双源CT心脏图像中二尖瓣的分割及三维重建

¯ 医学物理与工程学 Segmentation and 3D reconstruction of mitral valve in dual source CT images ZH AO Qing 1 , DU A-an 1 , YANG X in 1* , LI U Wei-p ing 1 , SONG Wei 1 , YAO L i-p ing 2 , S UN K un 2 ( 1. K ey L aborator y of S y stem Control and Inf ormation Processing [ M inistr y of E ducation] , Dep ar tment of A utomation, Shanghai J iao Tong Univer sity , Shang hai 200240, China; 2. D ep ar tment of R adiolog y , X inhua H osp ital , S hanghai J iao T ong Univ ers ity S chool of Medicine , S hanghai 200092, China) [Abstract] Objective T o get t he segmentation of mitr al v alv e from dual source CT ( DSCT ) images and reconst ruct the mitr al va lve, in order to pro vide r eferences for analy sis of abno rmal str ucture and function of mit ral v alv e1 Methods A two- step- segmentation a lg orithm was designed to get the segmentation o f the mitr al v alv e1 F irstly, reg ion competition ac- t ive contour modal based on fast lev e-l set algo rithm ( RCAC-FLSA ) was applied to ex tract the r eg ion of heart that enhanced by contrast media after bilateral filter pro cess1 Secondly, following the process of g r ay level ex tension, RCAC-FLSA w as used again to ex tr act the m itral v alv e reg ion w it h the limitation o f r eg ion-o f- interest1 Last ly , t he mitr al valv e w as r ecov- er ed1 Wit h the r esult o f segmentation, a 3D reconstr uction platform was im plemented with OpenGL in the envir onment o f V isual C+ + 20051 Pseudo-color and t ranspar ency pro cess were used to achiev e r ealistic 3D reconstruction effect s1 Results Wit h these methods, the mitral valve in a series of DSCT images w ere segmented successfully . Realistic 3D reconstr uc- t ion of the mitr al v alv e w as achieved1 Conclusion Using two- st ep- segment algo rithm can get accur ate segmentation o f the mitr al va lve in DSCT images, w hereas 3D reconstr uct plat form can prov ide realist ic 3D v iew o f the mitr al valve1 [Key words] Tomog raphy, X- ray computed; M itral valve; Image processing , computer- assisted [基金项目] 国家重点基础研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ( 973计划)项目( 2010CB732506)。 [作者简介] 赵庆( 1986 ) ) ,女,四川雅安人,在读硕士。研究方向:医学图像处理和三维可视化。E-mail: eleven 6662000@ yahoo1 com1 cn [通讯作者] 杨新,上海交通大学自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室, 200240。