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海交通人学博十学位论文摘要 血管造影图像统计分割研究 摘要 心脑血管疾病目前己成为对人类威胁最大的三大类疾病之首，血管造 影图像是当前诊断、治疗和深入了解该类疾病的主要手段。磁共振血管 造影技术( m a g n e t i cr e s o n a n c ea n g i o g r a p h y ，m r a ) i 由于不需注入造影剂，无任 何创伤，三维信息的获取容易实现，目前己在医院广泛使用。目前适用 于脑血管的m r 血管成像技术只有时间飞越法( t i m eo ff l i g h t ，t o f ) 血 管成像技术和相位对e k ( p h a s ec o n t r a s t ，p c ) i f i l 管成像技术。鉴于t o f 法成 像速度快，可用于观察血管与周围结构的关系，是目前医院使用最广的 成像方法，因此，在本论文中所有试验都是以针对t o fm r a 为主。 磁共振血管造影图像的特点和血管结构的复杂性都对现有的图像处 理技术提出了挑战。本论文以实现基于病人个体的血管三维分割重建这 一应用为背景，主要针对基于统计分类的血管造影图像分割进行了深入 的研究，主要开展了如下的工作： 1 深入分析了当前主流血管造影图像分割技术，重点对基于统计模 型的分割方法进行了研究。主要包括：有限混合模型聚类算法的 原理、面临的问题以及解决对策，常用参数估计算法的选择。给 i ：海交通夫学博l ：学仃论文 摘哽 出了常用马尔科夫随机场模型的能量函数和局部概率函数，对常 用能量最小化优化算法的进行了对比分析研究。 2 在充分考虑图像的高阶多尺度特征地基础上，提出了一种新颖的 脑血管图像分割方法。首先，通过k 最近邻法将高阶多尺度特征 映射到一概率图像。随后，将灰度特征和概率信息同时并入贝叶 斯分割框架。与仅依靠灰度特征的分割方法相比，新方法能够很 好地克服飞跃法磁共振血管成像区域灰度变化大所带来的分割 困难。实验结果也表明新方法可以获得更为准确的分割结果且不 需要对分割结果进行后处理。 3 提出了一种改进的白适应血管分割方法，首先，为了获得更为准 确的分割方法，我们利用一个局部观测模型来取代全局观测模 型；其次，对于二值分割这个特定应用，为了加快分割过程，在 充分利用血管组织仅占颅腔5 这一先验知识的基础上，对迭代条 件模式算法( i t e r a t e dc o n d i t i o n a lm o d e s ，i c m ) 进行了改进，改进 后的算法极大的减少了分割过程的处理时间。为了验证所提算法 的准确性和快速性，我们分别采用人工合成模型和实际临床数据 对算法性能进行了验证。 关键词：贝1 - 斯理论，最大后验估计，图像分割，马尔科夫随机场模型， 有限混合模型 卜海交通人学博l j 学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns t a t i s t i c a lc l a s s i f i c a t i o no fv a s c u l a ri m a g e s a b s t r a c t v a s c u l a rd i s e a s e sa r et h et o po ft h em a jo rs o u r c e so fd e a t h si nt h ew o r l d a n g i o g r a p h i ci m a g i n gi sc o m m o n l yu s e dw o r l d - w i d ef o rt h ed i a g n o s i so f c a r d i o v a s c u l a r , c e r e b r o v a s c u l a r , a n dp e r i p h e r a lv a s c u l a rd i s e a s e m a g n e t i cr e s o n a n c ea n g i o g r a p h y ( m r a ) i san o n i n v a s i v em r i b a s e df l o w i m a g i n gt e c h n i q u e i t sa b i l i t yt op r o v i d ed e t a i l e di m a g e so fb l o o dv e s s e l s e n a b l e di t su s ei nt h ed i a g n o s i sa n ds u r g i c a lp l a n n i n go ft h eb l o o dv e s s e l s d i s e a s e s i ti sw i d e l yu s e dc l i n i c a l l y t h e r ea r et w o t e c h n i q u e sc o m m o n l y u s e di n p e r f o r m i n g m r a ： t