[发明专利]基于对称性匹配滤波器组和区域生长的三维血管分割方法

说明书

本发明公开了一种基于对称性匹配滤波器组和区域生长的三维血管分割方法，首先设计一个满足三维血管的形状特征和灰度分布特点的管状结构的基本匹配滤波器模板，并用两个正交平面将基本匹配滤波器等分为四个象限；然后设计方向和尺度均可变化的匹配滤波器组，与待增强的医学图像进行空间卷积，确定以得到最大卷积响应值为融合规则，实现多尺度多方向的对称性匹配滤波器组的血管增强，得到增强图像，最后对增强图像使用区域生长提取三维血管。本发明公开的方法能够有效的对血管可视化效果进行增强，尤其是细小的分支末梢血管和靠近病变肿瘤的供血动脉有较好的增强作用，同时对于边缘皮质等杂质的抑制明显，使得血管和背景的对比度显著提升，为最终血管的提取打下坚实基础。

技术领域

本发明涉及医学图像处理领域的CTA图像的三维血管增强及分割技术，具体涉及一种基于对称性匹配滤波器组和区域生长的医学图像三维血管分割方法。

背景技术

血管疾病已经成为最重要的公共卫生问题之一，面对特定大小和复杂的血管造影图像，从中分割出血管是走向精确可视化、诊断和血管病变定量分析的关键一步。人体不同部位的血管可以提供人体相关组织的大量信息，其形态(主要包括血管的直径、血管的分叉角度、血管的弯曲度)、分布都是诊断相关血管疾病的重要指标。人类血管的准确可视化和精确量化对诊断和治疗血管疾病有着重要的意义，成为许多临床实践的重要前提。而血管的狭窄程度是血管疾病严重程度的重要指标，由于其决定着后续的具体治疗方案。不论是介入手术还是搭桥手术都需要一个性能优异的术中导航系统，其能帮助外科医生对三维血管结构有更好地观察。以上临床需求，对三维血管分割技术的完整性、准确度提出了很大的挑战，目前，多种血管成像技术已被应用于临床实践中，如数字减影血管造影(DSA)、CT血管造影(CTA)、核磁共振血管造影(MRA)等，但是CTA/MRA数据较为普遍，所以基于该两类数据，发明了本方法，并在该两类数据上进行实践应用。

由于CTA/MRA图像中三维血管的主干部分具有较高的灰度值，因此能够利用阈值分割法提取血管的主干部分，然而对于直径较小的细小血管分支末梢以及穿过皮质、病变肿瘤的血管，由于和背景的灰度值相近，使用一般的成像工具很难利用肉眼观察到，并且直接使用全局固定阈值的区域生长算法分割血管容易出现误分割和过分割的情况，影响分割效果。因此本发明提出了一种先增强后分割的方法，首先使用三维匹配滤波器组对原始图像进行增强显示，考虑到CTA/MRA图像边缘的高亮皮质区域也会产生较的响应值，为了抑制这种情况，本文利用了三维血管基于中心线的对称性信息，设计了基于对称性的改进匹配滤波器组与原图进行空间卷积，当滤波器的方向和尺度均最匹配时，输出卷积响应值作为增强结果。然后对血管增强，背景抑制的结果图使用全局阈值区域生长算法提取血管，并融合到原图得到最后的分割结果。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，有效对三维血管尤其是细小分支末梢进行增强显示和分割，本发明提供了基于对称性匹配滤波器组的三维血管增强方法，并结合区域生长算法分割得到完整的血管。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于对称性匹配滤波器组和区域生长的三维血管分割方法，包括如下步骤：

步骤1：设计由三维高斯函数和复正弦函数实部乘积组成的符合血管管状结构的基本匹配滤波器模板；

步骤2：构建正交平面将基本匹配滤波器模板等分成四个象限的匹配滤波器模板之和；

步骤3：构造多尺度、多方向的对称性的匹配滤波器组，与待增强的图像进行空间卷积，对于尺度大于设定阈值的匹配滤波器，使用基本匹配滤波器减去四象限卷积两两做减法的绝对值，对于尺度不大于设定阈值的匹配滤波器，使用基本匹配滤波器减去对称象限的卷积响应的绝对值，同一尺度下的多个方向取最大值作为增强图像的卷积响应值，最后融合对称性匹配滤波器组的增强卷积响应，各个体素点选取与其尺度最相符的滤波器的空间卷积结果作为其增强结果值，得到增强图像；