基於ct增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法
2023-07-26 12:04:41 4
專利名稱：基於ct增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法
技術領域：
本發明涉及一種醫學圖像處理方法，尤其是涉及一種基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法。
背景技術：
CT(Computerized Tomography)廣泛應用於醫學臨床診斷領域。CT增強掃描是給患者注射造影劑後進行圖像掃描，從而獲得肝臟中肝動脈、肝靜脈、門靜脈等圖像。
目前，肝臟外科學發展迅速，肝段、亞肝段甚至楔形切除已成為可能，因此臨床迫切需要對肝臟病變進行術前的準確定位以及肝臟分段。目前，國際上廣泛採用Couinaud肝段劃分法(Soyer P.Segmental anatomy of the liver utility of anomenclature accepted worldwide[J].AJR，1993，161(3)572-573)，它是根據門靜脈鞘系的分布和肝靜脈的走行，分為左右半肝、四部和八段，即肝臟被主門裂分左、右半肝，左、右半肝又被左、右門裂分為四部。門靜脈左、右支充當橫裂，將四部又分為八段①右半肝被右門裂分為前內側部和後外側部，前內側部分為前方段和後方的段，後外側部分為前方段和後方的段；②左半肝被左門裂分為前部和後部。前部被臍裂分為2段，後部由2段構成，其中一段為尾狀葉，它有獨立的門靜脈鞘系，其靜脈又直接注入下腔靜脈，故在功能上應屬獨立的肝段。Couinaud肝段劃分法儘管比較準確和實用，但亦有明顯的缺陷，即它是離體肝鑄型的研究結果，並不適合臨床個體患者的個體差異情況。如何根據臨床個體患者的自身特點對其肝臟器官進行分段，並測量各個肝段的體積是臨床應用中急需解決的問題。
除此之外，傳統CT斷層分段方法也存在不足之處。傳統CT斷層分段方法是以上腔靜脈到肝左、中、右靜脈連線三個垂直平面將肝臟劃分為右後葉、右前葉、左內葉、左外葉，然後，據門靜脈左、右支水平橫斷面將每一葉進一步分為上下兩段。但由於門靜脈的分支在形狀、大小、數目等方面存在極大的解剖變異；同時段間分界不是簡單的平面而是呈不規則波浪狀，因此傳統CT斷層分段方法與解剖實際情況不完全相符。即根據傳統放射學標準CT斷層肝臟分段與真正的肝臟解剖分段相關性差，據研究表明，軸位CT斷層分段錯誤達到40％。因此，傳統CT斷層分段方法必須加以修正。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法。
本發明是對基於CT增強掃描技術獲取的肝臟數據進行Couinaud肝段劃分。
本發明包括以下步驟 1)圖像分割採用圖像處理算法對CT掃描後獲得的數據進行處理，獲取肝臟器官的表面輪廓以及肝臟內部的管道區域； 2)三維細化獲取肝臟管道中心線(骨骼線)； 3)管道樹分級將管道中心線處理成為一顆樹形結構，即結點的數目等於邊的數目加一； 4)管道投影將肝臟數據投影到投影平面，將三維的肝臟分段轉換為一個二維的分類； 5)曲線擬合將血管中心線處理成為平滑的血管中心曲線； 6)體積計算根據血管中心曲線將肝臟分段，並計算每一段的體積。
所述獲取肝臟管道中心線的步驟如下 1)設v是管道中的一個體素，若v滿足下列條件，則將v從管道中去除 (1)v的6-鄰點中至少有一個是背景點，若v滿足這個條件，說明v在管道的表面； (2)管道中與v相鄰的體素是連通的，若v滿足此條件，說明去除v不改變管道的連通性； (3)去除v不改變管道的歐拉數，歐拉數是衡量物體拓撲性的參數，去除v對管道拓撲性的影響可以根據v的26-鄰點中哪些屬於管道、哪些屬於背景來確定，在程序中可以事先做成查找表； (4)管道中和v相鄰的體素不少於兩個，設定這個條件是為了使三維細化的結果是一條線，而不是一個面； 2)對管道中的體素重複進行上述檢查，直到找不出滿足條件的體素，則算法中止。
所述將三維的肝臟分段轉換為一個二維的分類可以在投影平面上對點進行分類，確定肝中靜脈主幹中心線的基準平面，可假定該基準平面仍然平行於Z軸，引入以下符號設點O代表管道樹的根結點，從O出發，在肝左靜脈上距離O最近的點設為L，在肝中靜脈上距離O最近的點設為M，在肝右靜脈上距離O最近的點設為R，即得三個向量
