一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法

2023-05-16 14:11:26 2

專利名稱：一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法
技術領域：
本發明涉及超聲圖像的主動脈瓣分割方法，具體的說是一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法。
背景技術：
在現代醫學影像學中，超聲圖像具有強度低、價格便宜、對人體無害等優點，尤其對軟組織的探測和心血管臟器的血流觀察有獨到之處。隨著生活水平的提高、人口老齡化加劇，主動脈瓣狹窄、主動脈瓣關閉不全和主動脈瓣膜脫垂等比較常見的心臟瓣膜類疾病越來越多。臨床上這類疾病的主要診斷方法是用超聲設備觀察瓣膜的形狀和運動，超聲心動圖就是一種很好的檢測心臟瓣膜疾病的工具，對其分析的首要步驟是超聲醫學圖像分害I]。因為超聲圖像中斑點噪聲多，目標運動複雜，目標和背景灰度對比度低，所以對其分割具有很大的難度。在實際的超聲圖像處理與分析中，對目標和病灶的識別、定位和定量分析主要依賴醫生經驗得到的手動分割。所以，醫生要想從混雜著大量斑點噪聲和偽影的心臟超聲圖像中分割出主動脈瓣，就需要有豐富的臨床醫學知識和敏銳的空間位置感。通常一組超聲序列就由幾十甚至上百張的圖片組成，如果完全由醫生手動分割，將會是非常龐大的工作量。國外，Ivana等人利用主動輪廓模型(也稱為Snake模型)對心臟瓣膜分割，引入瓣膜厚度緩慢變化的特徵，改變內部能量項，自動分割出厚度均勻的瓣葉。但是，在Snake模型框架下，目標是用點序列進行描述的，很難處理拓撲變化，並且由於超聲心動圖中心臟主動脈瓣膜的邊緣和紋理特徵都不是很突出，結構又很複雜，即使用主動輪廓分割也容易在弱邊緣處洩露。因此，實現超聲圖像中主動脈瓣的自動、精確、快速分割意義重大。