i m e o f - f l i g h t ( t o f ) a n g i o g r a p h y , p h a s ec o n t r a s ta n g i o g r a p h y ( p c a ) b e c a u s e o fi t sf a s ta n dh i g hc o n t r a s t ，t o fi sw i d e l yu s e dc l i n i c a l l ya n di st h em a i n m o t i v a t i o nb e h i n do u rw o r k h o w e v e r , i ti st h eb i gc h a l l e n g ef o rt h en o w d a y s i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ea st h el i m i t a t i o n o fm r ai m a g i n ga n dt h e c o m p l e xv a s c u l a t u r es t r u c t u r e t o i m p l e m e n t t h e m a g n e t i c r e s o n a n c e a n g i o g r a p h yi m a g e b a s e d p a t i e n t - s p e c i f i ct h r e ed i m e n s i o nr e c o n s t r u c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so n t h er e s e a r c ho fs t a t i s t i c a lm o d e lb a s e db l o o dv e s s e l se x t r a c t i o n t h em a jo r w o r k sa r ea sf o l l o w s ： i ：海交通人学博l j 学佗论史a b s t r a c t 1 ad e e pr e s e a r c ho ns t a t i s t i c a lm o d e l sb a s e ds e g m e n t a t i o nm e t h o d w a sf o c u s e d ，a f t e rm a k i n gac o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nm a j o rb l o o d v e s s e ls e g m e n t a t i o nt e c h n i q u e sp r o p o s e di nt h eu p t o d a t el i t e r a t u r e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e s ：b a y e ss e g m e n t a t i o nf r a m e w o r k ， t h es e l e c t i o no ff i n i t em i x t u r em o d e la n dp a r a m e t e r se s t i m a t i o n t e c h n i q u e s ；t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tm a r k o vr a n d o mf i e l d m o d e l sa n de n e r g ym i n i m i z a t i o na l g o r i t h m s 2 i nt o f m r a ，i n t e n s i t yv a l u e sa r eo f t e nn o ts u f f i c i e n t l yh i g hi nt h e l o wf l o wr e g i o n sw h e r et h ev a s c u l a rs i g n a la p p r o x i m a t e st h a to ft h e b a c k g r o u n d ad r a w b a c ko ft h i sk i n do fm e t h o d si s w i t hp o o r c a p a b i l i t y i n c a p t u r i n g d i s t a lb l o o dv e s s e l s ，w h i l ei ns o m e a p p l i c a t i o n s t h i sf i n e rd e t a i l m a yb er e q u i r e d a m u l t i - f e a t u r e i n c o r p o r a t e db a y e ss e g m e n t a t i