基于3d区域增长法和改进的凸包算法相结合的全肺分割方法-代双凤.pdf

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1、第 38卷 第 9期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.38No.92016年 9月 JournalofElectronics&InformationTechnology .Setp.2016基于3D区域增长法和改进的凸包算法相结合的全肺分割方法代 双 凤 吕 科 * 翟 锐 董 继 阳(中 国 科 学 院 大 学 工 程 科 学 学 院 北 京 100094)摘要：肺 实 质 分 割 结 果 的 准 确 性 在 实 际 临 床 应 用 中 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 但 由 于 肺 结 节 的 位 置 、 大 小 、 形 状 的 不规 则 性 ， 肺 部 病 变 的 多 样 性

2、 ， 以 及 人 体 胸 部 解 剖 结 构 的 明 显 差 异 等 ， 使 得 各 类 分 割 方 法 不 能 统 一 地 适 用 于 所 有 的 胸部 CT图 像 ， 所 以 对 于 肺 实 质 分 割 方 法 的 研 究 仍 具 有 很 大 的 挑 战 。 该 文 在 国 内 外 研 究 分 析 的 基 础 上 提 出 基 于 3D区域 增 长 法 与 改 进 的 凸 包 修 补 算 法 相 结 合 的 全 肺 分 割 方 法 。 在 3D区 域 增 长 法 的 粗 分 割 基 础 上 ， 对 分 割 的 结 果 进 行 细化 工 作 ， 通 过 连 通 域 标 记 法 与 形 态 学

3、方 法 相 结 合 去 除 气 管 和 主 支 气 管 ， 得 到 初 步 的 肺 实 质 掩 膜 ， 最 后 应 用 改 进 的 凸包 算 法 对 肺 部 轮 廓 进 行 修 补 平 滑 ， 最 终 得 到 肺 部 分 割 结 果 。 通 过 与 凸 包 算 法 及 滚 球 法 相 对 比 ， 证 明 该 文 所 提 改 进 的凸 包 算 法 能 够 有 效 地 修 补 肺 部 轮 廓 凹 陷 ， 修 补 后 的 结 果 分 割 精 度 较 高 。关键词：肺 部 分 割 ； 3D区 域 增 长 法 ； 凸 包 算 法 ； 区 域 连 通 分 析中图分类号：TP391;R814.42文献标识码

4、：A文章编号：1009-5896(2016)09-2358-07DOI:10.11999/JEIT151365Lung Segmentation Method Based on 3D Region GrowingMethod and Improved Convex Hull AlgorithmDAIShuangfeng LKe ZHAIRui DONGJiyang(College of Engineering of Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China)Abstract:Theaccu

5、racyoflungsegmentedresultsisimportantinactualclinicalapplication.However,allkindsofsegmentation methods can not be uniform for all thechest CT (Computed Tomography) images because of theirregularities and diversity of lung disease,as well as significant differences in theanatomy of the human chest.L

6、ung parenchyma segmentation studies still have a great challenge. Based on the analysis of domestic andinternationalresearch,anewlungsegmentationmethodispresentedbycombiningwith3Dregiongrowingmethodand improved convex hull patching algorithm. Firstly, the 3D region growing method is adopted for the

7、roughsegmentationoflungCTimages.Thentherefiningworkisdonetothesegmentedresults.Theconnecteddomainlabeling and morphological methods are used to remove the trachea and main bronchi to get the pulmonaryparenchymamask.Theimprovedconvexhullalgorithmispresentedtorepairandsmooththeconcavitiesoflungcontour

8、. Finally, the segmented results can be gotten. The improved convex hull algorithm can repair theconcavitiesoflungcontoureffectivelyincomparisonwiththeconvexhullalgorithmandtherollingballmethod,andthesegmentationprecisionofresultsisveryhighafterrepairing.Key words:Lungsegmentation;3Dregiongrowingmet