發明內容
本發明的目 的是提供一種自動、快速、精確的對超聲圖像的主動脈瓣進行分割的方法，以解決現有技術存在的主動脈瓣超聲圖像分割不完整和嚴重溢出的問題。本發明的目的是這樣實現的:一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，包括以下步驟:(I)將B超輸出的視頻格式的主動脈瓣超聲結果轉化為一組連續圖像，提取所述連續圖像的扇形區域，對所述扇形區域進行形態學濾波預處理，得到一組連續的經預處理的主動脈瓣超聲圖像；(2)選取所述的經預處理的主動脈瓣超聲圖像中處於快速射血期或快速充盈期的圖像中的一張作為關鍵幀，將處於非快速射血期和非快速充盈期的圖像作為非關鍵幀，然後以交互的方式在所述關鍵幀上選取四個點，利用Cardinal樣條插值，做出邊界輪廓曲線，所述邊界輪廓曲線包圍的區域作為初始約束區域，即能量約束區域；(3)所述的邊界輪廓曲線將所述關鍵幀的圖像分為內外兩部分，內部為正，外部為負，得到邊界輪廓曲線符號圖；計算所述關鍵幀的圖像上每個像素點到所述邊界輪廓曲線的最短歐氏距離，得到邊界輪廓曲線距離圖，然後將所述邊界輪廓曲線符號圖和所述邊界輪廓曲線距離圖相乘，生成所述關鍵幀的約束區域的符號距離圖；(4)定義Ecmstraint(Cji)= / Ω(φ-Φα)2(1Χ(^為區域約束項，Φ。表示所述關鍵幀的約束區域的符號距離圖；利用形狀約束比較函數在CV模型中加入所述區域約束項，然後最小化所述CV模型的能量泛函，提取得到所述關鍵幀的主動脈瓣分割結果；(5)將所述關鍵幀的主動脈瓣分割結果作為相鄰的下一個非關鍵幀的能量約束區域，所述非關鍵幀的能量約束區域的邊界輪廓曲線將所述非關鍵幀的圖像分為內外兩部分，內部為正，外部為負，得到非關鍵幀的邊界輪廓曲線符號圖；計算所述非關鍵幀的圖像上每個像素點到所述非關鍵幀的能量約束區域的邊界輪廓曲線的最短歐氏距離，得到非關鍵幀的邊界輪廓曲線距離圖 ，然後將所述非關鍵幀的符號圖和所述距離圖相乘，生成非關鍵幀的約束區域的符號距離圖。(6)定義Eranstraint(Cj5)= / Ω(φ-Φα)2(1Χ(^為區域約束項，Φ。表示所述非關鍵幀的約束區域的符號距離圖；利用形狀約束比較函數在CV模型中加入所述區域約束項，然後最小化所述CV模型的能量泛函，提取得到所述非關鍵幀的主動脈瓣分割結果。所述步驟(2)中Cardinal樣條插值表達如下:為所述的在所述關鍵幀上選取的四個點，所述Pk和Pk+1是中間的兩個控制點，從Plri到Pk+2間的四個點用於建立Cardinal樣條段的邊界條件為:P (O) =Pk,P ⑴=Pk+1，P，(0)=0.5 (1-t) (PwJV1),P，(1)=0.5(l_t) (Pk+2_Pk)，上述式中的t為張量參數，t的取值範圍為0.3 1，利用邊界條件得:P(U) = Ph (_su3+2 su2_su)+Pk [ (2_s) U3+(s_3) U2+1 ]+Pk+1 [ (s_2) U3+(3_2)u2+su] +Pk+2 (SU3-SU2)，對上式進行變量代換，即s=(l_t)/2，根據t值，由參數u插值形成閉合的光滑曲線，作為邊界輪廓曲線。所述步驟(3)和步驟(5)中所述符號距離圖的生成算法如下:以n(X，y)為所述關鍵幀或所述非關鍵幀圖像上任意一點，所述邊界輪廓曲線記為曲線C，所述曲線C將所述關鍵幀或所述非關鍵幀圖像分為內外兩部分Cin和Ctjut,根據下式:
權利要求
1.一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，其特徵是，包括以下步驟: (1)將B超輸出的視頻格式的主動脈瓣超聲結果轉化為一組連續圖像，提取所述連續圖像的扇形區域，對所述扇形區域進行形態學濾波預處理，得到一組連續的經預處理的主動脈瓣超聲圖像； (2)選取所述的經預處理的主動脈瓣超聲圖像中處於快速射血期或快速充盈期的圖像中的一張作為關鍵幀，將處於非快速射血期和非快速充盈期的圖像作為非關鍵幀，然後以交互的方式在所述關鍵幀上選取四個點，利用Cardinal樣條插值，做出邊界輪廓曲線，所述邊界輪廓曲線包圍的區域作為初始約束區域，即能量約束區域； (3)所述的關鍵幀的邊界輪廓曲線將所述關鍵幀的圖像分為內外兩部分，內部為正，夕卜部為負，得到邊界輪廓曲線符號圖；計算所述關鍵幀的圖像上每個像素點到所述邊界輪廓曲線的最短歐氏距離，得到邊界輪廓曲線距離圖，然後將所述邊界輪廓曲線符號圖和所述邊界輪廓曲線距離圖相乘，生成所述關鍵幀的約束區域的符號距離圖； (4)定義Econstraint(Φ)= / Ω(Φ-Φα)2(1Χ(^為區域約束項，Φ。表示所述關鍵幀的約束區域的符號距離圖；利用形狀約束比較函數在CV模型中加入所述區域約束項，然後最小化所述CV模型的能量泛函，提取得到所述關鍵幀的主動脈瓣分割結果； (5)將所述關鍵幀的主動脈瓣分割結果作為相鄰的下一個非關鍵幀的能量約束區域，所述非關鍵幀的能量約束區域的邊界輪廓曲線將所述非關鍵幀的圖像分為內外兩部分，內部為正，外部為負，得到非關鍵幀的邊界輪廓曲線符號圖；計算所述非關鍵幀的圖像上每個像素點到所述非關鍵幀的能量約束區域的邊界輪廓曲線的最短歐氏距離，得到非關鍵幀的邊界輪廓曲線距離圖，然後將所述非關鍵幀的的邊界輪廓曲線符號圖和所述非關鍵幀的的邊界輪廓曲線距離圖相乘，生成非關鍵幀的約束區域的符號距離圖； (6)定義Ecmstraint(Φ)= / Ω(Φ-Φα)2(1Χ(^為區域約束項，Φ。表示所述非關鍵幀的約束區域的符號距離圖；利用形狀約束比較函數在CV模型中加入所述區域約束項，然後最小化所述CV模型的能量泛函 ，提取得到所述非關鍵幀的主動脈瓣分割結果。
2.根據權利要求1所述的一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，其特徵是，所述步驟(2)中Cardinal樣條插值表達如下: 為所述的在所述關鍵幀上選取的四個點，所述Pk和Pk+1是中間的兩個控制點，從Plri到Pk+2間的四個點用於建立Cardinal樣條段的邊界條件為:P(O)=Pk, P(l)=Pk+1， P』 (0)=0.5 (1-t) (Pk+1-Pk-1) P』 (1)=0.5 (1-t) (Pk+2-Pk), 上述式中的t為張量參數，t的取值範圍為0.3 I, 利用邊界條件得:P (u) =Pj5-1 (_su3+2su2_su) +Pk [ (2_s) u3+ (s_3) u2+1 ] +Pk+1 [ (s_2) u3+ (3_2 s)u2+su] +Pk+2 (SU3-SU2)， 對上式進行變量代換，即S= (ι-t)/2，根據t值，由參數u插值形成閉合的光滑曲線，作為邊界輪廓曲線。
3.根據權利要求1所述的一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，其特徵是，所述步驟(3)和步驟(5)中所述符號距離圖的生成算法如下: 以n(x，y)為所述關鍵幀或所述非關鍵幀圖像上任意一點，所述邊界輪廓曲線記為曲線C，所述曲線C將所述關鍵幀或所述非關鍵幀圖像分為內外兩部分Cin和Ctjut，根據下式:
4.根據權利要求1所述的一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，其特徵是，所述步驟(4)和步驟(6)的具體如下: 利用形狀約束比較函數在CV模型中加入所述區域約束項:
全文摘要
本發明公開了一種基於食道超聲的主動脈瓣快速分割方法，通過在超聲圖像的關鍵幀上定義約束區域，將該約束區域生成區域約束項，加入能量演化CV模型，並最小化CV模型能量泛函，得到關鍵幀的主動脈瓣分割結果；同時將關鍵幀的分割結果作為非關鍵幀的約束區域，將該約束區域加入能量演化CV模型，並最小化CV模型能量泛函，得到非關鍵幀的主動脈瓣分割結果。本發明能夠快速、精確的對超聲圖像的主動脈瓣進行分割。
文檔編號G06T7/00GK103093477SQ20131005072
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月8日 優先權日2013年2月8日
發明者顧力栩, 董斌, 郭怡婷, 王兵 申請人:河北大學