專(zhuān)利名稱：血管的建模方法
血管的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域，特別是涉及一種血管建模方法。背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)建模與仿真是一個(gè)非常廣闊的技術(shù)領(lǐng)域，僅從醫(yī)學(xué)器官(如心臟)的計(jì)算機(jī)建模與仿真來(lái)看，按需求大體上可以分為形狀建模、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模、功能和系統(tǒng)建模等等。其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的建模對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像的分析研究具有重要意義。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模通常有以下幾種途徑(1)手工或半自動(dòng)方式生成仿真數(shù)據(jù)；(2)利用形狀相似的、加入某種顯像劑的自然物體或標(biāo)本進(jìn)行成像后，獲得影像數(shù)據(jù)；(3)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)。其中計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠避免其它方式不易控制組織類(lèi)別比例、效率低、成本代價(jià)太高的缺點(diǎn)。針對(duì)血管影像數(shù)據(jù)，如計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影(computer tomography angiography, CTA)、磁共振血管造影(Magnetic resonance angiography, MRA)、X 身寸線血管造影，從復(fù)雜的造影背景數(shù)據(jù)中識(shí)別出血管目標(biāo)和病理情況通常是困難的，所以對(duì)造影圖像進(jìn)行預(yù)處理、形態(tài)分析、最終分割出清晰的血管對(duì)于臨床血管疾病診斷是一項(xiàng)非常有用的后處理技術(shù)。它可以方便醫(yī)生準(zhǔn)確觀察和判斷血管的結(jié)構(gòu)性或功能性損傷。在采用各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行血管的提取、分割、損傷的輔助診斷時(shí)，經(jīng)常需要血管的仿真數(shù)據(jù)來(lái)模擬各種針對(duì)性的血管結(jié)構(gòu)形態(tài)，如血管樹(shù)形狀、局部彎曲的曲率、中心線位置、官腔大小和狹窄性損傷、管壁厚度，以及復(fù)雜的血管背景數(shù)據(jù)。因此，構(gòu)建血管造影數(shù)據(jù)的仿真模型對(duì)于血管分割的算法訓(xùn)練和初評(píng)估具有重要意義，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面(1)在血管分割算法建模過(guò)程中首先通過(guò)仿真模型驗(yàn)證，之后用于實(shí)際造影數(shù)據(jù)驗(yàn)證，可以提高建模的針對(duì)性和逐步修正算法參數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生魯棒的血管分割模型。(2)從臨床實(shí)際采集的血管造影數(shù)據(jù)并不包含目標(biāo)和背景的真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法直接進(jìn)行血管分割算法的評(píng)價(jià)；而仿真模型的產(chǎn)生包含了確定的血管和背景參數(shù)，可直接用于血管分割算法的初步評(píng)價(jià)。(3)對(duì)于初期涉足血管造影分析的醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員和研究生，不便從臨床中獲取包含各種血管形態(tài)特異性和損傷情況的血管造影數(shù)據(jù)，所以有效的仿真模型可以幫助他們盡快實(shí)現(xiàn)初期模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證。然而，常用的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模在進(jìn)行二維或三維管狀目標(biāo)的分析和建模過(guò)程中，臨床數(shù)據(jù)集的特性和指標(biāo)往往并不滿足臨床和實(shí)驗(yàn)的客觀要求，如臨床數(shù)據(jù)目標(biāo)類(lèi)別和形態(tài)集不完整，具體算法功能無(wú)法從有限的臨床數(shù)據(jù)中得到驗(yàn)證，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分割模型在不同噪聲級(jí)別和背景復(fù)雜性下的魯棒性評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種血管的建模方法，能夠按照特定規(guī)則隨機(jī)生成一系列管狀目標(biāo)和背景紋理的數(shù)據(jù)集，為血管造影圖像的分析和建模提供一種數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真集。為解決上述問(wèn)題，提供一種血管建模方法，該方法包括下述步驟構(gòu)造球體、柱體和目標(biāo)體密度分布；利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)；利用高斯噪聲模擬目標(biāo)背景；利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理；利用比例控制方法將背景和目標(biāo)融合形成仿真圖像。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)的步驟包括產(chǎn)生管狀目標(biāo)的中心線軌跡；利用指定尺寸和特性的球體沿既定軌跡移動(dòng)和自旋，球體所遍歷的空間歷史位置被記錄下來(lái)，從而生成管腔形態(tài)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述中心線軌跡利用軌跡函數(shù)產(chǎn)生。