專(zhuān)利名稱(chēng)：脊柱椎體和椎間盤(pán)分割方法、裝置、磁共振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁共振成像設(shè)備，尤其涉及采用磁共振圖像進(jìn)行脊柱椎體和椎間盤(pán)分割的方法、裝置。
背景技術(shù)：
MRI (Magnetic resonance imaging,磁共振成像)檢查由于其無(wú)損傷、任意斷面和多參數(shù)成像等特點(diǎn)而日益普及，尤其在中樞神經(jīng)和脊柱臨床應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更為突出。典型的MRI脊柱椎間盤(pán)掃描過(guò)程描述為由醫(yī)師或技師在矢狀面定位像上將每一組掃描線放置在有病變的椎間盤(pán)上，為保證線組穿過(guò)椎間盤(pán)中心，需要反復(fù)調(diào)整線組的位置和角度，線組放置和調(diào)整過(guò)程繁復(fù)而費(fèi)時(shí)。因此如果能實(shí)現(xiàn)MRI脊柱椎間盤(pán)自動(dòng)提取，就可以實(shí)現(xiàn)椎間盤(pán)的智能掃描定位，椎間盤(pán)自動(dòng)提取可采用圖像處理方法，在矢狀面圖像中自動(dòng)分割或者識(shí)別出椎體或者椎間盤(pán)。如果采用傳統(tǒng)的圖像分割方法對(duì)椎間盤(pán)進(jìn)行分割，就必須利用椎間 盤(pán)與椎體灰度的差異性，如Tl權(quán)重圖像上椎體呈現(xiàn)白色，椎間盤(pán)呈現(xiàn)黑色，但這種特征并不絕對(duì)，由于不同權(quán)重的影響，椎體和椎間盤(pán)的灰度差異往往不明顯，在T2權(quán)重或STIR權(quán)重圖像上甚至出現(xiàn)反色的椎間盤(pán)，以至傳統(tǒng)方法難以充分應(yīng)用。當(dāng)然，椎體的提取有利用可變形模型匹配的方法，這種方法的問(wèn)題在于脊柱圖像中可見(jiàn)椎體數(shù)量并不一定相同，如果可見(jiàn)的椎體過(guò)多或者過(guò)少，都會(huì)導(dǎo)致匹配失效。還有的分割方法需要醫(yī)生或者技師進(jìn)行一定的交互操作，如選擇特征點(diǎn)等，也影響了效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的主要技術(shù)問(wèn)題是，提供一種脊柱椎體提取方法和椎間盤(pán)分割方法及其裝置。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種脊柱椎體提取方法，包括利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線；根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面；根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)；基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種脊柱椎體提取裝置，包括脊髓線定位單元，用于利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線；軸線截面確定單元，用于根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面；種子點(diǎn)定位單元，用于根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)；椎體區(qū)域提取單元，用于基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種脊柱椎間盤(pán)分割方法，包括利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線；根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面；根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)；基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域；
在提取的椎體區(qū)域上定位該椎體區(qū)域的頂點(diǎn)；利用相鄰兩個(gè)椎體區(qū)域的頂點(diǎn)分別計(jì)算椎間盤(pán)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)；根據(jù)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)確定椎間盤(pán)中心線。