一种管状目标中心线的提取方法及装置与流程

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种管状目标中心线的提取方法及装置。

背景技术：

中心线量化提取对于描述管状目标的特性、虚拟现实与增强现实技术的发展具有极其重要的意义。以医学影像的计算机辅助诊疗为例，血管中心线的提取能够有效分析感兴趣的血管结构和病灶进而判断管腔损伤、建立介入手术路径；进而为心脑血管疾病的治疗提供必要帮助和指导。

噪声图像中管状目标中心线的提取算法有很多种，常用的有基于最短路径的方法、基于拓扑细化的方法、基于距离变换的方法、基于追踪的方法，以及基于开曲线形变模型的方法。基于最短路径的方法计算量较低，但中心线并不准确的位于物体的中心且需要后期的调整，基于拓扑细化的方法计算量大且较易受图像质量的影响，基于追踪的方法计算速度快，但中心线获取不完整。上述方法在曲率变化较大或分枝较多的部分往往得出错误的中心线信息。

近年来，使用开曲线(opensnake)形变模型提取中心线的方法受到关注，它是一种描述端口开放的非闭合曲线的形变规律的参数模型，通过在一条开口的形变曲线两侧施加形变力牵引曲线逼近管状目标。但是现有的opensnake形变模型的形变时间长，形变过程存在欠进化、过进化、偏离目标等问题，点坐标矢量描述存在非等间距问题和低精度的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管状目标中心线的提取方法及装置，旨在解决现有的opensnake形变模型的形变时间长、形变过程难以控制、形变的精度低，导致提取中心线的精确性低和提取速率低的问题。

一方面，本发明提供了一种管状目标中心线的提取方法，所述方法包括下述步骤：

使用预设的管状目标增强算法对待提取管状目标中心线的图像进行预处理，以获取管状目标的增强图像，使用预设的迭代算法，获取所述增强图像的梯度矢量流场；

根据所述梯度矢量流场在所述增强图像中提取管状目标脊点，生成初始脊线段列表，根据所述梯度矢量流场获取所述初始脊线段列表对应的形变力参数，根据所述初始脊线段列表和所述形变力参数，建立正则化开曲线形变模型；

当未达到预设的形变结束条件时，根据所述正则化开曲线形变模型对所述初始脊线段列表中一脊线段进行形变，使用预设的平滑处理算法对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，获取所述形变后脊线段对应的管状目标中心线段，根据所述脊线段形变过程中遍历的脊线段更新所述初始脊线段列表；

当达到所述形变结束条件时，根据所有获取到的管状目标中心线段生成所述管状目标的中心线。

另一方面，本发明提供了一种管状目标中心线的提取装置，所述装置包括：

目标预处理单元，用于使用预设的管状目标增强算法对待提取管状目标中心线的图像进行预处理，以获取管状目标的增强图像，使用预设的迭代算法，获取所述增强图像的梯度矢量流场；

模型建立单元，用于根据所述梯度矢量流场在所述增强图像中提取管状目标脊点，生成初始脊线段列表，根据所述梯度矢量流场获取所述初始脊线段列表对应的形变力参数，根据所述初始脊线段列表和所述形变力参数，建立正则化开曲线形变模型；

脊线段形变单元，用于当未达到预设的形变结束条件时，根据所述正则化开曲线形变模型对所述初始脊线段列表中一脊线段进行形变，使用预设的平滑处理算法对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，获取所述形变后脊线段对应的管状目标中心线段，根据所述脊线段形变过程中遍历的脊线段更新所述初始脊线段列表；以及

中心线生成单元，用于当达到所述形变结束条件时，根据所有获取到的管状目标中心线段生成所述管状目标的中心线。

本发明使用预设的管状目标增强算法对待提取管状目标中心线的图像进行预处理，以获取管状目标的增强图像，使用预设的迭代算法，获取增强图像的梯度矢量流场，根据梯度矢量流场在增强图像中提取管状目标脊点，生成初始脊线段列表，根据梯度矢量流场获取初始脊线段列表对应的形变力参数，根据初始脊线段列表和形变力参数，建立正则化开曲线形变模型，当未达到预设的形变结束条件时，根据正则化开曲线形变模型对初始脊线段列表中一脊线段进行形变，使用预设的平滑处理算法对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，获取形变后脊线段对应的管状目标中心线段，根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表，当达到形变结束条件时，根据所有获取到的管状目标中心线段生成管状目标的中心线，从而优化了脊线段的形变过程，降低了脊线段的形变时间，提高了脊线段的形变精度，进而提高了提取中心线的精确性和提取速率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的管状目标中心线的提取方法的实现流程图；

图2是本发明实施例二提供的管状目标中心线的提取装置的结构示意图；以及

图3是本发明实施例二提供的管状目标中心线的提取装置的优选结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的管状目标中心线的提取方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

