一种新的心脏核磁共振图像分割方法

心脏核磁共振图像分割一直是医学影像分析领域的研究热点和难点,文中提出了一种基于梯度矢量流Snake模型的左心室分割方法.作为对梯度矢量流(GVF)的改进,提出了退化最小曲面梯度矢量流(dmsGVF).该模型对弱边界泄漏有更好的鲁棒性;挖掘了左心室的形状特点,采用相应的形状约束,克服了由于图像灰度不均而导致的局部极小,也大大减弱了分割结果对初始轮廓的依赖;对于左室壁外膜的分割,挖掘了左室壁内、外膜的位置关系,通过重新组合梯度分量来构造新的外力场.这种外力场能够克服原始梯度矢量流的不足,使得室壁外膜边缘很弱时也能得到保持,以左室壁内膜分割结果作为初始化能够自动地分割出左室壁外膜.实验结果表明,该方法能高效准确地同时分割左室壁内、外膜.     

一种心脏核磁共振图像左室壁内、外膜分割方法

为了充分利用心脏核磁共振图像(magnetic resonance image,简称MRI)中关于左心室的解剖和功能信息,必须先分割左室壁内、外膜.提出一种基于Snake模型的左室壁内、外膜分割方法.首先提出了Snake模型的卷积虚拟静电场外力模型CONVEF(convolutional virtual electric field),该外力场捕捉范围大、抗噪能力强、在C形凹陷区域等问题上性能突出,而且基于卷积运算,采用快速Fourier变换可以实时计算.就左室壁内膜的分割而言,考虑到左室壁的形状近似为圆形,引入基于圆形约束的能量项.对于左室壁外膜的分割,充分挖掘了左室壁内、外膜形状上的相似性和位置上的相关性,构造了形状相似性内能和一个新的边缘图,该边缘图用来计算新的外力场.基于所有这些策略并采用内膜的分割结果初始化,可以自动、准确地分割外膜.通过对一套活体心脏MR(magnetic resonance)图像进行分割并和手工分割结果和GGVF(generalized gradient vector flow) Snake模型的分割结果进行比较,结果表明该方法是有效的.     

一种基于广义梯度矢量流Snake模型的心脏MR图像分割方法

提出了一种基于广义梯度矢量流Snake模型的心脏核磁共振图像左心室内、外膜分割方法。首先构造了一种基于目标边缘的方向广义梯度矢量流(edge-based directional generalized gradient vector flow, EDGGVF) Snake模型,该模型在传统GGVF的基础上,结合目标边缘图梯度方向信息,将左心室内、外膜区分为正边缘和负边缘,从而实现左心室内外膜的全自动分割。其次,根据左心室近似为圆形的形状特点,引入了圆形能量约束,有利于克服由于图像灰度不均、乳突肌等引起的局部极小。实验结果表明,该方法可以高效准确地自动分割出左心室内、外膜。     

辅以区域力量的梯度矢量流测地线活动轮廓模型

梯度矢量流测地线活动轮廓模型作为对测地线活动轮廓模型的重要改进,不仅扩大了测地线活动轮廓模型的适用范围,而且改进了它的分割效果。但由于该模型中推动活动轮廓演化的外部力量来自于梯度矢量流,因此活动轮廓在演化过程中可能会由于弱边缘等因素的影响而陷于不希望的局部最小值。为尽量减少弱边缘对活动轮廓初始位置的限制及其对轮廓演化的不利影响,提出了一种新的辅以区域力量的梯度矢量流测地线活动轮廓模型,该模型首先将基于区域信息的力场与梯度矢量流力场相耦合,然后由以上两种力量构成的耦合力场,使活动轮廓模型能够有效地克服弱边缘的影响而收敛到所期望的边缘。实验结果表明,辅以区域力量的梯度矢量流测地线活动轮廓模型与梯度矢量流测地线活动轮廓模型相比,不仅可以更灵活地设置初始轮廓的位置,而且对弱边缘的干扰也有较好的适应性,并能有效地避免边缘泄漏。     

基于各向异性扩散活动轮廓模型的左心室MRI分割

结合各向异性扩散算法与梯度矢量流活动轮廓模型,提出了基于各向异性扩散活动轮廓模型并应用于心脏核磁共振图像分割;模型采用各向异性扩散方程构造活动轮廓模型的外部能量函数,得到边界更加清晰的分段平滑图像,运用梯度矢量流将边缘图梯度散射到平坦区域,可以有效抑制噪声,同时保持了目标边界;对左心室核磁共振图像的分割实验表明,该模型可以克服噪声和伪影的干扰,与原梯度矢量流模型相比具有更高的精确性和可靠性,有利于实现自动分割.     