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種脊柱椎間盤(pán)分割裝置，包括脊髓線定位單元，用于利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線；軸線截面確定單元，用于根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面；種子點(diǎn)定位單元，用于根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)；椎體區(qū)域提取單元，用于基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域；椎體區(qū)域頂點(diǎn)定位單元，用于在提取的椎體區(qū)域上定位該椎體區(qū)域的頂點(diǎn)；椎間盤(pán)中心點(diǎn)定位單元，用于利用相鄰兩個(gè)椎體區(qū)域的頂點(diǎn)分別計(jì)算椎間盤(pán)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)；椎間盤(pán)中心線確定單元，用于根據(jù)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)確定椎間盤(pán)中心線。 本發(fā)明還提供一種包括上述脊柱椎間盤(pán)分割裝置或脊柱椎體提取裝置的磁共振成像系統(tǒng)。


圖I為一種實(shí)施例中磁共振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例中脊柱椎體提取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例中椎體區(qū)域提取單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例中脊柱椎體提取的流程圖；圖5為T(mén)l權(quán)重矢狀面脊柱圖像；圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例中定位脊髓線的流程圖；圖7為經(jīng)求一階導(dǎo)數(shù)后檢測(cè)出的極大值/極小值點(diǎn)集合示意圖；圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例中檢測(cè)出的體表邊界示意圖；圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例中經(jīng)過(guò)求二階導(dǎo)數(shù)后極大值點(diǎn)提取結(jié)果示意圖；圖10為本發(fā)明一種實(shí)施例中篩選后得到的脊髓線示意圖；圖11為本發(fā)明一種實(shí)施例中得到的椎體軸線灰度截面圖；圖12為本發(fā)明一種實(shí)施例中定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)的流程圖；圖13為本發(fā)明一種實(shí)施例中得到的椎體軸線種子點(diǎn)分布示意圖；圖14為本發(fā)明一種實(shí)施例中篩選移動(dòng)后的種子點(diǎn)分布不意圖；圖15為本發(fā)明一種實(shí)施例中提取椎體區(qū)域的流程圖；圖16為本發(fā)明一種實(shí)施例中提取椎體區(qū)域示意圖；圖17為本發(fā)明一種實(shí)施例中脊柱椎間盤(pán)分割的流程圖；圖18為本發(fā)明一種實(shí)施例中提取的椎間盤(pán)中心線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參考圖I，在一種實(shí)施例中，磁共振成像系統(tǒng)100包括磁體系統(tǒng)110、梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)120、射頻系統(tǒng)130和控制及處理系統(tǒng)140。磁體系統(tǒng)110包括磁體111、梯度磁場(chǎng)線圈112、發(fā)射線圈113和接收線圈114，磁體111可以采用永磁體或常導(dǎo)磁體，用于給待測(cè)物體(例如病人)提供一-〖亙定的主磁場(chǎng)，梯度磁場(chǎng)線圈112用于在三維空間產(chǎn)生一梯度磁場(chǎng),發(fā)射線圈113用于提供射頻(RF)脈沖以激發(fā)待測(cè)物體內(nèi)原子核的自旋，接收線圈114用于檢測(cè)由待測(cè)物發(fā)出的回波信號(hào)。梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)120和控制及處理系統(tǒng)140連接，用于在控制及處理系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)梯度磁場(chǎng)線圈112。射頻系統(tǒng)130和控制及處理系統(tǒng)140連接，用于在控制及處理系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生RF脈沖并經(jīng)放大處理后施加給發(fā)射線圈113。控制及處理系統(tǒng)140既用于對(duì)各部分進(jìn)行控制，也用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。將接收線圈114檢測(cè)到的回波信號(hào)傳輸?shù)娇刂萍疤幚硐到y(tǒng)140，控制及處理系統(tǒng)140包括脊柱椎體提取裝置，脊柱椎體提取裝置用于基于得到的磁共振圖像，在磁共振圖像上提取出被測(cè)物的脊柱椎體。在如圖2所示的一種實(shí)施例中，脊柱椎體提取裝置200包括脊髓線定位單元210、軸線截面確定單元220、種子點(diǎn)定位單元230和椎體區(qū)域提取單元240。