0 引言

    隨著大氣環(huán)境的不斷惡化，肺部疾病的發(fā)病率逐年提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，肺癌占癌癥患者的比率高達(dá)21%，死亡率也居高不下。臨床發(fā)現(xiàn)，早期肺癌的治愈率高達(dá)90%以上，及早發(fā)現(xiàn)肺部異常情況可以控制病情，降低死亡率。目前，主要通過(guò)觀察肺部CT序列圖像來(lái)尋找病灶信息，精確地分割出肺部區(qū)域是定位腫瘤的關(guān)鍵前提條件。針對(duì)肺部區(qū)域的分割，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要從閾值法、區(qū)域法、遺傳法、水平集法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    閾值法是最常用和簡(jiǎn)單的一種分割方法，原理是繪制圖像的灰度直方圖，通過(guò)選取直方圖中的閾值，對(duì)圖像進(jìn)行分類，得到分割結(jié)果。文獻(xiàn)[1]中，郭圣文等提出首先應(yīng)用自適應(yīng)閾值法二值化肺部區(qū)域圖像，然后應(yīng)用特征分類器精確地分割出肺部區(qū)域。閾值法要求圖像的灰度值要均勻分布，直方圖里能明顯地觀察到峰谷，否則就不能準(zhǔn)確地分割指定區(qū)域，局限性比較大。文獻(xiàn)[2]中，Gao Guorong等提出區(qū)域生長(zhǎng)法分割肺部區(qū)域，根據(jù)設(shè)定的種子點(diǎn)，準(zhǔn)確地剔除掉粘連肺部的氣管及血管等高密度信息，但需要人工選取種子點(diǎn)，誤差比較大，實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合其他算法分割結(jié)果更好。文獻(xiàn)[3]中，秦曉紅等提出利用遺傳算法中的全局尋優(yōu)能力策略實(shí)現(xiàn)肺部區(qū)域的分割，該算法能使分割簡(jiǎn)化，并提高搜索范圍，但是需要提供大量的訓(xùn)練樣本，提取特征也需要花費(fèi)大量的時(shí)間，收斂速度也比較慢，實(shí)用性不高。文獻(xiàn)[4]-[5]中，魏穎等人應(yīng)用幾何主動(dòng)輪廓模型(Geometric Active Contour，CAC)中的C-V水平集方法來(lái)分割肺部區(qū)域，并結(jié)合肺部結(jié)構(gòu)特征改進(jìn)了C-V方法，肺部邊界分割的精度和準(zhǔn)確度都有提高。與傳統(tǒng)的GAC模型相比，該方法的分割精度更高，收斂速度更快，也有效防止了邊緣的漏損。綜上所述，主動(dòng)輪廓模型發(fā)展起來(lái)的水平集方法的分割性能比較好，算法復(fù)雜度也低，也可處理復(fù)雜的圖像。因此，本文把傳統(tǒng)的分割方法與現(xiàn)代的分割方法進(jìn)行優(yōu)化組合，提出一種基于區(qū)域生長(zhǎng)法與水平集相融合的肺部CT圖像的分割。首先采用自適應(yīng)閾值法對(duì)肺部CT圖像進(jìn)行二值化處理，然后應(yīng)用區(qū)域生長(zhǎng)法對(duì)肺部區(qū)域進(jìn)行粗分割^[6]。最后運(yùn)用水平集方法中的幾何活動(dòng)輪廓模型實(shí)現(xiàn)精確分割，在MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)試后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在肺部CT圖像的分割中應(yīng)用本文的方法取得了較好的分割效果。

1 算法原理

1.1 閾值法原理

    閾值法^[7]是一種區(qū)域分割技術(shù)，把灰度值分成兩個(gè)或者更多的灰度區(qū)間，選擇一個(gè)或者多個(gè)合適的閾值，根據(jù)目標(biāo)和背景的差異，判斷區(qū)域是否滿足閾值要求，把背景和目標(biāo)分開(kāi)產(chǎn)生二值圖像。閾值處理有兩種形式：全局閾值和自適應(yīng)閾值。全局閾值只設(shè)定一個(gè)閾值，自適應(yīng)閾值設(shè)定多個(gè)閾值，通過(guò)灰度直方圖的峰谷處確定閾值來(lái)分割目標(biāo)和背景區(qū)域。

