基于多图谱多通道的多发性硬化症病灶分割方法研究

发布时间：2020-07-18 17:52

【摘要】：随着人工智能和计算机技术在医学图像处理方面的不断应用和发展,数字医学图像为临床医学的诊断和辅助诊疗方面奠定了基础。脑部图像的处理和分析引起了专家的广泛关注。在数字医学图像的处理当中图像分割是图像识别和计算机可视化等方面的关键预处理步骤。数字医学图像分割的目的是将图像中的感兴趣区域(Region of Interest,ROI)分割处理并进行相应研究。另外,高效、精确的分割,是进行定量和定性分析、3D可视化的重要步骤。磁共振成像常被用来描述和量化多发性硬化症(MS)在大脑和脊髓的病灶。病灶的数量和体积已被用来评估多脑部白质病灶的疾病负担、跟踪疾病的进展,并在临床试验中评估新药物的效果。磁共振图像中脑部白质病灶的准确识别是极其困难的,因为病灶的位置、大小、形状以及受试者之间的解剖结构都存在差异。本文在传统马尔科夫随机场理论的基础上,针对脑白质病灶的特点提出了一种改进的基于多图谱多通道的多发性硬化症病灶分割方法。所做的研究工作如下:(1)文献的查阅和分析。首先,查阅大量的与脑部磁共振成像(MRI)和医学图像分割有关的文献,系统分析了国内外专家在医学图像分割领域的主要研究现状和未来的发展趋向。其次,阐述了MRI成像技术和数字医学图像分割的基本原理。最后,结合脑白质病灶特点以及现有的分割技术的优点,提出本文的脑白质病灶分割方法。(2)图像预处理方式的选择。实验所采用的数据集是来自磁共振扫描的公共可以获得,没有经过其它方式处理。为了分割更加精确和节省时间,提高鲁棒性,因此,进行灰度不均一性和偏差场校正,以及去头颅等操作。(3)系统阐述贝叶斯理论、马尔科夫随机场(MRF)和吉布斯随机场(GRF)原理,并且分析了它们在医学图像分割中的应用。另外,阐述传统的医学图像分割方法的缺点,在此基础之上我们采用能量最小化方法进行偏差场校正。采用结合MRF和Gibbs的稀疏贝叶斯决策理论进行病灶图像分割。最后,对同一患者的T1-w,T2-w和FLAIR图像病灶分割结果进行融合,目的是使最后分割结果更加精确。(4)实验验证和评估。在本文中采用Matlab2015b、FSL和MIPAV软件平台,对所提出的分割方法进行可行性验证和分析,对分割结果进行定量和定性评估。研究的创新之处是,(1)利用自适应稀疏贝叶斯决策定理进行多发性硬化症病灶分割,该方法与MRF和GRF相结合,目的是采用一种可靠的,鲁棒性强的MS病灶分割方法;(2)采用T1-w、T2-w和FLAIR图像相结合的多通道机制来进行病灶融合,目的是减少匹配歧义,提高分割精度;(3)进行了病灶的体积和数量的有效计算,可帮助专家进行预后和分析。研究的不足之处是,数据的灰度不均一性校正的迭代的次数相对较多,因此,多发性硬化症病灶整体处理效率没有达到理想效果。由于病灶的体积和数量的精确计算,将有利于医生进行诊断和分析,但是我们的方法还是没有达到理想的效果。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;R744.51
【图文】：

功能分布,解剖结构

所常见的疾病，例如：阿尔兹海默症（Alzheimer Disease，AD）、多发性硬化症（Multiple Sclerosis，MS）、癫痫病（Epilepsy）以及各种脑部肿瘤等疾病的发病率也在逐年增加[1-2]。每年的 9月 21 日是被称为是“世界老年痴呆日”，2018 年，美国阿兹海默症协会公布的数据显示，AD 人口持续上升，而且每人看护费用超过了四十万美元，但是如果得到早期的诊断，并得到有效治疗和照顾，其费用将会低于三十五万美元[2]。由于医学成像技术可以非常准确和高效的获取病人的信息，因此，借助医学影像技术进行病灶相关检查和分析成为研究的焦点之一。由于大脑结构的复杂性以及脑部疾病的多样性，使得医生在进行疾病的诊断和治疗方面变得非常困难。图 1-1 展示了复杂大脑的解剖结构图和功能分布图。大脑作为人体神经系统的高级中枢，具有控制和协调身体各方面机能的功能。从图 1-1 可以看到复杂的解剖结构对应相应的机体功能，通过整合每个区域的信息，并进行分析，将更有利于脑部疾病的诊断、治疗。

医学图像分割,意义

表 1-1 常见影响医学图像分割的因素部分影响因素噪音伪影缺乏多特征灰度不均一性偏差场效应部分容积效应诊疗过程中，如果将感兴趣区域或者解剖结构按照某种规则（、面积、形状等）分割出来，通过医生或者专家科学有效的分析断和治疗[6]。由于受到如表 1-1 所示因素的影响，上述几种方式采多样性与复杂性，所以造成对医学图像的分割有很大的困难[7-8]。像处理中图像分割的子领域，在数字医学图像分析和诊断方面具确和高效的数字医学图像分割方法研究成为了图像处理领域所关学图像分割意义如图 1-2 所示[9]。

多发性硬化症,主要症状

CNS)白质慢性、持久的炎性脱髓鞘病灶为主要特征的自身免疫疾病[10]。在病理学上的特点是炎症、脱髓鞘、轴突脱落和神经胶质增多，分散贯穿于中枢神经系统[10-12]。早期发病症状主要表现为四肢麻木无力、眩晕等，后期会导致中风、认知功能障碍、肢体功能障碍、老年抑郁、阿兹海默症等，严重威胁人类健康（图 1-3）[12]。脑部灰质（Grey Matter， GM）和白质（White Matter， WM）的不断萎缩是诱发多发性硬化症疾病的主要原因，从而导致多发性硬化病灶（MS Lesions，MSLs）不断增加[13]。多发性硬化症是导致年轻人残疾的非创伤性神经疾病且在女性中发病概率比男性多出两到三倍，但男性患有后期疾病发病的倾向较差，预后较差。MS在幼年时期发病率低，18岁以后迅速增加，当达到 25 35岁之间后会缓慢下降，在 50岁以上变得较少[10-11]。根据最新的流行病学研究，MS 的患病率和发病率在全球范围内不断增加。每年，MS 疾病的萎缩率为0.6％ 1.0％，然而，每年健康大脑的萎缩率为 0.1％ 0.3％[13]。由于 MS 病灶的位置，大小，形态学变异，与正常脑组织的灰度相似性以及脑图像的主体间解剖变异等频繁变化，从而也造成 MS病灶的难以准确识别、表征和量化[14]。

【相似文献】