[發(fā)明專利]一種基于預(yù)加重策略的全自動(dòng)腰椎圖像分割方法

有效

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• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號(hào): CN109389603B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高飛;劉水;丁廉;王霄英;張玨;方競
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué);北京大學(xué)第一醫(yī)院
• 主分類號(hào): G06T7/11
• 分類號(hào): G06T7/11;G06T7/136;G06T7/187
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 蘇愛華

本發(fā)明涉及一種基于預(yù)加重策略的全自動(dòng)腰椎圖像分割方法，該方法包括以下步驟：基于人體腰椎結(jié)構(gòu)和磁共振對比特點(diǎn)的數(shù)據(jù)生成方法，自動(dòng)生成大量脊柱結(jié)構(gòu)多樣性和紋理多樣性豐富的脊柱磁共振圖像，完成腰椎圖像分割模型的訓(xùn)練；利用訓(xùn)練得到的分割模型，實(shí)現(xiàn)脊柱磁共振圖像數(shù)據(jù)中椎體和椎間盤的自動(dòng)分割。本發(fā)明可以解決傳統(tǒng)訓(xùn)練模型數(shù)據(jù)局限性的問題，具有較高模型泛化能力；對不同醫(yī)院不同掃描機(jī)器不同掃描參數(shù)等導(dǎo)致的種類繁多的腰椎磁共振圖像數(shù)據(jù)適應(yīng)性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺及人工智能技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于預(yù)加重策略和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的全自動(dòng)椎體和椎間盤分割方法。

背景技術(shù)

下腰痛是臨床常見影響中老年人生活質(zhì)量的癥狀，許多骨科疾病可以引起下腰痛，目前其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。大量研究表明腰椎椎體的Modic改變和椎間盤退化與下腰痛關(guān)系密切，而磁共振成像是腰椎影像學(xué)診斷的重要手段。自動(dòng)準(zhǔn)確地分割腰椎磁共振圖像中的椎體和椎間盤是進(jìn)行椎體Modic病變自動(dòng)分析和椎間盤退化自動(dòng)分級的關(guān)鍵一步。深度卷積網(wǎng)絡(luò)作為一種深度學(xué)習(xí)方法，是一種對于椎體和椎間盤分割效果良好的方法，但需要大量人工勾畫分割標(biāo)簽的腰椎圖像數(shù)據(jù)，需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行標(biāo)注，很難得到大量高質(zhì)量的帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)；其次，不同醫(yī)院由于存在多種磁共振機(jī)器型號(hào)多種掃描參數(shù)等問題導(dǎo)致腰椎掃描數(shù)據(jù)種類繁多，需要分別訓(xùn)練針對各自數(shù)據(jù)的分割模型，時(shí)間、人力和物力成本都很高。所以，傳統(tǒng)模型訓(xùn)練方法有很大的數(shù)據(jù)局限性，很難得到泛化能力強(qiáng)的分割模型。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于腰椎圖像中椎體和椎間盤分割的方法，基于腰椎磁共振圖像成像特點(diǎn)和人體腰椎結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等先驗(yàn)知識(shí)的特定的數(shù)據(jù)生成方法，自動(dòng)生成大量腰椎結(jié)構(gòu)多樣性和紋理多樣性豐富的腰椎磁共振圖像，解決傳統(tǒng)訓(xùn)練模型數(shù)據(jù)局限性的問題，提高模型泛化能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于預(yù)加重策略的椎體和椎間盤分割方法和系統(tǒng)，包括以下步驟：

S1：根據(jù)腰椎磁共振圖像的圖像特點(diǎn)和人體腰椎結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等規(guī)律，設(shè)計(jì)圖像生成方法，為深度卷積網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練生成多樣性豐富的訓(xùn)練樣本；

S11：首先生成腰椎骨架圖像和模擬腰椎骨架軸線，作為之后生成具有腰椎曲線、椎體、椎間盤多樣性以及豐富組織紋理的模擬腰椎圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體方法為預(yù)先設(shè)定矩形作為椎體和椎間盤的基本結(jié)構(gòu)單元，其中，椎體結(jié)構(gòu)單元為ROI1，長為h1，寬為w1；椎間盤結(jié)構(gòu)單元為ROI2，長為h2，寬為w2；ROI1和ROI2按照上下相間分布，相鄰ROI1和ROI2的間距為m；6～10個(gè)ROI1和6～10個(gè)ROI2組合生成一幅腰椎標(biāo)準(zhǔn)骨架圖像M0，M0的大小為W×H；并且，M0中所有的ROI1和ROI2內(nèi)填充白色，M0中其余像素填充為黑色；所有ROI1和ROI2的中心點(diǎn)連線為模擬腰椎骨架軸線；采用四次多項(xiàng)式生成曲線作為模擬腰椎骨架軸線L0，四次多項(xiàng)式的參數(shù)為a0、a1、a2、a3、a4,由一幅真實(shí)的典型脊椎磁共振圖像中的腰椎軸線擬合得到；

S12：為使M0中椎體單元ROI1和椎間盤單元ROI2的位置與角度符合真實(shí)人體中的分布，在保持原有ROI1和ROI2上下位置不變的前提下，對所有ROI1和ROI2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移操作，使得模擬腰椎骨架軸線L0始終與所有ROI1和ROI2的中心點(diǎn)連線重合的位置；進(jìn)一步，對M1圖像中的每個(gè)基本單元ROI1和ROI2的大小進(jìn)行0.6-1.5倍的隨機(jī)縮放；并刪除超出圖像邊緣的單元，得到新生成的模擬腰椎骨架圖像M1；

S13：為使M1中的所有椎體單元和椎間盤單元區(qū)域信號(hào)符合真實(shí)腰椎磁共振圖像特點(diǎn)，根據(jù)磁共振成像原理計(jì)算其信號(hào)強(qiáng)度，具體方法為，對于M1圖像中的所有ROI1和ROI2單元區(qū)域，根據(jù)人體椎體和椎間盤的T1和T2典型值，隨機(jī)調(diào)整取值范圍為10％,利用布洛赫方程計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度，并將得到的信號(hào)強(qiáng)度填充至ROI1和ROI2區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而對區(qū)域內(nèi)信號(hào)分布按照真實(shí)腰椎磁共振圖像進(jìn)行調(diào)整，得到新生成的模擬腰椎骨架圖像M2；