o nf r a m e w o r kw a sp r o p o s e d d i f f e r e n t f r o mm o s to ft h ee x i s t i n gm e t h o d s ，w eh a v ep a i ds a m ea t t e n t i o nt o t h es h a p ef e a t u r eo fb l o o dv e s s e l sa n di n t e n s i t yf e a t u r e b o t hh i g h o r d e rm u l t i s c a l ef e a t u r ea n di n t e n s i t yf e a t u r ea r ei n c o r p o r a t e di n t oa b a y e s i a ns e g m e n t a t i o nf r a m e w o r k m a x i m u map o s t e r i o r ( m a p ) m e t h o di sf u r t h e ru s e dt oe s t i m a t et h ep o s t e r i o rp r o b a b i l i t i e so f v e s s e la n db a c k g r o u n df o rc l a s s i f i c a t i o n t h er e s u l t sp r e s e n tc l e a r l y t h a tt h es e g m e n t a t i o na l g o r i t h md o e sc a p t u r em a n yo ft h ed i s t a l a r t e r i e s 3 a na d a p t i v es t a t i s t i c a la p p r o a c ht oe x t r a c t i n gw h o l ec e r e b r o v a s c u l a r t r e ei nt i m e o f - f l i g h tm a g n e t i cr e s o n a n c ea n g i o g r a p h y ( t o f m r a ) i sp r o p o s e d f i r s t l y , i no r d e rt og e tam o r ea c c u r a t es e g m e n t a t i o n i v 一f ：海交通人学博 ：学位论文 a b s t r a c t r e s u l t ，al o c a l i z e do b s e r v a t i o nm o d e li sp r o p o s e di n s t e a do fd e f i n i n g t h eo b s e r v a t i o nm o d e lo v e rt h ee n t i r e d a t a s e t s e c o n d l y ，f o rt h e b i n a r ys e g m e n t a t i o n ，a ni m p r o v e di t e r a t i v ec o n d i t i o n a lm o d e l ( i c m ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oa c c e l e r a t et h es e g m e n t a t i o np r o c e s s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a no b t a i n m o r es a t i s f a c t o r ys e g m e n t a t i o nr e s u l t sa n ds a v em o r ep r o c e s s i n g t i m et h a nc o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s ，s i m u l t a n e o u s l y k e y w o r d s ：b a y e st h e o r y , m a x i m u map o s t e r i o r i ( m a p ) e s t i m a t i o n ，m a r k o v r a n d o m f i e l d ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，f i n i t em i x t u r em o d e l ( f m m ) v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储虢；p 裂前 日期：口s 年月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密刚 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：高伴甫 日期：枷年了月7 日 指导教师签名： 砻冲扛 日期：w 6 年月比e l j ：海交通人学博 ：学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 心脑血管疾病、糖尿病和肿瘤是目前对人类威胁最大的三大类疾病，其中心脑血 管疾病位于这三大疾病之首，被世界卫生组织列为当前全组织范围总体工作重点之 一。