气道壁识别方法技术

世界范围内，气管疾病（例如，哮喘、肺气肿和慢性支气管炎）发病率十分普遍。气管的形态差异（异常）可能改变气流并最终影响肺部换气。在此研究中，我们描述一种新型方法旨在自动识别CT图像上的气道(内外)壁。将三维曲面模型放在气道区域，然后这个模型在预定义的外力和内力的作用下自动变形至这些力达到平衡状态的区域。利用气道壁的几何状和高亮度特点，给定的初始模型在距离矢量场内进行逐步变形，并最后停靠在具有最高对比度的区域。这种新发明专利技术的方法具有高准确性、稳定性和高效率性的特点。

【技术实现步骤摘要】

此专利技术涉及了使用力场中的曲面模型识别CT图像上气道内外壁的全自动方法。
技术介绍
临床上，气道重构一般可以预示气管疾病的严重程度(例如，慢性阻塞性肺病(COPD) ) 。目前，可 以通过非侵入方式直接测量高分辨率CT图像上的气道壁厚度研究气道重构的原理。过去，使用窗口水平功能适当地调整图像亮度可以手动测量气道壁;然而，由于一次CT检查中会产生大量的图像并且扫描时不可避免的干扰存在，手动测量是一项耗时并且容易出错的过程。因此，需要开发一种能够辅助医生进行准确，可重复及高效识别气道壁的自动方法。目前世界范围内提出了许多。应用比较多的是半峰全宽法。但是，这种方法严重依赖于图像亮度，但亮度可能会受到许多因素的影响，比如由重构法和气道取向引起的部分容积效应或是模糊效果，会导致对气道壁尺寸的过分评估。为了减少对图像亮度的依赖性，Saragaglia等人开发了一种基于数学形态学和基于能量的轮廓配准方法。另外还有，通过在数据集中将预测的射线截面与实际获得的截面进行匹配，Reinhardt等人提出了基于二维模型的方法评估气道内外壁。但是这种方法,如果在扫描气道时偏离轴线，曲面模型在测量气道时会出现明显的错误。为了避免基于二维模型方法的局限性，Saba等人使用椭圆形状的模型来代替圆形模型，用全景三维PSF代替二维PSF。类似于二维模型方法，这个方法的计算复杂度也是相当高。与基于特定气道模型的方法不同(比如，圆形或是椭圆形状的模型或是扫描仪指定函数)，Estepar等人利用相位一致性方法探测气道内外壁。Ortner等人开发基于广义梯度矢量流(GGVF)的三维变形方法分割气道壁。然而这个方法要求基于图像亮度的气球力存在防止曲面停靠在气道内壁曲面上。同时气道壁的图像亮度差异非常大，使用这个方法很难为气球力选择恒定的参数值。
技术实现思路
这项专利技术主要涉及通过力场中移动的曲面模型识别气道壁的全自动方法。此方法利用CT图像上气道壁的几何形状和密度特点。三维曲面(曲面边界轮廓)在距离梯度矢场内自动变形至图像上最高对比度的边界处。将一个三维曲面模型放在矢场内，允许这个模型在内力和外力的作用下自动变形直至这些力达到一个平衡状态(如图I所示)。仅是改变三维曲面变形方向就可以识别气道内壁或外壁。执行时，这个方法共有四个方面(1)指定初始曲面模型；(2)确定外部能量函数；(3)确定内部能量函数；(4)变形动力学(曲面变形)。详细演示如图I所示。图I表示使用二维仿真样例的曲面模型变形。这个样例模拟了气管树分岔区域。最里层的黑色区域，中间的白色区域和最外层的灰色区域分别表示气道内腔，气道壁和肺实质。图I (a)显示了由箭头指示的外部力场&t ；图I (b)表示在给出不同的迭代次数后(也就是0，20，50，100,150和200)原始模型的曲面变形结果。此方法具有很多特点。第一，气道壁识别过程由三维几何曲面模型执行。现有的相关算法大多数是在二维或是三维图像空间内工作，与此不同，通过三维几何曲面识别气道壁可以不受气道取向或是当气道与周围软组织有粘连时的影响(图6-图7)。第二，基于沿矢场周围预测的图像梯度定义新型外部能量函数，而不是基于图像梯度幅度。为了防止与气道内壁边界粘连，之前的方法使用基于图像梯度幅度定义的传统能量函数，曲面变形时加入气球力。