（計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）基于三維圖像序列的左心室分割與運動聯(lián)合估計.pdf

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 摘要 摘要 近年來心臟疾病已經(jīng)成為了人類健康的頭號殺手 據(jù)統(tǒng)計資料顯示 在西方發(fā)達(dá)國 家 心血管疾病的死亡率高居榜首 如何有效準(zhǔn)確的診斷心血管疾病己成為醫(yī)學(xué)工作者 的頭號課題 從心臟機(jī)理來看 負(fù)責(zé)供血到全身各器官的左心室是心臟中最重要的部 分 因此其形態(tài)和運動的異常被作為評估心臟病變的重要依據(jù) 隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的飛 速發(fā)展 無創(chuàng)性的心臟觀察成為可能 特別是近年來迅速發(fā)展的心臟核磁共振影像技術(shù) 已經(jīng)成為心臟疾病臨床診斷的重要輔助手段 通過圖像分割觀察心室的形態(tài)結(jié)構(gòu) 采用運動估計技術(shù)獲取心室位移場及應(yīng)力應(yīng)變 場 從而估測左心室的整體功能及心肌的局部功能 是當(dāng)前無創(chuàng)的心臟觀察的主要技 術(shù) 在臨床輔助診斷中有重要的意義 雖然大多數(shù)研究工作都將基于圖像序列的左心室 分割和運動估計視作兩個獨立的問題 然而實際上它們是相輔相成的 因為一方面 心 臟的醫(yī)學(xué)成像噪聲較大且伴有偽影 給基于圖像的左心室分割造成了極大的困難 另一 方面 左心室的運動估計多數(shù)在分割結(jié)果上進(jìn)行 運動分析的準(zhǔn)確性取決于分割結(jié)果的 準(zhǔn)確性 因此本文提出三維左心室分割與運動聯(lián)合估計的方法 該方法對左心室分割過程和 運動估計過程進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化 可以同時取得合理的分割及運動結(jié)果 聯(lián)合估計方法以 連續(xù)生物力學(xué)模型作為理論基礎(chǔ) 假設(shè)左心室為線性彈性體 在能量最小化原理的驅(qū)動 下運動 進(jìn)一步我們考慮到心臟本身的纖維復(fù)合材料特性 在連續(xù)生物力學(xué)模型中加入 各向異性的材料約束 更真實地模擬了心臟的實際運動情況 連續(xù)生物力學(xué)模型可以提 供如位移 應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)參數(shù) 為左心室整體功能及心肌局部功能的臨床診斷提供了 更為豐富的評價參數(shù) 鑒于心臟成像質(zhì)量較差 僅僅采用基于圖像的傳統(tǒng)分割算法難以得到令人滿意的分 割結(jié)果 于是本文構(gòu)造驅(qū)動模型運動的外力為圖像信息力 形狀特征力 節(jié)點分布先驗 力與時間約束力的合力 即通過添加相鄰幀圖像之間的相關(guān)性 運動物體的形狀連續(xù)性 及各種先驗知識來輔助分割過程 這樣不僅可以得到合理的分割結(jié)果 還可以獲得連續(xù) 的左心室運動場 本文還提出一種基于三維圖像序列構(gòu)造左心室?guī)缀文Ｐ偷姆椒?在心臟舒張末期圖 像的基礎(chǔ)上 構(gòu)建左心室?guī)缀文Ｐ妥鳛槁?lián)合估計方法的初始輪廓 針對左心室外壁輪廓 相對固定但成像模糊的特點 采用同時分割的方法在每層圖像中提取左心室的二維內(nèi)外 壁輪廓 該方法需要的人機(jī)交互操作少 極大地提高了分割效率 進(jìn)一步針對心臟m r 三維成像層間分辨率低于層內(nèi)分辨率的特點 為滿足用戶對左心室?guī)缀伪硎镜牟煌?xì) 度需求 提出采用基于形狀的輪廓插值方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖像插值方法 有效的保持了左 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文摘要 心室的形狀特征 在數(shù)值方法上 本文分別使用了有限元方法和無網(wǎng)格方法 有限元法將左心室區(qū)域 劃分為一組有限單元 而無網(wǎng)格法則用散亂的采樣點表示問題區(qū)域 節(jié)點之間沒有拓?fù)?連接關(guān)系 通過節(jié)點鄰域內(nèi)的點集來近似未知場函數(shù)值 無網(wǎng)格法可以更加精確地恢復(fù) 左心室的纖維方向場 而且由于無網(wǎng)格方法沒有單元之間的束縛 強(qiáng)調(diào)整體求解的誤差 最小 因此具有比有限元方法更高的分割精度 且不會因模型變形過大而需要單元的重 新劃分 實驗證明 無網(wǎng)格法比有限元方法更加適合聯(lián)合估計 關(guān)鍵詞 連續(xù)生物力學(xué)模型 纖維復(fù)合材料 圖像分割 運動重建 聯(lián)合估計 有 限元法 無網(wǎng)格法 i i i 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t h e a r td i s e a s er e m a i n st h el e a d i n gf a t a ld i s e a s ei nt h ew o r l d s t a t i s t i c ss h o wt h ec a r d i 0 v a s c m a rd i s e a s e c v d 1 e a d st ot h eh i g h e s tm o r t a l i t rm d e v e l o p e dc o u n t r i e s a c c u r a t e d i a g n o s 遠(yuǎn)o fc v d i sm em o s t i l n p o r t a n tw o r k f o rr e s e a r c h e r s l e f tv e n 仃i d e l 聊 m e p n p 價go r g a n i st h ef u n d a m e n t a lp a r to ft h eh e a r tm t h el i t e r a t l l r eo