血管图像处理与分析的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了血管图像处理与分析的方法和系统，为血管网络的几何和三维网络特征和规律等相关研究提供定量方法。其技术方案为：首先给系统输入三维血管图像，然后通过等方性插值、感兴趣区域提取、适当的阈值血管分割、连通区域提取及小区域消除、形态学处理、血管网络中心线提取和三维图像重建及可视化操作，最终获得血管网络相关的各种特征参数，包括血管面积、血管体积、血管长度、血管节段数、血管直径、血管密度分布、血管网络中回路个数、回路相关节段比率、加权平均级数等，并将结果输出显示给用户。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物图像的计算机分析技术，尤其涉及血管图像处理与分析的方法和系统。
技术介绍
生物医学研究和临床诊断中涉及大量地对血管网络结构进行成像，但目前没有很好的对血管图像的计算机辅助特征量化分析的技术手段。大脑是人体内众多器官中血管构造最为复杂的器官，以下以大脑为例进行背景说明。大脑是由多种细胞构成的复杂网络结构，是最精细的器官之一。对大脑的研究已成为二十一世纪最活跃的前沿基础研究之一，但是对脑血管的研究却长期受到忽视。目前，已有工作表明，在神经系统发育、功能和疾病发生过程中，血管参与并发挥了重要的调节作用。例如，在发育过程中，血管可以牵引神经元的迁移；在神经系统功能方面，血管通过释放一些细胞因子，调节神经元的活动；在疾病方面，阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)的病人上，发现脑血管的病变先于神经元功能和形态的异常。因此，无论对基础研究还是临床研究而言，脑血管相关研究的重要性都是不言而喻的，并且由于研究手段上的限制，该研究也具有很强的挑战性。脑血管分布复杂，仅靠人工手段来观察血管影像难以发现其内在的客观规律，并且不能对其特征(如血管长度、半径、体积和血管空间分布密度等)进行定量的描述。因此，利用计算机的信息处理能力实现脑血管拍摄影像的分割、形态学处理、三维重建及可视化、自动量化血管相关特征及特征的综合统计分析，为动态观察和研究脑血管的空间分布、脑血管的生长过程和脑血管网络在发育过程中的规律研究提供了非常重要的研究手段。基于脑血管拍摄的影像，利用计算机进行辅助处理与分析整体三维血管网络研究方面，目前国、内外还没有任何已发表的学术成果。因此，如何设计一个血管图像处理与分析的系统，尤其是对结构复杂的脑血管图像，根据其自身具有的特点，实现对其自动或半自动地处理与分析，这些将成为国际研究的执占。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了解决上述问题，提供一种血管图像处理与分析的方法和系统，用于处理与分析血管图像，提取血管网络相关的系列特征参数，为血管网络的几何和三维网络特征和规律等相关研究提供定量方法。本专利技术的技术方案为:本专利技术揭示了一种血管图像处理与分析的方法，包括:(I)输入三维血管图像；(2)对输入的三维血管图像进行预处理；(3)从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管，进行分割出的非血管区域的消除、血管分割图像中孔洞的填充；(4)提取血管网络的中心线；(5)基于步骤(3)的分割数据和步骤⑷获取的血管网络的中心线实现三维图像重建和可视化操作；(6)结合血管的分割数据和中心线数据，计算出血管相关的特征参数。根据本专利技术的血管图像处理与分析的方法的一实施例，所述步骤(2)包括:通过线性插值的方法对三维血管图像进行等方性插值处理；基于具有等方性特征的三维血管图像提取感兴趣的血管区域。根据本专利技术的血管图像处理与分析的方法的一实施例，所述步骤(3)包括:基于阈值从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管；通过连通区域的提取和连通区域大小的限定消除分割出的非血管区域；利用二维区域生长和三维填充的方法填充血管分割图像中的孔洞。根据本专利技术的血管图像处理与分析的方法的一实施例，所述步骤(4)包括:通过迭代的形态学细化算法和局部连通保持判断提取血管网络的中心线。根据本专利技术的血管图像处理与分析的方法的一实施例，所述血管为脑血管。根据本专利技术的血管图像处理与分析的方法的一实施例，所述血管图像处理与分析的方法应用于激光共聚焦获取的图像中。本专利技术还揭示了一种血管图像处理与分析的系统，包括输入模块、预处理模块、血管分割模块、血管中心线提取模块、三维重建及可视化操作模块、血管特征提取模块，其中:所述输入模块，输入三维血管图像；所述预处理模块，连接所述输入模块，对输入的三维血管图像进行预处理；所述血管分割模块，连接所述预处理模块，从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管，进行分割出的非血管区域的消除、血管分割图像中的孔洞的填充；所述血管中心线提取模块，连接所述血管分割模块，提取血管网络的中心线；所述三维重建及可视化操作模块，连接所述血管中心线提取模块，基于所述血管分割模块的分割数据和所述血管中心线提取模块获取的血管网络的中心线实现三维图像重建和可视化操作；所述血管特征提取模块，连接所述三维重建及可视化操作模块，结合血管的分割数据和中心线数据，计算出血管相关的特征参数。