9、hod;Convexhullalgorithm;Connecteddomainprocessing1引言医 学 图 像 分 割 是 提 取 医 学 影 像 图 像 中 特 殊 组 织的 定 量 信 息 所 不 可 缺 少 的 手 段 ， 也 是 可 视 化 的 预 处理 步 骤 和 前 提 1。 在 肺 部 疾 病 计 算 机 辅 助 诊 断 研 究中 ， 肺 实 质 的 分 割 是 最 为 核 心 的 步 骤 ， 是 影 响 分 析收 稿 日 期 ： 2015-12-03； 改 回 日 期 ： 2016-05-10； 网 络 出 版 ： 2016-07-04*通 信 作 者 ： 吕 科 基

10、金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (U1301251,61271435)， 北 京 市 自 然 科学 基 金 (4141003)Foundation Items: The National Natural Science Foundation ofChina (U1301251, 61271435), Beijing Natural Science Foundation(4141003) 自 动 化 、 稳 定 性 、 结 果 精 确 性 的 关 键 问 题 ， 其 处 理结 果 的 好 坏 直 接 影 响 到 后 续 的 分 析 。 肺 实 质 的 分 割指 的 是 将 肺 实

11、 质 从 肺 部 CT 图 像 中 提 取 出 来 ， 为 临床 治 疗 和 病 理 学 研 究 提 供 可 靠 依 据 2。 快 速 准 确 地 从肺 部 CT图 像 中 分 割 肺 实 质 ， 进 一 步 提 取 感 兴 趣 区域 ， 进 而 提 取 病 变 细 节 ， 能 有 效 帮 助 医 生 对 病 变 组织 进 行 定 性 及 定 量 的 分 析 ， 从 而 提 高 医 生 诊 断 的 准确 性 和 科 学 性 。迄 今 为 止 ， 肺 实 质 分 割 方 法 有 很 多 ， 主 要 有 阈值 法 3,4、 聚 类 法 5、 区 域 生 长 法 6、 以 及 基 于 图 论 的方

12、法 7,8等 ， 每 种 方 法 都 有 各 自 的 优 缺 点 。 随 着 CT技 术 的 发 展 ， 临 床 上 获 得 的 CT数 据 量 成 倍 的 增 加 ，第 9期 代 双 凤 等 ： 基 于 3D区 域 增 长 法 和 改 进 的 凸 包 算 法 相 结 合 的 全 肺 分 割 方 法 2359多 种 方 法 相 结 合 的 肺 实 质 分 割 方 法 成 为 人 们 主 要 的研 究 对 象 。 文 献 9结 合 阈 值 法 及 区 域 生 长 方 法 实 现肺 实 质 的 分 割 ， 并 利 用 滚 球 法 对 提 取 的 肺 部 边 界 进行 修 补 。 文 献 10提 出

13、 了 基 于 阈 值 法 与 形 态 学 中 的 开运 算 方 法 相 结 合 的 肺 部 分 割 法 ， 从 而 提 取 肺 结 节 。由 于 肺 与 周 围 组 织 的 灰 度 值 及 其 相 似 ， 在 采 用 阈 值分 割 、 区 域 增 长 等 方 法 对 肺 实 质 进 行 分 割 时 ， 与 肺壁 粘 连 的 肿 瘤 或 与 肺 门 处 相 连 的 肺 部 血 管 等 常 常 未包 含 在 肺 实 质 内 ， 使 得 提 取 出 来 的 肺 实 质 不 完 整 ，即 肺 部 边 界 会 出 现 凹 陷 ， 此 时 将 无 法 正 确 地 提 取 或识 别 肿 瘤 、 血 管 、

14、气 管 等 ， 因 此 需 要 对 有 凹 陷 的 肺实 质 边 界 进 行 修 补 。 文 献 11针 对 阈 值 分 割 后 的 CT横 断 面 图 像 肺 部 边 界 处 血 管 和 胸 膜 结 节 型 凹 陷 提 出了 利 用 边 界 曲 线 局 部 极 小 值 点 连 线 法 修 补 凹 陷 ， 设置 了 32个 不 同 方 向 的 模 板 ， 给 出 了 模 板 匹 配 算 法 。文 献 12提 出 一 种 新 的 针 对 含 胸 膜 结 节 的 肺 部 CT图 像 分 割 法 ， 利 用 迭 代 自 适 应 平 均 算 法 和 自 适 应 曲率 阈 值 方 法 将 丢 失 的 胸

