[發明專利]一種三維斷層掃描圖像中樹狀結構分叉關鍵點的檢測方法

有效

• 申請號: 202011446025.6
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112541893B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 馮建江;周杰;譚子萌
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/143;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出一種三維斷層掃描圖像中樹狀結構分叉關鍵點的檢測方法，涉及醫學圖像處理領域。該方法在離線階段獲取包含解剖學樹狀結構的三維斷層掃描圖像并預處理，對圖像進行標注后根據結果生成對應的分叉關鍵點檢測、樹狀結構分割、分支向量場的預測目標，最終組成訓練數據對用于對深度學習網絡進行訓練，得到訓練完畢的網絡；在線階段，獲取一張相同類型的圖像，利用訓練完畢的網絡輸出該圖像對應的分叉關鍵點熱圖、樹狀結構分割概率圖與分支向量場的預測結果，應用熱圖與分割概率圖的預測結果計算最終的關鍵點檢測位置。本發明可以廣泛應用于多種解剖學樹狀結構中分叉關鍵點的檢測，如氣管、動脈、靜脈等，均能實現較好的檢測效果。

技術領域

本發明涉及醫學圖像處理領域，尤其涉及一種三維斷層掃描圖像中樹狀結構分叉關鍵點的檢測方法。

背景技術

計算機斷層掃描技術是一種主流的醫學成像方式，能夠在不進行外科手術的情況下提供人體內特定解剖學結構的三維視野，便于醫生全面、直觀地了解患者的身體情況。三維斷層掃描圖像中的解剖學樹狀結構包括氣管、動脈、靜脈等，對這些結構進行觀察與分析是診斷、治療相關疾病的重要輔助手段。以主動脈夾層疾病為例，主動脈從心臟左心室發出，沿脊柱向下行，在胸腔和腹腔內分出多個細小分支，向全身各部位輸送血液。主動脈夾層指主動脈因內膜局部撕裂、在血流的沖擊下呈現真假腔分離的狀態，是一種致死率極高的嚴重疾病。在臨床診斷中，醫生需要觀察主動脈斷層掃描圖像，確定假腔剝離區域、分離嚴重程度等，從而給予治療建議、制定治療方案。這樣的臨床分析過程非常依賴于醫生的專業知識與臨床經驗，且由于圖像分辨率低、末端血管細小、不同組織對比度低、及可能出現的人工制品等影響，具有很高的難度。因此，對解剖學樹狀結構進行自動建模與分析具有非常迫切而重要的現實意義。

解剖學關鍵點的檢測是醫學圖像自動分析過程中的重要步驟之一，能夠為血管追蹤、中心線提取、圖像分割、圖像配準等系列后續醫學圖像處理任務搭建初始化條件、提供重要的空間語義信息。目前，已經提出了很多檢測解剖學關鍵點的方法，處理對象包括冠狀動脈口、氣管各級分叉點等。這些方法常常存在以下局限性：

A)沒有在算法中引入相應解剖學結構的空間先驗信息，而僅關注局部特征。

B)沒有考慮或僅僅隱式編碼了關鍵點間的相對位置關系，對各關鍵點的檢測相對獨立。

C)算法根據特定的解剖學結構或器官設計，如心臟等，難以實現推廣與遷移。

更具體地，樹狀結構的分叉關鍵點具有非常鮮明的結構特性，其定義于兩個相接壤管狀結構間切面的中心位置，且此切面為界，自上級管狀結構中分出承擔著不同解剖功能的下級管狀結構，上下級管狀結構具有不同的生物學命名。以主動脈為例，腹主動脈下行分為左右髂總動脈，其后各自分為髂內外動脈，由此可定義一級與二級分叉點。這表明分叉關鍵點與樹狀結構的分支空間分布具有非常密切的關系，且后者在不同患者間高度一致。如果在分叉關鍵點檢測算法中考慮樹狀結構的先驗信息，可以引入空間分布的約束，從而達到更好的檢測性能。另一方面，樹狀結構分叉關鍵點間的相對位置關系具有很強的規律性，考慮樹狀結構的某一分支(如髂總動脈)與其兩端的分叉關鍵點(即與腹主動脈接壤處的關鍵點，和分裂為髂內外動脈處的關鍵點)，可以預見兩點間的連線與該分支的中心線近似重合。在算法中考慮分叉關鍵點間的相對位置關系，為進一步提升檢測精度提供了保證。目前尚沒有顯式應用上述空間先驗信息的分叉關鍵點檢測方法。

發明內容

本發明的目的為克服已有技術的不足之處，提出一種三維斷層掃描圖像中樹狀結構分叉關鍵點的檢測方法。本發明采用多任務框架，設計樹狀結構分割、分支向量場回歸為分叉關鍵點檢測問題的輔助任務，充分利用不同任務的協同作用，顯式引入空間先驗信息，能夠實現良好的檢測性能。

本發明提出一種三維斷層掃描圖像中樹狀結構分叉關鍵點的檢測方法，該方法分為離線階段和在現階段，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)離線階段；