其原因就是该类疾病不仅具有很高的致死率，而且其发病后导致患者的致残率也 极高。目前我国每年有2 6 0 万人因心脑血管疾病死亡，每1 2 秒钟就有1 人因此种疾 病而死亡，所以预防和治疗心脑血管疾病己成为摆在人们面前的一个严重而艰巨的课 题。在美国、日本等发达国家，通过预防、治疗、康复三位一体的办法在控制心脑血 管疾病的发病率和死亡率方面取得了显著成果，但血管疾病的死亡率依然很高，例如 动脉瘤的破裂就经常会导致死亡，而这在美国导致死亡率上排在第十三位【l 】。同一份 文献也显示了慢性静脉供血不足在美国也是一种常见疾病，对至少5 的人口都造成 了影响，这份报告指出应特别重视血管造影领域技术的发展。在脑血管疾病中，中风 是导致死亡和瘫痪的主要原因，尤其是在老年人群体中，实际上，中风已经成为美国 第三位的健康杀手【2 】。每年大约有5 0 0 ，0 0 0 的人会发生中风或者再次中风，其中大 约1 5 0 ，0 0 0 会死亡。此外，大约三分之一的中风幸存者都会留下残疾。血管病变是 导致目前已知所有的心脑血管事件的主要原因，如冠状动脉疾病导致冠心病和急性心 肌梗死；脑血管病变导致脑出血和缺血性梗死；肾动脉病变导致肾功能衰竭；外周动 脉病变则引起间歇性跛行等严重后果。 目前，对于血管疾病的诊断主要依赖于各种血管造影技术。图1 1 显示了几种不 同方式的血管造影成像模式。主要有双面x 射线( b i p l a n ex r a y ) 数字减影血管造影 ( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h ，d s a ) 【”j ，磁共振血管造影( m a g n e t i cr e s o n a n c e a n g i o g r a p h y , m r a ) 泪，c t 血管造影( c t a ) 【7 8 】，超声血管造影9 , 1 0 ，以及融合几种不 同医学影像模式的血管造影技术【i l 】。 从临床角度来看，d s a 是通过计算机把血管造影上的骨骼及软组织影像消除而 突出血管影像的一种技术，被认为是最可靠和最准确的血管影像的方法，但该造影方 法缺乏三维信息。目前，m r a 作为一种完全非创性检查，通过探测流动的血液来产 生对比，从而间接显示血管轮廓。可以视作是替代d s a 的很好的选择( m r i 设备见图 卜海交通夫学博十学位论文 第一章绪论 图1 - 1 血管造影技术分类 f i g1 - 1a n g i o g r a p h yb a s e do nm e d i c a li m a g i n gm o d a l i t i e s l 一2 ) ，而且m r a 不需注入造影剂，无任何创伤，它克服了d s a 的不足，三维信息的 获取是很容易实现的。虽然m r 的分辨率不如d s a ，无法看到局部较细的血管，而 且很难对血管狭窄和动脉瘤做出形态学上的评估，但由于其成像速度快，目前已在医 院广泛使用。 图1 - 2m r i 设备 f i g1 - 2m r ie q u i p m e n t 2 ：海交通人学博t 学位论文第一章绪论 1 2 磁共振血管成像 磁共振血管成像技术作为一种无创伤的检查，与c t 及常规放射学相比具有特殊 的优势，不需要穿刺插管、不需要注入造影剂、无x 射线，流体的流动即m r 成像 的生理造影剂。 1 2 1m i r a 在临床中的应用 m r a 因其无创性血管造影，已广泛应用于临床并取得了良好的效果。与d s a 、 m p i 、超声多普勒等目前临床检查血管的主要方法相比，m r a 先进性在于： 1 无创性，这是m r a 最大优点，避免了常规血管造影及d s a 经过动脉插管注射 剂引起之局部血肿、出血、过敏、血栓、中风等潜在危险。随着成像技术的 提高，m r a 可作为d s a 血管栓塞前影筛选； 2 与m r j 相结合，尤其是头颈肿瘤等病人，可同时显示血管结构和血管周围软 组织，详细了解与肿瘤的关系，对指导手术有重要意义； 3 m r a 图像清晰，分辨率高，可明确超声多普勒难以显示的病变，尤其对于严 重阻塞及狭窄的血管； 4 m r a 系三维图像，可以从多个方向同时观察，全部血管同时显影，多条供血 管分白情况一目了然。随着扫描技术的提高，m r a 的应用将会越来越广泛。 1 2 2m r a 成像方法 m r a 成像是利用血液的流动而成像。在m r i 中，流体具有复杂的信号表现形式， 血液的各种流动效应与血液在血管中的流动形式有关。