基于CT體數(shù)據(jù)的人體肺氣道樹數(shù)學(xué)模型建立.pdf

1、肺部疾病是人類健康的重要威脅，建立肺部疾病計算機輔助診斷(CAD)系統(tǒng)已成為當(dāng)前的研究熱點。目前，有兩種不同的實現(xiàn)肺部疾病CAD系統(tǒng)的方案：傳統(tǒng)的異常依賴方案(ADA)和新興的正常依賴方案(NDA)。異常依賴方案關(guān)注于圖像目標(biāo)中符合某種特定病變特征的區(qū)域，因此不能很好地應(yīng)對臨床診斷中多種病變同時存在的情況。正常依賴方案則更加符合專業(yè)醫(yī)師的讀片方法和診斷思路，那就是先識別并排除圖像中的正常區(qū)域，然后對剩下的可能異常的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)分析。這樣

2、，多種病變的信息可以同時被保留下來，而不僅僅是某一種特定病變。鑒于這個原因，正常依賴方案已經(jīng)成為未來肺部疾病CAD系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢。
　　 本文遵循正常依賴方案的基本思想和原則，提出了一條新穎的構(gòu)建人體肺部疾病CA)系統(tǒng)的技術(shù)路線，其基礎(chǔ)性工作是在計算機里建立一個反映正常人群影像學(xué)特征的肺部數(shù)字化參數(shù)集合。我們將注意力主要放在肺氣道參數(shù)上，因為肺氣道疾病是最嚴(yán)重的肺部疾病之一，而且我們的工作將顯示出肺氣道參數(shù)能夠從一定程度上反

3、映整個肺的情況。本文最終建立了一個包含豐富肺氣道參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通過五個步驟來達(dá)成這一目標(biāo)。在每個步驟中，都進(jìn)行了深入的研究工作，取得了一定的成果。
　　 第1步：肺分割。肺分割是后續(xù)肺氣道分割的基礎(chǔ)。針對醫(yī)學(xué)圖像背景復(fù)雜、邊界模糊、局部不均勻等特點，提出使用相對模糊連接度作為幾何主動輪廓模型中曲線演化的驅(qū)動力，并從理論分析和實驗驗證兩個角度證明了其對于肺部圖像的適用性。本文方法在多目標(biāo)圖像和復(fù)雜圖像的分割實驗中取得了良好的效

4、果，最終分割出了完整、正確的肺組織。
　　 第2步：氣道分割。氣道分割是整個模型建立的基礎(chǔ)，并直接決定著模型的性能。以普通分割方法的結(jié)果作為本文分割的基礎(chǔ)，采用氣道分割的一般性框架，對其中的分割、評價等模塊進(jìn)行了改進(jìn)。對于泄漏和細(xì)小氣道提取這兩大難題，提出了有針對性的策略。最終提取了10個層級中的104個氣道段(相當(dāng)于手動分割數(shù)量的45％)，并完整保留了段支氣道以上的全部氣道信息。
　　 第3步：骨架提取。提取肺氣道樹的

5、單像素寬中心骨架是進(jìn)行參數(shù)測算的必須環(huán)節(jié)，幾乎所有結(jié)構(gòu)性參數(shù)的定義和測算方法都是基于氣道骨架而提出的。針對肺氣道樹骨架化的特定需求，綜合分析了常用的四類骨架提取算法，并最終選擇了層次性一般勢能場方法。整個骨架化過程被分為提取核心骨架(第一級)、加入細(xì)小分支(第二級)、連接末梢端點(第三級)這三個完整性逐漸增加的層級，其中第三級的結(jié)果即是最終結(jié)果。這種方法的骨架化效果在完整性上要優(yōu)于其他方法。
　　 第4步：參數(shù)測算。這是與建立數(shù)

6、學(xué)模型直接相關(guān)的步驟，所測算出的參數(shù)就是數(shù)學(xué)模型中的數(shù)據(jù)部分。整個肺氣道樹被解剖為整體、層級、段和層片四種結(jié)構(gòu)，針對每種結(jié)構(gòu)提取了一類參數(shù)。整體類參數(shù)有4種，層級類參數(shù)有4種(1()層級)，段類參數(shù)有5種(104段)，層片類參數(shù)有5種(1916層片)，因此總共提取了10144個肺氣道參數(shù)。部分參數(shù)與影像學(xué)事實和真實解剖值進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示這些測算結(jié)果是正確、可信的。
　　 第5步：模型建立。這是本文的最終目標(biāo)。建立出的數(shù)學(xué)模型

7、由兩個部分組成：數(shù)據(jù)和操作。所有肺氣道參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在具有五級結(jié)構(gòu)的樹中。樹的每一級由一種類型的結(jié)構(gòu)體組成，每種結(jié)構(gòu)體分別存儲整體參數(shù)、層級參數(shù)、段參數(shù)、層片參數(shù)和體素參數(shù)。對數(shù)據(jù)的操作是模型的第二部分，是對參數(shù)進(jìn)行計算、存儲、裝載、查詢、調(diào)用等的計算機算法。結(jié)構(gòu)體中存有編碼和指針，用于參數(shù)的查詢和調(diào)用。在模型數(shù)據(jù)和模型操作的基礎(chǔ)上，給出了三個實際應(yīng)用的解決方案，作為后續(xù)建立肺部疾病CAD系統(tǒng)的參考。
　　 總之，本文所構(gòu)建出的人