脊髓線定位單元210用于利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線，軸線截面確定單元220用于根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面，種子點(diǎn)定位單元230用于根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)，椎體區(qū)域提取單元240用于基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。 在一種具體實(shí)例中，脊髓線定位單元210利用椎體內(nèi)灰度近似均勻的特征，采用提取被測(cè)物(例如人體軀干)兩側(cè)體表邊界，根據(jù)兩側(cè)體表邊界界定的距離檢測(cè)出脊髓線。脊髓線定位單元210包括邊界檢測(cè)子單元211和脊髓線檢測(cè)子單元212。邊界檢測(cè)子單元211用于利用被測(cè)者組織和背景的過(guò)渡特性檢測(cè)被測(cè)者磁共振圖像的兩側(cè)體表邊界，脊髓線檢測(cè)子單元212用于根據(jù)體表邊界界定的被測(cè)者組織寬度檢測(cè)脊髓線。在另一種具體實(shí)例中，軸線截面確定單元220利用脊髓線和椎體軸線走向一致且兩者距離很近的特征先得到椎體軸線，根據(jù)椎體軸線得到椎體軸線截面的圖像，然后種子點(diǎn)定位單元230利用椎體與椎間盤(pán)有明顯邊界的特征，根據(jù)椎體軸線截面定位出椎體內(nèi)部種子點(diǎn)。軸線截面確定單元220包括平移子單元221和加權(quán)子單元222，平移子單元221用于將脊髓線按照多個(gè)設(shè)定的平移距離平移后得到多個(gè)椎體軸線，加權(quán)子單元222用于對(duì)多個(gè)椎體軸線的灰度求加權(quán)和，得到椎體軸線截面。種子點(diǎn)定位單元230包括邊界點(diǎn)檢測(cè)子單元231、篩選子單元232和移動(dòng)子單元233。邊界點(diǎn)檢測(cè)子單元，231用于計(jì)算椎體軸線截面的灰度變化梯度，將梯度值大于設(shè)定閾值的點(diǎn)作為椎體與相鄰椎間盤(pán)的候選邊界點(diǎn)。篩選子單元232用于將檢測(cè)出的候選邊界點(diǎn)按照一預(yù)定規(guī)則，例如后文提到的第三預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到椎體與相鄰椎間盤(pán)的邊界點(diǎn)。移動(dòng)子單元233用于將邊界點(diǎn)的坐標(biāo)沿椎體軸線方向按照設(shè)定大小移動(dòng)，得到的新坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為椎體內(nèi)部的種子點(diǎn)。在又一種具體實(shí)例中，椎體區(qū)域提取單元240利用椎體形狀基本固定的特征，結(jié)合椎體的區(qū)域面積和形狀，采用區(qū)域生長(zhǎng)法得到椎體區(qū)域。椎體區(qū)域提取單元240如圖3所示，包括初始子單元241、區(qū)域生長(zhǎng)子單元242、計(jì)算子單元243、判斷子單元244、查找及提取子單元245和生長(zhǎng)閾值變換子單元246。初始子單元241用于設(shè)置初始閾值、生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積，并將初始閾值賦予生長(zhǎng)閾值。區(qū)域生長(zhǎng)子單元242用于基于生長(zhǎng)閾值進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)并將生長(zhǎng)后的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域填充。計(jì)算子單元243用于計(jì)算填充后區(qū)域的面積周長(zhǎng)比，根據(jù)填充后區(qū)域的面積推算出期望的面積周長(zhǎng)比，并計(jì)算面積周長(zhǎng)比和期望的面積周長(zhǎng)比的差異。判斷子單元244用于判斷生長(zhǎng)是否滿足預(yù)定條件。查找及提取子單元245用于在生長(zhǎng)滿足預(yù)定條件時(shí)，控制停止生長(zhǎng)，并在位于生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積之間的填充后區(qū)域面積的差異中查找出最小差異，將所述最小差異所對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)閾值記為最佳生長(zhǎng)閾值，將所述最小差異所對(duì)應(yīng)的填充后區(qū)域提取為椎體區(qū)域。生長(zhǎng)閾值變換子單元246用于在生長(zhǎng)不滿足預(yù)定條件時(shí)按照第四預(yù)定規(guī)則減小生長(zhǎng)閾值，生成新的生長(zhǎng)閾值，然后控制區(qū)域生長(zhǎng)子單元242基于新的生長(zhǎng)閾值進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)。在椎體區(qū)域提取單元240的另一具體實(shí)例中，椎體區(qū)域提取單元240還包括區(qū)域分析子單元247，用于對(duì)提取的椎體區(qū)域進(jìn)行分析，按照第五預(yù)定規(guī)則去除椎體區(qū)域的冗余部分。