ft h ec a r d i a cp h y s i o l o g yc v d o f t e ni m m f e s ba sa b n o 肌a l i t i e so ft h ev e n t r i c l l l a rg e o m e t 叮a n dw a l lk 證e m a t i c s w h i c ha r em u so fs i g n i f i c a n tc l i m c a lv a l u e sa n do 胞rg r e a tt e c h m c a lc h a l l e n g e s w i mt h ea d v a 眥e d 肥n t0 fn o n m v a s i v eh a g i l l gt e c h n o l o 百e s e s p e c i a yt h em a 鏟1 e t i c 刪粼e 咖g i n 髟 論a c q m s i t i o n so ft h er e a lt h ea n de e g 薩t e dt o m o g r a p h cs e q u e n c e so fi n 一優(yōu) dh e a r t sa r em o r ee a s i l ya v a i l a b l e v e n t r i c u l a rg e o m e t 巧r e t r i e v e db y 沛a g es e g m e n t a t i o na n dt h em y o c a r d i md i s p l a c e m e n ta n d s b m i nf i e l d sa c h i e v e db yc a i d j a cm o t i o na n a l y s i sw k c h h e l pt oe v a l u a t et h e 斟o b a lf l m c t i o na n dl o c a lm y o c a r d i u mf u n c t i o no fm ev e n t r i c l ep l a yp a r a m o u n t i 1 1 1 p o r t a n tp l em c h m c a ld i a g n o s i s 舢t h o u g hs e g m e n t a h o na n dm o t i o nr e c o v e 叮a r e u s u a l l yb a t e da st w os e q u e n t i a lp r o c e s s e sm m o s to fm ee x 選t i n ge f f 6 r t s m e yc a no b v i o u s l yb e n e f i tag r e a td e a lf i d me a c ho t h e r o nm eo n eh a n d u s i n gt e m p o r a l c o n s t r a i r 惦 c a n 陀d u c et h em n u e n c eo fn o i s ea n d1 e a dt oi m p r o v e ds e g m e n t a t i o n jo nt h eo m e rh a n d m es 0 1 u 石o no fs e g m e n t a 石o nc a ng 掄a t l ya s s i s ti nm e c o m p u t a 石o no fm o t i o nt r a c l 咄 f o u o w m g m i s s p i r i t w eh a v ed e v e l o p e d ab i 伊r n e c h a m c a lm o d e lc o n s t r a m df r a m e w o r kp e r f o m 塢s i n l 山t a n e o u s3 d s e 伊a e n t a t i o na n dm o t i o ne s t i i n a t i o no ft h en lt h en 7 i si n o d e l e da sa nl i n e a re l a s t i cb o d 弦t h e nd e n s ed i s p l a c e m e n tf i e l dc a nb ee s t i m a t e d w h e nt h et o t a le n e r g yo ft h ee l a s t i cb o d yi sm 礬r n j z e da te q u i l i b r i n m o r e o v e r m el v i sm o d e l e da sat r a r 塔v e r s e l yi s o 臼o p i c m 論a m l a s 石cm o d e lw i mm r o u 6r e i r l f o r c e i n i e n t b i o l m e c h a n i c a lm o d e lp r o v i d e s p 1 e n t o fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s s u c ha sd i s p l a c e m e n t f i e l da n ds t r a j l l 矗e l d w h i c hh e l pr e 砸e v i n g 出ep o s s i b l e1 0 c a t i o n sa n de x t e n bo f 出e n f a u r c ta 陀aw h i c ha r ec a u s e db yh e a r td i s e a s e s 1 r a d i t i o 砌l y f o r c ec o n s m c e o no fi m a g es e 鏟n e n t a t i o no n l y c o n s i s to f 幻艙g em f o r 蚴廿o nc o r r u p t e db ym e a s u r m ge r r o r s 甜試n o i s e s h e r ew ep u tf o r w a r dt h a tt h ee v 伊 l u t i o nf o r c e si r r i p