一种基于浅表切面超声图像的肝包膜线提取与特征描述的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医学影像分析技术领域，具体设及针对浅表切面超声图像的肝包膜线 提取方法。
【背景技术】
[0002] 肝病是严重危害人类健康的疾病，中国人群中的肝炎病毒携带者超过总人口的 10%。由于长期和反复损害易导致慢性肝脏硬化性疾病，即乙肝肝硬化。肝硬化易导致多种 并发症，如上消化道出血、肝性脑病等，从而造成死亡，死亡率为12%。乙肝肝硬化的前期无 创诊断都主要依据超声成像，其他影像学检查手段都或多或少都存在一些缺点[1 ]:传统的 X线成像对于评价肝硬化缺乏足够的对比分辨率，价值有限；CT技术的空间分辨率不足，不 能很好地分辨肝实质结缔组织，且有放射性损害;MRI具有多平面成像能力和更高的软组织 分辨率，适用于评价浅表器官组织病变，但无法进行实时动态检查，操作不便且成本较高。 随着超声仪器分辨率的不断提高及超声探头频率的不断改进，超声图像在浅表器官组织病 损的诊疗及随访中显示出了明显的优势。
[0003] 目前，针对肝脏超声图像的定量分析主要集中在对肝癌即肿瘤的纹理诊断分割 [2,3]，对肝癌的前期阶段即肝硬化和肝纤维化的定量分析缺乏相关方法[4-引^1*611化曰
[4] 等使用多分辨率小波变换对肝脏超声图像的实质组织进行纹理分析，使用灰度均值、标 准方差、赌等统计量来描述纹理结构特征，定量分析正常肝、肝硬化和肝癌肿瘤部分的差 异，在60组样本集中获得了 86%左右的正确识别率。但是，该方法提取的纹理特征不能直接 对应医学诊断的视觉属性，且不能直观对应结节纤维化肝脏实质。
[0004] 近年来几何特征驱动的图像处理成为视觉信息处理领域发展的趋势，也越来越多 地应用于各种人体组织的医学图像，包括骨骼W'W、脑组织、肝脏M、咽部W等。也有不 少学者致力于超声医学图像的几何特征分析，在肌肉组织W3、卵泡测量[163、颈动脉显像 等方面均有报道。
[0005] 虽然已有学者对肝脏损伤的CT图像进行了几何特征研究，但未设及对肝包膜 的处理。肝包膜由紧密结合的两层构成:厚的纤维性的内层为Glisson包膜，完整包裹整个 肝脏;浆液样外层由腹膜衍生而来，覆盖除肝裸区、肝口、胆囊贴附处的肝脏大部分。超声图 像中肝包膜的两层结构不能区分，整体显示为肝表面纤细、光滑的线样结构。肝硬化时由于 肝实质组织破坏、纤维组织增生、假小叶形成，肝包膜受累可表现为增厚或厚薄不均，呈波 浪状、银齿状、台阶状改变等，但运些表现均为定性诊断，缺乏定量评估的指标。
[0006] 包膜轮廓线提取与其他边界提取相比，图像噪声大，（在浅表切面中）真皮层、脂肪 层、包膜层、肌纤维层各边界容易混淆，病理原因导致边界可能不连续。在轮廓线提取中， Sobel、Prewitt、Robed算子由于其全局性而无效，Canny算子由于干预了边界本身的连续 性而无效，Level Set、Active Snake Model由于其针对的对象为连续封闭的曲线而无效。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种比较准确地提取肝浅表切面超声图像中包膜线的方 法，并给出包膜线的连续性特征和平滑度特征描述。
[0008] 肝浅表切面超声图像中包膜线大致位置、总体走向水平是基本固定的。肝包膜与 肝实质之间的声阻抗差异形成了图像中的强回声，所提取的边界点落在运些强回声附近。 本发明给出了一种结合梯度优化与拟合优化的人工点取优化方法，比较准确地提取出包膜 轮廓线，并W此为基础，W构成包膜线的线段数描述其连续性特征，W包膜线相邻控制点夹 角的均值与方差描述其平滑度特征。
[0009] 超声图像中，正常人的肝包膜线连续且光滑。肝硬化时由于肝实质组织破坏、纤维 组织增生、假小叶形成，肝包膜受累可表现为增厚或厚薄不均，呈波浪状、银齿状、台阶状改 变等，即连续性和光滑度被破坏。本发明提出的上述特征对此变化给出了定量描述。运对肝 脏超声图像的定量分析具有重要意义。
[0010] 本发明提出的肝浅表切面超声图像中包膜线的提取方法，具体步骤为：
[0011] (1)选择在包膜线上或附近能够反映包膜线走向的k个参考点，记为Vi，V2，. . .Vk;
[0012] (2)定义初始轮廓线：
[0013]
[0014] 其中，Vi的坐标记为佔，7〇，义记[1，胖]，胖为切面宽度，胖为切面宽度；
[0015] (3)定义梯度优化函数：
[0016]
[0017]其中，常量ε限制梯度优化范围；
[0018] (4)按照梯度最大原则，由步骤（1)、步骤(3)，将参考点变为包膜线上可靠的控制 点，点集为：
[0019] Vc={V^i(xi,yi)|yiS^G(xi)ae[l,k]}
[0020] (5)对Eo中任一线段巧柏7,线段上所有点记为Vi，vi，V2,. . .，Vm，Vi+i;
[0021] 对V1，V2, . . .，Vm，由（3)可得至ljv'l，v'2, . . .，V'm;