其主要表现形式有几种： 层流，其速度沿管径的分佰为抛物线形状，没有轴向分量，主要存在静脉中。 湍流，其速度沿管径的分布是顶部扁平的抛物线，具有流动的非轴向速度分 量，主要存在动脉中。 旋涡流，是层流和湍流并存的另一种形式，主要存在于血管局部堵塞的下游。 在m r a 中起重要作用的流动效应有两种：饱和效应和相位效应，二者均可区分 流动血液和静止组织，再通过相应的m r a 技术获得血液的流动图像。由于饱和及相 位效应，血流可表现为高信号或低信号。 1 饱和效应 ， ， 卜海交通大学博 ：学位论文 第一章绪论 饱和效应又称为时间飞跃效应，是由于纵向磁化的变化所致。饱和效应分为以下 两种效应： 流入效应，是指流动的自旋流进静态组织区域而产生比静态组织高的m r 信 号，也称时间飞跃效应。 流出效应，与流出相关增强效应相反，流体也可产生流出效应，流出效应使 流体的信号丢失。 2 相位效应 运动自旋都会产生相位变化，包括移动、流动及水分子的弥散运动等，这种单个 自旋在梯度磁场中的相位改变称为相位漂移效应，是由横向磁化的变化所致。 任何潜在的能区别血流和相连的软组织的成像方法都可用于m r 血管成像。m r 成像方法可分为三种：饱和法、相位对比法血管成像和造影剂成像法 1 饱和法 根据血流的饱和效应而成像的一种技术，根据流入效应和流出效应的不同又分为 时飞法和黑血法。 ( 1 ) 时飞法( t o f ) 时飞法是目前最常用的m r a 方法，它的成像原理基于以下几个方面静态组织 在短射频t r 脉冲的快速连续多次激发下，纵向磁化绝大部分被饱和达到稳定的状态， 所产生的m r 信号水平极低，处于饱和状态。流动自旋来自被激发以外的上游血管， 未经受过多次的射频激发，其纵向磁化保持着原有的幅度，远远高于其周围饱和状态 的静态组织，在下一次激发时可产生较大的幅度磁化和m r 信号。使用流动补偿梯 度可消除流动引起的相位弥散，使流动信号增强。在最短时间内采集被激发的流动 信号。其主要特点有：流速越大，血管信号越强；片层越薄，饱和效应越小，对比度 越高( 二维时飞法) ；重复时间越短，背景信号抑制越厉害。实际应用当中主要有2 d y t - i j 3 d 和三维薄块多层重叠技术( m u l t i p l eo v e r l a p p i n gt h i ns l a ba n g i o g r a p h y , m o t s a ) 成像方法。 ( 2 ) 黑血法 利用流出效应，使血流信号流空，将血流以低信号突出出来进行显示的成像方法。 其主要原理为：利用自旋回波序列采集信号；利用空间饱和技术抑制流动血液的 信号；预饱和区设置在成像区域外，在数据采集丌始前将流向成像区域的血流信号 激励到磁化饱和状态。因而消除了血流信号而使血管与静止组织之问产生明显对比， 而没有流动伪影产生。影像数据利用最小强度投影法处理，以投影射线路径上最小 信号强度作为投影影像对应体素的信号强度。其主要优点有：准确；对皿流的状态及 4 卜海交通大学博士学何论文第一市绪论 流速不敏感；提供良好的背景信息；不易产生伪差；扫描效率高。其缺点主要是图像 后处理和显示比较困难。 2 相位对比法血管成像 除t o fm r a 外，相位对比法m r a ( 简称p c a ) 技术是一个有价值的评价血管疾 病的方法。p c a 与t o fm r a 的重要区别是像素强度代表的是磁化适量的相位或相位 差，而不是磁化强度。 相位对比血管成像最常用的方法是用双极梯度对流动编码，即在梯度回波序列的 层面选择与读出梯度之间施加一个双极的编码梯度，该梯度由两部分组成，这两部分 梯度脉冲的幅度和期间相同；而方向相反。第一部分过程中，沿梯度方向强度不同， 因而进动频率不同，最后造成相位不同。第二部分开始后；静止组织自旋反转过来进 动，最终正相期获得的相位与负相期丢失的相位相等，静息组织相位最终为零而流动 组织的自旋还要运动一段距离到不同位置，所以第二部分结束时相位不回到零，流动 的剩余相位与移动距离成正比，即与速度成j 下比。p cm r a 过程基本上由三步构成， 首先，采集两组或几组不同相位的运动质子群的影像数据；然后选取一种适宜的演化 算法对采集的相位进行减影；静态组织减影后相位为零，流动组织根据不同速度具有 不同的相位差值，最后将相位差转变成像素强度显示在影像上。 流动组织的相位偏移不仅与速度成正比，而且与梯度的幅值和问期成正比。通过 改变梯度的幅值和期间，使某种速度的血流产生的相位差最大则该速度的血流在图象 上信号最高。采集i j 可根据所要观察的血流的速度，选择一个速度编码值( v e n c ) ， 即选定了梯度的幅值和间期，则在图像上能突出显示该速度的血流。_ 般，快血流 速v e n c 约为8 0 c m s ，中等流速v e n c 约为4 0 c m s ，慢血流v e n c 约为1 0 c m s 。另外，只有 沿编码方向的自旋运动才会产生相位变化，如果血管垂直于编码方向，它在p cm r a 上会看不到。操作者可选择编码梯度沿任意轴，例如层面选择方向、射频编码方向、 相位编码方向或所有三个方向。当流动在每个方向都有时，采集需沿三轴加流动编码 梯度，这样扫描时间是沿一个方向时的2 3 倍。