15、 膜 结 节 重 新 包 括 进 来 。 文 献13提 出 一 种 基 于 灰 度 积 分 投 影 与 模 糊 C均 值 聚 类的 肺 实 质 分 割 算 法 ， 结 合 滚 球 法 修 复 边 界 区 域 。 但滚 球 法 中 球 的 半 径 的 选 取 是 一 个 显 著 的 问 题 ， 如 果半 径 过 大 ， 肺 实 质 的 分 割 会 出 现 过 分 割 ， 而 半 径 过小 ， 则 会 出 现 欠 分 割 ， 修 补 后 的 肺 部 边 界 不 完 整 。文 献 14提 出 了 基 于 改 进 链 码 和 Bresenham算 法 相结 合 的 肺 实 质 边 界 修 复 算 法

16、。 文 献 15提 出 一 种 结 合区 域 生 长 ， 形 态 学 运 算 的 肺 实 质 分 割 算 法 ， 并 提 出了 一 种 改 进 的 2维 凸 包 算 法 对 肺 实 质 的 外 轮 廓 进 行再 修 复 ， 改 进 后 的 凸 包 算 法 与 原 有 的 凸 包 算 法 修 复肺 实 质 相 比 ， 新 算 法 具 有 较 高 的 准 确 率 ， 胸 膜 结 节型 凹 陷 能 够 得 到 准 确 修 复 ， 但 其 与 原 有 的 凸 包 算 法一 样 ， 无 法 修 复 血 管 型 凹 陷 。 综 上 分 析 ， 多 种 方 法相 结 合 的 肺 实 质 分 割 方 法 涉

17、及 方 面 广 ， 但 是 研 究 不够 深 入 ， 肺 部 边 界 凹 陷 包 括 胸 膜 结 节 型 凹 陷 和 血 管型 凹 陷 的 修 补 算 法 仍 需 更 进 一 步 的 研 究 和 改 进 。肺 实 质 分 割 在 肺 部 疾 病 计 算 机 辅 助 诊 断 研 究 中是 最 为 核 心 的 步 骤 ， 其 处 理 结 果 直 接 影 响 到 后 续 图像 处 理 。 针 对 上 述 提 出 的 问 题 ， 本 文 提 出 了 一 种 新的 针 对 胸 部 CT图 像 的 全 肺 分 割 法 ， 提 出 的 改 进 的凸 包 算 法 对 肺 部 凹 陷 进 行 修 补 ， 该 方

18、 法 不 仅 对 胸 膜结 节 型 凹 陷 起 到 修 补 作 用 ， 对 血 管 型 凹 陷 也 能 实 现良 好 的 修 补 平 滑 效 果 。 实 验 结 果 表 明 了 本 文 所 提 全肺 分 割 方 法 及 改 进 的 凸 包 算 法 的 准 确 性 和 有 效 性 。2算法描述与分析本 文 所 提 胸 部 CT图 像 的 全 肺 分 割 方 法 主 要 包含 图 像 预 处 理 、 肺 部 初 分 割 、 肺 部 边 缘 修 复 、 以 及输 出 修 复 后 肺 实 质 分 割 结 果 4部 分 ， 方 法 流 程 图 如图 1所 示 。 图 1 肺 实 质 分 割 流 程 图2

19、.1图像预处理高 斯 平 滑 滤 波 器 在 空 间 域 或 频 率 域 都 是 十 分 有效 的 低 通 滤 波 器 ， 在 图 像 处 理 中 应 用 广 泛 。 2维 高斯 函 数 具 有 旋 转 对 称 性 ， 滤 波 器 在 各 个 方 向 上 的 平滑 程 度 相 同 ， 所 以 本 文 采 用 2维 高 斯 滤 波 器 ， 如 式 (1)所 示 。 2 221( , ) exp 22 x yG x y ss + = - p (1)其 中 ( , )x y 为 像 素 点 的 坐 标 ， 参 数 s 表 示 高 斯 滤 波 器宽 度 。 高 斯 滤 波 器 宽 度 决 定 了 平