和
可取過O點的平面，且讓此平面的法向量取為
於是投影面的方程可以表達為 其中，P代表投影面上的任意點，·表示向量的點積，+表示向量加法。
所述將血管中心線處理成為平滑的血管中心曲線是將肝中靜脈、肝右靜脈、肝左靜脈的主幹中心線分別投影到對應的投影平面後，使用二次多項式對投影形成的線段進行擬合，然後基於擬合的結果進行分類。
所述根據血管中心曲線將肝臟分段，並計算每一段的體積是根據步驟5)獲得的曲線擬合結果，根據肝臟中的各個點與曲線的位置關係進行分類，把各個點進行分類，統計各個肝段內的點的個數並根據像素點的大小以及斷層厚度計算各個肝段的體積，每個肝段的體積採用以下公式計算 V＝dx×dy×dz×N 其中dx、dy、dz分別表示各個像素點在x、y方向上的距離長度，dz表示CT圖像斷層厚度，這些信息從CT圖像中可以獲得，N表示在每個肝段內點的個數。
本發明針對Couinaud肝段劃分法存在的缺陷，即它是離體肝鑄型的研究結果，並不適合臨床個體患者的個體差異情況，根據臨床個體患者的自身特點對其肝臟器官進行分段，並測量各個肝段的體積。另外，本發明針對現有的CT斷層分段方法存在的不足之處，即傳統CT斷層分段方法是以上腔靜脈到肝左、中、右靜脈連線三個垂直平面將肝臟劃分為右後葉、右前葉、左內葉、左外葉，然後，據門靜脈左、右支水平橫斷面將每一葉進一步分為上下兩段。但由於門靜脈的分支在形狀、大小、數目等方面存在極大的解剖變異；同時段間分界不是簡單的平面而是呈不規則波浪狀，因此傳統CT斷層分段方法與解剖實際情況不完全相符。即根據傳統放射學標準CT斷層肝臟分段與真正的肝臟解剖分段相關性差，據研究表明，軸位CT斷層分段錯誤達到40％。因此，傳統CT斷層分段方法必須加以修正。而本發明對基於CT增強掃描技術獲取的肝臟數據進行Couinaud肝段劃分，可獲得肝臟分段體積，因此本發明對臨床具有重要指導意義。
圖1為本發明實施例的流程圖。
圖2為本發明實施例的管道中的體素個數與區域生長的閾值關係曲線。在圖2中，橫坐標為區域生長的閾值，縱坐標為管道中的體素個數；th為區域生長的閾值。
圖3為肝臟分段數據。
具體實施例方式 以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1給出本發明實施例的流程圖，其具體步驟如下 步驟一、圖像分割 圖像分割目的是對CT掃描後獲得的數據進行處理，獲取肝臟器官的表面輪廓以及肝臟內部的管道區域。
目前圖像分割的算法有很多，但並沒有一種算法可以完全適用於分割肝臟器官的表面輪廓，為可靠起見，提高圖像分割的精確度，採用人工交互的方式分割肝臟器官的表面輪廓。做CT檢查之前注射顯影劑，CT成像時，肝內管道的CT值要遠高於肝實質的CT值，使用閾值分割技術就可以將這兩者區分開來。由於肝內管道在三維空間內連續分布，因此三維空間內的區域生長法是進行管道分割簡單而有效的手段。首先手工在血管內指定區域生長的種子點，然後在三維空間內對灰度超過某一閾值的體素進行生長。在區域生長的過程中，通過以下兩個準則來控制生長的過程1.被生長點的CT值必須在給定的域值範圍之內；2.被生長點的距離必須距離種子點在給定的距離範圍之內。可以通過對管道中的體素進行計數來自動選擇閾值。管道中的體素個數與區域生長的閾值關係曲線如圖2所示，隨著閾值的降低，管道中的體素個數逐漸增加。當閾值降到某一數值後，體素個數增加的速度加快。將閾值與體素個數的關係曲線從某一閾值處分成兩段，分別用兩條直線進行擬合，並計算擬合的相關係數。調整使兩個相關係數之和最大，並取此時兩直線的交點橫坐標th作為區域生長的閾值。
步驟二、三維細化 三維細化的目的是從圖像分割處理後的數據中獲取肝臟管道的骨骼線，其步驟如下 1、設v是管道中的一個體素，若v滿足下列條件，則將v從管道中去除 1)v的6-鄰點中至少有一個是背景點。若v滿足這個條件，說明v在管道的表面。
2)管道中和v相鄰的體素是連通的。若v滿足這個條件，說明去除v不改變管道的連通性。
3)去除v不改變管道的歐拉數。歐拉數是衡量物體拓撲性的參數。去除v對管道拓撲性的影響可以根據v的26-鄰點中哪些屬於管道、哪些屬於背景來確定，在程序中可以事先做成查找表。