p cm r a 的参数选择灵活性较大，使 之比t o f 成像方式更为复杂。常用的p c 方法有： ( 1 ) 3 dp c 3 dp c 是最基本的p c 方法，其优点是能用很小体素采集，结果减少体素内失相 并提高对复杂流动和湍流的显示。另外，3 dp c 可在多个视角对血管进行投影。 ( 2 ) 2 dp c 2 dp c 是对一个或多个单层面成像，每次激发一个层面。2 dp c 成像时间短，但 空间分辨率低，常用于3 dp c 的流速预测成像。 卜海交通人学博十学位论文第一章绪论 ( 3 ) 电影p c 电影( c i n e ) p c 是以2 dp c 为基础，其图像是在心动周期的不同时刻( 时像) 获 得的，这种采集需要心电或脉搏门控。电影p c 在评价搏动血流和各种病理流动状态 方面很有用。 3 造影剂成像方法 与传统血管造影成像方法相比，造影成像方法适用范围广，实用性强，尤其是对 胸腹部及四肢血管的显示极其优越。其主要原理为：在血管内团注磁共振顺磁造影剂， 使动脉血液的t l 值极短，根据造影剂到达各级动脉血管的首过时间，设定目标血管 数据采集的最佳时刻，使动脉与周围组织形成最强对比。同样可根据各级静脉血管的 循环时间，设定最佳数据采集时间，使目标静脉血管与周围组织形成最强对比。该方 法中血管内信号与流动无关，仅仅反映对比增强的血流信号强度。 1 2 3m r a 图像的后处理方法 m r a 的原始数据是由单层流动与静态组织共同形成的信号对比，要想获得整个 激发容积的血管造影，必须进行m r a 图像后处理。其处理方法有以下几种： 1 最大信号投影 最大信号强度投影( m a x i m u mi n t e n s i t yp r o j e c t i o n ，m i p ) 是指能从一组3 d 或2 d 的血管数据中选择出高信号值，并将其投影至特定2 d 平面的数学重建方法。它是m r a 中应用最为广泛的后处理方法。 2 多平面容积重组技术 多平面容积重组( m u l t i p l a n a rv o l u m er e f o r m a t i o n ，m p v r ) 技术又称为多层面重 建m p r ( m u l t i p l a n e rr e f o r m a t i o n ) 3 d 空间的数据投影可以沿着左右方向，前后方向， 头尾方向投影，也可以采用多角度旋转投影即先选定某一轴，再设定投影平面沿着该 轴旋转某一角度后再行投影，这样经过多次多视角投影产生的一序列图像可用电影模 式显示，以区别不同血管在空问的不同位置。 3 靶投影技术 靶投影技术( t a r g e t em i p ) ：将需要重建的3 d 数据空间缩小至最小的兴趣空间， 只重建感兴趣空间以内的血管影像，其余部分被删除，减少3 d 容积内与血管无关的 其他信号影响。 4 体绘制 体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ，v r ) 是使假定的射线从给定的角度上穿过扫描容积， 6 卜海交通大学博f 学位论丈第章绪论 对容积内的体素信息做综合显示。需要结合深度、遮蔽表面显示技术( s h a d e ds u r f a c e d i s p l a y , s s d ) 及适当的信号强度切割技术共同施行。可赋予影像以不同的伪彩与透 明度，给以近似亘实的三维结构的感受，该方式在重建中丢失的数据信息少，可更佳 的显示解剖结构的空间关系。可突出显示血管与周围组织的关系，可显示三维血管立 体结构，对宫腔内病变更加敏感。 1 2 4m r 血管成像技术选择 虽然m r a 成像技术很多，但并不是任何成像方法都适合脑血管m r 成像。脑血 管具有纤细迂曲，分布密度大，血流方向多样，与经脉走向多不一致等特点，同时脑 血管的微小改变就可以造成严重的临床症状，甚至是不可逆的致命结果。因此，脑血 管的m r 成像技术必须具有高空分辨率以显示纤细血管，必须具有对各个方向血流的 高敏感性以显示整体血管，必须尽可能具有动脉和静脉分别显示的能力，以减少显示 的血管的密度，减少重叠。脑血管的无搏动性和颅脑可较长时间静止又为脑血管高质 量成像创造了客观条件。根绝这些要求，目前适用于脑血管的m r 血管成像技术只有 t o f 技术和p c 技术。 如图1 3 所示，与t o f 法相比，p cm r a ( 左) 有更好的背景抑制，具有较高 的血管对比，能区分高信号组织( 如脂肪和增强的肿瘤组织) 与真实血管，能提高小 血管或慢血流的检测敏感度。而t o f 可用于观察血管与周围结构的关系。另外，利用 p c 的速度一相位固定关系可以获得血流的生理信息，有利于血流定量分析方法研究。 目前常用p c 法进行脑静脉窦的成像。虽然p cm r a 与t o f 相比具有其独特的优势， 但鉴于t o f 法成像速度快，并且是目前医院使用最广的成像方法，因此，在本论文 中所有试验都是以针对t o fm r a 为主。 1 3 血管造影图像分割的意义 随着医学影像在临床的成功应用，图像分割在医学影像处理与分析中的地位愈显 重要，分割后的图像有各种广泛的应用，如组织的定量分析、计算机辅助诊断、病灶 定位、解剖结构的研究、治疗规划、功能成像数据的局部体效应校正和计算机引导手 术等。