基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法
2023-07-26 11:48:41
專利名稱：基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理方法，特別是一種基於超聲圖像和三維模型的快速肝臟體積測量方法。
背景技術：
我國為病毒性肝炎的高發地區，主要是慢性乙型和丙型性肝炎，這些疾病很容易發展為肝硬化和肝癌，對肝硬化和肝癌的治療手段主要是肝切除和肝移植手術，這類手術前需要得到供體和受體肝臟的準確體積。研究表明活體肝臟移植手術中，供體至少應保留全肝體積的30%，而受體接受的肝臟體積應大於其肝臟體積的40%，因此術前肝臟體積測量的準確度直接影響手術方案的選擇。目前肝臟體積測量的方法有CT (Computerized Tomography)法、MR (MagneticResonance)法、三維超聲法和公式法，這些方法各有利弊。CT法可以得到非常準確的肝臟體積，但CT法需要注射造影劑，而且掃描過程中X射線對人體有輻射，不能反覆使用，不適用於肝臟手術後患者恢復狀況的評估；MR方法也能得到比較準確的肝臟體積，但是MR方法費用非常昂貴，也不適合多次測量，對於需要多次掃描連續觀察肝臟狀況的患者，MR掃描非常不合適；三維超聲掃描方法對人體無任何損害，成像快速方便，但由於超聲本身成像原理的限制，超聲圖像解析度較低，而且超聲掃描不能得到完整肝臟的輪廓，單純的三維超聲掃描得到的肝臟體積精度較差；公式法是根據大量的統計結果提出的一種肝臟體積近似估計的方法，它根據人的身高、體重得到體表面積，進而得到肝臟體積，該方法得到結果誤差較大。因此需要一種新的肝臟體積測量方法實現無損害、安全、反覆、快捷的測量肝臟體積，而且使用價格要低。
發明內容
鑑於現有技術存在的上述缺陷，本發明的目的是提供一種基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法。本發明基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法，包括以下步驟
利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型；
獲取肝臟指定切面的超聲圖像，並進行圖像分割獲得超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線； 將所述超聲圖像與所述三維肝臟模型配準；
以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形；
以一組平行等間隔的平面切割變形後的三維肝臟模型，計算所有切斷面的面積之和與相鄰兩個切斷面的間距的乘積，將計算結果作為肝臟的體積。優選地，在利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型前，還包括
對肝臟圖譜進行圖像分割，獲得肝臟的表面輪廓和肝臟內部血管的步驟；和 從圖像分割後的肝臟圖譜提取肝臟最外側的邊緣輪廓的步驟。優選地，利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型包括用圖像分割後的肝臟圖譜進行體繪製的步驟；和 利用從肝臟圖譜提取到的肝臟最外側的邊緣輪廓進行面繪製的步驟。優選地，採用區域生長方法和手動分割方法對肝臟圖譜進行圖像分割，所述區域生長方法包括以下步驟
al)設定區域生長時迭代次數為N，選定初始的種子點集合P，與集合P相鄰的點記為內部邊界點集合I，與集合I相鄰的外部點記為外部邊界點集合E ；
a2)計算集合P的灰度平均值VP，找出集合I中灰度值與Vp最接近的像素點作為新的種子點，將其添加入集合P中，重新計算VP，並更新內部邊界點集合I和外部邊界點集合E ;
a3 )計算集合I的灰度平均值V1和集合E的灰度平均值VE，計算種子點區域和內部邊界的灰度平均值之差\。二 I Vp-V11，計算內部邊界和外部邊界的灰度平均值之差Vre = I Ve-Vi I， 存儲每次區域生長後計算得到的\c和Vrc ；
a4)重複步驟a2)和a3)直到達到設定的迭代次數N ；
a5)找出\c取得最大值時的迭代次數Max，在Max之前的Vrc取得最大值時的迭代結果即為最佳的分割結果。優選地，用邊界跟蹤方法提取肝臟圖譜中肝臟最外側的邊緣輪廓，該邊界跟蹤方法包括以下步驟
bl)搜索圖像得到最左下方的初始邊界點A ；
b2)以A為起始點，搜索新的邊界點搜索A的8鄰域，從A的左上方開始按順時針方向搜索，第一個符合條件的點即為新的邊界點；
b3)以新的邊界點為中心，在當前搜索方向的基礎上逆時針旋轉90°作為新的開始的搜索方向，按順時針方向繼續搜索新的邊界點；