E-mail: yan gxin@ sjtu. edu. cn [收稿日期] 2011-03-10 [修回日期] 2011-06-20 双源 CT心脏图像中二尖瓣的分割及三维重建 赵 庆1 ,杜阿安1,杨 新1* ,刘维平1 ,宋 薇1 ,姚莉萍2 ,孙 锟2 ( 1. 上海交通大学自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室, 上海 200240; 2. 上海交通大学医学院附属新华医院放射科, 上海 200092) [摘 要] 目的 对双源 CT ( DSCT )图像中心脏二尖瓣进行分割和三维重建, 为二尖瓣结构和功能异常 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 提供参考。 方法 采用两步分割法对 DSCT 图像中二尖瓣分割: 首先利用基于区域竞争主动轮廓模型的快速水平集算法 ( RCAC-FL- SA )对经过双边滤波处理后图像进行初步分割,得到心脏对比剂增强区域;然后在灰度拉伸处理的基础上, 结合 ROI,再次 利用 RCAC-FLSA 对上一步分割结果进行分割,得到心脏二尖瓣区域; 最后对二尖瓣进行恢复。在 Visual C+ + 2005 平 台上结合 OpenGL 开发三维重建与显示平台, 利用基于三维纹理映射的体绘制方法进行三维重建, 并且加入伪彩色处理 和透明度处理,以增强三维重建的立体效果。结果 成功分割出一系列 DSCT 心脏图像中的二尖瓣, 结合伪彩色处理和 透明度处理的三维重建与显示平台,可获得二尖瓣的逼真重建。结论 两步分割算法能有效分割 DSCT 心脏图像中的二 尖瓣;结合伪彩色处理和透明度处理的三维重建与显示平台,能提供逼真的三维重建效果。 [关键词] 体层摄影术, X 线计算机;二尖瓣; 图像处理,计算机辅助 [中图分类号] TP3911 41; R8141 42 [文献标识码] A [文章编号] 1003-3289( 2011) 10-2136-05 #2136# 中国医学影像技术 2011年第 27卷第 10期 Chin J Med Imaging Technol, 2011, Vol 27, No 10 二尖瓣是位于心脏左心房和左心室之间的瓣膜, 在人体血液循环中有阻止左心室血液反流回左心房的 单向阀门作用。手术治疗先天性心脏病时, 对二尖瓣 的处理一直是术中难点, 尤其在儿童二尖瓣瓣膜整形 术中,目前整形手术方式的选择多依靠医师的临床经 验或无针对性地全面处理, 手术效果欠理想。二尖瓣 结构和功能分析对术前制定手术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 并预测术后效果 具有重要意义。双源 CT ( dual source computed tomog raphy, DSCT)图像可清晰显示心脏二尖瓣瓣 膜结构,为二尖瓣结构和功能异常的分析提供依据。 本研究利用上海新华医院 Siemens Somatom Definit ion双源 CT 机, 采集 1例二尖瓣中、重度反流 患者的心脏扫描图像, 采用基于区域竞争主动轮廓模 型[ 1]和快速水平集[ 2-3] 的两步分割法对图像中的二尖 瓣进行分割, 并在 Visual C+ + 2005 平台上, 结合 OpenGL 开发三维重建与显示平台,利用基于三维纹 理映射的体绘制方法,采用伪彩色处理和透明度处理, 对分割出的二尖瓣进行逼真三维重建, 为今后进一步 分析二尖瓣结构和功能提供参考。 1 DSCT心脏图像中二尖瓣的分割 11 1 基于区域竞争主动轮廓模型的快速水平集( re- gion compet it ion based active contour based- fast level set algorithm, RCAC-FLSA) ,以区域竞争主动轮廓模型作 为能量函数,利用快速水平集方法对图像进行分割。 区域竞争主动轮廓模型[ 1]将图像分割问题视为将 每个像素分类为目标和背景两大类。在水平集框架下 的演化方程如下: 5<5t= D( <) K logP( I | Ao )- logP( I | Ab ) + Ldiv 5< | 5<| ( 1) 其中 D( <( x) ) = H '(<( x) ) , H ( <) = 0[ <( x ) [ 0]或 1[ <( x ) > 0] , D( <)为 Dirac的函数; | Ao 和| Ab 分别是目 标区域和背景区域的统计函数。起主要作用的是目标 和背景的竞争项。当 P( I | Ao ) > P ( I | Ab )时, 目标继续 生长; 当 P( I | Ao )< P ( I | Ab )时,轮廓向目标收缩; 当 P ( I|Ao ) = P( I| Ab )时,轮廓停止扩张或收缩。