然而，因为图像密度和梯度在图像的不同部分不同选择恒定的气球力的参数存在困难。相反，此方法不要求格外的气球力或是其它的外力。第三，此方法具有通用性，稳壮性和高效性。一般的CT检查中气道识别仅需不到4分钟。附图说明具体的实施方式将通过下面的附图详细描述。图I通过二维仿真样例演示开发的曲面模型变形方法。图2使用普等人开发的气管分割方法识别气管树与由三角形曲面表示的气管树。图2(b)为图2(a)中的方框区域的放大图像。图3中的二维样例表示平滑操作对计算距离函数(场)的影响。图4表示预测图像梯度场的特点，用仿真样例解释为什么让气道外壁曲面模型在预测的图像梯度场中变形。图5表示在此研究中定义的外力和内力同时作用下曲面变形。图6中的样例表示此方法在识别位于气管树不同位置的气道壁的性能。图7中的样例表示此方法在识别CT检查中毛玻璃阴影的重叠气道壁的性能。具体实施例方式执行时，这个方法共分四个方面(1)指定初始曲面模型；(2)确定外部能量函数；(3)确定内部能量函数；(4)变形动力学(曲面变形)。A.指定曲面模型指定初始曲面(曲面轮廓)模型是本专利技术的一部分，清晰描述如下。接受CT检查之后，我们使用气道内壁平面(也就是气道内腔平面)作为初始模型，此模型可以通过现有的气道分割方法获得。例如，在此研究中，我们使用普等人开发的气道分割方法识别出气道内腔作为初始模型。然后利用MCA描述作为三角形曲面模型的气道内腔，由Atv顶点X = (Xi)S形成。图2表示将气管树的内腔区域建模为三角形网格曲面，并将这个模型用作初始变形曲面。图2(b)为图2(a)中的方框区域的放大图像。B.确定外部能量函数数学上，给定一个几何平面= )]，这个移动的变形平面的作用是最小化能量函数权利要求1.一种用于识别气道壁的方法，包括 指定一个初始曲面模型；曲面模型在外力和内力共同作用下变形直至这些カ达到平衡状态；改变变形方向会识别出气道内壁或是外壁 定义初始能量函数为2.如权利要求I所述方法，其中指定一个初始曲面模型，包括将气道内腔用作初始曲面模型。3.如权利要求I所述方法，其中将初始外部能量函数定义4.如权利要求3所述方法，其中定义外部能量函数包括 使用窄带成像技术高效计算距离场和梯度，据此CT图像上的体素分为三类，也就是由d表示的“气道内腔体素”(形成气道内腔的体素)，由ガ表示的“窄带体素”(至气道内腔一定距离cT内的体素)，和由C表示的其它体素(与气道内腔相距较远的剰余体素)； 定义Α.Γ、B = Ar%C = Br'C = φ且Au B、..j C = P，其中/7表示CT图像上所有的体素； 将距离函数みヽ定义为例5.如权利要求I所述方法,其中定义内部能量函数包括定义内部能量函数为6.如权利要求5所述方法，其中定义全文摘要世界范围内，气管疾病(例如，哮喘、肺气肿和慢性支气管炎)发病率十分普遍。气管的形态差异(异常)可能改变气流并最终影响肺部换气。在此研究中，我们描述一种新型方法旨在自动识别CT图像上的气道(内外)壁。将三维曲面模型放在气道区域，然后这个模型在预定义的外力和内力的作用下自动变形至这些力达到平衡状态的区域。利用气道壁的几何状和高亮度特点，给定的初始模型在距离矢量场内进行逐步变形，并最后停靠在具有最高对比度的区域。这种新专利技术的方法具有高准确性、稳定性和高效率性的特点。文档编号G06K9/62GK102629327SQ20111039482公开日2012年8月8日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日专利技术者普建涛, 顾岁成 申请人:普建涛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：普建涛，顾岁成，
申请(专利权)人：普建涛，
类型：发明
国别省市：