20、滑 的 程 度 ， s 越 大 ，高 斯 滤 波 器 的 频 带 就 越 宽 ， 平 滑 程 度 就 越 好 ， 但 是如 果 s 过 大 ， 将 使 得 图 像 特 征 过 分 模 糊 ， 所 以 本 文中 为 了 使 肺 部 边 界 保 持 清 晰 ， 同 时 又 能 去 掉 相 应 的噪 声 ， 为 后 续 的 分 割 做 准 备 ， 选 取 1s = 。2.2肺部初分割方法首 先 利 用 3D区 域 增 长 方 法 进 行 肺 实 质 的 提 取 ，然 后 利 用 形 态 学 方 法 去 除 大 的 主 支 气 管 ， 并 进 行 填充 ， 得 到 肺 实 质 掩 膜 。2.2.1区域

21、增长法区 域 生 长 法 的 基 本 思 想 是 将 具有 相 似 性 质 的 像 素 集 中 起 来 构 成 区 域 ， 该 方 法 首 先选 取 一 个 或 一 组 种 子 点 ， 然 后 依 次 将 种 子 像 素 周 围的 相 似 像 素 合 并 到 种 子 像 素 所 在 的 区 域 中 。 当 前 对于 肺 实 质 分 割 ， 基 于 区 域 增 长 方 法 均 在 2维 切 片 上执 行 ， 本 文 利 用 一 种 传 播 方 法 ， 将 其 扩 展 到 3维 空间 ， 具 体 为 ： 在 当 前 层 片 上 选 择 种 子 点 ， 并 计 算 其4邻 域 的 像 素 点 ， 一

22、 起 作 为 种 子 点 在 当 前 层 片 上 做区 域 增 长 ， 同 时 将 计 算 出 的 种 子 点 及 其 4邻 域 的 点一 起 作 为 初 始 值 初 始 化 相 邻 的 上 下 两 层 切 片 ， 传 播过 程 直 至 到 达 底 层 肺 部 消 失 为 止 ， 通 过 循 环 迭 代 的方 式 进 行 整 个 肺 实 质 的 分 割 。区 域 生 长 的 阈 值 设 定 条 件 为 ： 假 设 当 前 处 理 的区 域 中 的 像 素 点 的 灰 度 值 为 1u ， 其 4邻 域 内 的 像 素 点灰 度 值 为 2u ， 用 户 选 定 的 种 子 点 灰 度 值 为

23、u ， 则 当其 4邻 域 内 的 像 素 点 灰 度 值 满 足 式 (2)中 条 件 时 ， 则2360 电 子 与 信 息 学 报 第 38卷认 为 该 4邻 域 内 的 像 素 点 也 属 于 被 分 割 区 域 而 将 其合 并 到 被 分 割 区 域 。 1 2 11 2u u Tu u T- - (2)其 中 1T 和 2T 为 两 个 自 定 义 的 阈 值 ， 阈 值 1T 用 来 避 免当 前 像 素 点 本 身 灰 度 变 化 大 造 成 欠 分 割 的 现 象 。 在实 际 分 析 中 ， 根 据 种 子 点 的 位 置 、 灰 度 等 一 些 先 验信 息 来 确 定

24、 1T 和 2T 的 值 。2.2.2大气管和主支气管去除由 于 气 管 和 左 右 主支 气 管 与 肺 部 的 灰 度 值 相 近 ， 利 用 3D区 域 增 长 法进 行 分 割 时 ， 很 容 易 同 时 分 割 出 来 ， 所 以 需 要 从 上述 结 果 中 去 除 气 管 和 左 右 主 支 气 管 。 本 文 采 用 连 通域 分 析 和 形 态 学 处 理 方 法 去 除 大 气 管 和 主 支 气 管 ，具 体 步 骤 如 下 ：(1)对 区 域 增 长 法 分 割 后 得 到 肺 部 CT序 列 图 像进 行 二 值 化 处 理 并 对 其 进 行 填 充 、 反 转 ，

25、 将 目 标 灰度 设 置 为 1， 背 景 灰 度 设 置 为 0。(2)对 二 值 化 图 像 进 行 连 通 性 区 域 提 取 ， 得 到 所有 的 连 通 区 域 1 2 , , , mR R R R= L 。(3)此 时 连 通 区 域 内 包 括 左 右 肺 实 质 及 大 气 管和 左 右 主 支 气 管 ， 考 虑 每 层 切 片 上 肺 实 质 的 面 积 满足 |Area( )i iR R S ， 将 连 通 区 域 的 面 积 小 于 S 的置 为 背 景 区 域 。 其 中 对 于 肺 尖 处 的 切 片 需 要 做 单 独处 理 。 根 据 实 验 经 验 ， S