基于GVF Snake模型的人脸轮廓提取

活动轮廓模型是计算机视觉领域的重要研究方向。针对传统的活动轮廓模型（Snake模型）对凹形轮廓处理效果差、初始轮廓必须充分接近图像边缘的缺点,通过改进外部能量项,提出了一种基于梯度矢量流活动轮廓模型的人脸轮廓提取算法。该算法把梯度矢量场作为外部能量场,克服了传统Snake模型力场范围小以及不能收敛于凹形边缘的缺点。实验结果表明,该方法能够快速、准确地提取人脸轮廓。     

基于力场分析的多目标图像分割算法研究

提出基于力场分析的图像分割方法,为解决参数轮廓模型处理多对象的图像分割问题。首先分析梯度矢量流力场生成机理与力场的特点,建立真实轮廓处力场(零力场)充分条件,依据零力场充分条件生成离真实轮廓处3-5像素距离的初始轮廓线,逼近得到多对象的目标轮廓线;再引入扩散梯度矢量流力场,简化零力场识别与连接过程,降低时间复杂度。试验结果表明,方法对多目标图像分割可得到精确的结果,可以提高轮廓精确度与抗噪性,降低时间复杂度,用户可自主选择图像中感兴趣的对象,在医学图像处理、遥感测绘领域有一定应用价值。     

针对弱边缘信息的左心室图像分割算法

基于距离正则水平集模型（DRLSE）的左心室MR图像分割算法对梯度信息有很强的依赖性,在图像弱边缘区域容易陷入局部最优,且对初始轮廓的选取敏感。为降低算法对初始轮廓的敏感程度,提高其在左心室图像弱边缘的分割能力,提出一种适用于弱边缘信息的左心室分割算法。在DRLSE的基础上,该分割算法提出运用拟合方法计算基于变异系数分割模型（PSM）的新局部项,算法依靠梯度与图像局部信息驱动曲线演化,降低了DRLSE对初始轮廓的敏感度;引入形状约束力,克服DRLSE算法在左心室外膜弱边界处出现边界泄露的情况。为验证所提算法分割的准确性,基于多伦多市患病儿童医院影像科提供的数据库,利用DRLSE、保持凸性水平集模型（CPLSE）模型、U-Net网络以及提出的内膜算法对心内膜进行分割;利用DRLSE、引入外膜形状约束力的DRLSE模型（DRLSE-shape）、U-Net网络以及提出的外膜算法对心外膜进行分割。实验结果表明,针对左心室内、外膜,所提算法优于上述算法,能降低DRLSE对初始轮廓的敏感程度,提升对左心室弱边界MR图像分割的精确度。     

基于二进小波变换的主动轮廓模型

针对传统的主动轮廓模型对噪声敏感的缺陷,在推广梯度矢量流的基础上,提出了基于二进小波变换的改进外力场的计算方法.通过综合利用图像小波分解的高频信息,迭代计算获得其外力场,使蛇在图像的多尺度空间中搜索目标轮廓.针对蛇模型对初始轮廓的依赖性问题,给出了在一维最大熵阈值分割后的图像上获取初始轮廓点的方法,减少了人工的干预,加快了蛇的收敛速度和效果.实验结果表明该模型能有效地排除噪声的干扰,搜索凹陷轮廓,而且对脆弱轮廓有很好的逼近能力.     

