[发明专利]三维大脑磁共振图像大脑皮层表面最大主方向场弥散方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维大脑磁共振图像大脑皮层表面最大主方向场弥散方法，利用alpha-expansion图割(graph cuts)方法的三维大脑磁共振图像的大脑皮层表面上最大主方向场弥散方法，属于医学图像处理领域。

背景技术

从三维大脑磁共振图像重构出来的大脑皮层表面是嵌入在三维空间的、极其卷曲和褶皱的二维流型。基于大脑皮层表面的分析非常适合于刻画和分析大脑皮层的本质结构，例如曲率、测地距离、皮层厚度等。大脑皮层表面上的方向场包含重要的信息，例如，最大主方向场和最小主方向场分别指示主曲率达到最大和最小的方向。但是，可靠计算大脑皮层表面上的主方向场并不容易，例如，在平坦的皮层表面区域所计算的主方向场通常噪声较大和不可靠，因为在平坦区域曲率在各个方向上的变化不大，微小的噪声就可能严重影响所计算的主方向场。因此，为了利用主方向场对大脑皮层表面进行分析，必须实施主方向场弥散，其目的是平滑主方向场中的噪声，同时保持主方向场中主要的几何结构和不连续性。弥散后的主方向场可以用于基于流场跟踪的脑沟或脑回盆地分割和方向导向的皮层褶皱形态分析等。

目前已有的大脑皮层表面上的最大主方向场弥散方法将该问题看做一个能量最小化问题，该能量函数包含一个数据项和一个平滑项。数据项用于使弥散后的最大主方向场与原始计算的最大主方向场尽可能相似，平滑项用于使弥散后的最大主方向场平滑地变化。该能量函数通过变分方法或梯度下降方式求解。已有的大脑皮层表面上的最大主方向场弥散方法具有以下的主要缺陷：其一、不同皮层表面区域的权重设为相同，导致弥散的最大主方向场在脑沟底部和脑回顶部过于平滑。其二、目前的能量最小化方法容易陷入到低劣的局部最优。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有方法的不足之处，本发明提出一种三维大脑磁共振图像大脑皮层表面最大主方向场弥散方法，适用于人类三维大脑磁共振图像重构出的、由三角形表示的大脑皮层表面上最大主方向场弥散。

技术方案

本发明的基本思想是：将大脑皮层表面上的最大主方向场弥散问题公式化为一个能量最小化问题，进而转化为一个离散标记问题，即给大脑皮层表面上的每一个顶点赋予一个标记来表示弥散的最大主方向，该离散标记问题可以利用alpha-expansion图割方法有效的求解，因为图割方法可以保证得到某些类型的能量函数的强局部最优。

一种三维大脑磁共振图像的大脑皮层表面上最大主方向场弥散方法，其特征在于步骤如下：

步骤1对三维大脑磁共振图像进行预处理和大脑皮层表面重建：利用变形模型方法去除脑壳，利用配准方法去除非大脑组织，利用高斯混合模型和马尔科夫随机场方法对图像进行组织分割，得到白质、灰质和脑脊髓液三种组织类型表示的图像，利用基于图的方法对白质图像进行拓扑校正，利用Marching Cubes方法重建由三角形表示的大脑皮层表面；

步骤2计算大脑皮层表面上顶点的主曲率、主方向以及主曲率的导数：利用有限差分方法计算大脑皮层表面上顶点的主曲率、主方向以及主曲率的导数，当每个顶点的最大主曲率在最大主方向的导数为正值时，将该顶点的最大主方向改为相反方向；

步骤3对最大主方向场进行弥散：利用alpha-expansion图割方法最小化能量函数