4)管道中和v相鄰的體素不少於兩個。設定這個條件是為了使三維細化的結果是一條線，而不是一個面。
2、對管道中的體素重複進行上述檢查，直到找不出滿足條件的體素，則算法中止。
步驟三、管道樹分級 管道樹分級的目的是將管道中心線處理成為一顆樹形結構，其步驟如下 直接將剛完成細化的那些點連接在一起，一般不可能構成一棵樹，實踐表明細化的結果往往存在環、多重邊和圈。這些拓撲結構在人體的管道中一般是不應該出現的，如果管道樹中出現了這樣的拓撲結構，通常是圖像質量不佳造成的。例如，如果在血管末梢存在造影劑洩漏，可能使不同的血管末梢連通在一起，從而在管道樹中形成圈。環和多重邊的去除比較簡單，直接保留其中最短的邊，其餘的邊全部去除即可；至於圈的去除可以仿照求最小權生成樹的Prim算法或Kruskal算法，以每條邊的長度作為其權值，但這裡應該求最大權生成樹。採取上述步驟之後，管道樹就真正成為一顆樹了，結點的數目正好等於邊的數目加1。在肝臟切除手術或肝臟移植手術中，醫生關心的是肝靜脈和門靜脈的幾個主要分支的位置及走向。為此，將管道樹進行分級，分級前必須確定管道樹的根結點。一般來說，越是靠近管道的根部，管道的半徑越大，因此選擇距離變換值最大的結點作為根節點。為可靠起見，應允許用戶手工指定根節點。
將從根節點出發的最長的路徑作為管道樹的第一級分支，從第一級分支上各結點出發的最長路徑作為第二級分支，從第二級分支上各結點出發的最長路徑作為第三級分支，依此類推。求最長路徑可以採用遞歸算法實現。
步驟四、管道投影 為了簡化分類的算法，可以將肝臟首先投影到一個投影平面，然後在此投影平面上對點進行分類。這樣做的好處是可以將一個三維的分類問題轉換為一個二維的分類問題，從而大大降低分類的難度，並提高分類的速度。確定肝中靜脈主幹中心線的基準平面，由於在CT圖像集中肝臟的垂直方位變動很小，可假定該基準平面仍然平行於Z軸。而要定位肝臟主體的正面則很難直接利用肝實質信息進行選取，只能藉助於肝內管道信息。為了方便後續的描述，可引入幾個符號設點O代表管道樹的根結點，從O出發，在肝左靜脈上距離O最近的點設為L，在肝中靜脈上距離O最近的點設為M，在肝右靜脈上距離O最近的點設為R，即得到三個向量，分別是
和
為了讓最後的投影面方程形式上較為簡單，取過O點的平面，並且讓這個平面的法向量取為
於是投影面的方程可以表達為 這裡P代表投影面上的任意點，·表示向量的點積，+表示向量加法。
步驟五、曲線擬合 分隔面的輪廓是折線，這點和Couinaud的分類法則不太相符。出現這個問題的原因是使用了血管的中心線作為血管本身來劃分肝臟，由於中心線畢竟是離散過後的散點構成的，因此它實際上是線段，稜角分明，然而實際的血管卻是柔和的曲線。通過投影平面將中心線段投影到我們定義的投影平面上後，這些線段仍然還是線段，所以就會造成最後按照這些線段作為分類依據的最終結果，其分隔面必定也是折線。解決這個問題的一個可行方案是使用曲線擬合。先使用二次多項式擬合，利用曲線擬合，將肝中靜脈、肝右靜脈、肝左靜脈的主幹中心線分別投影到對應的投影平面後，使用二次多項式對投影形成的線段進行擬合，然後基於擬合的結果進行分類，都能將誤差控制在可以接受的範圍內。
步驟六、體積計算 根據步驟五獲得的曲線擬合結果，將肝臟中的各個點進行分類。根據肝臟中的各個點與曲線的位置關係進行分類，把各個點進行分類，統計各個肝段內的點的個數並根據像素點的大小以及斷層厚度計算各個肝段的體積。每個肝段的體積採用以下公式計算 V＝dx×dy×dz×N； 其中dx、dy、dz分別表示各個像素點在x、y方向上的距離長度，dz表示CT圖像斷層厚度，這些信息從CT圖像中可以獲得，N表示在每個肝段內點的個數。
結果如圖3和表1所示。
表1劃分的肝段體積 最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者同等替換，而不脫離本發明方案的精神和範圍。本發明就每個步驟所涉及的技術來說，都是可以用本技術領域的常識做到的，但這些步驟組合起來形成一種基於CT增強掃描技術的肝臟分段方法，對臨床具有重要指導意義。
權利要求
1.基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，其特徵在於包括以下步驟