一种改进的多尺度梯度矢量流模型

梯度矢量流主动轮廓线模型是广泛应用于数字图像处理的一种目标轮廓跟踪算法,但易受干扰噪声及虚假边缘的影响,在结合多尺度图像分析的基础上,利用改进的梯度矢量流场,提出了一种改进的主动轮廓线模型。实验表明,该方法较好的限制了非目标边缘和噪声干扰的影响,提高了模型分割的精确性,具有较好的分割效果。     

梯度向量流的各向异性扩散分析

为了解决梯度向量流力场(gradient vector flow,简称GVF)难以进入目标凹部的问题,提出了一种新的主动轮廓模型外力场——各向异性梯度向量流.GVF的扩散项是各向同性且光滑性强的拉普拉斯算子,它在各个方向的扩散速度相同.拉普拉斯算子根据图像的局部结构可分为沿边界法线和切线方向的扩散,沿切线方向的扩散具有增强边界的作用,而法线方向扩散具有去除噪音、扩散力场的作用.基于分析二者在扩散过程中的作用,提出了一种各向异性梯度向量流扩散方法,切线和法线方向的扩散速度可以根据图像的局部结构自适应地选择.实验结果表明,与GVF相比,所提出的方法考虑了扩散过程中法线和切线方向的不同作用,能够进入细长的凹部,并改进了分割结果.     

Segmentation of the left ventricle in cardiac cine MRI using a shape-constrained snake model

Segmentation of the left ventricle (LV) is a hot topic in cardiac magnetic resonance (MR) images analysis. In this paper, we present an automatic LV myocardial boundary segmentation method using the parametric active contour model (or snake model). By convolving the gradient map of an image, a fast external force named gradient vector convolution (GVC) is presented for the snake model. A circle-based energy is incorporated into the GVC snake model to extract the endocardium. With this prior constraint, the snake contour can conquer the unexpected local minimum stemming from artifacts and papillary muscle, etc. After the endocardium is detected, the original edge map around and within the endocardium is directly set to zero. This modified edge map is used to generate a new GVC force filed, which automatically pushes the snake contour directly to the epicardium by employing the endocardium result as initialization. Meanwhile, a novel shape-similarity based energy is proposed to prevent the snake contour from being strapped in faulty edges and to preserve weak boundaries. Both qualitative and quantitative evaluations on our dataset and the publicly available database (e.g. MICCAI 2009) demonstrate the good performance of our algorithm.     

基于GVF和压力Snake模型的哑铃型目标提取

针对传统活动模型初始化曲线严格的位置选择问题和梯度矢量流场模型存在的哑铃型目标"临界点"问题,提出了梯度矢量流场构造出气球压力的活动轮廓改进模型.利用了梯度矢量流场决定形变点的压力方向,在该构造压力与图像外力及轮廓曲线内力的共同作用下模型完成目标提取.结合实例对改进模型和算法进行了试验分析,结果表明了模型的可行性和算法的有效性.     

结合Hough变换与测地线轮廓模型的MR图像左心室自动分割

通过对MR图像左心室分割中各种主流方法的分析,提出一种自动分割MR图像左心室内外轮廓的算法.利用短轴图像上左心室心肌内外轮廓近似圆形的先验形状知识,先用Hough变换自动定位左心室的初始轮廓,然后在测地线轮廓模型基础上,结合K均值聚类提供的区域信息及心肌的生理结构约束对左心室的内外轮廓同时进行自动分割.实验结果表明,该算法能够有效地分割左心室内外轮廓.     

一种改进的活动轮廓图像分割技术

图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤，也是一种基本的计算机视觉技术。针对传统的活动轮廓外力模型均存在一些难以克服的缺点，提出了一种改进的活动轮廓图像分割技术，并首先介绍了用活动轮廓进行目标分割的基本原理，即一条曲线在其内部能量和外部能量的共同作用下，可以移动到所期望的位置，并且当曲线到达目标位置的时候，活动曲线所具有的能量达到最小。在传统的活动轮廓中，外部能量通常由目标点的梯度势能场给出，但是由于梯度势能场存在着一些难以克服的缺点，即不能够很好地指导曲线的移动，为此，对其进行了改进，即采用一种梯度向量流场作为外部能量场的方法，从而有效地克服了传统梯度势能场捕捉范围小以及难以处理凹平面的缺点，并通过实验证明了该方法的有效性。     

改进的梯度向量流模型及其应用

基于梯度向量流(GVF-Gradient Vector Flow)外力场的活动轮廓线模型的不足之处在于Snake曲线在窄带凹边界处收敛效果不好.通过在能量泛函的变分方程中引入两个以图像梯度为变量的函数来解决这个问题.改进的模型继承了GVF活动轮廓线模型的全部特性,同时提高了其在窄带凹边界处的收敛性,并加快了初始Snake曲线的收敛速度.多个算例说明了本文方法的有效性.