    閾值選取得是否合適，決定圖像分割的好壞，本文選用自適應(yīng)閾值法二值化肺部圖像。肺部區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不同的環(huán)境及條件下，圖像表現(xiàn)也各異，應(yīng)用自適應(yīng)閾值法，動(dòng)態(tài)地選取多個(gè)閾值可以達(dá)到對(duì)肺部區(qū)域更好的二值化處理。

    本文應(yīng)用比較受歡迎的OSTU算法選取閾值?；驹硎牵豪瞄撝蛋阎狈綀D分為兩部分，當(dāng)被分成的兩部分方差最大時(shí)，獲得最優(yōu)閾值^[8]。自適應(yīng)閾值法最終把DICOM格式的醫(yī)學(xué)CT圖像轉(zhuǎn)化為只有黑白色的二值圖像，以便于后期對(duì)圖像進(jìn)行分割、提取、識(shí)別等處理。

1.2 區(qū)域生長(zhǎng)法原理

    區(qū)域生長(zhǎng)法基本思想是：根據(jù)預(yù)先定義的生長(zhǎng)準(zhǔn)則來(lái)把像素或子區(qū)域合成較大區(qū)域的處理方法，基本處理方法是以一組“種子”點(diǎn)開(kāi)始來(lái)形成生長(zhǎng)區(qū)域，即將那些預(yù)定義屬性（如像素的灰度級(jí)或顏色）類似于種子點(diǎn)的鄰域像素附加到每個(gè)種子點(diǎn)上^[9]。區(qū)域生長(zhǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題是相似性準(zhǔn)則的選擇和區(qū)域生長(zhǎng)中停止規(guī)則的設(shè)定。準(zhǔn)則可以通過(guò)圖像的亮度值、紋理、色彩的相似性設(shè)定，當(dāng)不再有像素滿足該區(qū)域所包含的準(zhǔn)則時(shí)，生長(zhǎng)區(qū)域的過(guò)程就停止?；趨^(qū)域生長(zhǎng)的分割方法計(jì)算簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)肺部區(qū)域的初始分割，獲得區(qū)域的初始輪廓信息。

1.3 水平集法原理

    水平集方法是主動(dòng)輪廓模型(Active Contour，AC)中的幾何主動(dòng)輪廓模型(Geomet Active Contour，GAC)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種圖像分割方法。水平集法進(jìn)行圖像分割的基本思想是^[10]：通過(guò)曲線運(yùn)動(dòng)的不斷演化一直尋找圖像的邊界，直到找到目標(biāo)輪廓，停止移動(dòng)曲線。曲線需要沿著CT圖像的每一個(gè)三維切面層移動(dòng)，對(duì)不同層次的三維曲面切取薄片，獲得每一層的封閉曲線，隨著時(shí)間的推移，改變水平級(jí)，最終得到一個(gè)相應(yīng)的形狀提取輪廓。

    常用的水平級(jí)模型有3種，MS(Mumford-shah)模型、CV(Chan-Vese)模型、DRLSE(Distance Regularized Level Set Evolution)模型^[11]，前兩類模型是傳統(tǒng)的水平集模型，都是利用區(qū)域統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分割，克服了利用梯度(邊緣)信息導(dǎo)致弱邊緣漏檢、多噪聲敏感等問(wèn)題。但是尋找近似區(qū)域需要不斷地初始化水平集函數(shù)，仍然具有計(jì)算效率低和實(shí)現(xiàn)困難等問(wèn)題。DRLSE模型對(duì)傳統(tǒng)的方法做出了改進(jìn)，即在水平集函數(shù)里增加一個(gè)約束項(xiàng)，避免了水平集函數(shù)周期性地初始化，提高了收斂速度，減化了運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)以上模型的分析，本文選用DRLSE模型來(lái)提取肺部輪廓區(qū)域。

2 區(qū)域生長(zhǎng)和水平集相融合的肺部CT圖像的分割

    在得到DICOM格式的CT圖像后，本文的工作是把完整的肺實(shí)質(zhì)區(qū)域精確地分割出來(lái)，便于后續(xù)對(duì)肺部疾病的診斷和定量的數(shù)據(jù)分析。肺部區(qū)域的分割分為4部分：圖像二值化、區(qū)域生長(zhǎng)法初步定位肺部邊界區(qū)域、肺部邊界的修補(bǔ)、水平集法精確提取肺部區(qū)域輪廓。圖1給出分割肺部區(qū)域算法的流程圖。