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述軌跡函數(shù)為隨機(jī)路徑生成函數(shù)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述隨機(jī)路徑生成函數(shù)依據(jù)的準(zhǔn)則包括連續(xù)性條件、獨(dú)立性條件、分支點(diǎn)定位、血管段長(zhǎng)度及血管段停止。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述中心線軌跡為真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)的血管樹(shù)的中心線模型。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述管腔形態(tài)包括標(biāo)準(zhǔn)腔體、可變圓腔體、均勻變腔體及可變扁腔體。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述高斯噪聲包括單類(lèi)高斯噪聲、多類(lèi)混合高斯噪聲及多類(lèi)紋理高斯噪聲。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理的步驟包括 初始化，令j=0，以背景類(lèi)別數(shù)C隨機(jī)初始化矩陣Amxnxk，且矩陣元素A (m，n，k) e {1，...， L}，定義每點(diǎn)的初始能量Em, n,k為一整數(shù)值，退火溫度參數(shù)初值Ttl = 1 ；按照迭代順序j = 1，2..，了執(zhí)行以下各步并改變溫度參數(shù)1^，在圖像點(diǎn)(m，n，k)處，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的標(biāo)記值Lnrat，分別計(jì)算與新標(biāo)記Lmw不同和相同的點(diǎn)數(shù)Iidiff與Iirai,并計(jì)算數(shù)量差4 = ndiff-neq, 然后構(gòu)造能量函數(shù)exp (-rij，
_ exp(-nd )令=exni-E ‘)貝1M( ，《，幻=
Γ V m,n,k ,利用模擬退火算法對(duì)1的情況進(jìn)行取舍，參照隨機(jī)概率發(fā)生器ρ (χ) = random 是否小于I-IV1進(jìn)行標(biāo)記的更新，
L r>\ A(m,n,k) =
L- Ml&randonKl-T^ 計(jì)算退火溫度參數(shù)… Γ ^exp(Jj)
T = 所述血管的建模方法能夠通過(guò)構(gòu)造的球體、柱體形成多種管狀目標(biāo)的幾何形態(tài)并根據(jù)軌跡函數(shù)提供精確的中心線，或者構(gòu)造若干種特異性管腔形狀以近似血管動(dòng)脈瘤、動(dòng)脈粥樣硬化和鈣化情況，以及利用高斯噪聲模擬多種背景噪聲環(huán)境，為二維或三維管形目標(biāo)的分割模型和算法提供所需的各種數(shù)據(jù)仿真體，從而能夠滿足臨床和實(shí)驗(yàn)的客觀要求。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例高斯密度分布的球體、圓柱體和構(gòu)造的圓柱體陣列示意圖；圖2中的(a)為本發(fā)明一實(shí)施例彎曲管狀目標(biāo)的管形目標(biāo)中心線示意圖；圖2中的(b)為本發(fā)明一實(shí)施例高斯函數(shù)濾波產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)腔體示意圖2中的(c)為本發(fā)明一實(shí)施例利用半徑為r的球體沿軌跡行走，產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)腔體示意圖；圖2中的(d)為本發(fā)明一實(shí)施例可變內(nèi)徑扁腔體示意圖；圖3為為本發(fā)明一實(shí)施例可變內(nèi)徑圓腔體示意圖；圖4為球體、柱體、彎曲管狀目標(biāo)、動(dòng)脈樹(shù)的幾何形態(tài)模擬與二值體數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原理框架圖；圖5中的(al)為無(wú)噪聲條件下模擬的目標(biāo)和背景的示意圖；圖5中的(a2)為兩類(lèi)高斯噪聲作用于目標(biāo)和背景時(shí)的示意圖；圖5中的(a3)為四類(lèi)高斯噪聲作用于目標(biāo)和背景時(shí)的示意圖；圖5中的(bl)為無(wú)噪聲條件下模擬的目標(biāo)和紋理背景的示意圖；圖5中的(b2)為四類(lèi)高斯噪聲作用于目標(biāo)和紋理背景時(shí)的示意圖；圖6為本發(fā)明血管建模方法流程圖；圖7為目標(biāo)比例控制和背景紋理生成方法的框架圖；圖8為冠狀動(dòng)脈樹(shù)生成方法的框架圖；圖9為冠狀動(dòng)脈樹(shù)編碼模型圖；圖10中的(a)為一視角下的半球形環(huán)面空間示意圖；圖10中的(b)為另一視角下的半球形環(huán)面空間示意圖；圖10中的(C)為一視角下隨機(jī)路徑模型在環(huán)面內(nèi)生成的冠狀動(dòng)脈樹(shù)軸線示意圖；圖10中的(d)為另一視角下隨機(jī)路徑模型在環(huán)面內(nèi)生成的冠狀動(dòng)脈樹(shù)軸線示意圖；圖11中的(a)為冠狀動(dòng)脈血管樹(shù)的半球形環(huán)面模型仿真圖；圖11中的(b)為冠狀動(dòng)脈血管樹(shù)的動(dòng)脈樹(shù)形態(tài)仿真圖；圖11中的(c)為冠狀動(dòng)脈血管樹(shù)的三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體仿真圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。請(qǐng)參考圖6，本發(fā)明提供一種血管建模方法，該方法包括下述步驟構(gòu)造球體、柱體和目標(biāo)體密度分布；利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)；利用高斯噪聲模擬目標(biāo)背景；利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理；利用比例控制方法將背景和目標(biāo)融合形成仿真圖像。