一种人体胸部器官组织的自动提取方法与流程

本发明涉及一种人体胸部器官组织的自动提取方法，属于医学图像处理
技术领域：
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背景技术：
：近20年，医学影像设备迅猛发展，各医疗机构每天都要产生海量的医学影像资料，计算机断层扫描(computedtomography，CT)，磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)等成像技术已成为观察器官组织的重要手段。医学图像处理的结果使科研人员和临床医生直观清晰的观察人体内部正常和病变位置。因此，国内外相关专家一直非常重视医学图像处理技术，而医学图像分割是图像处理技术中的经典难题。现有的图像分割技术存在不够清晰，致使器官组织的边界不平滑，影响科研人员和临床医生的观察。技术实现要素：本发明为了解决的现有的图像分割技术不够清晰，致使器官组织的边界不平滑，影响科研人员和临床医生的观察的问题，进而提供了一种人体胸部器官组织的自动提取方法。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种人体胸部器官组织的自动提取方法，所述方法的实现过程为：步骤一、读取一个序列的三维断层扫描图像；步骤二、利用最小二乘椭圆拟合算法对序列中每张图像进行拟合初步分割处理，去掉胸骨以外部分，保留胸骨以内部分；步骤三、去除胸骨以内部分的图像噪声并再次进行分割处理，去掉不必要的软组织，得到胸骨以内的包括气管、血管的感兴趣区域；步骤四、进行体绘制，得到三维重建结果；步骤五、根据体绘制结果进行面绘制；步骤六、将面绘制结果保存为3D模型格式文件，用于3D打印。在步骤二中，利用最小二乘椭圆拟合算法对序列中每张图像进行拟合初步分割处理，具体过程如下：1)输入胸骨内测边缘待拟合的二维离散点的坐标，带入公式(3)求出系数矩阵B；2)对系数矩阵B采用QR分解得到包含R11，R12，R22的矩阵；3)对矩阵R22采用奇异值分解R22＝U∑VT；4)根据R11，R12和由奇异值分解的V确定最后拟合的椭圆；B=x1y11x122x1y1y12..................xmym1xm22xmymym2---(3).]]>在步骤三中，应用3DTV-L1模型去除胸骨以内部分的图像噪声并再次进行分割处理，其过程如下：1)输入三维CT体数据f，初始化v0＝f,ξ0＝0,andu0＝0,2)开始迭代，k＝0,1,2,3…；3)采用计算对偶变量ξ；4)采用计算主变量uu；5)采用Uk+1＝uk+1+α(uk+1-uk)计算差值变量U；6)采用广义软阈值公式计算v；7)直到满足收敛条件。在步骤四中进行体绘制后，可手动交互分割，手动选取不需要的区域进行删除处理。在步骤五中，应用MC(marchingcube)算法进行面绘制，得到三维重建结果。在步骤六中，将面绘制结果保存为stl格式的3D模型格式文件，用于3D打印。在步骤一中所述的三维断层扫描图像采用CT或合磁共振(MRI)设备获得。在步骤一中所述的三维断层扫描图像的格式为dicom、bmp或jpg。发明具有以下有益效果：本发明依据医学图像，重建组织结构三维模型，实现对模型的旋转、缩放、切割等基本交互操作。解决了图像分割不够清晰的问题，通过改善的TV-L1模型来平滑图像。本发明用椭圆拟合方法拟合CT数据后，将感兴趣的部分进行初步分割，然后应用3DTV-L1模型进行去噪平滑后进行二次分割，达到平滑体积的效果，最后给出一个明确的三维体绘制结果，大量的实验结果验证了本发明方法图像分割清晰、边界平滑的性能。本发明用于医学图像分割，把图像中的解剖结构或者感兴趣区域勾画出来，医学图像分割对三维可视化、三维定位、制定手术计划和计算机辅助诊断具有重要的意义。自动分割方法完全避免了观察者主观因素的影响，提高了处理数据的速度，可重复性好。附图说明图1是本发明的自动提取方法的流程图；图2至图5是自动提取过程图；图2中的a、b、c、d是读取相邻序列的四张三维断层扫描图像；图3中的a、b、c、d是对图2中的四张三维断层扫描图像分别进行初步分割并去噪后的四张三维断层扫描图像；图4中的a、b、c、d是对图3中的四张三维断层扫描图像分别应用3DTV-L1模型进行去噪后的四张三维断层扫描图像；图5中的a、b、c、d是对图4中的四张三维断层扫描图像分别应用3DTV-L1模型进行二次分割后的四张三维断层扫描图像；图6中的a、b、c是进行体绘制后的三个不同角度的立体图；图7中的a、b、c是进行面绘制后的三个不同角度的立体图。图8是本发明实施例1中的附图，图中，a为CT数据图，b为三维重建结果图。