基于以上裝置，一種脊柱椎體提取方法如圖4所示，包括以下步驟步驟SI，利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線；步驟S2，根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面；步驟S3，根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)；步驟S4，基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。在一種具體實(shí)例中，利用椎體內(nèi)灰度近似均勻的特征對(duì)脊髓線進(jìn)行定位。脊髓線是脊柱圖像的重要特征，因?yàn)槠浠叶缺容^均勻，而且對(duì)于Tl權(quán)重、T2權(quán)重或STIR權(quán)重圖像來(lái)說(shuō)，脊髓與周?chē)M織的亮度差異基本上是穩(wěn)定的，Tl權(quán)重圖像脊髓比周?chē)M織暗，如圖5所示，T2圖像脊髓比周?chē)M織亮。在圖5中，圖的左側(cè)為被測(cè)者的前面，圖的右側(cè)為被測(cè)者的后面。對(duì)于脊髓線為大致呈現(xiàn)豎直方向的情況，提取脊髓線的過(guò)程為提取被測(cè)物第一側(cè)(例如左側(cè))體表邊界、提取第二側(cè)(例如右側(cè))體表邊界、提取脊髓線。因此本實(shí)施例中，步驟SI如圖6所示，包括以下步驟步驟S11，利用被測(cè)者組織和背景的過(guò)渡特性檢測(cè)被測(cè)者磁共振圖像的兩側(cè)體表邊界。體表邊界的提取利用人體組織與背景組織的灰度過(guò)渡特性。例如圖5所示，左側(cè)體表為由黑到白的過(guò)渡，右側(cè)體表為由白到黑的過(guò)渡。利用一階導(dǎo)數(shù)可檢測(cè)這種過(guò)渡，由于體表邊界大致為垂直走向，可用一階水平導(dǎo)數(shù)極值來(lái)檢測(cè)。在與體表邊界方向垂直的方向(例如水平方向)上求一階導(dǎo)數(shù)，一階導(dǎo)數(shù)可按如下表達(dá)式計(jì)算
r n dl 廠 T SG—*G = I* ——
dxdx其中，I為輸入圖像的灰度數(shù)據(jù)，I表示x方向(水平方向)一階導(dǎo)數(shù)，G為高斯
OT
模板，*為卷積。選擇合適的高斯模版計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)后，分別檢測(cè)出水平方向的一階導(dǎo)數(shù)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)。沿體表邊界方向變換求一階導(dǎo)數(shù)的位置，循環(huán)上述步驟，檢測(cè)出很多極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，一些極大值點(diǎn)連接成線，形成極大值點(diǎn)集合，一些極小值點(diǎn)連接成線，形成極小值點(diǎn)集合。極大值/極小值點(diǎn)圖像如圖7，其中白色點(diǎn)為極大值，灰色點(diǎn)為極小值?？梢钥闯?，圖像中形成了多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合，極大值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第一側(cè)體表邊界，極小值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第二側(cè)體表邊界。因存在過(guò)多的極大值/極小值點(diǎn)集合，因此對(duì)多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合按照第一預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，第一預(yù)定規(guī)則可以是按照線的長(zhǎng)度、線上各點(diǎn)導(dǎo)數(shù)值以及線與圖像邊界的距離來(lái)綜合考慮，篩選后得到第一側(cè)(例如左側(cè))體表邊界和第二側(cè)(例如右側(cè))體表邊界，如圖8所示，經(jīng)第一預(yù)定規(guī)則篩選后只留下一條左側(cè)邊界和一條右側(cè)邊界，得到兩側(cè)體表邊界后執(zhí)行步驟S12。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，第一預(yù)定規(guī)則除了本實(shí)施例中公開(kāi)的規(guī)則外，還可以是其他規(guī)則，只要實(shí)現(xiàn)在眾多邊界中篩選出兩側(cè)邊界即可。步驟S12，根據(jù)兩側(cè)體表邊界界定的被測(cè)者組織寬度(即兩側(cè)體表邊界的距離)檢測(cè)脊髓線。脊髓線在圖像中呈狹長(zhǎng)的窄帶形狀，其灰度與其左右形成鮮明對(duì)比，如Tl權(quán)重圖像脊髓線為突出的黑色，T2權(quán)重或STIR權(quán)重圖像脊髓線為突出的白色。利用這個(gè)特征，可用二階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)脊髓線。二階導(dǎo)數(shù)對(duì)線狀結(jié)構(gòu)敏感，但需要指定合適的濾波尺度，只有當(dāng)濾波尺度與脊髓線寬度相匹配時(shí)才能有效檢測(cè)。因?yàn)橐呀?jīng)提取出體表邊界，可根據(jù)第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界的距離估算濾波尺度，采用估算的濾波尺度對(duì)磁共振圖像求二階導(dǎo)數(shù)；二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下