2.1 圖像預(yù)處理

    采集后的DICOM格式圖像不能在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，必須要轉(zhuǎn)換成BMP格式，由于兩種圖像格式的存儲(chǔ)方式不同，本文應(yīng)用垂直鏡像變換進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。醫(yī)學(xué)圖像垂直鏡像公式表示為： 

其中，G₀(-n₀，k₀)表示DICOM格式原始圖像I₀中像素點(diǎn)(-n₀，k₀)的像素值，G_vm(n₀，k₀)表示垂直鏡像后BMP格式圖像I_vm中像素點(diǎn)的像素值。

2.2 OSTU法圖像二值化

    OSTU方法是一種自動(dòng)化閾值分割方法，根據(jù)閾值把圖像區(qū)域分為兩組，當(dāng)被分成的兩個(gè)區(qū)域方差達(dá)到最大時(shí)，用得到最佳分割閾值來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分割。它屬于單閾值分割，將圖像分為背景和目標(biāo)兩類，經(jīng)過(guò)處理后，灰度圖像轉(zhuǎn)換成只有黑白兩色的圖像。處理的步驟如下所示：

    (1)讀取肺部CT圖像，轉(zhuǎn)成BMP格式的圖像。

    (2)應(yīng)用MATLAB軟件工具箱中的imhist函數(shù)繪制圖像的灰度直方圖，公式為：

    其中，I為原始圖像，n為灰度級(jí)，M為圖像I的灰度直方圖。根據(jù)肺部區(qū)域與周圍器官的灰度差異，使得直方圖中重疊區(qū)域最小，求出兩個(gè)區(qū)域的最大類間方差值，得到最佳分割閾值，根據(jù)閾值分割出肺部區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，其他區(qū)域作為背景區(qū)域，使用OSTU法二值化后的圖像如圖2所示。

2.3 區(qū)域生長(zhǎng)法初步定位肺部邊界

    二值化后的肺部CT圖像并沒(méi)有把肺實(shí)質(zhì)與圖像背景精確地分離開(kāi)，肺實(shí)質(zhì)的邊緣信息還混淆在背景區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，肺實(shí)質(zhì)區(qū)域內(nèi)還包括一些氣管、空氣等一些噪聲，本文應(yīng)用區(qū)域生長(zhǎng)法初步定位肺部區(qū)域邊界并剔除噪聲等干擾信息。

    區(qū)域生長(zhǎng)法需要解決3個(gè)問(wèn)題：(1)需要確定區(qū)域內(nèi)某個(gè)像素點(diǎn)作為生長(zhǎng)種子點(diǎn)；(2)確定種子點(diǎn)的生長(zhǎng)準(zhǔn)則；(3)確定種子點(diǎn)在生長(zhǎng)過(guò)程中終止條件。

2.3.1 肺部區(qū)域邊界的初步定位

    定位肺部邊界算法的步驟如下所示：

    (1)輸入二值化后的圖像，計(jì)算獲得圖像上X、Y軸方向的最大分辨率A_max、B_max。

    (2)選取目標(biāo)區(qū)域R，計(jì)算該目標(biāo)區(qū)域的灰度平均值Tm，設(shè)該區(qū)域內(nèi)有N像素，則該區(qū)域的灰度平均值為：

    (4)種子點(diǎn)的選擇：從目標(biāo)區(qū)域圖像的最左側(cè)出發(fā)，設(shè)定四鄰域模板，掃描周圍像素點(diǎn)，如果像素點(diǎn)的灰度值小于T_m，即為種子點(diǎn)。

    (5)設(shè)定區(qū)域生長(zhǎng)準(zhǔn)則T：其中I(A_i，B_i)為原始圖像的任意像素值，N₄(A_i，B_i)是A_i、B_i的四鄰域像素點(diǎn)。用四鄰域像素點(diǎn)與灰度平均值進(jìn)行比較。