此處目標(biāo)可以為球體或者柱體目標(biāo)、管狀目標(biāo)及動(dòng)脈樹(shù)目標(biāo)。所述血管建模方法利用所形成的非血管單體目標(biāo)及血管目標(biāo)，通過(guò)高斯噪聲模擬目標(biāo)背景，利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理，然后通過(guò)將目標(biāo)與生成的具有紋理的噪聲背景進(jìn)行融合即可形成具有高斯混合噪聲的仿真圖像。下面將詳細(xì)介紹一下該血管建模方法。請(qǐng)參考圖1 7，下面將具體介紹一下血管建模方法。為了得到仿真圖像所需的目標(biāo)，如鈣化斑塊、血管瘤、動(dòng)脈樹(shù)、管狀目標(biāo)等，可以通過(guò)構(gòu)造球體、柱體、橢圓體等來(lái)進(jìn)行模擬。構(gòu)造球體和體密度分布可以依照下述方法。確定球體半徑為r，所在空間范圍為Ω = {χ, y，z|x, y，ζ e [-r，r]}，球體目標(biāo)滿足球體邊界方程x2+y2+z2彡r2，然后選擇體密度函數(shù)為高斯分布函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種血管建模方法，該方法包括下述步驟構(gòu)造球體、柱體和目標(biāo)體密度分布；利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)；利用高斯噪聲模擬目標(biāo)背景；利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理；利用比例控制方法將背景和目標(biāo)融合形成仿真圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管建模方法，其特征在于，所述利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)的步驟包括產(chǎn)生管狀目標(biāo)的中心線軌跡；利用指定尺寸和特性的球體沿既定軌跡移動(dòng)和自旋，球體所遍歷的空間歷史位置被記錄下來(lái)，從而生成管腔形態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血管建模方法，其特征在于，所述中心線軌跡利用軌跡函數(shù)產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的血管建模方法，其特征在于，所述軌跡函數(shù)為隨機(jī)路徑生成函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的血管建模方法，其特征在于，所述隨機(jī)路徑生成函數(shù)依據(jù)的準(zhǔn)則包括連續(xù)性條件、獨(dú)立性條件、分支點(diǎn)定位、血管段長(zhǎng)度及血管段停止。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血管建模方法，其特征在于，所述中心線軌跡為真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)的血管樹(shù)的中心線模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血管建模方法，其特征在于，所述管腔形態(tài)包括標(biāo)準(zhǔn)腔體、可變圓腔體、均勻變腔體及可變扁腔體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管建模方法，其特征在于，所述高斯噪聲包括單類(lèi)高斯噪聲、多類(lèi)混合高斯噪聲及多類(lèi)紋理高斯噪聲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管建模方法，其特征在于，所述利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理的步驟包括初始化，令j = 0，以背景類(lèi)別數(shù)c隨機(jī)初始化矩陣Amxnxk，且矩陣元素A(m，η, k) e {1，...，L}，定義每點(diǎn)的初始能量Em,n,k為一整數(shù)值，退火溫度參數(shù)初值Ttl= 1;按照迭代順序j = 1，2..，J執(zhí)行以下各步改變溫度參數(shù)Tj，在圖像點(diǎn)(m，n，k)處，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的標(biāo)記值Lnrat，分別計(jì)算與新標(biāo)記Lmw不同和相同的點(diǎn)數(shù)ndiff與并計(jì)算數(shù)量差nde = ndiff-neq,然后構(gòu)造能量函數(shù)exp (_nde)， exp(- &)\L r>\利用模擬退火算法對(duì)r ^ 1的情況進(jìn)行取舍，參照隨機(jī)概率發(fā)生器ρ (x) = random是否小于I-IV1進(jìn)行標(biāo)記的更新， L r>\A(m，n，k)=L- r^l&randonKl-T^ 計(jì)算退火溫度參數(shù)^ T^1 * exp(7；)其中JT =[Lld Kl&randomM-T^J exp^+y).、？9為迭代總數(shù)，(m，η, k)代表空間具體的一個(gè)點(diǎn)，M，N，K代表空間范圍，L代表標(biāo)記值，T1代表溫度參數(shù)，r代表能量函數(shù)的比值，Lnew代表新標(biāo)記值，Lold代表舊標(biāo)記值。
全文摘要
一種血管建模方法，該方法包括下述步驟構(gòu)造球體、柱體和目標(biāo)體密度分布；利用構(gòu)造的球體生成管狀目標(biāo)；利用高斯噪聲模擬目標(biāo)背景；利用馬爾可夫統(tǒng)計(jì)學(xué)模型生成背景的紋理；利用比例控制方法將背景和目標(biāo)融合形成仿真圖像。該血管建模方法能夠?yàn)槎喾N醫(yī)學(xué)影像如CT或MR血管造影的數(shù)學(xué)分割模型提供系統(tǒng)的仿真訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102521873SQ20111037401
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者吳劍煌, 周壽軍, 胡慶茂, 賈富倉(cāng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院