医学图像分割迄今仍然是国内外学者研究热点【1 2 - l4 1 。 血管是人体中非常重要的器官，约占人体体积的1 1 5 。利用医学成像技术对血管 进行研究，针对血管疾病的发病机理找到相应的治疗方案具有很高的临床价值。血管 7 ：茎圣堡尘兰呈：茎篁耋耋薹茎塑耋 圉1 3p c m r a 和t o f m r a f i g i - 3p c m r aa n d t o f m r a 三维显式和显化是些重耍的临床应用如：手术汁划、图像导航神经外科_ f 术和临床 渗断等的重要先决条什。通常显示血管的方浊足采用灰度最大投影方法( m i p ) ，m i p 作为一种有效的常规三维矧像_ l ；= i 处理技术r 泛地_ r 】于显示血管、骼和软组织肿瘤等 病变。m i p 的缺点是：埘密度接近且结构斗月互重叠的复杂解剖部位不能扶得有价值的 嘲像：图像缺乏空间深度感，难以显不颅内走行复杂的动、静脉血管之m 和与颅骨之 叫的三维卒叫关系。喇此，4 对血管进行二维可视化之日口进行分割是非常必需的。 i3 1 血管分割的重要性 由十人体j f l 管的结构复杂性、重叠性，还自直径很小的血管，都对现有的处理技 术提出了挑战，尽管彳众多的研究人员采用了多种包括计算机视赏，图形学，图像处 世等技术来分割血管，f r 前还没有完伞解决m r a 图像处弹的问题。而一个好的三维 的脉管分割系统对于l 临床跨断足非常重要的，土要体现存以下几个山而： 1 辅助神经外利下术( n e u r o - s u r g i c a l ) 的制订和治疗：在神经外科手术巾，如 粜能够提供腑部一维j m 管图像，就n r 以帮助t ，：- 1 1 i 看到颅骨内的囊状的动脉痈 和血管之川的) 之系 _ ”l 。在术前和手术中，肿瘤的位胃就可以通过脑部二维 静脉结构束定位。这种分割也可以帮助医乍在实叫手术r i 做山扶定，也可以 作为术后的临删。此外，也对颅内囊状功脉府的向管内剂的跨治彳j 帮助1 2 0 1 。 2 帮助医7 i1 ，约1 1 , l lj j 自j j 和半自动的分割方法, t p l 科医生、放射科和肿瘪s l ：海交通人学博i 学位论文第一章绪论 i i i 家都有不同的帮助。可以帮助放射科医生节省手工分割所需的大量时间，同 时也有助于他们做进一步的数据分析。此外，可以通过计算血管内腔的最大 最小直径来做血管内部修复手术前的评估。 3 区分动脉和静脉； 4 研究脑部结构的相互位置关系：分割脑部区域和脑部血管可以帮助外科医生 研究脑部结构的生长过程和相互关系； 5 狭窄和动脉瘤的评估和量化：血管分割对发现狭窄和动脉瘤很有帮助【2 心3 1 ， 尤其是在脑部、支气管树、胆道部位。这对于动脉硬化性的临床评估有特别 的帮助。动脉瘤的形状、大小、位置都是栓塞现象中很关键的因素。 1 3 2 医学图像分割算法的特点 由于噪声、偏移场效应、部分容积效应等的影响，使获取的图像不可避免地具有 模糊性和不均匀性等特点。另外，人体解剖组织结构和形状非常复杂，而且人与人之 间具有相当大的差别。因此医学图像的分割是一项艰巨的任务，经过国内外研究人员 多年的努力，虽然提出很多种分割算法，但至今仍然没有圆满解决。目前，分割算法 层出不穷，主要表现以下四个特点： 1 人们逐渐意识到现有的任何一种单独的图像分割算法都难以对一般图像取 得令人满意的分割结果，因而人们在继续致力于将新概念、新方法引入图像 分割领域的同时，更重视多种分割算法的有效结合，近几年来提出的方法大 多数结合多种算法的。采取什么样的结合方式才能充分利用各种方法的优 点，取得好的结果已成为人们关注和研究的问题。 2 医学图像的分割需要利用医学领域中的大量知识。t i n ak a p u r 将分割可用的 医学领域知识归纳为四种【l5 】：一是图像中不同对象的灰度分布情况；二是不 同影像设备的成像特点；三是对象的形状特征，即解剖知识；四是不同对象 的空间几何关系。根据知识的不同方式，通常将基于知识的分割方法分为基 于规则的方法和基于模型的方法。另外，各种成像技术都具有其各自的优势 和不足，同一成像设备技术采用不同的扫描参数则可以突出不同的组织特 性，因此，在医学图像分割中，可以将同一对象的多重影响数据融合起来加 以利用，可以提高算法的准确性。 3 随着三维可视化技术的发展，医学图像分割的三维分割受到更多的关注。因 为，医学图像中直接给出了以二维切片形式组织的三维数据，这就为三维分 9 一卜海交通人学博十学位论文 第一章绪论 割提供了可能。有两种三维分割方式：一种是直接在三维数据空间分割，提 取出感兴趣区域包含的体素；另一种是对每张二维切片独立进行分割，再将 每张切片中提出的轮廓组合起来用于三维重建。 4 医学图像分割面向具体临床应用，分割算法的准确性将影响诊断结果和治疗 方案，因此算法的准确性尤为重要。图像分割一直是一个经典难题，目前的 自动分割方法虽然在一些方面取得了一定的成功，但还远远不能满足医学图 像处理实践中对分割结果准确性的要求。因而，近年来由用户参与控制、引 导的交互分割方法在医学图像分割中正受到越来越多的关注。