r n O2Gia) d,I*——=
Sx2M 其中，o為高斯模板標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界的距離估算，體現(xiàn)濾波尺度為兩側(cè)體表邊界的平均距離，M為一比例常數(shù)， 可依實(shí)驗(yàn)確定。通過(guò)求二級(jí)導(dǎo)數(shù)濾波后仍然對(duì)圖像取極值，即檢測(cè)二階導(dǎo)數(shù)圖像的極值，如果為T(mén)l權(quán)重圖像，則取極大值，如果為T(mén)2權(quán)重或STIR權(quán)重圖像，則取極小值，從而得到多個(gè)由極值點(diǎn)連接成線的極值點(diǎn)集合，極值點(diǎn)提取結(jié)果如圖9所示。提取極值點(diǎn)后，仍然需要進(jìn)行邊界篩選。因此對(duì)多個(gè)極值點(diǎn)集合按照第二預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，此時(shí)的第二預(yù)定規(guī)則(即篩選規(guī)則)可按照脊髓線在人體組織中的水平位置、垂直位置、脊髓線的長(zhǎng)度等因素綜合考慮，例如，本實(shí)施例中，根據(jù)從被測(cè)者側(cè)面獲取圖像，如圖5所示，脊髓線的水平位置靠右、垂直位置靠上，然后再綜合考慮脊髓線的長(zhǎng)度等因素，從而篩選后得到脊髓線，如圖10所示。第二預(yù)定規(guī)則除了本實(shí)施例中公開(kāi)的規(guī)則外，還可以是其他規(guī)則，只要實(shí)現(xiàn)在眾多邊界中篩選出脊髓線即可。在一種具體實(shí)例中，定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)方法利用了椎體與椎間盤(pán)之間有明確邊界、并且椎體與椎體之間有一定的距離間隔兩個(gè)特征。種子點(diǎn)定位的過(guò)程為提取椎體軸線截面、計(jì)算椎體邊界點(diǎn)、邊界點(diǎn)篩選、邊界點(diǎn)移動(dòng)。本實(shí)施例中，首先根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面，基本思路是根據(jù)脊髓線確定椎體軸線，然后計(jì)算椎體軸線的灰度，形成表征椎體軸線灰度的向量圖，即椎體軸線截面。因?yàn)樽刁w軸線與脊髓線距離很近，且兩者走向一致，因此把前面得到的脊髓線通過(guò)簡(jiǎn)單的平移即可得到椎體軸線，平移距離可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定或根據(jù)兩側(cè)體表邊界限定的寬度范圍確定。這里所說(shuō)的椎體軸線并不限定是從椎體正中心穿過(guò)的線，只要能夠縱向穿過(guò)所有的椎體即可，因此允許有一定的定位誤差?？梢酝ㄟ^(guò)平移得到一條椎體軸線，也可以通過(guò)多次平移得到多條椎體軸線。引入多個(gè)平移的目的是為了抑制噪聲的影響，因?yàn)橹蝗∫粋€(gè)平移容易錯(cuò)過(guò)椎體。本實(shí)施例中，以通過(guò)多個(gè)設(shè)定的平移距離平移后得到多條椎體軸線進(jìn)而得到椎體軸線截面為例進(jìn)行說(shuō)明。椎體軸線截面可按照下面表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，它對(duì)多個(gè)椎體軸線的灰度求加權(quán)和，得到椎體軸線截面spine= a -I x(t)--^-,y(t) ,Va =i
"=1L V Mn Jj n=l "其中，spine (t)為椎體軸線截面向量，t為索引，(x(t), y(t))為脊髓線坐標(biāo)，an為加權(quán)系數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，Mn為平移距離相對(duì)左右體表邊界距離的倍數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，S為椎體軸線數(shù)量。
提取出的椎體軸線截面是一個(gè)灰度向量，它表達(dá)了沿著椎體軸線方向的近似灰度變化，如圖11，其中灰度劇烈變化的位置對(duì)應(yīng)椎體與椎間盤(pán)的邊緣。當(dāng)確定出椎體軸線截面后，定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)的方法如圖12所示，包括以下步驟步驟S31，計(jì)算椎體軸線截面的灰度變化梯度，將梯度值大于設(shè)定閾值的點(diǎn)作為椎體與相鄰椎間盤(pán)的候選邊界點(diǎn)。因?yàn)樵谧刁w邊界點(diǎn)處截面呈現(xiàn)劇烈變化，可依據(jù)梯度特征來(lái)檢測(cè)邊界點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算截面梯度，將滿足|g(t)| > T條件的候選點(diǎn)作為椎體邊界點(diǎn)，其中g(shù)⑴為截面梯度，T為閾值，可取T = mean (| g (t) |)。