[发明专利]一种融合边缘和区域特征的CT图像中主动脉的分割方法

摘要

本发明一种融入边缘和区域特征的CT图像中主动脉的分割方法，融入边缘和区域特征，借助水平集思想，能得到清晰准确的目标轮廓，实现CT图像中主动脉的分割，运行速度非常快且分割结果准确，较好地解决了CT图像中主动脉的提取问题，为医学诊断提供一个参考。

主权项

1.一种融合边缘和区域特征的CT图像中主动脉的分割方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、构建传统CV模型的能量函数E：设图像定义域为Ω的分割图像I(x,y)被闭合轮廓线C划分为两个同质区域，即闭合轮廓线C的内部和外部，各区域的平均灰度值分别为C₁和C₂，能量泛函E(C)：其中，x,y为像素点在图像中的横纵坐标；若闭合轮廓线C位于分割图像I(x,y)的实际边界C₀的外部时，则E₁(C)>0，E₂(C)≈0，若闭合轮廓线C位于分割图像I(x,y)的实际边界C₀的内部时，则E₁(C)≈0，E₂(C)>0；若闭合轮廓线C跨越分割图像的实际边界C₀的内外部，E₁(C)>0，E₂(C)>0；若闭合轮廓线C位于分割图像I(x,y)的实际边界C₀上时，E₁(C)≈0，E₂(C)≈0，当闭合轮廓线C与实际边界C₀重合时，E(C)取得最小值；在上式能量泛函E(C)中加入长度惩罚项μ，得到CV水平集模型的能量函数E(C,C₁,C₂)为：其中，Length(C)表示闭合轮廓线C的长度，μ、λ₁、λ₂是各个能量项权重的预置系数，μ≥0，λ₁、λ₂>0；为了求得能量函数E(C,C₁,C₂)的最小值，使用水平集的思想，将未知的演化曲线C，即上述提到的闭合轮廓曲线C，用水平集函数φ(x,y)来代替，并且设定如果点(x,y)在演化曲线C的内部，则水平集函数φ(x,y)>0；如果点(x,y)在演化曲线C的外部时，则水平集函数φ(x,y)<0；而如果点(x,y)恰好在演化曲线C上面时，则φ(x,y)＝0,通过引入水平集函数φ(x,y)，能量泛函E(C)可被重写为如下的形式：上式中，为梯度符号，即表示分别对函数φ(x,y)中的x，y求导，H_ε(z)和δ_ε(z)分别是海氏函数H(z)和狄拉克函数δ(z)的正则化形式，海氏函数H(z)的正则化形式H_ε(z)为：狄拉克函数δ(z)正则化形式δ_ε(z)为：上式中ε为正则化参数；步骤2、在传统CV模型中加入能量惩罚项，使得水平集函数φ(x,y)在演化过程中保持为近似的符号距离函数，避免重新初始化水平集函数，此能量惩罚项表达式为：其中表示梯度符号步骤3、在传统CV模型中加入圆形先验知识约束形变模型的收敛形状，使曲线的演化结果与先验形状特征相一致，使用符号距离函数φ来隐含表示目标的形状，构造先验形状约束项：设图像定义域Ω，符号距离函数φ表示演化曲线，φ_p为先验形状的符号距离函数，则形状先验能量项E^p(φ,φ_p)表示为：E^p(φ,φ_p)＝∫_Ω(H(φ(x,y))‑H(φ_p(x,y)))²dxdy   (7)定义圆形特征公式为：则形状约束能量泛函E_circle表示为：上式中，x₀,y₀为圆的圆心坐标，r为圆的半径，他们随着曲线的演化也在不断地变化；步骤4、综合上述式(3)(6)(9)构造最终的能量函数E：通过固定水平集函数φ，对图像的灰度均值函数C₁和C₂进行求导，通过变分法可以得到C₁(φ)和C₂(φ)的如下表达形式：利用欧拉‑拉格朗日法推导式(10)得到水平集函数φ的欧拉‑拉格朗日方程，引入时间变量t后，可以得到如下的水平集演化方程：公式(11)便为最终得到的新的水平集演化方程，上述λ₃为形状约束项控制参数；步骤5、利用步骤4得到的新的能量函数E对CT图像中的主动脉进行分割：步骤5.1、将输入的CT图像序列文件统一转换为.jpg格式，CT图像属于中分辨率图像,分辨率为512*512*12，则格式转换后的图像大小为512*512；步骤5.2、读入步骤5.1中统一格式的CT图像序列文件，并对第一张图像进行剪裁和滤波预处理，得到初始感兴趣区域；步骤5.3、将步骤5.2得到的初始感兴趣区域图像的中心设置为中心点，设置初始轮廓线为圆形；步骤5.4、设置水平集方法的参数：步骤5.5、迭代求解式(11)的水平集演化方程；步骤5.6、从水平集函数中提取零水平集，即演化曲线；步骤5.7、设置水平集自适应停止函数，在水平集演化过程中，演化曲线不断向目标轮廓逼近，当演化曲线最终到达真实轮廓的时候，不管是否到达设置的迭代次数，演化曲线应该停止演化，即自适应停止函数如果得到满足，算法结束，则第一张图像分割完毕，将分割结果保存后转步骤5.8，否则返回步骤5.6；步骤5.8、下一张图像以前一张图像的分割结果为依据，以前一张图像分割区域中心点为中心点，进行感兴趣区域的初始裁剪，并将此点作为初始轮廓线的中心点；步骤5.9、重复步骤5.3至5.8，其中步骤5.4的参数设置在第一次设置好之后可省略，待所有CT图像分割完毕，得到最终的分割结果。