一種左心室核磁共振圖像分割及三維重構(gòu)的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種左心室核磁共振圖像分割及三維重構(gòu)的方法，通過(guò)建立一個(gè)變分水平集演化模型，用于分割左心室內(nèi)、外膜邊界，同時(shí)也提供了左心室的三維曲面、實(shí)體重構(gòu)及相應(yīng)的網(wǎng)格剖分方案。由于采用了新的基于邊緣檢測(cè)算子的擬局部二值模擬項(xiàng)，使得本發(fā)明能有效分割灰度非均勻圖像；僅考慮面積項(xiàng)，既能簡(jiǎn)化本發(fā)明所涉及的理論模型，又可減少本發(fā)明的算法運(yùn)行時(shí)間；凸包算法的應(yīng)用使得本發(fā)明可以修補(bǔ)由于外膜邊界模糊不清造成的泄露等影響。本發(fā)明還給出了基于等值面生成算法和相關(guān)商業(yè)軟件的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)的三維重構(gòu)方案，可幫助用戶實(shí)現(xiàn)左心室的三維重構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種左心室核磁共振圖像分割及三維重構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像處理領(lǐng)域，尤其是一種核磁共振圖像的分割及重構(gòu)的方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]心臟核磁共振CMR (Cardiac Magnetic Resonance)成像能夠提供高分辨率的圖像，是醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，也是心臟疾病診斷的重要輔助手段。為了充分利用CMR圖像中的信息，為臨床診斷提供量化、直觀的參考，左室膜的內(nèi)、外膜的準(zhǔn)確分割是首要任務(wù)。左心室圖像分割問(wèn)題主要面臨如下挑戰(zhàn):(1)圖像灰度的非均勻性；(2)外膜邊界不清晰；(3)不同切片圖像中的內(nèi)、外膜邊界形狀多變等。雖然目前已有許多關(guān)于左心室內(nèi)、外膜邊界的分割技術(shù)，但是如何準(zhǔn)確分割其內(nèi)、外膜邊界仍然是一大挑戰(zhàn)。
[0003]水平集(Level Set)方法能夠隱式地追蹤目標(biāo)的邊界:先求解給定的偏微分方程中的水平集函數(shù)，再通過(guò)水平集函數(shù)的零等值線來(lái)隱式跟蹤目標(biāo)。目前，水平集方法被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像分割等領(lǐng)域，其中比較著名的方法當(dāng)屬Chan的主動(dòng)輪廓線方法和Li的無(wú)重新初始化方法。但是，Chan的主動(dòng)輪廓線方法不能很好地處理具有非均勻灰度的圖像，而Li的無(wú)重新初始化方法對(duì)應(yīng)的偏微分模型中的梯度項(xiàng)較多，這無(wú)疑增加了模型的復(fù)雜度以及數(shù)值離散求解時(shí)的計(jì)算量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新的變分水平集方法，用于自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地分割左心室內(nèi)、外膜邊界。同時(shí)，為了滿足臨床應(yīng)用和力學(xué)分析的需求，也提供了左心室的三維曲面、實(shí)體重構(gòu)及相應(yīng)的網(wǎng)格剖分方案。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是主要分為分割模塊和三維重構(gòu)模塊。分割模塊是本發(fā)明的核心，主要采用了新的變分水平集方法的圖像分割技術(shù)，而三維重構(gòu)模塊則是可視化后處理輔助模塊。
[0006]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0007]—、初始化步驟，即CMR圖像的輸入:先將dicom格式的CMR圖像預(yù)處理成png、bmp、jpg或jpeg的圖像格式,將預(yù)處理后的圖像通過(guò)通用內(nèi)置imread命令讀入到科學(xué)與工程計(jì)算軟件Matlab中；
[0008]二、分割步驟:
[0009]①模型的建立:在初始化步驟完成后，先建立擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)，將所述的擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)相加便構(gòu)成了總能量泛函，再利用通用的變分極值分析方法，可得到變分水平集演化模型，迭代求解該模型，直至滿足以下兩個(gè)條件中的任意一個(gè),則停止迭代:
[0010]I)總能量泛函，即擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)相加的總和小于10_6 ；
[0011]2)迭代步數(shù)達(dá)到上限200 ；
[0012]②初值選取:在初始化步驟中Matlab讀入的圖像中，任意選取初始的水平集函數(shù)零等值線；
