基于类球体区域限制波面传播法的肺气道树分割算法研究

发布时间：2020-05-20 11:13

【摘要】：近年来,雾霾天气日益增多,环境污染加剧,肺部疾病已成为人类生命的重要威胁之一。当前主要通过电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)技术获取用于肺部疾病诊断的医学影像数据,肺气道树分割算法主要通过处理胸部CT影像数据完成肺部气道树形结构的三维可视化。三维可视化气道树可用于气道内腔和气管壁尺寸的测量,并辅助诊断慢性阻塞性肺疾病。在医学图像处理领域,肺气道树分割可作为其他肺部结构分割的基础,如叶瓣分割和肺段分割。此外,三维可视化肺气道树是虚拟支气管镜检查的先决条件,可用于规划和指导支气管镜的介入过程。因此,肺气道树分割算法在肺部疾病的诊断和治疗中具有重要的作用,基于3D-CT影像数据构建准确的三维肺气道树模型具有重要的理论意义和应用价值。针对肺气道树分割特有的难点,研究内容如下:首先,根据边缘为纯曲面的区域限制具有边缘误差稳定性高的特点,提出了类球体区域限制方法。该方法着重处理波面传播法在无方向辅助时泄漏控制困难这一缺陷,通过类球体区域内和区域边缘的泄漏判定,检测泄漏并自适应调整阈值,对泄漏发生后的大规模扩散起到了较好的限制作用,有效提升了肺气道树各部分尤其是细小气道部分的分割完成度。然后,针对细小气道处气管壁所具有的低亮度缺口小而多的特点,提出了气管壁缺口封堵算法,准确定位并封堵因部分容积效应和噪声等因素所产生的低亮度气管壁缺口。实验表明,该算法对能够封堵大部分微小气管壁缺口,极大限制了欠分割现象的发生,在细小气道处效果显著。此外,配合气管壁缺口封堵的自适应阈值方法有效提升了分割完成度并降低了分割错误率。经EXACT09标准化验证之后,对比网站公示的其余21种性能比较优异的算法,本文所提算法在表示分割完成度的四项参数排名中仅次于NagoyaLoopers和FF_ITC算法。在其余三项表示分割错误率的参数对比中,结果表明本文所提算法能有效限制泄漏发生后的大规模扩散现象。此外,本文所提算法为全自动方法,程序运行时间短,具有较大的应用价值。
【图文】：

肺气,研究现状,分割算法

病、弥漫性疾病、气管及支气管疾病、肺癌等）的发病率急剧增长。据卫生部统逡逑计，２０１８年中国以肺癌为死因的概率较３０年前提升超过四倍，已经超越肝癌成逡逑为中国所有癌症疾病中导致死亡的第一元凶（如图１．１）。据统计，只有１０－１５％的逡逑肺癌确诊患者能够存活五年，而针对肺癌的早期诊断和恰当治疗是提高患者生存逡逑概率的关键［３］。肺气道树是肺的重要组成部分，由主气管、支气管、段支气管和逡逑亚段支气管等部分组成。富氧空气经由肺气道树进入肺泡，完成与废气的交换后，逡逑再经由肺气道树排出体外。而呼吸系统疾病，例如肺肿瘤、肺栓塞、肺萎陷、肺逡逑炎、肺气肿、哮喘等，可以导致严重的肺及肺气道树的形态改变，包括支气管狭逡逑窄、支气管扩张等［４，５］。因此，在医学影像中分割肺气道树可作为临床中肺部疾逡逑病辨别的重要辅助手段。逡逑在肺部ＣＴ数据上提取肺气道树的核心是肺气道树分割算法。肺气道树分割逡逑算法主要通过处理胸部ＣＴ影像数据完成肺部气道树形结构的三维可视化。三维逡逑可视化气道树可用于气道内腔和气管壁尺寸的测量，并辅助诊断慢性阻塞性肺疾逡逑病（ＣＯＰＤ）［６

肺气,解剖结构,气道,支气管

为亚段支气管，最终延伸到肺实质中与肺泡相连，成为完整的气体交换通道［３６］。逡逑医学上将各段肺气道树的解剖结构进行了更加细致的划分，且各段支气管均逡逑有相应的命名（如图１．２所示），了解肺气道树的详细解剖结构对肺气道树分割算逡逑法的研究和测试具有重要的辅助作用。逡逑；｜邋？逡逑右主支气管逦＼逦￥逡逑尖段支气管逦＼邋＼逦■丨逡逑右肺上叶支气管一－Ａ逦／邋Ａ逦１１王文邋＇目逡逑后段支气管逦＇＼邋、二Ｙ逦７■一尖后段支气管逡逑前段支气管逦逦前段支气管逡逑＇ｒｖ逦ＪＴｎｗｔｘ邋＾逦——＾－左肺上叶支气管逡逑：逦ｉ逦上舌段支气管逡逑右肺中叶支气管＇￣￣■、下舌段支气管逡逑上段支气管左肺ｗ支气管逡逑＿＿段支气管逦１逦—４各二外侧底段逡逑前底段支飞巨，，内侧（心）逦支气管逡逑外侧底段支气管一＝ｖ－ｖ＾ｌ邋＊底段支气管逦Ｃ邋；NB邋；后底段支气管逡逑后底段支气管——－－ｖ逡逑图１．２肺气道树的解剖结构及各段命名逡逑肺气管由气道（Ａｉｒｗａｙ）与气管壁（Ｔｒａｃｈｅａｌ邋Ｗａｌｌ）组成。图１．３为肺部单层ＣＴ逡逑局部放大后图像，ＣＴ图像每个点记录的数值为ＣＴ值，单位为ＨＵ。如图１．３所逡逑示
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R816.4;TP391.41

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