根据本专利技术的血管图像处理与分析的系统的一实施例，所述预处理模块包括线性插值单元和感兴趣区域提取单元，其中:所述线性插值单元，通过线性插值的方法对三维血管图像进行等方性插值处理；所述感兴趣区域提取单元，连接所述线性插值单元，基于具有等方性特征的三维血管图像提取感兴趣的血管区域。根据本专利技术的血管图像处理与分析的系统的一实施例，所述血管分割模块包括血管分割单元、非血管区域消除单元、孔洞填充单元，其中:所述血管分割单元，基于阈值从感兴趣的血管区域的背景中分割出脑血管；所述非血管区域消除单元，连接所述血管分割单元，通过连通区域的提取和连通区域大小的限定消除分割出的非血管区域；所述孔洞填充单元，连接所述非血管区域消除单元，利用二维区域生长和三维填充的方法填充血管分割图像中的孔洞。根据本专利技术的血管图像处理与分析的系统的一实施例，所述血管中心线提取模块通过迭代的形态学细化算法和局部连通保持判断提取血管的中心线。根据本专利技术的血管图像处理与分析的系统的一实施例，所述血管为脑血管。根据本专利技术的血管图像处理与分析的系统的一实施例，所述血管图像处理与分析的方法应用于激光共聚焦获取的图像中。本专利技术对比现有技术有如下的优势:本专利技术的方案是首先给系统输入三维血管图像(二维断层图像序列)，然后通过等方性插值、感兴趣区域提取、适当的阈值血管分割、连通区域提取及小区域消除、形态学处理、血管网络中心线提取和三维图像重建及可视化操作，最终获得三维血管网络相关的各种特征参数，如:表面积，体积，长度，节段数目，半径和分级等，并将结果输出显示给用户。总之，本专利技术方法根据三维血管图像自身具有的特点，通过一个血管处理与分析系统实现对其半自动地处理与分析，为动态观察和研究血管网络的生长过程、血管的定量分析和血管网络在发育过程中的规律研究提供新的方法；并为进一步了解血管网络结构和功能对病理过程的调节，揭示循环系统和其它系统的相互作用，以及对疾病的诊断提供新的线索。 附图说明图1:本专利技术的血管图像处理与分析的方法的实施例的流程图。图2:本专利技术的血管图像处理与分析的系统的实施例的原理图。图3:本专利技术的一实例的用户感兴趣血管区域提取过程的示意图。图4:本专利技术的一实例的血管网络中心线提取的示意图。图5A:本专利技术的一实例的表面重建显不的中脑血管不意图。图5B:本专利技术的一实例的直接点重建显示的中脑血管示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。发育早期的斑马鱼通体透明，可实现活体脑血管长时间光学成像，这为基于影像的血管研究提供了可能。本专利技术以激光共聚焦显微镜拍摄的转基因斑马鱼Tg(flkl-GFP)三维脑血管图像为实例，描述本专利技术系统方法中的关键步骤。血 管图像处理与分析的方法的实施例图1显示本专利技术的血管图像处理与分析的方法的实施例的流程。图1以脑血管的图像处理为例进行说明，但是本实施例的步骤同样可应用于其它部位的血管处理。此外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种血管图像处理与分析的方法，包括：(1)输入三维血管图像；(2)对输入的三维血管图像进行预处理；(3)从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管，进行分割出的非血管区域的消除、血管分割图像中孔洞的填充；(4)提取血管网络的中心线；(5)基于步骤(3)的分割数据和步骤(4)获取的血管网络的中心线实现三维图像重建和可视化操作；(6)结合血管的分割数据和中心线数据，计算出血管相关的特征参数。

【技术特征摘要】
1.一种血管图像处理与分析的方法，包括: (1)输入三维血管图像； (2)对输入的三维血管图像进行预处理； (3)从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管，进行分割出的非血管区域的消除、血管分割图像中孔洞的填充； (4)提取血管网络的中心线； (5)基于步骤(3)的分割数据和步骤(4)获取的血管网络的中心线实现三维图像重建和可视化操作； (6)结合血管的分割数据和中心线数据，计算出血管相关的特征参数。2.根据权利要求1所述的血管图像处理与分析的方法，其特征在于所述步骤(2)包括: 通过线性插值的方法对三维血管图像进行等方性插值处理； 基于具有等方性特征的三维血管图像提取感兴趣的血管区域。3.根据权利要求1所述的血管图像处理与分析的方法，其特征在于所述步骤(3)包括: 基于阈值从感兴趣的血管区域的背景中分割出血管； 通过连通区域的提取和连通区域大小的限定消除分割出的非血管区域； 利用二维区域生长和三维填充的方法填充血管分割图像中的孔洞。4.根据权利要求1所述的血管图像处理与分析的方法，其特征在于所述步骤(4)包括: 通过迭代的形态学细化算法和局部连通保持判断提取血管网络的中心线。5.根据权利要求1-4中任一项所述的血管图像处理与分析的方法，其特征在于所述血管为脑血管。6.根据权利要求1-4中任一项所述的血管图像处理与分析的方法，其特征在于，所述血管图像处理与分析的方法应用于激光共聚焦获取的图像。7.—种血管图像处理与分析的系统，包括输入模块、预处理模块、血管分割模块、血管中心线提取模块、三维重建及可视化操作模块、血管特征提取模块，其中: 所述输入模块，输入三维血管图像； 所述预处理模块，连接所述输入模块，对输入的三维血管图像进行预处理； 所述血管分割模块，连接所述预处理模块，从感兴趣的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜久林，姜娈，李春，陈奇，
申请(专利权)人：中国科学院上海生命科学研究院，
类型：发明
国别省市：