26、取 值 500。由 于 边 缘 型 肺 结 节 的 存 在 ， 使 得 分 割 后 肺 实 质掩 膜 上 存 在 凹 陷 ， 为 了 获 得 更 加 完 整 的 肺 实 质 ， 为后 续 的 肺 结 节 的 分 析 和 提 取 做 好 准 备 ， 需 要 对 初 分割 所 得 到 的 肺 实 质 进 行 凹 陷 修 补 。2.3改进的凸包修补算法本 文 在 前 人 研 究 的 基 础 上 ， 提 出 了 双 凸 包 肺 部边 缘 修 补 算 法 。 该 算 法 不 仅 对 胸 膜 结 节 型 凹 陷 起 到良 好 的 修 补 作 用 ， 而 且 对 于 与 心 脏 、 纵 膈 相 邻 的 两肺

27、 之 间 的 凹 陷 也 能 起 到 很 好 的 修 补 。 由 于 凸 包 理 论的 引 用 ， 该 算 法 避 免 了 滚 球 法 、 形 态 学 方 法 等 的 过修 补 与 欠 修 补 。 该 算 法 的 流 程 图 如 图 2所 示 ， 详 细步 骤 如 下 ：(1)首 先 对 经 初 步 分 割 后 的 肺 部 掩 膜 利 用 边 界追 踪 法 求 得 左 右 肺 部 的 边 界 点 集 P 。具 体 的 做 法 是 ： (a)遍 历 图 像 ， 从 左 上 方 开 始 搜索 图 像 标 记 遇 见 的 第 1个 像 素 块 的 前 景 像 素 点 ， 该点 为 前 景 像 素 中

28、 的 最 小 行 、 最 小 列 的 像 素 ； (b)按 照逆 时 针 顺 序 搜 索 当 前 像 素 的 33邻 域 ， 如 果 搜 索 到周 围 有 前 景 像 素 ， 那 么 标 记 新 的 像 素 点 ； (c)不 断 重复 步 骤 (b)直 到 遇 见 此 像 素 块 第 1次 标 记 的 像 素 ， 遍历 整 幅 图 像 ， 获 得 边 界 点 集 。图 2 修 补 算 法 流 程 图(2)利 用 凸 包 理 论 中 常 用 的 Graham扫 描 法 获 得左 右 肺 部 的 凸 点 集 Q 。Graham扫 描 法 中 凹 凸 点 的 判 别 ：已 知 点 集 P 中 的 两

29、 点 点 0p , 1p ， 取 点 集 中 P 的 第3个 点 2p ， 根 据 式 (3)判 定 1p 的 凹 凸 性 。2 0 1 0( ) ( )r p p p p= - - (3)其 中 ， 是 叉 乘 符 号 ， 0p , 1p 和 2p 是 点 集 P 中 的 3个 点 ， 若 叉 乘 结 果 0r 和 2,p这 两 条 线 段 在 逆 时 针 方 向 ， 则 判 定 1p 是 凸 点 ；反 之 若 0r ， 说 明 1 0,p p 和 2 0,p p这 两 条 线段 在 顺 时 针 方 向 ， 则 判 定 1p 是 凹 点 ； 若 0r = ， 说明 1 0,p p 和 2 0

30、,p p这 两 条 线 段 在 同 一 条 直 线上 ， 此 时 需 要 再 判 断 1 0( , )p p 和 2 0( , )p p 两 点 间 的 距 离 ，去 掉 距 离 较 近 的 点 ， 保 留 距 离 较 远 的 点 。(3)求 待 修 补 的 肺 部 凹 陷 点 。 取 凸 点 集 Q 中 的点 ， 并 计 算 相 邻 两 个 凸 点 的 距 离 D ， 当 相 邻 两 个 凸点 的 距 离 D 小 于 一 定 阈 值 T 时 ， 将 该 相 邻 两 凸 点 之间 的 点 作 为 待 修 补 凹 陷 段 从 边 界 点 集 P 中 去 掉 ； 当相 邻 两 个 凸 点 的 距