o s e do nm em y o c a r d i u ma r ei 1 1 d i v i d u a l l yc o n s m l c t e df o re a c hn o d a l p o m tm r o u g hc h ei n t e 鏟a b o no ft h ed a t a d r i v e ne d 辱n e s sm e a s u r e s m ep r i o rs p a t i a l d i s t r i b u 6 0 n so ft h em y o c a r d i a lt i s s u e s t h et e m p o r a lc o h e i e n c eo ft h ei r l l a g e d e r i v e d s a l i e n tf e a h l r e s a 1 1 dt h ec y c l i cm o t i o nc h a r a c t e r i s 6 c so fm eh e a r t 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t w e p r e s e n tai n e m o dt ob 1 1 i l dm em e s hi e p r e s e n t a d o n o f h el e f tv e n t r i c l ef r o mi m a g es e q u e n c e sa tt h ee n do fd i a s t o l ea st h e d a lv o l m n ei nt h eo u rf 捌m e w o r k t h e 2 de n d d a n d 印i c o n t o u r s0 fm el e f tv e n t r i c l ea r es e 黜t e d 行o m 幻1 a g es l i c e su s m g al u l i f i e df r a i n e w o r k 洫s t e a d0 fs e 孕n e n t a t i o ns e p a r a t e l ym o r e o v e r s o m eo h e 3 dc a r d i a ch a g es e q u e n c ed a t ao f 試t e i e s th a v em g h e rn p l a l l er e s o l 塒0 nt h a ni n t e r p l a n e 坨s 0 1 u t i o nb e c a u s e0 fm eh a g i n gp r o t o c 0 1 h o w e v 鵯i t i sm o r ed e s i r a b l et 0h a v e r o u g 卜d ye q u a l l ys a m p l e do b j e c tr e p r e s e n t a 廿o n sma t ed 伽1 e n s i o n st oa c m e v em o r e a c c u r a t eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dd i s p l a y f o rt h j sp u 叩o s e w en e e dt oi n t e 叩o l a t e b e 咐 e e ns l i c e s 鼬n c ew ea r ei n i t i a l l y0 1 1 l ym t e r e s t e d 如t h eb o u n d a 黟p o i n t s0 fm e6 b j e c t i n t e 叩o l a 石o nm e t h o d sb a s e do no r d ym el e f tv e n t r i c l ec o n t o wl o c a t i o n sw o m db e m o r ec o m p u t a t i o n a l l ye f f i c i e n t as h a p e b a s e dc o n t o u rm t e 叩o l a t i o nr n e t h o d u s i n gt h e c h a m f e rd i s t a n c et r a n s f o m a t i o n h a sb e e n i i l l p l e m e n t e d a sf o rt h en 哪e r i c a lm e t h o d w eu s ef i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d f e m a n dm e s h f r e e p a u r t i c l em e t h o d m p m r e s p e c t i v e l y t h eb a s ei d e ao ff e mi st 0d i s c r e t i z e 廿艙d o m a mo f j n t e r e s bh t oe l e m e n t sw h i c h p r o v j d es p a 6 a lr e l a 垃q n s h i p sb e t w e e n 出es a m p l i n gn o d e s t h em a i nc o m p u t a t i o n a lp o w e ro ft h ef e mr e s u l t s 舶mt h ef u n d a r n e n t a li d e ao f r e p l a c i n gac o n 甑u o u sf l m c 6 0 nd e f i n e do v e rt h ee n t nd o m a i nb yp i e c e w i s ea p p r o x h a t i o n s o v e ras e o f 血i t en u m b e r0 fg e o m e t r i c a n ys i r i l p l ed o m a i l l s m e a j l w k l e t h er e c e n t l y d e v e l o p e dm p mr e p r e s e n tt h ei n t e r e s t e ds p a 