[0022] 结合步骤(4)，得到点列V'i，v'i，v'2，. . .，v'm，V'i+i;
[0023] (6) w步骤(5)中点列，拟合线段兩巧立，
[0024]
馬足min I I Y-aX2+bX+c I 12;
[0025] 得到系数a，b，c，重新计算得到V" 1，V"2，. . .，V"m;
[0026] 计算所有线段，得到轮廓线点集。
[0027] 本发明提出的边界集几何特征描述
[00巧]l、w构成包膜线的线段数描述包膜连续性(Continuity of化psule)
[0029] (1)使用8连通算子计算轮廓线的各分段长度，分段数记为S
[0030]
[0031] 其中，i = {0，l，2，...7}，C={l，3,5,7)，f二l-f，f(9)=f(l)。f(i)表示第i个邻居 的像素点的值。
[00创 （2)对各段按长度由大到小排序，得到l/={l/i|l/i>l/w，ie[0，s]}
[0033] (3)连续性特征描述：
[0034]
窜中 fe[0.8，l]。
[0035] 2、W包膜线相邻控制点夹角的均值与方差描述包膜平滑度（Smoothness of Capsule)
[0036] (1似控制点V。组成包膜线的控制多边形，计算相邻边的夹角：
[0037] Ai = I acos ((Vw-Vi)，（Vi+2-Vi+i)) I，i e [ 1，k-2]
[0038] (2)计算均值与方差：
[0039]
[0040] 实验表明，连续性(coc)特征在正常、轻度、中度分组中差异具有统计学意义;平滑 度(S0C)特征，在正常、轻度、中度、重度分组中差异有统计学意义。
[0041] 本发明为基于浅表切面超声图像的医学影像分析提供了有效的技术手段。
【附图说明】
[0042] 图1~图4为不同程度肝硬化患者的肝浅表切面超声图像的包膜线比较。其中，a为 超声图像原图，b为分析后的图像，红色为提取的包膜线。
[0043] 图 1，正常：SoCw= 2.28，SoC〇 = 2.40，CoC= 1。
[0044] 图 2,轻度：SoCw=5.40，SoC〇=15.31，CoC = 4。
[0045] 图3,中度：SoCw=8.79，SoC〇 = 45.55，CoC = 7。
[0046] 图4,重度：SoCw=化.75，S〇C〇=154.01，C〇C=14。
【具体实施方式】
[0047] 1.图像采集
[0048] 使用超声诊断仪，探头频率4~lOMHz。受检者仰邸位或左侧邸位，分别于剑突下及 右侧肋间扫查肝组织，调整图像深度及增益使肝包膜及浅表肝实质显示清晰，分别存储肝 左叶及右叶肝包膜二维声像图，不同部位至少存储Ξ张图像，W备进行包膜线的提取与特 征分析。
[0049] 2.包膜线提取
[0050] (1)参考点选取:选择在包膜线上或附近能够反映包膜线走向的若干点。
[0051] (2)对图像使用S0BLE算子计算X轴与Y轴方向梯度的绝对值之和，得到原图像和梯 度图像。
[0052] (3)控制点生成:对（1)中参考点，按照梯度优化思想，自动寻找参考点附近梯度变 化最大的位置并W此位置替代原参考点，最终得到包膜线上对应的若干控制点。寻找范围 通常定为10~20像素之间。
[0053] (4)轮廓线上其他点的生成：
[0054] a.采用线性插值，生成任意相邻的两个参考点中间的点；
[0055] b.遵循(3)中的优化方法，得到梯度最大的点；
[0056] c.采用最小二乘法，消除（3)中错误的点。
[0057] (5)相邻轮廓线段的合并
[0058] 对于轮廓上的相邻线段，计算前条线段的终点与后条线段的起点间的距离，如果 距离较小(一般选取4-6)，则合并为一条线段。
[0化9] 3.特征计算
[0060] (1)连续性
[0061] 使用8连通算子计算轮廓线的各分段长度，对各段按长度由大到小排序，计算达到 80%切面宽度所需要的线段数。
[0062] (2)平滑度
[0063] 依次连接控制点，计算各邻边构成的夹角，计算夹角的均值与方差。
[0064] 4.结果
[0065] (1)不同组别肝包膜连续性指标的比较
[0066] 随着肝硬化程度的逐渐加重，当线段长度和达到浅表切面宽度的80%时所需要的 线段数量逐渐增多，其中除了中度组和重度组之间的比较差异无统计学意义外（P = 0.149)，其余各组之间的比较差异均有统计学意义(P<0.05)，具体数值见表1和表2,典型示 例见图1所示。
[0067] (2)不同组别肝包膜平滑度指标的比较
[0068] 随着肝硬化程度的逐渐加重，表示肝包膜平滑度的夹角均值和方差逐渐增大，不 同组别之间两两比较，差异均有统计学意义(P<〇.05)。具体数值见表1和表2,典型示例见图 1所示。
[0069] 表1各组间肝包膜平滑度和连续性指标的均数±标准差巧±诗
[0070]
[0071 ]表2各组间肝包膜平滑度和连续性指标的显著性比较
[0072]
[0073] 注；
[0074] (1)各组间年龄、性别、体重等差异均无统计学意义。
[0075] (2)依据化ild-化曲改良分级标准将患者的肝功能分为Ξ个