    從左上到右下掃描目標(biāo)區(qū)域，找出滿足式(6)～式(8)的所有像素點(diǎn)。

    (6)把滿足準(zhǔn)則的所有種子點(diǎn)周圍的四鄰域像素進(jìn)行搜索，直到不滿足條件結(jié)束生長(zhǎng)，分割完成。

    應(yīng)用區(qū)域生長(zhǎng)法可初步定位肺實(shí)質(zhì)輪廓區(qū)域，提取輪廓區(qū)域結(jié)果如圖3所示。

2.3.2 氣管去除

    提取肺實(shí)質(zhì)外部氣管的算法思想是：設(shè)定種子點(diǎn)后，應(yīng)用棋盤(pán)距離標(biāo)記方法生成區(qū)域內(nèi)的像素，確定好棋盤(pán)間的距離K，經(jīng)過(guò)第N次迭代后，依據(jù)區(qū)域生長(zhǎng)規(guī)則，搜索滿足條件的所有像素點(diǎn)，最后設(shè)置生長(zhǎng)終止條件，檢測(cè)到氣管區(qū)域。設(shè)V(K)為滿足區(qū)域生長(zhǎng)的面積值，繪制V(K)值的曲線變化圖，觀察曲線圖中值的變化，如果數(shù)值突然變大，表明檢測(cè)到管狀器官，提取并去掉該區(qū)域，具體步驟如下：

    (1)種子點(diǎn)的選擇：從中肺野層片上開(kāi)始搜索種子點(diǎn)，設(shè)定4×4模板，搜索所有滿足像素點(diǎn)的區(qū)域，利用區(qū)域生長(zhǎng)法獲得種子點(diǎn)。

    (2)生長(zhǎng)規(guī)則：搜索種子點(diǎn)周圍四鄰域像素的值，保留T+4與T-4之間的像素值，搜索不少于100個(gè)像素的面積區(qū)域。

    (3)終止條件：計(jì)算函數(shù)V(K)的面積導(dǎo)數(shù)，如果面積導(dǎo)數(shù)值大于零，則停止搜索，提取氣管區(qū)域，獲得無(wú)干擾信息的肺實(shí)質(zhì)區(qū)域。

    去除氣管的肺部輪廓區(qū)域如圖4所示。

2.4 肺部邊緣修復(fù)

    大量的氣管、血管等都分布在肺部邊界，在去除氣管的同時(shí)，造成了邊界區(qū)域的凹凸不平，需要對(duì)邊緣進(jìn)行修復(fù)，以獲得光滑、完整的肺實(shí)質(zhì)輪廓區(qū)域。

2.4.1 曲線平滑

    修復(fù)肺部邊界之前，要對(duì)邊界進(jìn)行平滑處理，否則無(wú)法準(zhǔn)確自動(dòng)地選取參數(shù)來(lái)計(jì)算曲線的曲率，對(duì)邊界進(jìn)行精確的修復(fù)。

    本文應(yīng)用迭代采樣點(diǎn)算法對(duì)肺部輪廓曲線進(jìn)行平滑處理。提取肺部輪廓區(qū)域，提取邊緣一系列點(diǎn)列{i}，獲取系列點(diǎn)連接線的凹凸區(qū)域，對(duì)凹凸區(qū)域應(yīng)用牛頓-柯特斯公式進(jìn)行凹凸點(diǎn)的修整，經(jīng)過(guò)多次迭代，使得系列邊緣點(diǎn)近似服從線性關(guān)系，達(dá)到平滑邊緣的效果的過(guò)程。算法的實(shí)現(xiàn)步驟為：

    (1)設(shè)步長(zhǎng)λ=0.9，根據(jù)牛頓-柯特斯公式：

2.4.2 邊界修補(bǔ)

    本文應(yīng)用自適應(yīng)曲率閾值法修復(fù)肺部邊界，經(jīng)過(guò)光滑后的邊緣可以準(zhǔn)確地計(jì)算出點(diǎn)的曲率閾值，其中具有較大曲率值的凹點(diǎn)就是要待修補(bǔ)的靠近肺部邊緣的區(qū)域點(diǎn)。算法步驟如下：

    (1)設(shè)點(diǎn)的曲率閾值為μ，邊界區(qū)域用P表示，計(jì)算區(qū)域點(diǎn)高度的平均值，設(shè)μ=，采樣區(qū)域P的離散點(diǎn)。

    (2)計(jì)算區(qū)域P內(nèi)每個(gè)離散點(diǎn)i的高度，設(shè)為ω_i，并找到所有凹點(diǎn)區(qū)域，如果ω_i>μ，刪除i點(diǎn)，連接i點(diǎn)的鄰域點(diǎn)。