31、离 D 大 于 或 等 于 阈 值 T 时 ， 我 们认 为 该 两 点 之 间 的 线 段 是 与 心 脏 、 纵 膈 相 邻 的 肺 部边 缘 凹 陷 ， 对 于 这 部 分 的 凹 陷 ， 需 要 做 进 一 步 的 处理 。 从 边 界 点 集 P 中 提 取 上 述 两 个 凸 点 之 间 的 点 ，利 用 Graham扫 描 法 中 两 段 线 段 的 叉 乘 结 果 确 定 该段 处 点 的 凹 凸 性 ， 得 到 此 处 待 修 补 的 点 。(4)将 步 骤 (3)中 求 得 的 待 修 补 的 点 从 边 界 点 集P 中 去 掉 ， 得 到 的 剩 余 点 集 即 为 肺

32、 实 质 的 边 缘 点 集 。3实验结果为 了 验 证 本 文 方 法 的 有 效 性 ， 选 取 10组 3维 胸 部第 9期 代 双 凤 等 ： 基 于 3D区 域 增 长 法 和 改 进 的 凸 包 算 法 相 结 合 的 全 肺 分 割 方 法 2361CT数 据 。 部 分 数 据 来 源 于 宁 夏 医 科 大 学 附 属 医 院 的多 层 螺 旋 CT数 据 ， 数 据 格 式 是 DICOM， 数 据 的 大小 是 51251236816bit， 像 素 间 距 是 0.74mm0.74mm1.0mm。 另 一 部 分 取 自 LIDC(LungImageDatabaseCo

33、nsortium)数 据 库 ， 数 据 格 式 是 DICOM,CT数 据 层 厚 为 0.6mm， 分 辨 率 为 512512。 实 验 的硬 件 平 台 为 Inter(R) Core(2) Quad处 理 器 ， 2.83GHz主 频 ， 4G内 存 ； 操 作 系 统 为 MicrosoftWindows7， 实 验 开 发 环 境 为 Matlab R2010b， 编 程 语 言 为C+与 Matlab语 言 相 结 合 。3.1应用本文方法的全肺分割结果图 3给 出 了 本 文 中 肺 部 分 割 修 补 算 法 的 全 过 程 。图 3(a)为 所 选 用 的 肺 部 切 片

34、 的 原 图 ； 区 域 增 长 算 法的 界 面 图 如 图 3(b)所 示 ， 增 长 算 法 中 种 子 点 由 用 户手 动 选 取 ， 根 据 实 验 经 验 取 值 1 50T = ， 根 据 胸 部 CT切 片 的 直 方 图 定 义 2T 值 为 2 150T = ， 增 长 过 程 如 图3(b)中 红 色 区 域 所 示 ， 区 域 增 长 的 结 果 显 示 在 图 3(c)中 ； 去 除 肺 部 主 支 气 管 后 的 初 分 割 所 得 的 肺 部 掩 膜如 图 3(d)所 示 。 图 3(e)显 示 了 由 边 界 追 踪 法 对 初 分 割 后 的 肺 部 掩 膜

35、 进 行 搜 索 获 得 边 界 轮 廓 ， 凸 包 算 法 获得 边 界 轮 廓 由 图 3(f)所 示 ， 图 3(g)给 出 了 由 本 文 改 进的 凸 包 算 法 获 得 边 界 轮 廓 ， 并 对 其 进 行 填 充 获 得 改进 后 的 肺 部 掩 膜 如 图 3(h)所 示 ， 最 后 图 3(i)给 出 了 肺部 最 终 的 分 割 结 果 。 从 图 3中 可 以 看 出 ， 应 用 本 文 所提 肺 部 分 割 算 法 ， 分 割 得 到 的 肺 实 质 完 整 并 且 肺 部边 缘 光 滑 、 连 续 性 好 。图 4进 一 步 显 示 了 应 用 本 文 算 法 得