6 a ld o m a i n sw i t ho m yas e to fn o d a lp o m t s b u tw i m o u t a n y m e s hc o n s t r a i n t sw h i c he l i r n n a t ea tl e a s tp a r to ft h em e s hs t m c t u r eb y c o n s t r u c t i n g 出ea p p r o d m a t i o no ft h e 矗e l df u n c t i o na n dt h ed i s c 颮t es y s t e me q u a t i o n s e n t 洫l yi nt e 瑚so fm e n o d e s 1 1 1 e yc a nm o r em t u r a u yh a n d l ev e 叮l a 唱ed e f o r m a 一 石0 na n dd i s c o n t i n u i 哆e s p e c i a l l y m p mh a s a d v a n t a g e smf i t t m gm e 曲e rs t r u c t u r eo f t h el e f tv e n t r i d e e x p e r i l n e n t so ns y n m e t i ca n dr e a li r n a g e ss h o wm er o b u s m e s sa n d a c c u r a c yo fm p m mt h es i m u l t a n e o u s 缸m e w o r km a nf e m k e yw b r d s c o n t i n u o u sb i o m e c h a n i c a lm o d e 6 b r o u sc o m p o s i t em a t e r i a l i m a g es e g m e n t a t i o n m o t i o na n a l y s i s s i m u l t a n e o u se s t i m a t i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d m e s h f r e ep a r t i c em e t h o d v 浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得浙江大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文作者簽名 五豁 簽字日期 2 8 年 月羅日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解浙江大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu) 送交本論文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)浙江大學(xué)可 以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和傳播 可以采用影 印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文作者簽名 杰鹼 導(dǎo)師簽名 簽字日期 加譬年羅月羅日簽字日期 引豸年 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文致謝 致謝 首先衷心感謝我的導(dǎo)師鮑虎軍研究員 他膽大心細(xì)的工作作風(fēng) 敏銳的學(xué)術(shù)眼光都 讓我非常敬佩 五年的博士生活中 他一直無私地給予我關(guān)懷和幫助 并且給我很多的 學(xué)習(xí)機(jī)會 替我創(chuàng)造了許多機(jī)遇 是我人生中的伯樂 我還要衷心的感謝我的另一位導(dǎo)師劉華鋒教授 他在學(xué)術(shù)上給予我悉心的指導(dǎo) 鼓 勵我在研究上不斷進(jìn)取 沒有他我不可能順利的完成學(xué)業(yè) 他踏實嚴(yán)謹(jǐn) 孜孜不倦的研 究態(tài)度給我留下了深刻的印象 同樣要感謝陳為副教授 他與我亦師亦友 不僅在學(xué)術(shù)上一直督促我努力工作 在 生活上也不忘記關(guān)心我 不時給予我指引和幫助 在香港科技大學(xué)期間 施鵬程教授在心臟研究領(lǐng)域開闊的視野為我打開了一扇窗 讓我燃起了研究的熱情 也讓我發(fā)掘了自己的潛力 在這里也要對他表示誠摯的謝意 感謝浙江大學(xué)c a d c g 國家重點實驗室的所有的老師和同學(xué) 我所有關(guān)于浙大的 美好的回憶都在這里 實驗室的林海老師 張宏鑫老師 金小剛老師 劉新國老師 潘 志庚老師 他們不論是在學(xué)業(yè)還是生活上都給予了我無私的幫助 這里要對他們表示深 深的感謝 在實驗室五年 經(jīng)歷了太多的分分合合 但是美好的回憶永遠(yuǎn)都在心里 是 實驗室的同學(xué)們讓我感受到了熱情 真誠 單純和執(zhí)著 在這里我要感謝那些跟我度過 了五年的老同學(xué) 劉真和孫銳 那些有著一樣爛漫夢想的朋友們 吳海虹 湯穎 安曉 博 張亞萍 那些實驗室一起高談闊論的好哥們 劉華 梅春暉 許棟 張淮聲 許 薇 王麗英 黃勁 章國鋒 盛崇山 薛輝 張沐陽 陳祿 馮偉 那曾經(jīng)的心臟研究 小組 梁瀟 王超 李舟立 還有即將分崩瓦解的 老大難 三人組成員 宋超和吳淵 他們讓我博士的生活豐富多彩 沒有他們就沒有我堅持到今天的研究熱情 也沒有我今 天開朗豁達(dá)的個性 他們是我成長和快樂的養(yǎng)分 對他們我只有滿滿的感謝 最后 當(dāng)然是要感謝親愛的爸爸媽媽 是他們的悉心培養(yǎng) 才讓我有了今天 這里 我想對他們說 爸爸 我們永遠(yuǎn)愛你 媽媽 你那么辛苦的養(yǎng)育我們 我一定會讓你過 上快樂無憂生活 還有老弟 希望你繼續(xù)努力 為自己過上無憂無慮的生活繼續(xù)打拼 希望你永遠(yuǎn)那么簡單快樂 讓我們一起加油吧 莊玲 2 0 0 8 年7 月1 0 日 于浙大紫金港校區(qū) 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第1 