    (3)重復(fù)步驟(1)、(2)，直到搜索完邊界區(qū)域所有的點(diǎn)，區(qū)域長(zhǎng)度和原長(zhǎng)度一致為止。

    最后，獲得光滑完整的肺部輪廓區(qū)域，對(duì)比修復(fù)前后的效果圖見(jiàn)圖5。

2.5 水平集法精確提取肺部區(qū)域

    本文選用DRLSE模型來(lái)對(duì)肺部區(qū)域進(jìn)行精確提取。該模型的優(yōu)點(diǎn)是在利用迭代方法尋找圖像中相匹配的點(diǎn)時(shí)無(wú)需重復(fù)初始化水平集函數(shù)，提高了運(yùn)算速度，減少數(shù)據(jù)計(jì)算量。其中水平集函數(shù)φ的數(shù)學(xué)公式表示為：

    (3)重復(fù)步驟(2)，不斷地迭代水平集函數(shù)，直到達(dá)到滿意效果，i的值不超出300，停止迭代，獲得水平集迭代后的肺部邊界精確的輪廓區(qū)域，邊界曲線也得到較好的收斂，提取的最終的肺部區(qū)域圖像如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

    為了驗(yàn)證本方法的可行性和分割的精確性，從LIDC肺部圖像公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)抽取120幅圖像，從包頭某醫(yī)院抽取30幅含有病變信息的圖像，每一幅圖像都配有專家分割的“金標(biāo)準(zhǔn)”，這也是評(píng)價(jià)算法好壞的重要準(zhǔn)則。經(jīng)過(guò)篩選和鑒別大約有110幅圖像有肺部病變的跡象，90%以上肺部區(qū)域中左右肺是分離的，因此本文沒(méi)有提及左右肺分離。圖像的分辨率大約在0.6 mm~0.8 mm之間，大小為512×512，掃描層大約有30層。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

    本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為：Windows 7操作系統(tǒng)，i5處理器CPU，8 GB RAM，編程軟件為MATLAB R2015a、Visual Studio 2012。

3.3 結(jié)果與分析

    為了驗(yàn)證兩種方法融合后對(duì)圖像分割的可行性，再列出兩組不同肺部病變圖像的分割結(jié)果，如圖7所示。

    從分割結(jié)果可以看出，本文的方法能準(zhǔn)確、完整地提取出肺實(shí)質(zhì)區(qū)域，克服了單獨(dú)使用區(qū)域生長(zhǎng)法存在邊界漏檢等問(wèn)題，結(jié)合后期的水平集法的精確分割，能清晰地觀察肺實(shí)質(zhì)內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息和更精確地定位肺部邊緣信息，也避免了圖像的過(guò)分割等問(wèn)題。同時(shí)，也可處理多種類型病變的肺部圖像，為后續(xù)圖像的進(jìn)一步的分析和處理打下基礎(chǔ)。

    由表1可知，本文的算法是犧牲了時(shí)間，但提高了的分割精度。從分割結(jié)果可知，本算法有很強(qiáng)的可行性。本算法是計(jì)算機(jī)自動(dòng)分割，時(shí)間和效率上依然比半自動(dòng)或者手動(dòng)分割的時(shí)效性高。

4 結(jié)論

    肺部圖像的分割是計(jì)算機(jī)輔助臨床醫(yī)生檢測(cè)肺部疾病的前提條件，分割結(jié)果的好壞直接影響對(duì)疾病檢測(cè)的準(zhǔn)確率等。本文提出一種區(qū)域生長(zhǎng)與水平集相融合的肺部分割方法。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，該算法能有效、準(zhǔn)確地分割出肺部區(qū)域，而且保留了肺內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息，對(duì)后續(xù)肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)和提取奠定了基礎(chǔ)。

    本文的算法也存在不足，沒(méi)有對(duì)左右肺粘連情況的肺部區(qū)域進(jìn)行分割，在抽選的圖片中，剔除了兩幅左右肺有粘連的圖片。后續(xù)將開(kāi)展針對(duì)左右肺粘連區(qū)域分割的研究。同時(shí)，也可以把本算法應(yīng)用于肺結(jié)節(jié)、胸膜結(jié)節(jié)的分割，來(lái)測(cè)試該方法的通用性，對(duì)分割出現(xiàn)的問(wèn)題提出改進(jìn)、優(yōu)化等。

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作者信息:

唐思源，楊  敏，苗  玥，白金牛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，內(nèi)蒙古 包頭014040)