在步骤s101中，使用预设的管状目标增强算法对待提取管状目标中心线的图像进行预处理，以获取管状目标的增强图像，使用预设的迭代算法，获取增强图像的梯度矢量流场。

在本发明实施例中，在对待提取管状目标中心线的图像进行预处理时，可以使用多尺度滤波算法等现有的管状目标增强算法压制待提取管状目标中心线的图像的背景噪声，并提高图像中管状目标的亮度，使得管状目标中心获得较高的图像强度信息、边界和背景呈现低暗的强度信息。得到增强图像之后，计算增强图像的梯度矢量流场，以用于描述增强图像中的曲线段。在获取增强图像的梯度矢量流场时，可以使用现有的迭代算法。

在步骤s102中，根据梯度矢量流场在增强图像中提取管状目标脊点，生成初始脊线段列表，根据梯度矢量流场获取初始脊线段列表对应的形变力参数，根据初始脊线段列表和形变力参数，建立正则化开曲线形变模型。

在本发明实施例中，在增强图像中提取到管状目标脊点之后，生成初始脊线段列表时，可以通过脊点直接生成长度为预设数量个(例如，5个)体素的数组线段组成初始脊线段列表，也可以使用脊点跟踪技术快速提取较长的管状目标的脊线组成初始脊线段列表。其中，体素，是体积元素(volumepixel)的简称，是数字数据在三维空间分割上的最小单位，用于三维成像、科学数据与医学影像等领域。

在本发明实施例中，生成的初始脊线段列表中共有n条初始化的脊线段(开口曲线)，每条曲线表示为cn＝[x,v,ft]n，n＝1,2,…n，包含各点三维坐标x＝(x,y,z)、各点的单位方向矢量v＝(vx,vy,vz)、以及各点的gvf(梯度矢量流场)矢量ft＝(fx,fy,fz)，每条开口曲线动态数据结构分量可由如下矩阵表示，其中mn表示曲线的长度(像素单位)：

优选地，在获取到增强图像的梯度矢量流场之后，根据梯度矢量流场eτ获取形变力参数中的图像力从而提高形变的精度。

在步骤s103中，当未达到预设的形变结束条件时，根据正则化开曲线形变模型对初始脊线段列表中一脊线段进行形变，使用预设的平滑处理算法对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，获取形变后脊线段对应的管状目标中心线段，根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表。

在本发明实施例中，首先对初始脊线段列表中的一条脊线段进行形变，在进行形变时，正则化开曲线形变模型在形变力作用下进行循环迭代计算，以根据计算结果对这条脊线段进行形变，当满足迭代停止条件时，获取这条脊线段对应的形变后脊线段。然后使用预设算法(例如，等间距插值算法)对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，得到形变后脊线段对应的管状目标中心线段，最后，根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表。

具体地，根据公式计算脊线段的形变力，其中，为扯力，在脊线段的迭代形变过程中，脊线段上的点xt(x,y,z)根据公式xt+1＝(a+γi)^-1·(γxt-knfn(xt)-ksfs(xt))进行移动，其中，t是迭代次数，a是由弹性系数和刚性系数构成的矩阵，i是单位矩阵，γ、kn、ks是用来控制步长、平衡内力和外力、并平衡图像力和扯力的常数，fn为垂直于中心线方向的力，fs为沿着中心线方向的力。

优选地，在根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表时，删除初始脊线段列表中脊线段形变过程中遍历的脊线段，以防止后续迭代循环过程中该初始脊线重新搜索同一条路径，从而提高中心线的提取速率。

其中，迭代停止条件可以为脊线段的形变超出正则化开曲线形变模型规定的区域边界(例如，预先规定的可形变区域边界)、脊线段在两端形变力作用下的端点位移小于预设值(该预设值可以根据用户需要的提取精度和提取速率进行设置)、脊线段两端的形变力消失或脊线段在形变过程中遇到初始脊线段列表中的脊线段。

在本发明实施例中，对一条初始脊线段进行形变之后，在更新后的初始脊线段列表中再选择一条脊线段，对这条再次选择的脊线段进行上述同样的过程。循环对初始脊线段列表中的脊线段进行上述同样的过程，直到初始脊线段列表中不存在脊线段。

在步骤s104中，当达到形变结束条件时，根据所有获取到的管状目标中心线段生成管状目标的中心线。

在本发明实施例中，当初始脊线段列表中不存在脊线段时，说明达到了形变结束条件，此时，根据多条形变后脊线段对应的所有管状目标中心线段，生成管状目标的中心线。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。

实施例二：

图2示出了本发明实施例二提供的管状目标中心线的提取装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

目标预处理单元21，用于使用预设的管状目标增强算法对待提取管状目标中心线的图像进行预处理，以获取管状目标的增强图像，使用预设的迭代算法，获取增强图像的梯度矢量流场。