36、到 几 种 典 型的 肺 部 CT数 据 的 分 割 结 果 ， 从 图 中 可 以 看 出 ， 分 割得 到 的 肺 部 边 缘 光 滑 且 连 续 。为 了 直 观 显 示 本 文 中 肺 实 质 边 界 修 复 效 果 ， 对文 中 第 3节 中 所 用 的 一 组 胸 部 CT数 据 ， 使 用 本 文 算法 提 取 的 结 果 对 肺 实 质 进 行 3维 重 建 ， 重 建 效 果 如 图5所 示 。 从 图 5中 可 见 ， 肺 实 质 中 由 胸 膜 肺 结 节 引 起的 凹 陷 区 域 被 有 效 修 复 ； 同 时 获 得 的 3维 模 型 更 加 平滑 。 通 过 放 射

37、 科 医 学 专 家 对 本 文 结 果 进 行 人 工 分 析后 认 为 本 文 算 法 能 有 效 提 取 CT图 像 中 肺 实 质 ， 对 临床 诊 断 具 有 较 好 的 辅 助 作 用 。图 3 应 用 本 文 算 法 的 整 个 过 程 显 示2362 电 子 与 信 息 学 报 第 38卷图 4 应 用 本 文 分 割 算 法 的 分 割 结 果图 5 应 用 本 文 算 法 修 补 前 后 的 肺 实 质 3维 显 示 结 果3.2本文所提修补算法与经典“滚球法”相比较对 于 肺 部 凹 陷 的 修 补 ， “ 滚 球 法 ” 9,13和 数 学 形态 学 的 方 法 4,1

38、0目 前 使 用 比 较 广 泛 。 为 了 更 好 地 说 明本 文 所 提 修 补 算 法 的 有 效 性 ， 图 6给 出 了 本 文 所 提 修补 算 法 与 “ 滚 球 法 ” 的 应 用 于 同 一 切 片 的 比 较 结 果 ，其 中 所 用 的 胸 部 切 片 的 原 图 如 图 3(a)所 示 。 从 图 6(a)和 图 6(b)中 可 以 看 出 滚 球 法 中 滚 球 半 径 的 选 取 是 一个 显 著 的 问 题 ， 当 选 择 半 径 30r = 时 ， 肺 实 质 的 分割 会 出 现 欠 分 割 ， 如 图 6(a)中 红 圈 显 示 的 部 分 ， 修补 后

39、的 肺 部 边 界 不 完 善 ， 而 当 选 择 半 径 80r = 时 肺实 质 的 边 界 较 完 善 ， 但 对 于 肺 门 处 却 出 现 了 过 分 割现 象 。 而 采 用 本 文 所 提 修 补 算 法 分 割 得 到 的 肺 实 质边 界 光 滑 完 整 ， 没 有 过 分 割 及 欠 分 割 现 象 ， 如 图 6(c) 图 6 本 文 凹 陷 修 补 法 与 滚 球 法 的 比 较所 示 。 从 运 行 时 间 上 来 看 ， 滚 球 法 需 要 多 次 调 节 半第 9期 代 双 凤 等 ： 基 于 3D区 域 增 长 法 和 改 进 的 凸 包 算 法 相 结 合 的

40、 全 肺 分 割 方 法 2363径 值 ， 多 次 尝 试 之 后 确 定 合 理 值 ， 运 行 效 率 明 显 不如 本 文 方 法 。 同 样 ， 形 态 学 方 法 也 是 针 对 整 个 肺 实质 区 域 操 作 ， 会 对 整 个 肺 实 质 图 像 造 成 一 定 的 过 分割 或 欠 分 割 现 象 ， 分 割 的 精 度 会 受 到 影 响 ， 而 本 文算 法 只 针 对 边 界 像 素 有 凹 陷 的 局 部 区 域 进 行 操 作 ，分 割 效 果 更 好 。3.3分割正确率对 所 选 取 的 10组 胸 部 CT数 据 ， 分 别 按 式 (4)统 计 全 肺 的