b4)若新的邊界點為初始邊界點A時，搜索停止，得到閉合的邊界；否則重複步驟b3)。優選地，所述配準步驟中，用曲率絕對值積分的尺度不變特性得到超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型上對應輪廓線的比例關係。優選地，以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形的步驟包括建立一個立方體網格，以該立方體網格為新的坐標系，將三維肝臟模型嵌入該立方體網格中，用伯恩斯坦多項式建立網格節點和三維肝臟模型表面所有點的關聯，根據超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型對應位置的偏差引導網格節點變形，網格節點又帶動整個三維肝臟模型變形。優選地，將每個切斷面劃分為多個三角形，通過求多個三角形的面積之和得到切斷面的面積。優選地，所述肝臟指定切面包括第一肝門、第二肝門、肝臟右腎、肝右緣、下腔靜脈、腹主動脈和肝臟膽囊的縱切面、以及肝左葉的橫切面。優選地，所述肝臟圖譜採用數字人圖像。本發明肝臟體積測量方法利用已知的肝臟圖譜建立三維肝臟模型，通過超聲圖像引導三維肝臟模型變形，進而利用變形後的三維肝臟模型快速方便的獲得肝臟體積。其只需要獲得肝臟的指定切面的超聲圖像即可得到肝臟的體積，測量方便快速，對人體無任何損害，可反覆測量，而且肝臟體積測量精度較高。
圖I為本發明一些實施例肝臟體積測量方法的流程圖。
具體實施例方式本發明基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法綜合了超聲和CT測量的優點，首先由肝臟圖譜建立一個三維的肝臟模型，利用超聲獲取肝臟特定切面的圖像，然後超聲圖像與三維肝臟模型配準，引導肝臟模型變形，最後測量變形後肝臟模型的體積。該方法只需要獲得肝臟的超聲圖像，對人體無任何損害，可反覆測量，而且肝臟體積測量精度較高。下面結合附圖和實施例做進一步說明。 參照圖1，本基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法，包括以下步驟 三維重建步驟S3，該步驟利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型；
獲取肝臟指定切面的超聲圖像，並進行圖像分割獲得超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線；圖像配準步驟S4，該步驟將獲得的肝臟指定切面的超聲圖像與建立的三維肝臟模型配
準；
模型變形步驟S5，該步驟以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形；
體積測量步驟S6，該步驟以一組平行等間隔的平面切割變形後的三維肝臟模型，計算所有切斷面的面積之和與相鄰兩個切斷面的間距的乘積，將計算結果作為肝臟的體積。可以將每個切斷面劃分為多個三角形，通過求多個三角形的面積之和得到切斷面的面積。對於未經過圖像處理的肝臟圖譜，在利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型前，還包括對肝臟圖譜進行圖像分割，獲得肝臟的表面輪廓和肝臟內部血管的步驟Si;和從圖像分割後的肝臟圖譜提取肝臟最外側的邊緣輪廓的步驟S2。肝臟圖譜的分割要求準確的分割出肝臟及其周圍組織，由於肝臟與其他組織的灰度差異比較小，沒有一種圖像分割方法可以完美的將肝臟分割出來。在本發明的一種較佳實施例中，採用區域生長方法和手動分割方法相結合完成肝臟圖譜中肝臟的精確分割。其中區域生長方法包括以下步驟
al)設定區域生長時迭代次數為N，選定初始的種子點集合P，與集合P相鄰的點記為內部邊界點集合I，與集合I相鄰的外部點記為外部邊界點集合E ；
a2)計算集合P的灰度平均值VP，找出集合I中灰度值與Vp最接近的像素點作為新的種子點，將其添加入集合P中，重新計算VP，並更新內部邊界點集合I和外部邊界點集合E ;
a3 )計算集合I的灰度平均值V1和集合E的灰度平均值VE，計算種子點區域和內部邊界的灰度平均值之差\。二 I Vp-V11，計算內部邊界和外部邊界的灰度平均值之差Vre = I Ve-Vi I，存儲每次區域生長後計算得到的\c和Vrc ；
a4)重複步驟a2)和a3)直到達到設定的迭代次數N ；
a5)找出\c取得最大值時的迭代次數Max，在Max之前的Vrc取得最大值時的迭代結果即為最佳的分割結果。一些實施例中，採用邊界跟蹤方法提取肝臟圖譜中肝臟最外側的邊緣輪廓，該邊界跟蹤方法包括以下步驟