假设目标 背景呈高斯分布,均值方差分别为: A0 = { Lo , R2o }和 Ab = { Lb , R2b } ,演化方程为: 5<5t= | 5(<) | - K ( I- L0 ) 2 2R20 - ( I- Lb ) 2 2L2b + Ld iv 5< | 5<| + v ( 2) 快速水平集 [ 3-4]将演化曲线 C 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为双边的链表 结构L in和L out ,定义在 C 内部且不在 L in中的点为内 部点,用 C in表示;在 C 外部且不在L out中的点为外部 点,用 Cout 表示; 将水平集函数表示为整数符号函数 [式( 3) ] , 其中( x , y )为当前点的坐标, a和 b 为整数: <( x , y )= - b, ( x , y ) I C in - a, ( x , y ) I L in a, ( x , y ) I L out b, ( x , y ) I Cout (3) 在具体实施中, 快速水平集方法将曲线演化分成 两次演化过程: 第 1次中曲线的演化取决于数据驱动 项 Fd , Fd 由像素值所决定,可以通过对能量函数最优 化获得式 ( 3) ; 第 2 次曲线演化取决于高斯平滑项 F int , F int可以通过对L in和 L out中点的高斯去噪得到式 (4) , 其中 G 为高斯滤波器, �为卷积: Lout : F int= 1, ifG � H ( - <)> 01 5 0, otherw ise L in : F int = - 1, ifG � H (- <)< 01 5 0, o therw ise ( 4) 如Fd > 0或F int> 0,将当前演化曲线向外演化一个 像素的宽度;如 Fd < 0或 Fint< 0,将当前演化曲线向内演 化一个像素的宽度;如 Fd = 0或F int= 0,曲线停止演化。 本研究所采用的 RCAC-FLSA 不仅考虑了目标 和背景的灰度均值, 还引入了方差项,并同时基于数据 驱动项和高斯平滑项进行分割, 能够更自然地处理分 割目标在拓扑结构上的变化, 具有高效性和健壮性;而 且快速水平集直接计算能量方程, 不必以传统水平集 方法求解偏微分方程 [ 2, 5] ,使分割具有快速性。 11 2 两步分割法对 DSCT 心脏图像中二尖瓣的分割 考虑到 DSCT 图像背景复杂, 很难直接对二尖瓣进 行分割,本研究采用两步法对 DSCT 图像中的二尖瓣 进行分割。原始图像的图像分辨力为 512 @ 512像素, 层间距 0. 75 mm,共 354层。 11 21 1 初步分割 首先采用能在降噪的同时保存边 缘的双边滤波器[ 6-7] 进行图像降噪。当双边滤波器的 权系数取值为 Dd = 5 @ 5, Dr = 01 05 时, 对原始图像 I0 (图 1A)进行双边滤波处理后, 得到图像 I1 (图 1B)。 然后利用 RCAC-FLSA算法对图像 I1 进行初步分割, 得到 I2 (图 1C)。初步分割结果 I2 代表心脏对比剂增 强区域,包括左心室、左心房、主动脉、二尖瓣和主动脉 瓣,其中二尖瓣是下一步分割的目标。 11 21 2 进一步分割 首先对初步分割得到的增强区 域采用灰度拉伸处理,增强其对比度,得到 I3 (图 1D) , 此时已基本可以区分二尖瓣与周围组织。由于二尖瓣 #2137#中国医学影像技术 2011年第 27卷第 10期 C hin J M ed Imagin g T echnol, 2011, Vol 27, No 10 边缘与对比剂周围黑色区域相连, 若直接分割,很可能 造成分割泄漏, 故先在分割前选择一个 ROI, 在其内利 用 RCAC-FLSA 算法进行分割。图 1E 中黑色闭合曲 线代表 ROI, 之后的分割只在这个 ROI 内进行。图 1F 是进一步分割结果, 显示分割出的二尖瓣区域 I4 (二尖瓣区域灰度值为 255, 即白色, 非二尖瓣区域的 灰度值全部置为 0,即黑色)。 11 21 3 二尖瓣恢复 为在原图中凸显二尖瓣的位置 和形状,将 I4 (图 1F)和 I2 (图 1C)进行/与0操作: 遍历 图像 I2 上的每一点, 当相对应的 I4 上的点灰度值为 255时, 将 I1 上的该点灰度值置为 125(灰色) , 否则 I1 上该点灰度值保持不变, 结果见图 1G。更多切片分割 结果见图 2。 11 3 分割结果分析 对比基于 RCAC-FLSA 的两步 分割法与其他分割算法(包括阈值分割、漫水法、区域 生长、Graph-Cuts)对 DSCT 心脏图像二尖瓣进行分 割的效果(图 3) , 发现利用 RCAC-FLSA 算法能够有 效分割出心脏对比剂区域,并且很好地保留二尖瓣的 边缘信息(图 3A) ; 阈值分割算法和区域生长算法对阈 值的依赖性很大,阈值选择不当很容易遗失二尖瓣组 #2138# 中国医学影像技术 2011年第 27卷第 10期 Chin J Med Imaging Technol, 2011, Vol 27, No 10 图 3 各种算法分割结果对比 A. RCAC-FLSA分割对比剂区域; B.阈值分割对比剂区域( T = 164) ; C.漫水法分割对比剂区域; D .区域生 长分割对比剂区域; E. Graph- Cuts分割对比剂区域; F. Graph-Cuts直接分割二尖瓣初始设置; G . Grap h-Cu ts 直接分割二尖瓣; H.以本文方 法分割二尖瓣 图 4 二尖瓣三维重建和显示 A. 对双边滤波后图像的重建; B.去掉心脏对比剂增强区域后重 建,并添加伪彩色处理; C.