41、分 割 正 确 率 ， 并 计 算 平 均 分 割 正 确 率 。正 确 分 割 的 图 像 数分 割 正 确 率 分 割 图 像 总 数= (4)通 过 实 验 计 算 ， 应 用 本 文 所 提 全 肺 分 割 方 法 平均 分 割 正 确 率 可 达 到 95.53%。 对 于 分 割 出 错 的 数 据进 行 统 计 分 析 ， 发 现 出 现 错 误 的 图 像 可 以 归 结 为 两类 ， 一 类 是 发 生 在 肺 部 尖 端 或 肺 部 底 端 位 置 ， 通 过区 域 增 长 法 分 割 出 的 肺 实 质 的 像 素 数 较 少 ， 而 在 形态 学 去 除 主 支 气 管

42、 时 ， 由 于 统 一 的 参 数 设 定 ， 会 将这 部 分 少 量 的 肺 实 质 一 起 去 掉 ， 导 致 最 后 的 分 割 出现 错 误 。 对 于 这 种 情 况 ， 可 以 通 过 人 为 选 取 不 同 的值 来 进 行 修 正 。 另 一 类 是 肺 内 部 有 较 大 的 肺 部 病 变如 图 7所 示 ， 该 病 人 患 有 肺 癌 且 肺 癌 已 经 转 移 。 对 于图 7所 示 现 象 ， 利 用 本 文 所 提 的 修 补 算 法 无 法 对 肺 部边 缘 进 行 正 确 修 补 ， 导 致 最 终 分 割 出 现 错 误 。 对 于 这 种 情 况 ， 本

43、 文 算 法 是 失 效 的 ， 需 要 进 一 步 研 究 针对 此 现 象 的 分 割 方 法 ， 这 也 是 接 下 来 要 重 点 研 究 的内 容 。4结束语肺 实 质 的 准 确 分 割 在 实 际 临 床 应 用 中 对 于 肺 结节 的 检 测 与 分 析 等 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 针 对 肺 实质 分 割 问 题 ， 本 文 提 出 了 一 种 基 于 3D区 域 增 长 法与 改 进 的 凸 包 修 补 算 法 相 结 合 的 全 肺 分 割 方 法 。 首先 利 用 3D区 域 增 长 法 对 肺 部 CT图 像 进 行 粗 分 割 ，然 后 通 过 连

44、 通 标 记 法 与 形 态 学 方 法 相 结 合 去 除 气 管和 主 支 气 管 ， 对 肺 实 质 掩 膜 进 行 细 化 ， 最 后 提 出 了一 种 新 的 改 进 的 凸 包 算 法 对 肺 部 轮 廓 进 行 修 补 平滑 。 根 据 实 验 结 果 可 以 看 出 ， 本 文 所 提 分 割 方 法 能够 对 绝 大 部 分 的 肺 部 CT图 像 进 行 正 确 的 分 割 ， 提取 较 为 完 整 的 肺 实 质 ， 对 比 其 他 的 凸 包 算 法 、 滚 球法 ， 本 文 所 提 改 进 的 凸 包 算 法 不 仅 能 够 修 补 边 缘 型肺 部 凹 陷 ， 而

45、且 对 于 与 纵 膈 、 心 脏 相 邻 的 肺 门 处 凹陷 也 能 起 到 平 滑 修 补 作 用 。 实 验 结 果 表 明 了 本 文 所提 分 割 方 法 的 准 确 性 和 有 效 性 。 此 外 ， 肺 实 质 的 分割 与 具 体 的 临 床 应 用 紧 密 联 系 ， 各 类 分 割 方 法 不 能统 一 地 适 用 于 所 有 的 胸 部 CT图 像 ， 针 对 实 际 的 肺部 病 变 ， 我 们 将 继 续 研 究 其 他 肺 实 质 分 割 方 法 ， 以实 现 更 高 的 分 割 精 度 。图 7 应 用 本 文 方 法 分 割 失 败 的 例 子参考文献1 MA

46、NSOORA,BAGCIU,XUZ,et al.Agenericapproachtopathological lung segmentationJ. IEEE Transactions onMedical Imaging,2014,33(12):2293-2310.doi:10.1109/TMI.2014.2384693.2 王 娜 娜 , 陈 树 越 . 基 于 CT图 像 的 肺 实 质 分 割 技 术 研 究 J. 电子 测 试 , 2012(4): 38-43. doi: 10.3969/j.issn.1000-8519.2012.04.009.WANGNanaandCHENShuyu

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