章引言 1 1 問題的提出 第1 章引言 l 1 1 心臟系統(tǒng)簡介 眾所周知 心臟的作用是推動血液流動 向器官 組織提供充足的血流量 以供應(yīng) 氧和各種營養(yǎng)物質(zhì) 并帶走代謝的終產(chǎn)物 如二氧化碳 尿素和尿酸等 使細(xì)胞維持正 常的代謝和功能 正常的心臟 其收縮及舒張旨為協(xié)和的協(xié)同運動 心臟在整個心動周 期中平滑地作收縮和舒張運動 心臟位于膈肌上方 兩腫之間 約拳頭太小 心臟壁由心肌 心內(nèi)膜 心外膜等組 成 能夠以每分鐘大約7 0 枚的節(jié)律自動收縮 從而源源不斷將血液運輸?shù)饺砀鹘M織 心臟由兩個血液泵連接而成 每個血液泵又由兩部份組成上方的稱為心房 下方的稱 為心室 血液從心房進(jìn) 心臟然后流入下方的心室中 心室壁比較肥厚 有助于將血 液泵出心臟 心臟工作時 右心室輸送血液到肺 血液流經(jīng)肺部后回到左心房 再通 過左心室輸送至仝身 圖11 為人體心臟解剖結(jié)構(gòu)不意圖 心臟后t 部為左心房 右心 房 一者之間有房間隔分隔 前下部為左心室 右心室 二者以室間隔分割 負(fù)責(zé)供氧 的左心室是心臟中最重要的部分 它的功能正常與否直接影響了心臟能宙正常地供血到 全身的各個器官 目1 1m 駐 解目镕構(gòu)目 蛩 i 一 淅江大學(xué)博士學(xué)位論文 第1 章引言 1 12 基于圖像的左心室分析 心血管疾病 c a r d l o v a s c u l a r d k e a s e c v d 己經(jīng)成為人類健康的頭號殺手 在 西方發(fā)達(dá)國家 c v d 導(dǎo)致的死亡率居所有病例之首 l 世衛(wèi)組織也指出 目前全球每 年有1 7 0 0 萬人死于心臟病和其他心血管疾病 約占全球死亡人數(shù)的三分之一 心血管 癰通常是早期無癥狀 緩慢發(fā)生的 患者常在出現(xiàn)較嚴(yán)重癥狀時才去就醫(yī)甚至于來不及 就醫(yī)突發(fā)死亡 如果c v d 能夠及時得到診斷 那么宿人的存活率將會大大的提高 因 此如何借助醫(yī)學(xué)影像技術(shù) 定量定性的分析心臟的形忐變化和運動情況 進(jìn)而從結(jié)果中 分析與c v d 的關(guān)系 達(dá)到輔助臨床診斷的目的 有著重要的現(xiàn)實意義 正常的心臟 其收縮及舒張皆為協(xié)同運動 心臟在整個心動周期中平滑地作收縮和 舒張運動 并藉由逆時針方向的扭轉(zhuǎn)擠壓將血液推入全身 再由順時針方向放松將血液 送回心臟 維持生命的運作 然而當(dāng)心臟發(fā)生局部冠狀動脈狹窄或堵塞時 阻塞后段的 血管幾乎社 有血流通過 缺血部位心肌因為缺氧無法維持正常功能 過度衰弱而無法有 效的收縮 造成其運動位移太小和扭曲程度都有不同的變化 而作為心臟最重要的部 分 觀察左心室形態(tài)和運動的異常一直被臨床作為評估心臟病變的重要依據(jù) 圖12 目像成像 n i 女 臟 m r 目m 超聲目像 c t 日像 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展 使得對心臟形態(tài)變化 運動情況等的無創(chuàng)性觀察和分析 成為可能 作為心臟疾病診斷的于段 醫(yī)學(xué)成像技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了如下幾 類方法 心血管造型術(shù) a n g l o c a r d l o g r a p h y 心臟超聲 c a r d l a cu l t r a s o u n d 同位 素成像 i s o i o p ei m 8 9 l o 驏 斷層x 射線攝影術(shù) c lc o m p u 忙d1 0 m o g r a p h y 核醫(yī)學(xué) 圖像技術(shù) s p e c lp e t 和心臟核碰共振成像術(shù) m r i m o g n e h cr e s o n a n c ei m a 鼻l 鼻 在這些方法當(dāng)中 相對于心血管造影術(shù)的介入性 心臟超聲圖像的圖像質(zhì)量差 低空間 分辨率等缺陷 心臟m r i i 5 有其獨特的長處 其獨特的成像機(jī)理 使得該方法對生物 體內(nèi) 特別是心臟這樣的軟組織特別有效而且成像質(zhì)量受h 標(biāo)運動的影響也較小 因 此 本文所有的算法都是在心臟m r 圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行 上世紀(jì)8 0 年代后期帶標(biāo)記線的 核磁共振圖像 m r it a g g j g t7 啪相位對比速度成像 m r ip h a 5 ec o n c r a s t 等m r 圖像 新技術(shù)的小現(xiàn)電使得對心臟m r 圖像的研究成為了醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的熱點之 圖12 展 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 第1 章引言 示了心臟的各種不同成像形態(tài) 基于m r 圖像序列的左心室分析的目的主要就是為了通過左心室在一個心動周期中 的若干個圖像采樣的分析來得到整個左心室的真實的運動和形變 目前對左心室圖像的 分析主要包括如下內(nèi)容 左心室圖像分割 多數(shù)心臟疾病都會導(dǎo)致左心室形狀特征的改變 如肥厚型心 肌病以心肌肥厚為特征 心肌梗死的癥狀表現(xiàn)為左心室局部室壁變薄 冠心病則 會伴隨心臟室壁收縮增厚率異常及射血分?jǐn)?shù)降低等等 左心室圖像的分割的目的 就是把左心室從復(fù)雜的背景中分割出來 從而利用可視化技術(shù)進(jìn)行表示 醫(yī)生可 以通過簡單統(tǒng)計軟件讀取到心室容積量 也可以從不同的角度靜態(tài)或者動態(tài)觀察 心室的形狀 位置 各種病理將清晰的展現(xiàn)出來 為診療及手術(shù)提供可靠的客觀 保證 傳統(tǒng)的二維心臟圖像分割方法有很大的局限性 因為醫(yī)生只能憑借經(jīng)驗由 多幅二維圖像估計病灶大小及形狀 無法直觀地獲取病灶與周圍組織的三維幾何 關(guān)系 給治療帶來了困難 