将分割出的二尖瓣叠加到图 B; D.图 C的放大显示; E.二尖瓣遥感面 显示; F.遥感面显示放大 织信息(如图 3B和 3D中二尖瓣区域出现的空洞) ;而 漫水法虽未造成二尖瓣信息遗失, 但分割出的心脏对 比剂区域明显超出实际范围(图 3C) ,将对第二步分割 二尖瓣带来干扰。目前, 利用 Graph-Cuts法 [ 8-11]对图 像进行分割也是研究热点之一, 但用此法分割心脏对 比剂区域将彻底遗失二尖瓣组织 信息 (图 3E) , 因 Graph-Cuts 是 寻找全局能量优化的方法, 而在 DSCT 图像中二尖瓣组织过小, 易遗失; 如直接利用 Graph-Cuts 对二尖瓣进行分割(初始设置见 图 3F) ,也不能取得理想的分割 效果 (图 3G)。本研究采用基于 RCAC-FLSA的两步分割法综合利 用图像边缘、区域和目标与背景的 先验信息分割目标,可较自然地处 理目标的拓扑结构变化,可有效分 割出二尖瓣组织(图3H)。 2 二尖瓣的三维重建 本研究在 Visual C + + 2005开发平台上, 结合 OpenGL 开发三维重建与显示平台。利用 基于三维纹理映射的体绘制方法 对分割出的二尖瓣进行三维重 建,并加入伪彩色处理和透明度处理,使得三维重建效 果更加逼真(图 4) , 可见利用上述方法可对分割出的 二尖瓣进行逼真地三维重建和显示。 3 结论 采用两步分割算法能有效分割DSCT 心脏图像中 #2139#中国医学影像技术 2011年第 27卷第 10期 C hin J M ed Imagin g T echnol, 2011, Vol 27, No 10 的二尖瓣;结合伪彩色处理和透明度处理的三维重建 与显示平台能提供逼真的三维重建效果。 [参考文献] [ 1] Shang Y, Yang X, Zhu L, et al. Region compet it ion bas ed act ive contour for m edical ob ject ext ract ion. 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Giant solitary fibrous tumor in mediastinum: Case report 纵隔巨大孤立性纤维性肿瘤 1例 阚文浩,邢雪莲 (湖北省监利县人民医院放射科,湖北 监利 433300) [Key words] Tomog raphy, X- ray computed; Mediastinum neoplasms [关键词] 体层摄影术, X线计算机; 纵隔肿瘤 [中图分类号] R8141 42; R7341 5 [文献标识码] B [文章编号] 1003-3289( 2011) 10-2140-01 [作者简介] 阚文浩( 1971 ) ) ,男,湖北监利人,本科,主治医师。 E-mail: kw h646@ 21cn . com [收稿日期] 2011-07-15 [修回日期] 2011-07-29 图 1 CT 平扫示右中下肺区巨大不规则卵圆形混杂密度影,内少许钙化点, 与 右侧肺门、纵隔、前后胸壁粘连,邻近肋骨未见破坏 图 2 增强后病灶内见 走行紊乱的强化血管影,病灶边缘环状强化 患者女, 56 岁。1 个月前无明显诱因出现右侧 胸痛,呈持续性锐痛, 无放射痛,伴咳嗽、咳白色黏液 痰,无发热及呼吸困难, 重体力活动后感胸闷。实验 室检查未见异常。体检:右胸廓语颤音稍增强,右肺 呼吸音减弱。心脏彩超提示左心室顺应性降低。 CT :平扫示右中下肺区约 121 5 cm @ 161 5 cm 不规 则卵圆形混杂密度影, 内见少许钙化点, 与右侧肺 门、纵隔、前后胸壁粘连,邻近肋骨未见破坏(图 1) ; 增强后病灶内见走行紊乱的强化血管影, 病灶边缘 环状强化(图 2) , 右肺门结构不清, 右下支气管未见 显示。诊断:右中下肺区肿瘤性病变, 肉瘤可能。 术中见肿块位于右纵隔,约 15 cm @ 12 cm @ 15 cm, 呈菜花 状,与肺粘连。镜检: 右胸间叶组织肿瘤。免疫组化检查: CD34 ( + )、Bc-l 2( + )、Vim( + )、SMA( - )、ACK ( - )、S-100 ( - )、 Desmin( - )、K-i 67( 5% )。病理诊断: 孤立性纤维性肿瘤 ( so l-i tar y fibr ous tumo r, SFT )。 讨论 SFT 是一种少见的间叶性肿瘤, 可能为纤维母细胞 性, 并有明显的血管外周细胞瘤样分支状血管。SFT 是起源于 间皮下纤维结缔组织的梭形细胞软组织肿瘤, 临床表现为缓慢 生长的界线清楚的无痛性肿物, 肿物增大后产生压迫症状而使 患者就诊; 影像学表现无明显特异性, 诊断及鉴别诊断主要根 据病理及免疫组化分析。本例 SFT 瘤体巨大, 占右侧胸腔约 2/ 3,少见, CT 表现具一定特点。SFT 需与肺癌、肺肉瘤等鉴 别: 肺癌常伴胸膜凹陷征、肺不张、阻塞性肺炎等 ; 肺肉瘤表现 为肺实质内膨胀性生长, 很少侵犯支气管黏膜, 灶内可见钙化、 空洞形成, 多伴局限性胸膜侵犯。 #2140# 中国医学影像技术 2011年第 27卷第 10期 Chin J Med Imaging Technol, 2011, Vol 27, No 10