邊界點(diǎn)提取結(jié)果如圖13，其中，黑色點(diǎn)為邊界點(diǎn)。步驟S32，將檢測(cè)出的候選邊界點(diǎn)按照第三預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到椎體與相鄰椎間盤(pán)的邊界點(diǎn)。這些檢測(cè)出的邊界點(diǎn)有很多冗余，如一條邊界往往會(huì)檢測(cè)出多個(gè)邊界點(diǎn)，這需要進(jìn)行邊界點(diǎn)篩選?？衫眠吔琰c(diǎn)的距離特性進(jìn)行篩選，使得最后任意兩個(gè)相鄰邊界之間點(diǎn)的距離d滿足
權(quán)利要求
1.一種脊柱椎體提取方法，其特征在于包括 利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線； 根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面； 根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)； 基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述定位脊髓線包括 利用被測(cè)者組織和背景的過(guò)渡特性檢測(cè)被測(cè)者磁共振圖像的兩側(cè)體表邊界； 根據(jù)體表邊界界定的被測(cè)者組織寬度檢測(cè)脊髓線。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述檢測(cè)被測(cè)者磁共振圖像的兩側(cè)體表邊界包括 在與體表邊界方向垂直的方向上求一階導(dǎo)數(shù)； 檢測(cè)計(jì)算出的一階導(dǎo)數(shù)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)； 沿體表邊界方向變換求一階導(dǎo)數(shù)的位置，循環(huán)上述步驟，檢測(cè)出多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合，所述極大值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第一側(cè)體表邊界，極小值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第二側(cè)體表邊界； 對(duì)多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合按照第一預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界； 所述根據(jù)體表邊界界定的被測(cè)者組織寬度檢測(cè)脊髓線包括 根據(jù)第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界的距離估算濾波尺度； 采用所述濾波尺度對(duì)磁共振圖像求二階導(dǎo)數(shù)； 檢測(cè)二階導(dǎo)數(shù)圖像的極值，得到多個(gè)極值點(diǎn)集合； 對(duì)多個(gè)極值點(diǎn)集合按照第二預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到脊髓線。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面包括 將脊髓線按照多個(gè)設(shè)定的平移距離平移后得到多個(gè)椎體軸線； 對(duì)多個(gè)椎體軸線的灰度求加權(quán)和，得到椎體軸線截面。
5.如權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)包括 計(jì)算椎體軸線截面的灰度變化梯度，將梯度值大于設(shè)定閾值的點(diǎn)作為椎體與相鄰椎間盤(pán)的候選邊界點(diǎn)； 將檢測(cè)出的候選邊界點(diǎn)按照第三預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到椎體與相鄰椎間盤(pán)的邊界占. 將邊界點(diǎn)的坐標(biāo)沿椎體軸線方向按照設(shè)定大小移動(dòng)，得到的新坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為椎體內(nèi)部的種子點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域包括 基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，使生長(zhǎng)后區(qū)域的坐標(biāo)滿足