[0013]③參數(shù)設(shè)置:設(shè)置本發(fā)明的變分水平集演化模型中對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)；
[0014]三、輸出分割的凸包結(jié)果步驟:基于分割步驟的結(jié)果，可利用凸包算法獲得相應(yīng)的凸包結(jié)果；
[0015]四、獲得內(nèi)、外膜分割的凸包結(jié)果:將左心室的CMR切片圖像分別導(dǎo)入分割模塊，可獲得該左心室的一系列內(nèi)、外膜圖像分割的凸包結(jié)果；
[0016]五、三維曲面、實(shí)體重構(gòu):利用等值面生成算法，可獲得內(nèi)、外膜的三維曲面重構(gòu)結(jié)果；將內(nèi)、外膜分割的平面凸包結(jié)果導(dǎo)入三維制圖設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中的宏文件，則生成基于樣條插值曲面的三維實(shí)體重構(gòu)結(jié)果；
[0017]六、三維實(shí)體網(wǎng)格剖分步驟:將SolidWorks生成的三維實(shí)體重構(gòu)結(jié)果導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus，通過(guò)調(diào)用Mesh功能模塊來(lái)獲得三維實(shí)體網(wǎng)格剖分，即獲得相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)鄰接鏈表、單元及其組成節(jié)點(diǎn)的信息。
[0018]本發(fā)明分割步驟中所述的變分水平集演化模型的建立步驟如下:
[0019]I建立擬局部二值模擬項(xiàng)，用于處理灰度非均勻圖像:
[0020]取灰度值為Ici的圖像內(nèi)的任意一個(gè)初始的開(kāi)區(qū)域D，其邊界為(:(=(:?)>而0111和Dwt分別為開(kāi)區(qū)域D的內(nèi)、外區(qū)域，引入水平集函數(shù)Φ (X)，滿足如下公式:
【權(quán)利要求】
1.一種左心室核磁共振圖像分割及三維重構(gòu)的方法，其特征在于分割及三維重構(gòu)包 括以下所述步驟: 一、初始化步驟，即CMR圖像的輸入:先將dicom格式的CMR圖像預(yù)處理成png、bmp、jpg或jpeg的圖像格式，將預(yù)處理后的圖像通過(guò)通用內(nèi)置imread命令讀入到科學(xué)與工程計(jì)算軟件Matlab中； 二、分割步驟: ①模型的建立:在初始化步驟完成后，先建立擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)，將所述的擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)相加便構(gòu)成了總能量泛函，再利用通用的變分極值分析方法，可得到變分水平集演化模型，迭代求解該模型，直至滿足以下兩個(gè)條件中的任意一個(gè)，則停止迭代: O總能量泛函，即擬局部二值模擬項(xiàng)、面積項(xiàng)和懲罰項(xiàng)三項(xiàng)相加的總和小于10_6 ； 2)迭代步數(shù)達(dá)到上限200; ②初值選取:在初始化步驟中Matlab讀入的圖像中，任意選取初始的水平集函數(shù)零等值線； ③參數(shù)設(shè)置:設(shè)置本發(fā)明的變分水平集演化模型中對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)； 三、輸出分割的凸包結(jié)果步驟:基于分割步驟的結(jié)果，可利用凸包算法獲得相應(yīng)的凸包結(jié)果; 四、獲得內(nèi)、外膜分割的凸包結(jié)果:將左心室的CMR切片圖像分別導(dǎo)入分割模塊，可獲得該左心室的一系列內(nèi)、外膜圖像分割的凸包結(jié)果； 五、三維曲面、實(shí)體重構(gòu):利用等值面生成算法，可獲得內(nèi)、外膜的三維曲面重構(gòu)結(jié)果；將內(nèi)、外膜分割的平面凸包結(jié)果導(dǎo)入三維制圖設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中的宏文件，則生成基于樣條插值曲面的三維實(shí)體重構(gòu)結(jié)果； 六、三維實(shí)體網(wǎng)格剖分步驟:將SolidWorks生成的三維實(shí)體重構(gòu)結(jié)果導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus，通過(guò)調(diào)用Mesh功能模塊來(lái)獲得三維實(shí)體網(wǎng)格剖分，即獲得相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)鄰接鏈表、單元及其組成節(jié)點(diǎn)的信息。
2.根據(jù)利用權(quán)利要求1所述分割步驟中變分水平集演化模型的建立的方法，其特征在于包括下述步驟: I建立擬局部二值模擬項(xiàng)，用于處理灰度非均勻圖像: 取灰度值為Itl的圖像內(nèi)的任意一個(gè)初始的開(kāi)區(qū)域D，其邊界為
【文檔編號(hào)】A61B5/055GK103886603SQ201410125847
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】蔡力, 高昊, 謝文賢 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)