交互式分割方 法的研究中有两个基本的目标：一要能为用户提供对分割过程的有效控制， 使用户能在必要的时候方便地干预及影响分割的过程，从而保证分割的准确 性；二要使用户干预的次数和每次干预的时间尽可能少，既要发挥人的判断 力，又要充分利用计算机的运算性能，从而使分割具有实用性，交互式图像 分割方法主要包括手工分割、基于种子点的区域分割方法、交互式边缘检测 和变形模型方法。 1 4m r a 图像的特点及处理难点【2 4 】 1 血管形状的复杂性和可变性：血管是曲线状，互相缠绕的，有时会被其他血 管覆盖，或者和其他血管位置重叠。血管的枝权也提高了分割的复杂度。由 于血管的拓扑结构和形态特征，血管的形状和大小可能会发生相当大的变化， 尤其是对于狭窄和动脉瘤。此外，血管有时位于和自己影像特性差不多的组 织中，这样在成像后和周围的软组织的对比度很低，增加了区分的难度； 2 血管的密度和小血管的直径：分割的复杂度随着血管密度和血管变细而增大。 m r a 图像的分辨率和对比度都比较低，尤其对于小血管。在遇到像小血管这样 细长的结构时，空间上的连续性非常差，成像后会出现中断情况； 3 图像中的噪声和血管的不连续：在获取m r a 图像过程中会导致血管的不连续， 这会对跟踪血管带来问题； 4 灰度的动态变化：人体内有很多其他组织显示了和血管差不多的高灰度值。 则两者之i 、日j 的动态灰度范围狠小。这尤其表现在c t a 中，就很难区分血管和 骨头。而在t o fm r a 图像序列中，由于血管中液体流动的特性，造成动态 范围较大； 5 局部容积效应( p a r t i a lv o l u m e a v e r a g i n g ，p v a ) ：由于p v a 的作用，体素的灰 l o 卜海交通大学博 j 学何论文第一章绪论 度是血管自身和背景的混合狄度。这在血管有分枝的地方会带来处理难度； 6 成像模式的特点和血流效应：在图像分割中，分辨率和清晰度起着很重要的 作用，m r 数据获取过程对于分割结果的准确性和鲁棒性都起着很重要的作用。 由于病人的呼吸或者血液的流动，都会导致在血管中产生非均匀性的灰度， 使分割过程难以进行； 7 动脉和静脉的区分：两者在灰度特性上有很大的相似性，同时都是细长的衄 线结构，很难对两者做出识别； 8 血液动力学的影响：在t o fm r a 图像中，会出现由于造影剂在血流的湍流效 果下未到达而造成血管只有一半的亮度或没有亮度，这就对血管的边界估计 和检测带来困难； 9 扫描方式的限制：当在处理系统中跟踪血管时，会发现影像的平面是和血管 的中轴线垂直的。这个平面是可以计算出来的。但现有的扫描设备都不具备 这种功能，而且由于血管是弯曲和曲折的，所以也不太可能会开发出这样的 设备。 1 5 血管造影图像处理研究现状 美国u c l a 大学科学家t o n yc h a n 认为，从机器视觉和感知科学的角度看，图 像处理是一种由二维图像重建三维世界中的几何关系、拓扑结构、模式和动力学行为 的基本工具。在计算机科学中，图像处理是作为桥梁连接了计算机视觉和计算机图形 学。前者是想从观察到的二维图像中重建三维世界，而后者则相反，是设计合适的二 维场景来模拟真实的三维世界【2 5 1 。 图像处理可以抽象为一个输入输出系统： - li m a g ep r o c e s s o r - 一 图卜4 抽象的图像处理系统 f i g 1 - 4 a b s t r a c ti m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m q 一卜海交通大学博十学位论文 第一章绪论 其中t 表示典型图像处理器，输入图像q 可以表示观察到的单帧图像或图像序 列，输出q 包含了所有可能的目标图像特征。表1 - 1 列举了几个比较典型的图像处理 问题。显然，在这个系统中输入和处理器是两个很关键的因素，也就构成了目前图像 处理中主流研究的两个方向。其一是对输入图像的理解和表示，其二是图像处理器的 建模，算法研究和性能研究。后者是本文的研究重点。 表1 - 1 典型的图像处理器及其输入输出 t a b l e l 1c o n v e n t i o n a li m a g ep r o c e s s o r 丁 qq 图像增强处理，去噪，去模糊干净或锐化的图像， i o = r + n 图像修补( i m p a i n t i n g ) i ol n d完整的图像厶h 分割 l a分割目标【，i ，q t 】，k = 1 , 2 尺度空间 i o多尺度图像( ，五l ，五2 ，知) 对于图像处理器的研究已经有很长的历史，有很多的方法用于设计图像处理器， 很难说孰优孰劣。目前，有越来越多的复杂技术用于此，其中有三个方向引起了广泛 的关注：随机模型，小波，还有偏微分( p a r t i a ld i f f i e r e n t i a le q u a t i o n ，p d e ) 技术。 随机模型主要基于马尔科夫随机场理论【2 蛇7 】，它直接处理图像；小波理论来自于信号 处理并依赖于分解( d e c o m p o s t i o n ) 技术【2 弘3 0 】。本论文在主要集中于利用基于统计法