超聲圖像乳腺腫瘤分割新方法研究.pdf

1、乳腺癌是目前女性疾病中最常見的惡性腫瘤，已成為導(dǎo)致女性死亡的主要?dú)⑹种?。早發(fā)現(xiàn)、早診斷和早治療是目前醫(yī)學(xué)上對防治乳腺癌采取的“三早”原則。超聲成像憑借其無創(chuàng)傷、無輻射和費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為乳腺腫瘤臨床診斷的主要手段之一。乳腺超聲圖像的腫瘤分割可以給醫(yī)生提供輔助診斷和參考意見，提高了診斷的客觀性和正確性，降低了誤診和漏診現(xiàn)象的發(fā)生。
　　然而，乳腺超聲圖像的準(zhǔn)確分割非常困難。首先，在超聲成像過程中，由于受成像設(shè)備的影響，超聲圖像

2、產(chǎn)生了固有的斑點(diǎn)噪聲，使得圖像的信噪比和對比度較低、邊緣模糊甚至邊緣信息缺失。其次，超聲圖像中存在多種偽影，比如衰減以及在射頻場中，非均勻光束在人體內(nèi)衰減導(dǎo)致的偽影。最后，不同乳腺腫瘤的大小、形狀和位置差異較大。除此之外，乳腺超聲圖像中存在腫瘤的浸潤效應(yīng)，也就是，腫瘤經(jīng)常侵入周圍的正常組織，這使得腫瘤與周圍正常組織，比如皮下脂肪組織，腺體組織非常相似，往往難以分辨，這給腫瘤分割造成了更大的困難。乳腺超聲圖像的上述特點(diǎn)使得腫瘤的分割仍然非

3、常具有挑戰(zhàn)性，是一個值得深入研究的課題。
　　為此，本文在圖論、曲線演化理論和水平集方法的基礎(chǔ)上，深入、細(xì)致地研究了基于圖的Normalized Cut方法、水平集活動輪廓方法以及它們在二維或三維乳腺超聲圖像分割中的應(yīng)用。本文的主要工作和研究成果如下：
　　1.基于相位和梯度矢量流的水平集乳腺超聲腫瘤分割
　　在距離正則化水平集模型的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于相位和梯度矢量流的水平集活動輪廓模型。首先，引入單演信號的概念

4、，利用柯西核而非Log Gabor構(gòu)造正交濾波器，以提取多尺度的基于單演信號的特征；然后，將相位非對稱方法應(yīng)用于多尺度的圖像特征上，以達(dá)到檢測邊緣和去除噪聲的目的；接著，利用得到的邊緣圖，定義了一個邊緣停止項，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了梯度矢量流；最后，在活動輪廓模型中融入自定義的邊緣停止項和梯度矢量流。一方面，由于本文方法僅利用了局部相位信息，因此它對乳腺超聲圖像中存在的灰度不均勻性和噪聲具有較好的魯棒性。另一方面，梯度矢量流的引入使得本文方

5、法能夠有效地捕獲凹陷邊界和弱邊界。乳腺超聲圖像的分割實驗證明，本文方法可以成功地分割出乳腺腫瘤。
　　2.基于同質(zhì)片的乳腺超聲圖像腫瘤分割
　　在Normalized Cut（NCut）方法的基礎(chǔ)上，本文提出了基于同質(zhì)片的乳腺超聲圖像腫瘤分割方法。首先，定義了基于灰度和紋理信息的邊界檢測函數(shù)；然后，利用邊界圖定義了一種可以隨圖像像素位置變化而變化的自適應(yīng)鄰域系統(tǒng)，稱之為同質(zhì)片。由于同質(zhì)片可以保證鄰域不會跨越不同的組織，因此基

6、于同質(zhì)片的統(tǒng)計特征更有利于區(qū)分不同的組織，進(jìn)而能夠提高分割的準(zhǔn)確度。最后，將每個同質(zhì)片視為一個模糊集合，用同質(zhì)片內(nèi)紋理基元的模糊分布作為分割特征，再用NCut方法得到乳腺腫瘤。本文提出的算法既可以避免超聲圖像衰減偽影的影響，同時也避免了將腫瘤周圍的正常組織，比如皮下脂肪組織、腺體組織等誤劃分為腫瘤。100例乳腺超聲圖像上的分割實驗證明，本文算法取得了比現(xiàn)有方法更高的分割精度和魯棒性。
　　3.基于同質(zhì)體和局部能量的三維乳腺超聲腫瘤

7、分割
　　在經(jīng)典的水平集活動輪廓模型Chan-Vese模型的基礎(chǔ)上，借鑒Lankton方法局部處理的思想，本文提出了一種基于同質(zhì)體和局部能量的水平集活動輪廓模型，并用于分割三維超聲圖像的乳腺腫瘤。首先，用三維相位非對稱方法提取邊緣曲面，進(jìn)而利用每個體素鄰域的邊緣信息擬合了一個二次曲面，將擬合后曲面的極值作為各體素的邊緣能量。這樣，既使得提取的邊緣曲面更為連續(xù)和光滑，而且也去除了曲面表面的噪聲。然后，將二維同質(zhì)片的概念推廣至三維空間

8、上，利用擬合后的邊緣曲面構(gòu)造了可以保持局部同質(zhì)性的三維自適應(yīng)鄰域，將其稱之為同質(zhì)體。接著，通過分析同質(zhì)體的紋理分布和計算局部灰度均值，定義了演化曲線周圍基于同質(zhì)體的局部能量。和同質(zhì)片類似，利用基于同質(zhì)體的特征有利于區(qū)分局部表現(xiàn)和外觀相似卻屬于不同組織的體素。同時，還定義了演化曲線周圍基于全局灰度均值的全局能量，這有利于驅(qū)動離真實腫瘤邊界較遠(yuǎn)的演化曲線逐漸向真實邊界處靠攏。最后，在活動輪廓模型中，綜合全局和局部能量，通過曲線的快速演化實現(xiàn)