bl)搜索圖像得到最左下方的初始邊界點A ；b2)以A為起始點，搜索新的邊界點搜索A的8鄰域，從A的左上方開始按順時針方向搜索(相當於每次旋轉45°)，第一個符合條件的點即為新的邊界點；
b3)以新的邊界點為中心，在當前搜索方向的基礎上逆時針旋轉90°作為新的開始的搜索方向，按順時針方向繼續搜索新的邊界點；
b4)若新的邊界點為初始邊界點A時，搜索停止，得到閉合的邊界；否則重複步驟b3)。一些實施例中，利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型包括用圖像分割後的肝臟圖譜進行體繪製的步驟；和，利用從肝臟圖譜提取到的肝臟最外側的邊緣輪廓進行面繪製的步驟。體繪製結果幫助確定超聲圖像在三維肝臟模型中準確的匹配位置，面繪製結果用於三維肝臟模型的變形和體積計算。可以採用可視化軟體包VTK (Visualization Toolkit)中的三維重建算法進行面繪製和體繪製。圖像配準的目的是確定超聲圖像在三維肝臟模型中對應的位置和比例關係。超聲圖像和三維肝臟模型來自不同的坐標系，找出兩者之間的比例關係對配準非常的重要，一些實施例中，採用曲率絕對值積分的尺度不變特性得到超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型上對應輪廓線的比例關係，具體可採用以下步驟
Cl)曲線參數化參數化的曲線可以避免曲率的劇烈變化，用三次B樣條對曲線進行參數化；
c2)採樣、計算曲率對超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線C和其對應在三維肝臟模型上的輪廓線D分別以相等的弧長間隔採樣，計算每個採樣點的曲率；
c3)曲率絕對值積分求和沿著曲線順時針方向，分別將輪廓線C和輪廓線D的採樣點的曲率依次取絕對值，然後積分求和，得到兩條以弧長的累積和為橫軸，以採樣點曲率絕對值積分為縱軸的曲線；
c4)計算比例係數對c3)中得到的曲線互換坐標軸，該曲線稱為尺度不變曲線；尺度不變曲線有以下特性對於任意兩條相似的曲線，無論兩者比例如何，它們在尺度不變曲線中的長度相等，由該特性可以得到超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線C與三維肝臟模型上對應輪廓線D的比例關係。模型變形的目的是根據超聲圖像使三維肝臟模型的體積最大限度地接近被測者的肝臟。一些實施例中採用以下方法對三維肝臟模型進行變形建立一個立方體網格，以該立方體網格為新的坐標系，將三維肝臟模型嵌入該立方體網格中，得到三維肝臟模型在該立方體網格中的局部坐標系，並對三維肝臟模型歸一化，用伯恩斯坦多項式建立網格節點和三維肝臟模型表面所有點的關聯，根據超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型對應位置的偏差引導網格節點變形，網格節點又帶動整個三維肝臟模型變形。一些實施例中，肝臟圖譜採用數字人圖像，所用的超聲圖像可以採用第一肝門、第二肝門、肝臟右腎縱切、肝左葉橫切、肝右緣、下腔靜脈縱切、腹主動脈縱切、肝臟膽囊縱切8個特定部位的超聲圖像。對於每位受測者只需要掃描該8個位置的超聲圖像即可得到其真實的肝臟體積，測量方便快速，而且體積測量精度較高。
本發明一些實施例測量方法至少具有測量方便快速，測量成本低，體積測量精度較高，對人體無損害、可反覆測量等效果，可以為肝臟手術提供術前手術規劃和術後恢復狀況評估，對臨床具有較大的實用意義。
權利要求
1.一種基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法，其特徵在於，包括以下步驟 利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型； 獲取肝臟指定切面的超聲圖像，並進行圖像分割獲得超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線； 將所述超聲圖像與所述三維肝臟模型配準； 以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形； 以一組平行等間隔的平面切割變形後的三維肝臟模型，計算所有切斷面的面積之和與相鄰兩個切斷面的間距的乘積，將計算結果作為肝臟的體積。
2.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於，在利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型前，還包括 對肝臟圖譜進行圖像分割，獲得肝臟的表面輪廓和肝臟內部血管的步驟；和 從圖像分割後的肝臟圖譜提取肝臟最外側的邊緣輪廓的步驟。