在本发明实施例中，目标预处理单元在对待提取管状目标中心线的图像进行预处理时，可以使用多尺度滤波算法等现有的管状目标增强算法压制待提取管状目标中心线的图像的背景噪声，并提高图像中管状目标的亮度，使得管状目标中心获得较高的图像强度信息、边界和背景呈现低暗的强度信息。在得到增强图像之后，计算增强图像的梯度矢量流场，以用于描述增强图像中的曲线段。具体地，在获取增强图像的梯度矢量流场时，可以使用现有的迭代算法。

模型建立单元22，用于根据梯度矢量流场在增强图像中提取管状目标脊点，生成初始脊线段列表，根据梯度矢量流场获取初始脊线段列表对应的形变力参数，根据初始脊线段列表和形变力参数，建立正则化开曲线形变模型。

在本发明实施例中，在增强图像中提取到管状目标脊点之后，生成初始脊线段列表时，可以通过脊点直接生成长度为预设数量个(例如，5个)体素的数组线段组成初始脊线段列表，也可以使用脊点跟踪技术快速提取较长的管状目标的脊线组成初始脊线段列表。

在本发明实施例中，生成的初始脊线段列表中共有n条初始化的脊线段(开口曲线)，每条曲线表示为cn＝[x,v,ft]n，n＝1,2,…n，包含各点三维坐标x＝(x,y,z)、各点的单位方向矢量v＝(vx,vy,vz)、以及各点的gvf矢量ft＝(fx,fy,fz)，每条开口曲线动态数据结构分量可由如下矩阵表示，其中mn表示曲线的长度(像素单位)：

优选地，在获取到增强图像的梯度矢量流场之后，根据梯度矢量流场eτ获取形变力参数中的图像力从而提高形变的精度。

脊线段形变单元23，用于当未达到预设的形变结束条件时，根据正则化开曲线形变模型对初始脊线段列表中一脊线段进行形变，使用预设的平滑处理算法对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，获取形变后脊线段对应的管状目标中心线段，根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表。

在本发明实施例中，首先对初始脊线段列表中的一条脊线段进行形变，在进行形变时，正则化开曲线形变模型在形变力作用下进行循环迭代计算，以根据计算结果对这条脊线段进行形变，当满足迭代停止条件时，获取这条脊线段对应的形变后脊线段。然后使用预设算法(例如，等间距插值算法)对形变后脊线段的点序列进行均匀地平滑处理，得到形变后脊线段对应的管状目标中心线段，最后，根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表。

具体地，根据公式计算脊线段的形变力，其中，为扯力，在脊线段的迭代形变过程中，脊线段上的点xt(x,y,z)根据公式xt+1＝(a+γi)^-1·(γxt-knfn(xt)-ksfs(xt))进行移动，其中，t是迭代次数，a是由弹性系数和刚性系数构成的矩阵，i是单位矩阵，γ、kn、ks是用来控制步长、平衡内力和外力并平衡图像力和扯力的常数，fn为垂直于中心线方向的力，fs为沿着中心线方向的力。

优选地，在根据脊线段形变过程中遍历的脊线段更新初始脊线段列表时，删除初始脊线段列表中脊线段形变过程中遍历的脊线段，以防止后续迭代循环过程中该初始脊线重新搜索同一条路径，从而提高中心线的提取速率。

其中，迭代停止条件可以为脊线段的形变超出正则化开曲线形变模型规定的区域边界(例如，规定的可形变区域边界)、脊线段在两端形变力作用下的端点位移小于预设值(该预设值可以根据用户需要的提取精度和提取速率进行设置)、脊线段两端的形变力都消失或脊线段在形变过程中遇到初始脊线段列表中的脊线段。

在本发明实施例中，对一条初始脊线段进行形变之后，在更新后的初始脊线段列表中再选择一条初始脊线段，对这条再次选择的初始脊线段进行上述同样的过程。循环对初始脊线段列表中的初始脊线段进行上述同样的过程，直到初始脊线段列表中不存在初始脊线段。

中心线生成单元24，用于当达到形变结束条件时，根据所有获取到的管状目标中心线段生成管状目标的中心线。

在本发明实施例中，当初始脊线段列表中不存在初始脊线段时，说明达到了形变结束条件，此时，根据多条形变后脊线段对应的所有管状目标中心线段，生成管状目标的中心线。

因此，优选地，如图3所示，该模型建立单元22包括：

参数获取单元321，用于根据梯度矢量流场eτ获取形变力参数中的图像力

优选地，该脊线段形变单元23包括：

遍历删除单元331，用于在初始脊线段列表中删除脊线段形变过程中遍历的脊线段；以及

循环形变单元332，用于正则化开曲线形变模型在形变力作用下进行循环迭代计算，以根据计算的结果对脊线段进行形变，满足迭代停止条件时，获取形变后脊线段。

在本发明实施例中，管状目标中心线的提取装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。