1)圖像分割採用圖像處理算法對CT掃描後獲得的數據進行處理，獲取肝臟器官的表面輪廓以及肝臟內部的管道區域；
2)三維細化獲取肝臟管道中心線；
3)管道樹分級將管道中心線處理成為一顆樹形結構，即結點的數目等於邊的數目加一；
4)管道投影將肝臟數據投影到一個投影平面，將三維的肝臟分段轉換為一個二維的分類；
5)曲線擬合將血管中心線處理成為平滑的血管中心曲線；
6)體積計算根據血管中心曲線將肝臟分段，並計算每一段的體積。
2.如權利要求1所述的基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，其特徵在於所述獲取肝臟管道中心線的步驟如下
1)設v是管道中的一個體素，若v滿足下列條件，則將v從管道中去除
(1)v的6-鄰點中至少有一個是背景點，若v滿足這個條件，說明v在管道的表面；
(2)管道中和v相鄰的體素是連通的，若v滿足這個條件，說明去除v不改變管道的連通性；
(3)去除v不改變管道的歐拉數，歐拉數是衡量物體拓撲性的參數，去除v對管道拓撲性的影響可以根據v的26-鄰點中哪些屬於管道、哪些屬於背景來確定，在程序中可以事先做成查找表；
(4)管道中和v相鄰的體素不少於兩個，設定這個條件是為了使三維細化的結果是一條線，而不是一個面；
2)對管道中的體素重複進行上述檢查，直到找不出滿足條件的體素，則算法中止。
3.如權利要求1所述的基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，其特徵在於所述將三維的肝臟分段轉換為一個二維的分類，是在投影平面上對點進行分類，確定肝中靜脈主幹中心線的基準平面，假定該基準平面仍然平行於Z軸，引入以下符號設點O代表管道樹的根結點，從O出發，在肝左靜脈上距離O最近的點設為L，在肝中靜脈上距離O最近的點設為M，在肝右靜脈上距離O最近的點設為R，即得到三個向量，分別是
和
可取過O點的平面，並且讓這個平面的法向量取為
於是投影面的方程可以表達為
其中，P代表投影面上的任意點，·表示向量的點積，+表示向量加法。
4.如權利要求1所述的基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，其特徵在於所述將血管中心線處理成為平滑的血管中心曲線，是將肝中靜脈、肝右靜脈、肝左靜脈的主幹中心線分別投影到對應的投影平面後，使用二次多項式對投影形成的線段進行擬合，然後基於擬合的結果進行分類。
5.如權利要求1所述的基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，其特徵在於所述根據血管中心曲線將肝臟分段，並計算每一段的體積，是根據步驟5)獲得的曲線擬合結果，根據肝臟中的各個點與曲線的位置關係進行分類，把各個點進行分類，統計各個肝段內的點的個數並根據像素點的大小以及斷層厚度計算各個肝段的體積，每個肝段的體積採用以下公式計算
V＝dx×dy×dz×N
其中dx、dy、dz分別表示各個像素點在x、y方向上的距離長度，dz表示CT圖像斷層厚度，這些信息從CT圖像中獲得，N表示在每個肝段內點的個數。
全文摘要
基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法，涉及一種醫學圖像處理方法。提供一種基於CT增強掃描技術的肝臟分段體積測量方法。採用圖像處理算法對CT掃描後獲得的數據進行處理，獲取肝臟器官的表面輪廓以及肝臟內部的管道區域；獲取肝臟管道中心線；將管道中心線處理成為一顆樹形結構，即結點的數目等於邊的數目加一；將肝臟數據投影到一個投影平面，將三維的肝臟分段轉換為一個二維的分類；將血管中心線處理成為平滑的血管中心曲線；根據血管中心曲線將肝臟分段，並計算每一段的體積。對基於CT增強掃描技術獲取的肝臟數據進行Couinaud肝段劃分，可獲得肝臟分段體積，對臨床具有重要指導意義。
文檔編號A61B5/107GK101601585SQ20091011211
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月2日 優先權日2009年7月2日
發明者王博亮, 黃曉陽, 黃紹輝 申請人:廈門強本科技有限公司