但是現(xiàn)有的三維心臟m r 圖像分割算法并不成熟 多 數(shù)基于手動邊界標(biāo)定 需要醫(yī)生主觀判斷 增加了醫(yī)生負(fù)擔(dān) 而且雖然從二維到 三維的心臟m r 圖像分割算法的研究已有多年 但是復(fù)雜的成像原理決定了分割 結(jié)果在穩(wěn)定性 魯棒性及效率上難以達(dá)到臨床要求 不適合推廣 所以基于空間 m r 圖像序列的三維左心室分割是目前研究的重點 左心室的運動分析 心臟疾病尤其是心血管疾病經(jīng)常會導(dǎo)致左心室運動的異常 例如心肌梗死是一種較為常見的心臟疾病 表現(xiàn)為由于心肌的缺血壞死 導(dǎo)致左 心室的運動功能不全 局部心肌血液灌注受到阻礙 會出現(xiàn)四種異常形式的心肌 收縮運動 1 非同步收縮運動 即缺血或壞死心肌與其附近的正常心肌收縮的 時間不一致 2 運動機(jī)能減退 即心肌纖維縮短程度降低 3 不能運動 即心 肌纖維縮短停滯 4 反常運動 即壞死心肌完全喪失收縮功能 于心肌收縮相 呈收縮期外突狀態(tài) 故又稱矛盾性膨脹運動 左心室運動分析的目的就在于通過 提取心臟m r 圖像序列中左心室的形狀信息與標(biāo)記線運動信息 重建左心室在整 個心動周期中的三維運動場 跟蹤心肌質(zhì)點級的運動軌跡 給出心肌應(yīng)力應(yīng)變等 參數(shù) 從而對心肌受損的全局和局部程度進(jìn)行定量的分析 是目前心臟m r 圖像 分析領(lǐng)域的研究熱點 1 2 本文的貢獻(xiàn) 如前所述 基于圖像的左心室分析包含兩個方面 左心室圖像分割以及左心室的運 動分析 目前大多數(shù)研究工作都獨立處理這兩個問題 然而這樣處理存在著以下的缺 陷 3 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第1 章引言 1 對圖像序列進(jìn)行左心室靜態(tài)分割存在很大的局限性 一個心臟周期大約歷時1 s 心臟從舒張末期 e n dd i a s t o l e e d 開始收縮到達(dá)收縮末期 e n ds y s t o l e e s 然后 再回到舒張末期 在這個過程中 凇系統(tǒng)大概能夠掃描1 6 2 0 幀圖像 因為相鄰 幀的成像間隔很短 大約5 0i n s 成像通常包含噪聲及偽影 傳統(tǒng)的分割方法難以 得到令人滿意的結(jié)果 2 左心室運動分析多數(shù)在圖像分割的結(jié)果上進(jìn)行 所以準(zhǔn)確的運動分析取決于合理 的圖像分割 而心臟的圖像分割 如前所述至今仍然是一個難題 沒有通用的算 法 并且心臟是一個運動物體 將左心室分割和運動的分析作為兩個獨立的問題 處理過程也將導(dǎo)致過程誤差 為解決上述問題 我們提出基于m r 圖像序列的左心室分割與運動聯(lián)合估計的方 法 該方法對左心室分割過程和運動估計過程進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化 可以同時取得合理的分 割及運動結(jié)果 本文主要貢獻(xiàn)如下 1 本文提出了三維左心室分割與運動聯(lián)合估計框架 考慮到心臟本身的物理特性 本文以連續(xù)生物力學(xué)模型作為聯(lián)合估計框架的理論基礎(chǔ) 假設(shè)左心室為線性彈性 體 在能量最小化原理的驅(qū)動下運動 并停止在內(nèi)外能平衡的位置 進(jìn)一步地考 慮到心臟本身的纖維復(fù)合材料特性 在連續(xù)生物力學(xué)模型中加入各向異性的材料 約束 更加真實地模擬了心臟的實際運動情況 連續(xù)生物力學(xué)模型可以提供如位 移 應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)參數(shù) 為左心室整體功能及心肌局部功能的臨床診斷提供了 更為豐富的評價參數(shù) 2 鑒于心臟成像質(zhì)量較差 僅僅采用基于圖像的傳統(tǒng)分割算法難以得到令人滿意的 分割結(jié)果 于是本文構(gòu)造驅(qū)動模型運動的外力為圖像信息力 形狀特征力 節(jié)點 分布先驗力與時間約束力的合力 即通過添加相鄰幀圖像之間的相關(guān)性 運動物 體的形狀連續(xù)性及各種先驗知識來輔助分割過程 這樣不僅可以得到合理的分割 結(jié)果 還可以獲得連續(xù)的左心室運動場 3 提出一種基于三維圖像序列構(gòu)造左心室?guī)缀文Ｐ偷姆椒?在心臟舒張末期圖像的 基礎(chǔ)上 構(gòu)建左心室?guī)缀文Ｐ妥鳛槁?lián)合估計方法的初始輪廓 針對左心室外壁輪 廓相對固定但成像模糊的特點 采用同時分割的方法在每層圖像中提取左心室的 二維內(nèi)外壁輪廓 該方法需要的人機(jī)交互操作少 提高了分割效率 進(jìn)一步針對 心臟m r 三維成像層間分辨率低于層內(nèi)分辨率的特點 為滿足用戶對左心室?guī)缀?表示的不同精細(xì)度需求 提出采用基于形狀的輪廓插值方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖像插值 方法 有效地保持了左心室的形狀特征 4 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第1 章引吉 4 分別使用有限元方法和無網(wǎng)格方法實現(xiàn)聯(lián)合估計框架 有限元法將左心室區(qū)域劃 分為一組有限單元 而無網(wǎng)格法則用散亂的采樣點表示問題區(qū)域 節(jié)點之間沒有 拓?fù)溥B接關(guān)系 通過節(jié)點鄰域內(nèi)的點集來近似未知場函數(shù)值 無阿格法可以更加 精確地恢復(fù)左心室的纖維方向場 而且由于無網(wǎng)格方法沒有單元之間的柬縛 強(qiáng) 調(diào)整體求解的誤差最小 因此具有比有限元方法更高的分割精度 且不會因橫型 變形過大而需要單元的重新劃分 實驗證明 無網(wǎng)格法比有限元方法更加適合聯(lián) 合估計框架 西犖一望一蒿藻毒 圖13i 4 主9 日運自聯(lián) 估計框集i 意目 1 3 本文的組織結(jié)構(gòu) 本文提出了一個基于m r 圖像序列的三維左心室分割與運動聯(lián)合估計框架 并從力 學(xué)方程構(gòu)造 材料模型 外力構(gòu)造及數(shù)值求解方法多個方面對該框架進(jìn)行了完善 圖 13 是基于m r 圖像序列的三維左心室分割與運動聯(lián)合估計框架的結(jié)構(gòu)示意圈 文章組 織結(jié)構(gòu)具體安排如下 第2 章總結(jié)了基于圖像的左心室分析的研究背景和相關(guān)工作 對現(xiàn)有的基于圖像的 左心室分割技術(shù) 左心室的運動分析技術(shù)進(jìn)行了介紹 并給出在同一個過程中恢復(fù)左心 室三維輪廓與運動軌跡的必要性t 受重要性 第3 章重點介紹一種基于三維圖像序列構(gòu)造左心室?guī)缀文Ｐ偷姆椒?