[发明专利]一种基于用户交互和形状先验知识的三维医学图像分割方法

摘要

本发明公开了一种基于用户交互和形状先验知识的三维医学图像分割方法。在图像找出待处理区域的边缘控制点，计算控制点处的外法向量，然后利用Hermit插值方法求解出插值系数，得到插值函数；将对应待处理区域的形变模型曲面初始化到图像中，并将模型曲面中心和待处理区域中心重合，再将形变模型曲面上的离散顶点作为被插值点，利用插值点和插值系数求解出插值点的水平集函数值；再利用插值点坐标、插值系数求解出每个插值点处的水平集梯度向量；对形变模型曲面插值点的水平集和法向量迭代移动曲面，使得形变模型曲面边缘逐步接近于水平集函数为零的待处理区域边缘，生成三维图像。

主权项

1.一种基于用户交互和形状先验知识的三维医学图像分割方法，其特征在于，步骤如下：第一步，在交互式操作情况下，对CT二维医学图像待处理区域采集边缘控制点，同时计算所有边缘控制点的法向量，求解插值系数α₁....α_j....α_N,b∈R，β¹....β^j....β^N,a∈R³，得到插值函数：求解方程如下：式中，X是三维空间中任意坐标，X^j是待处理区域边缘控制点j的三维空间坐标，n^j是待处理区域边缘控制点的法向量，α₁....α_j....α_N,b∈R，β¹....β^j....β^N,a∈R³；第二步，对待处理区域的形变模型曲面进行坐标变换和中心移位，使形变模型曲面中心与待处理区域的中心重合；形变模型曲面为已有的计算机图形学曲面，由多个三维空间中离散的点相互连接构成模型表面，包含模型在发生解剖结构变形时各点位移方向和幅度作为形状先验知识；对形变模型曲面进行坐标变换和中心移位变换方程如下：式中X_c＝(x_c，y_c，z_c)是形变模型曲面进行坐标变换后的坐标点，无论形变模型曲面如何变化，将形变模型曲面上的点都称为插值点，X_a＝(x_a，y_a，z_a)是形变模型曲面进行坐标变换前的坐标点，是形变模型曲面进行坐标变换前的中心坐标点，是待处理区域的中心坐标点；分别是形变模型曲面进行坐标变换前的x、y、z方向上的长度；分别是待处理区域x、y、z方向上的长度；第三步，将第二步中获取形变模型曲面插值点坐标X_c＝(x_c，y_c，z_c)，代入插值函数求解出插值点的插值函数值，在求解插值函数值的过程中同时使用多线程方式进行并行加速处理；第四步，根据第二步中获取的插值点X_c＝(x_c，y_c，z_c)和第一步中的公式(2)，求解出插值点的梯度；在求解梯度的过程中同时使用多线程方式进行并行加速处理；第五步，由第一步中的公式(1)可知，待处理区域边缘控制点X^j的插值函数值f(X^j)＝0，因此第三步得到的插值点的插值函数值的正负决定着形变模型曲面是从待处理区域外面靠近还是从待处理区域里面靠近边缘控制点，第四步得到的插值点的梯度决定着形变模型曲面每次移动的速度和具体方位；第六步，在第三、四、五步的基础上，使用如下变形方程(8)来对形变模型曲面进行不断地移动和变形，在使用形变模型曲面进行移动变形时，第一次变形时依据勾画的待处理区域大小来调整形变模型曲面大小；重复第三、四、五步对形变模型曲面插值点的插值函数值和梯度进行不断地迭代移动曲面，使得形变模型曲面边缘接近插值函数为零的待处理区域边缘，停止迭代，最终将待处理区域生成三维图像；变形方程如下：式中，X₁为迭代前形变模型曲面插值点坐标，G为模型表面各点的插值函数梯度向量场，X₂为器官形变模型曲面对X₁+G拟合得到的曲面形状点坐标，X为变形后形变模型曲面自身坐标，为权重系数，取0.8；第七步，如果第六步中得到的形变模型曲面插值点坐标X与图像中被分割图像中的边缘吻合有误差，则在有误差的边缘处进行进一步的人工交互式修正，即添加更多的边缘控制点，然后重新运行第一步至第六步，直至用户对边缘吻合的准确度满意为止。