扫描操作。优选地，所述S4.5中的顶点曲面构建时采用泊松重构(Poissonsurfacereconstruction)。优选地，所述S5中将顶点曲面转换为标签体素的具体操作方法为：使用多对象分割工具(3DSlicer)中的模型到标签映射(Modeltolabelmap)实现转换。...

【技术保护点】
1.一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：使用CT扫描技术获得上颌窦三维断层图像，记为R；/nS2：在上颌窦三维断层图像R中分割提取出上颌窦空气腔模型，记为A；/nS3：在上颌窦三维断层图像R中初步分割提取出上颌窦骨腔初始模型，记为B；/nS4：以上颌窦骨腔初始模型B内表面上突出的点为顶点，利用所述顶点构建顶点曲面；/nS5：将顶点曲面转换为标签体素并贴合至上颌窦骨腔初始模型B的内表面上，构成上颌窦骨腔重建模型，记为C，以上颌窦骨腔重建模型C减去上颌窦空气腔模型A，获得粘膜或者囊肿的分割结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：使用CT扫描技术获得上颌窦三维断层图像，记为R；
S2：在上颌窦三维断层图像R中分割提取出上颌窦空气腔模型，记为A；
S3：在上颌窦三维断层图像R中初步分割提取出上颌窦骨腔初始模型，记为B；
S4：以上颌窦骨腔初始模型B内表面上突出的点为顶点，利用所述顶点构建顶点曲面；
S5：将顶点曲面转换为标签体素并贴合至上颌窦骨腔初始模型B的内表面上，构成上颌窦骨腔重建模型，记为C，以上颌窦骨腔重建模型C减去上颌窦空气腔模型A，获得粘膜或者囊肿的分割结果。


2.根据权利要求1所述的一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，所述S2提取分割上颌窦空气腔模型A的具体操作方法为：使用多对象分割工具中的鲁棒统计分割器进行分割。


3.根据权利要求2所述的一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：
S3.1：对上颌窦三维断层图像R中所有体素扫描并划分为三类领域，划分依据为体素的强度值的大小；设定强度值阈值p和q，体素强度值小于p时体素被划分为空气领域，体素强度值在p和q之间时体素被划分为软组织领域，体素强度值大于q时体素被划分为骨头领域；
S3.2：对已被划分为软组织领域的体素再次扫描，确保体素强度值临近强度值阈值q的体素被准确划分；
S3.3：将属于骨头领域的体素标记并且生成上颌窦骨腔初始模型B。


4.根据权利要求3所述的一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，对所述S3.1中体素进行划分时的具体方法为：采用FuzzyC-mean算法进行划分。


5.根据权利要求4所述的一种针对上颌窦膜形态变化的分割方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：
S4.1：扫描上颌窦骨腔初始模型B的内表面；
S4.2：定义上颌窦骨腔初始模型B的顶点集为：为B内表面所有顶点，分别为所述顶点在3D笛卡尔空间中的坐标和法向量；
S4.3：扫描选取顶点；
对于沿路径的每个切片，将切片圆心O表示为原点，坐标为(0，0，0)；将切片等分为M个扇形，每个扇形的角度为θth，并为每个扇形定义方向矢量为
在每个角度为θth的扇形部分中，计算每个顶点到圆心O的距离，选择距离最小的顶点；设被扫描的顶点的法向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李康荣，熊体超，凌永权，唐会，吴志杰，庞康高，李观华，楊偉勤，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44