該章從二維心 室內(nèi)外壁輪廓線的提取 三維表面的構(gòu)建 表面的光顱及體模型的梅建四個方面 詳細(xì) 的介紹如何在心臟舒張束期圖像的基礎(chǔ)上 構(gòu)建左心室?guī)缀文Ｐ妥鳛槁?lián)臺估計方法的初 始輪廓 5 塑 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第1 章引言 第4 章采用有限元方法實現(xiàn)分割與運動聯(lián)合估計 本章首先介紹了聯(lián)合估計的統(tǒng)一 模型 連續(xù)生物力學(xué)模型 并給出左心室的運動方程 接著重點介紹了有限元方法及其 在聯(lián)合估計中的應(yīng)用 最后為了滿足分割與運動同時進(jìn)行的需要 提出了一種外力的構(gòu) 造 文中對該外力的各個分量進(jìn)行了詳細(xì)的介紹 動物及人體心臟的數(shù)據(jù)都驗證了聯(lián)合 估計框架的可行性 第5 章采用無網(wǎng)格方法求解基于圖像的左心室輪廓與運動聯(lián)合估計問題 考慮到左 心室本身的纖維材料特性 提出在左心室連續(xù)生物力學(xué)模型中添加纖維材料約束 然后 從形函數(shù)的構(gòu)造 影響域的選取 權(quán)函數(shù)的構(gòu)造等方面介紹了無網(wǎng)格法中常用的無網(wǎng)格 伽遼金法 e l e m e n tf r e eg a l e r k mm e m o d e f g m 并分析了其在左心室分割與運動聯(lián) 合估計框架中的優(yōu)越性 第6 章對本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié) 并且給出未來研究工作的設(shè)想 6 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第2 章研究背景和相關(guān)工作 第2 章研究背景和相關(guān)工作 本章將重點總結(jié)現(xiàn)有的基于圖像序列的左心室分割方法及運動分析方法 并在此基 礎(chǔ)上討論同時恢復(fù)左心室輪廓序列和運動軌跡的重要性和必要性 2 1 心臟圖像分割 2 1 1 醫(yī)學(xué)圖像分割 在對圖像的研究中 人們往往只對圖像中某些部分感興趣 這些部分被稱之為目標(biāo) 或前景 相應(yīng)的非目標(biāo)區(qū)稱為背景 目標(biāo)通常對應(yīng)于圖像中特定的并且具有獨特性質(zhì)的 區(qū)域 對于醫(yī)學(xué)圖像而言 醫(yī)生一般只對某個器官或組織病變區(qū)域感興趣 而對其它部 分關(guān)注相對較少 為了識別和分析圖像中的目標(biāo) 需要將它們從原圖中分離出來 在此 基礎(chǔ)上才能對目標(biāo)做進(jìn)一步的研究和利用 所謂醫(yī)學(xué)圖像分割就是把醫(yī)學(xué)圖像分成各具 特性的區(qū)域并提取出感興趣的目標(biāo)區(qū)域的過程和技術(shù) 研究工作者一直高度重視圖像分割的研究 至今己經(jīng)提出了上千種的分割算法1 8 l 然而作為計算機(jī)圖像處理與分析中的一個經(jīng)典問題 圖像分割問題尚未得到圓滿解決 迄今為止 人們提出的分割算法都僅針對某一類型圖像或某一具體應(yīng)用 還沒有通用有 效的算法 這種情況在醫(yī)學(xué)圖像分割中尤為突出 醫(yī)學(xué)圖像是反映人體生物組織的復(fù)雜圖像 然而成像設(shè)備的場偏移效應(yīng) 局部體效 應(yīng) 同一體素中包含多種組織 患者檢查時的體位運動等因素 使得圖像中經(jīng)常出現(xiàn)噪 聲 偽影 邊緣模糊和信號強(qiáng)度不均勻等現(xiàn)象 圖像質(zhì)量難以保證 傳統(tǒng)的圖像分割算 法難于得到合理的結(jié)果 此外 人體組織的解剖結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 個體差異較大 也給魯 棒和精確的醫(yī)學(xué)圖像分割帶來了困難 因此現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)圖像分割算法大部分結(jié)合分割目 標(biāo)的知識和經(jīng)驗來輔助圖像的分割過程 2 1 2 心臟圖像分割方法 心臟圖像的分割是心功能參數(shù)提取 計算機(jī)輔助診斷 器官解剖結(jié)構(gòu)構(gòu)建及手術(shù)模 擬的基礎(chǔ) 在血液顯示為高亮度的心臟核磁共振圖像中 左心室圖像的亮度會隨血流的 速度變化1 9 1 特別是當(dāng)血液流入心室的時候會在圖像中室壁對應(yīng)區(qū)域形成高亮 造成室 壁跟血池亮度對比降低 由于右心室同動脈也會同時出現(xiàn)在圖像中 這更增加了左心 室分割的難度 同樣 對于那些低信噪比的圖像形態(tài) 如超聲圖像等 也會因為圖像亮 度的變化造成邊界的模糊 心臟圖像分割的方法按照操作方式分類可以分為手動分割的方法 半自動分割方法 7 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第2 章研究背景和相關(guān)工作 及全自動分割方法 手動分割一般都由醫(yī)生來完成 由于醫(yī)生可以根據(jù)自己對于心臟的 解剖結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗知識進(jìn)行分割 所以這種分割的結(jié)果普遍被認(rèn)為是分割的 金標(biāo)準(zhǔn) 然而手工分割方法耗時耗力 對操作者要求也比較高 所以不適宜推廣 