3.根據權利要求2所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於，利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型包括 用圖像分割後的肝臟圖譜進行體繪製的步驟；和 利用從肝臟圖譜提取到的肝臟最外側的邊緣輪廓進行面繪製的步驟。
4.根據權利要求2所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於，採用區域生長方法和手動分割方法對肝臟圖譜進行圖像分割，所述區域生長方法包括以下步驟 al)設定區域生長時迭代次數為N，選定初始的種子點集合P，與集合P相鄰的點記為內部邊界點集合I，與集合I相鄰的外部點記為外部邊界點集合E ； a2)計算集合P的灰度平均值VP，找出集合I中灰度值與Vp最接近的像素點作為新的種子點，將其添加入集合P中，重新計算VP，並更新內部邊界點集合I和外部邊界點集合E ; a3 )計算集合I的灰度平均值V1和集合E的灰度平均值VE，計算種子點區域和內部邊界的灰度平均值之差\。二 I Vp-V11，計算內部邊界和外部邊界的灰度平均值之差Vre = I Ve-Vi I，存儲每次區域生長後計算得到的\c和Vrc ； a4)重複步驟a2)和a3)直到達到設定的迭代次數N ； a5)找出\c取得最大值時的迭代次數Max，在Max之前的Vrc取得最大值時的迭代結果即為最佳的分割結果。
5.根據權利要求2所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於，用邊界跟蹤方法提取肝臟圖譜中肝臟最外側的邊緣輪廓，該邊界跟蹤方法包括以下步驟 bl)搜索圖像得到最左下方的初始邊界點A ； b2)以A為起始點，搜索新的邊界點搜索A的8鄰域，從A的左上方開始按順時針方向搜索，第一個符合條件的點即為新的邊界點； b3)以新的邊界點為中心，在當前搜索方向的基礎上逆時針旋轉90°作為新的開始的搜索方向，按順時針方向繼續搜索新的邊界點； b4)若新的邊界點為初始邊界點A時，搜索停止，得到閉合的邊界；否則重複步驟b3)。
6.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於所述配準步驟中，用曲率絕對值積分的尺度不變特性得到超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型上對應輪廓線的比例關係。
7.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於，以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形的步驟包括建立一個立方體網格，以該立方體網格為新的坐標系，將三維肝臟模型嵌入該立方體網格中，用伯恩斯坦多項式建立網格節點和三維肝臟模型表面所有點的關聯，根據超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線和三維肝臟模型對應位置的偏差引導網格節點變形，網格節點又帶動整個三維肝臟模型變形。
8.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於將每個切斷面劃分為多個三角形，通過求多個三角形的面積之和得到切斷面的面積。
9.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於所述肝臟指定切面包括第一肝門、第二肝門、肝臟右腎、肝右緣、下腔靜脈、腹主動脈和肝臟膽囊的縱切面、以及肝左葉的橫切面。
10.根據權利要求I所述的肝臟體積測量方法，其特徵在於所述肝臟圖譜採用數字人圖像。
全文摘要
一種基於超聲圖像和三維模型的肝臟體積測量方法，包括以下步驟利用肝臟圖譜建立三維肝臟模型；獲取肝臟指定切面的超聲圖像，並進行圖像分割獲得超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線；將所述超聲圖像與所述三維肝臟模型配準；以超聲圖像中肝臟的邊緣輪廓線為參考圖像，對三維肝臟模型進行彈性變形；以一組平行等間隔的平面切割變形後的三維肝臟模型，計算所有切斷面的面積之和與相鄰兩個切斷面的間距的乘積，將計算結果作為肝臟的體積。本發明肝臟體積測量方法測量方便快速，對人體無任何損害，可反覆測量，而且肝臟體積測量精度較高。
文檔編號G06T17/00GK102663819SQ201210131489
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月2日 優先權日2012年5月2日
發明者單彥會, 吳劍 申請人:清華大學深圳研究生院