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，第j個(gè)種子的的最優(yōu)生長(zhǎng)閾值的確定方法包括以下步驟 初始步驟，用于設(shè)置初始閾值、生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積，并將初始閾值賦予生長(zhǎng)閾值； 區(qū)域生長(zhǎng)步驟，用于基于生長(zhǎng)閾值進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)； 區(qū)域填充步驟，用于將生長(zhǎng)后的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域填充； 第一計(jì)算步驟，用于計(jì)算填充后區(qū)域的面積周長(zhǎng)比； 第二計(jì)算步驟，用于根據(jù)填充后區(qū)域的面積推算出期望的面積周長(zhǎng)比； 第三計(jì)算步驟，用于計(jì)算面積周長(zhǎng)比和期望的面積周長(zhǎng)比的差異； 判斷步驟，用于判斷生長(zhǎng)是否滿足預(yù)定條件，若是則停止基于該種子的區(qū)域生長(zhǎng)，并在位于生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積之間的填充后區(qū)域面積的差異中查找出最小差異，所述最小差異所對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)閾值為最佳生長(zhǎng)閾值，所述最小差異所對(duì)應(yīng)的填充后區(qū)域?yàn)樽刁w區(qū)域；否則執(zhí)行以下步驟； 生長(zhǎng)閾值變換步驟，用于按照第四預(yù)定規(guī)則減小生長(zhǎng)閾值，然后循環(huán)執(zhí)行區(qū)域生長(zhǎng)步驟至判斷步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在提取椎體區(qū)域之后還包括 對(duì)提取的椎體區(qū)域進(jìn)行分析，按照第五預(yù)定規(guī)則去除椎體區(qū)域的冗余部分。
9.一種脊柱椎體提取裝置，其特征在于包括 脊髓線定位單元，用于利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線； 軸線截面確定單元，用于根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面； 種子點(diǎn)定位單元，用于根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)； 椎體區(qū)域提取單元，用于基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述脊髓線定位單元包括 邊界檢測(cè)子單元，用于利用被測(cè)者組織和背景的過(guò)渡特性檢測(cè)被測(cè)者磁共振圖像的兩側(cè)體表邊界； 脊髓線檢測(cè)單元，用于根據(jù)體表邊界界定的被測(cè)者組織寬度檢測(cè)脊髓線。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述邊界檢測(cè)子單元用于在與體表邊界方向垂直的方向上求一階導(dǎo)數(shù)，檢測(cè)計(jì)算出的一階導(dǎo)數(shù)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，沿體表邊界方向變換求一階導(dǎo)數(shù)的位置，循環(huán)上述步驟，檢測(cè)出多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合，所述極大值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第一側(cè)體表邊界，極小值點(diǎn)集合用于檢測(cè)第二側(cè)體表邊界，對(duì)多個(gè)極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合按照第一預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界；所述脊髓線檢測(cè)單元用于根據(jù)第一側(cè)體表邊界和第二側(cè)體表邊界的距離估算濾波尺度，采用所述濾波尺度對(duì)磁共振圖像求二階導(dǎo)數(shù)，檢測(cè)二階導(dǎo)數(shù)圖像的極值，得到多個(gè)極值點(diǎn)集合，對(duì)多個(gè)極值點(diǎn)集合按照第二預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到脊髓線。
12.如權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述軸線截面確定單元包括 平移子單元，用于將脊髓線按照多個(gè)設(shè)定的平移距離平移后得到多個(gè)椎體軸線；加權(quán)子單元，用于對(duì)多個(gè)椎體軸線的灰度求加權(quán)和，得到椎體軸線截面。
13.如權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述種子點(diǎn)定位單元包括邊界點(diǎn)檢測(cè)子單元，用于計(jì)算椎體軸線截面的灰度變化梯度，將梯度值大于設(shè)定閾值的點(diǎn)作為椎體與相鄰椎間盤(pán)的候選邊界點(diǎn)； 篩選子單元，用于將檢測(cè)出的候選邊界點(diǎn)按照第三預(yù)定規(guī)則進(jìn)行篩選，得到椎體與相鄰椎間盤(pán)的邊界點(diǎn)； 移動(dòng)子單元，用于將邊界點(diǎn)的坐標(biāo)沿椎體軸線方向按照設(shè)定大小移動(dòng)，得到的新坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為椎體內(nèi)部的種子點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述椎體區(qū)域提取單元用于基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，使生長(zhǎng)后區(qū)域的坐標(biāo)滿足