图9是本发明实施例2中的附图，图中，a为CT数据图，b为三维重建结果图，c为3D打印结果图。具体实施方式具体实施方式一：参见图1、图2至图7说明本实施方式，如图2至图7所示：图2为原始CT图像；图3为应用最小二乘椭圆拟合算法分割后的结果；图4为应用3DTV-L1算法去噪平滑的结果；图5为应用3DTV-L1算法二次分割的结果；图6为三维体绘制结果；图7为三维面绘制结果。本实施方式所述的人体胸部器官组织的自动提取方法的实现过程为：步骤一、读取一个序列的三维断层扫描图像；步骤二、利用最小二乘椭圆拟合算法对序列中每张图像进行拟合初步分割处理，去掉胸骨以外部分，保留胸骨以内部分；将椭圆拟合的方法应用到二维序列中，可以有效的分割出想要的部位；步骤三、去除胸骨以内部分的图像噪声并再次进行分割处理，去掉不必要的软组织，得到胸骨以内的包括气管、血管的感兴趣区域；步骤四、进行体绘制，得到三维重建结果；步骤五、根据体绘制结果进行面绘制；步骤六、将面绘制结果保存为3D模型格式文件，用于3D打印。利用3DTV-L1进行图像去噪和复原，得到清晰的三维体绘制结果。本实施方式在步骤二中所述的椭圆拟合的方法，具有三个元素，即二次曲线，参数，和焦距。一个二次曲线的表达式的描述由以下的隐式二阶多项式来表达：F(x,y)＝a11x2+2a12xy+a22y2+b1x+b2y+c＝0(1)方程(1)转化为如下二次型xTAx+bTx+c≈0(2)在这里x＝(x,y)T,b＝(b1,b2)T.为了保证式(2)是一个椭圆，要求v＝(b1,b2,c)Tw=(a11,2a12,a22)T]]>约束||w||＝1，此外，我们定义以下系数矩阵BB=x1y11x122x1y1y12..................xmym1xm22xmymym2---(3)]]>强制约束||w||＝1，B的分解QR完成，之后导致了以下等效系统R11R120R22vw≈0---(4)]]>解以下两个方程R22w≈0w||＝1分解R22，得到R22＝U∑VT把w替换成(4)，由下面的公式解决v中其余变量v＝-R11-1R12w确定v和w就可以确定一个精确的椭圆。在步骤三中，应用3DTV-L1模型去除胸骨以内部分的图像噪声并再次进行分割处理，其过程如下：1)输入三维CT体数据f，初始化v0＝f,ξ0＝0,andu0＝0,2)开始迭代，k＝0,1,2,3…；3)采用计算对偶变量ξ；4)采用计算主变量uu；5)采用Uk+1＝uk+1+α(uk+1-uk)计算差值变量U；6)采用广义软阈值公式计算v；7)直到满足收敛条件。本实施方式中步骤二和三中采用的算法均为现有技术中的算法，其对应的参数含义是公知常识。具体实施方式二：本实施方式，在步骤四中进行体绘制后，可手动交互分割，手动选取不需要的区域进行删除处理。其它步骤与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式，在步骤五中，应用MC(marchingcube)算法进行面绘制，得到三维重建结果。其它步骤与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式，在步骤六中，将面绘制结果保存为stl格式的3D模型格式文件，用于3D打印。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。具体实施方式五：本实施方式，在步骤一中所述的三维断层扫描图像采用CT或合磁共振(MRI)设备获得。其它步骤与具体实施方式一、二、三或四相同。具体实施方式六：本实施方式，在步骤一中所述的三维断层扫描图像的格式为dicom、bmp或jpg。其它步骤与具体实施方式一、二、三、四或五相同。本发明方法的实施例：实施例1：肺部肿瘤-国内首例利用3D打印技术完成复杂肺门肿瘤手术：案例介绍(完成时间：2015年7月16日；合作单位：哈医大四院胸外科)：肺门肿瘤位于肺的根部，常规CT很难分清肺门肿瘤与周围血管的关系，手术风险高、失血较多。打印3D肺部模型后，可清晰明确肿瘤真实位置以及肿瘤与周围血管的关系，可以更精确地手术。从3D模型中医生还发现刘大妈的血管是畸形的。这根血管一般人没有，而刘大妈恰恰在左侧胸腔内存在着一条从左侧锁骨下动脉分支出的一条粗大血管，如果不注意，手术中可能误伤。如图8所示。实施例2：肺部肿瘤-肺段局部精准切除手术：案例介绍(完成时间：2015年7月；合作单位：哈医大四院胸外科)：该案例将一个大开胸手术变成了一个微创手术，在3D打印实体模型的指导下进行了肺段局部精准切除手术。缩短了手术时间，降低了手术风险，尽最大可能保留了患者的肺部组织。如图9所示。当前第1页1 2 3