鑒于心臟結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜性 和成像技術(shù)的局限性 其圖像的全自動的分割也是很困難的 所以近年來 由用戶參與控制和引導(dǎo)的半自動的交互式分割方法得到了廣泛的應(yīng)用 心臟圖像分割方法還可以按照圖像特征分類 分為基于圖像梯度的分割方法和基于 圖像灰度信息的區(qū)域分割方法 1 1 基于圖像梯度的方法主要是可形變模型的方法 包括 顯式的方法 如基于參數(shù)活動輪廓模型的方法1 1 乙1 3 l 隱式的方法 如基于凡何活動輪廓 模型的方法i 怍1 7 j 較早的時候 人們也曾先采用亮度閾值分類 然后進(jìn)行局部最大梯度 搜索的方法來進(jìn)行分割 1 8 1 9 1 區(qū)域分割的方法通常采用體素聚類法 通過在某個亮度 區(qū)域內(nèi)尋找極值體素點來達(dá)到分割的目的 代表性的有混合模型 m i x h l r em o d e l 的方 法1 2 0 l 和基于區(qū)域的統(tǒng)計方法1 2 1 l 基于梯度的方法和基于區(qū)域的方法針對不同的圖像形態(tài)各有利弊 對結(jié)構(gòu)體邊界內(nèi) 部的亮度與外部差距比較大的圖像 特別是邊界處的不連續(xù)性很弱或者不統(tǒng)一的圖像 適合采用區(qū)域分割的方法 而對于對比度不高 區(qū)域性不明顯的圖像 區(qū)域分割反而不 如邊界分割的方法有優(yōu)勢 文獻(xiàn) 2 2 提出采用兩者結(jié)合的方法對心臟結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割 文 獻(xiàn) 1 4 則分別采用區(qū)域分割和邊界分割兩種方法來分割左心室的內(nèi)外壁 下面重點對梯度分割中最常用參數(shù)活動輪廓模型 幾何活動輪廓模型及常用的區(qū)域 分割方法進(jìn)行介紹 2 1 2 1 參數(shù)活動輪廓模型 八十年代末 k a s s 等提出了參數(shù)活動輪廓模型 2 4 l 簡稱s n a k e s 模型 s n a k e s 模型 用動力學(xué)方法研究曲線的演化過程 打破了單純依靠圖像自底向上分析的方法 將目標(biāo) 形狀的初始估計 曲線的幾何性質(zhì) 來自圖像的知識和相關(guān)的先驗知識融為一體 該模 型在感興趣區(qū)域 r e g i o no fh t e r e s t 壬的i 的圖像邊緣附近給出一條帶有能量的樣條曲 線 通過使其能量最小化得到感興趣區(qū)域的邊界 這是一個求極小值曲線的泛函問題 傳統(tǒng)s n a k e s 模型可以描述為一條參數(shù)化曲線 設(shè)t s z s 剪 s 為輪廓曲 線 s 為弧長參數(shù) 則s n a k e s 的總能量可以表示為 11 e 口 去 口 s f t s 1 2 s 礦 s f 2 e z u s d s 公式 2 1 i 毽二 其中一階和二階導(dǎo)數(shù)項為內(nèi)部能量項 由曲線的彎曲和伸張所決定 是曲線的光滑性約 束 外部能量項e 由圖像數(shù)據(jù)構(gòu)造 是由圖像決定的外部能量 通過設(shè)計合理的能量 項 使參數(shù)曲線位于目標(biāo)輪廓附近時 取極小值 通過能量屜小化的過程可以實現(xiàn)對物 體的邊緣檢測 8 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第2 章研究背景和相關(guān)工作 爹爹 幕 若 h 腳 固2 1 v f 割i 毒目 a 特 割4 目像 c b 目像梯度目 0 目像對 g v f d 輪廓 蠅 在s n a k e 模 t 淆m 路 2 3 盡管s n a k e 模型在醫(yī)學(xué)圖像的分割中得到了廣泛應(yīng)用 但其本身仍存在很多缺 點 1 分割結(jié)果對初始輪廓先位置和形狀依鞍度高 2 捕捉范圍小 曲線很難進(jìn)入深度凹 陷的區(qū)域 3 曲線不能自適應(yīng)的改變拓?fù)?針對這些缺點 人們提出了很多解決方法 在求解方法方面 a i n 提出了基于動態(tài)規(guī)劃的s n a k e s 算法來求解全局最優(yōu)曲線 為 了加快s n a k 雌模型求解最優(yōu)曲線的速度 w 山i a m s 提出了基于貪婪算法的快速s n a k e s 模型 在具體的外力計算形式上 為了增加捕獲區(qū)域 c o h e n 提出了氣球模型f b a l l o n m o d d i 川 c h e n 聊n z x u 提出利用梯度矢量流 c r a d l e n tv e c 缸f l o w g v f 代替梯度 場 擴(kuò)大了捕獲范圍 較好地解決了凹陷區(qū)域的分魯0 問題 人們還利用統(tǒng)計學(xué)的方 法 輯圳構(gòu)造全局能量項解決收斂于局部極值的情況 圈21 是采用s n a k e s 模型 外力采 用c v f 構(gòu)造 對心臟的圉像分割的演化過程示意圖 2 122 幾何活動輪廓模型 c a s e l l e s 等在s n a k e s 模型的基礎(chǔ)上 提出了測地線活動輪廓模型舊 該模型被認(rèn) 為是s n a k e s 模型的幾何表示 其能量函數(shù)為 e c 扣 1 9 v c 如 7 p l d p 公式 22 0 其中 0 糾為所要求的曲線 p 為歸一化的弧長 g4 扣 為曲線相對于p 的導(dǎo)數(shù) g 是一單調(diào)下降函數(shù) 表示灰度圖像 對泛函取駐值 得到c p 應(yīng)滿足如下的e u k p 譽(yù) 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第2 章研究背景和相關(guān)工作 圖2 2l e v e l s e t 方法中的曲線運動示意圖 a b 中顯示了 o 時刻的曲線 y 和高維曲面砂 可 c d 表 示了在時刻 的曲線和曲面 l a g 砌g e 方程 等 g f c 丙一 v g 丙 裔 公式 2 3 其中 仡為曲線的曲率 為單位內(nèi)法矢量 g j 為與梯度相關(guān)的邊界停止項 1 g j 2 再而 公式 2 4 其中v g 牛j 為高斯平滑后的圖像 幾何活動輪廓模型以水平集 l e v e ls e t 方法為基礎(chǔ) 水平集方法是h a n