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述椎體區(qū)域提取單元包括 初始子單元，用于設(shè)置初始閾值、生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積，并將初始閾值賦予生長(zhǎng)閾值； 區(qū)域生長(zhǎng)子單元，用于基于生長(zhǎng)閾值進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)并將生長(zhǎng)后的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域填充；計(jì)算子單元，用于計(jì)算填充后區(qū)域的面積周長(zhǎng)比，根據(jù)填充后區(qū)域的面積推算出期望的面積周長(zhǎng)比，并計(jì)算面積周長(zhǎng)比和期望的面積周長(zhǎng)比的差異； 判斷子單元，用于判斷生長(zhǎng)閾值是否滿足預(yù)定條件； 查找及提取子單元，用于在生長(zhǎng)滿足預(yù)定條件時(shí)，在位于生長(zhǎng)目標(biāo)最小面積和生長(zhǎng)目標(biāo)最大面積之間的填充后區(qū)域面積的差異中查找出最小差異，將所述最小差異所對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)閾值記為最佳生長(zhǎng)閾值，將所述最小差異所對(duì)應(yīng)的填充后區(qū)域提取為椎體區(qū)域； 生長(zhǎng)閾值變換子單元，用于在生長(zhǎng)閾值不滿足預(yù)定條件時(shí)按照第四預(yù)定規(guī)則減小生長(zhǎng)閾值，生成新的生長(zhǎng)閾值，然后控制區(qū)域生長(zhǎng)子單元基于新的生長(zhǎng)閾值進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)。
16.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述椎體區(qū)域提取單元還包括 區(qū)域分析子單元，用于對(duì)提取的椎體區(qū)域進(jìn)行分析，按照第五預(yù)定規(guī)則去除椎體區(qū)域的冗余部分。
17.—種脊柱椎間盤(pán)分割方法,其特征在于包括 如權(quán)1-8中任一項(xiàng)所述的脊柱椎體提取方法； 在提取的椎體區(qū)域上定位該椎體區(qū)域的頂點(diǎn)； 利用相鄰兩個(gè)椎體區(qū)域的頂點(diǎn)分別計(jì)算椎間盤(pán)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)； 根據(jù)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)確定椎間盤(pán)中心線。
18.一種脊柱椎間盤(pán)分割裝置，其特征在于包括 如權(quán)9-16中任一項(xiàng)所述的脊柱椎體提取裝置； 椎體區(qū)域頂點(diǎn)定位單元，用于在提取的椎體區(qū)域上定位該椎體區(qū)域的頂點(diǎn)； 椎間盤(pán)中心點(diǎn)定位單元，用于利用相鄰兩個(gè)椎體區(qū)域的頂點(diǎn)分別計(jì)算椎間盤(pán)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)；椎間盤(pán)中心線確定單元，用于根據(jù)兩相對(duì)邊的中心點(diǎn)確定椎間盤(pán)中心線。
19.一種磁共振系統(tǒng),其特征在于包括如權(quán)利要求9至16中任一項(xiàng)所述的脊柱椎體提取裝置或權(quán)利要求18所述脊柱椎間盤(pán)分割裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脊柱椎體提取方法和椎間盤(pán)分割方法及其裝置，首先利用磁共振圖像數(shù)據(jù)定位脊髓線，然后根據(jù)脊髓線確定椎體軸線截面，根據(jù)椎體軸線截面定位椎體內(nèi)部種子點(diǎn)，之后基于椎體內(nèi)部種子點(diǎn)采用種子區(qū)域生長(zhǎng)法提取椎體區(qū)域。本發(fā)明不受椎體或者椎間盤(pán)灰度不一致的影響，也不受圖像權(quán)重的影響。本發(fā)明同時(shí)還公開(kāi)一種磁共振系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61B5/055GK102727200SQ20111008086
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者劉炎, 鄧曉云 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司