改进的B-Snake模型肝脏CT图像分割算法

１５２　２０ｌ５．５１（９）　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　改进的Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型肝脏ＣＴ图像分割算法　王杰雄，陈国栋，陈　怡　ＷＡＮＧ　Ｊｉｅｘｉｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｇｕｏｄｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙｉ　

福州大学物理与信息工程学院，福州３５０００２　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３　５０００２，Ｃｈｉｎａ　

ＷＡＮＧ　Ｊｉｅｘｉｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｇｕｏｄｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙｉ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｂ—Ｓｎａｋｅ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｌｉｖｅｒ　ＣＴ　ｉｍａｇｅｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１５，５１（９）：１５２—１５７．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｅｒｓｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｖｅｒ　ｍｏｄｅｌｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｒｅｍｉｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　３　ｄ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｖｅｒ　ＣＴ　ｉｍａｇｅｓ，ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｕｒｇｅｒｙ　ｏｆ　ｌｉｖｅｒ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｂ—Ｓｎａｋｅ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｂ—Ｓｎａｋｅ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｒｅｇｉｏｎ　Ｆｉｌｌｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｐｐｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ，ｉｔ　ｇｅｔｓ　ａ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　Ｒｅｇｉｏｎ　Ｆｉｌｌｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｉｖｅｒ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ａ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｖｅｒ　ｂｏｕｎｄａｒｙ，ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｏｉｎｔｓ　ａｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｉｓ　ｓｅｒｖｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｂ－Ｓｎａｋｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｔｏｕｒ．Ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｅｎｄ　ｕｎｔｉｌｌ　ａｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｓｅｇｍｅｎｔａｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｌｉｖｅｒ　ＣＴ　ｉｍａｇｅｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｖｅｒ；ｉｍａｇｅ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｒｅｇｉｏｎ　ｆｉｌｌｉｎｇ；ａｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｍｏｄｅｌ　

摘要：肝脏模型的个性化是肝脏虚拟手术系统中的一个关键技术，而肝脏模型的个性化又是以肝脏ＣＴ图像的三　维分割为前提的　针对Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型的特点，提出一种结合区域填充的改进Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型图像分割算法。将相邻的　上一张切片的分割结果映射到当前切片上，根据一定的规则进行区域填充，并将填充后的结果与前一张切片的分割　结果按一定的算法进行比较，进一步优化　得到的初始轮廓很接近肝脏的真实边界，而且大部分曲线已在边界上，　将其作为改进的Ｂ—Ｓｎａｋｅ模型算法的初始轮廓，只需对其进行部分控制点的优化调整，就可得到准确的分割结果。　以此类推，直到处理完所有切片图。实验表明，该算法能有效提高分割的准确度，获得较满意的分割结果。　关键词：肝脏；图像分割；区域填充；活动轮廓模型　文献标志码：Ａ　巾图分类号：ＴＰ３１７．４　ｄｏｉ：１０．３７７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２．８３３１．１３０６．０１１１　

ｌ　引青　随着计算机图形学技术以及虚拟仿真技术的不断　发展，虚拟手术技术特别是虚拟肝技术已经有了很大的　发展Ⅲ。三维肝脏模型跟肝脏的二维数字断层图像相　比，更直观，更能展现人体器官的三维结构和形态，因此　肝脏三维重建技术已广泛运用于虚拟手术中。由于每　个病人的肝脏器官外形都不一样，病灶也不一样，如何　构造出个性化的肝脏模型是肝脏虚拟手术中重要的研　

究方向之一，而肝脏模型的个性化又是以肝脏ＣＴ图像　的三维分割为前提的，因此，肝脏ＣＴ图像的三维分割算　法的研究具有很重要的意义　。但是由于肝脏及其周围　组织结构的复杂性，肝脏ＣＴ图像的三维分割一直都是　一项挑战性的任务，很多科研工作者已经在这方面进行　了研究　。　传统的图像分割方法一般可以分为三类：基于阈　值的分割、基于边缘检测的分割和基于区域的分割Ⅲ。　

基金项目：福建省科技计划重点项目（Ｎｏ．２０１１Ｈ００２７）。　作者简介：王杰雄（１９８９一），男，硕士研究生，研究领域为图像处理与通信；陈国栋（１９７９一），男，博士研究生，助理研究员，研究领域　为计算机图形学；陈怡（１９９０一），男，硕士研究生，研究领域为图像处理与通信。Ｅ—ｍａｉｌ￣ｗａｎｇ￣ｉｅｘｉｏｎｇ一１９８９＠１２６．ｃｏｍ　收稿口期：２０１３—０６—１３　修回日期：２０１３—０９—０４　文章编号：１００２—８３３１（２０１５）０９—０１５２—０６　ＣＮＫＩ网络优先出版：２０１３—１１－１２，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２１２７．ＴＰ．２０１３１１１２．１１１９．０１１．ｈｔｍｌ　王杰雄，陈国栋，陈怡：改进的Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型肝脏ＣＴ图像分割算法　Ｋａｓｓ　ｒ　在１９８７年提出的Ｓｎａｋｅ模型是图像分割领域的一　大突破，开创了一类新形式的图像分割算法。针对该模　型在轮廓线的表示、轮廓线的拓扑变化和能量项的选择　等方面存在的不足，后来又出现了一些改进的模型算法：　用Ｂ样条曲线表示轮廓线的Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型　算法，解决　了Ｓｎａｋｅ模型参数化后计算精度不高的问题；ＭｃＩｎｅｒｎｅｙ　和Ｔｅｒｚｏｐｏｕｌｏｓ等人　于１９９５年提出的Ｔ－Ｓｎａｋｅ模型，在　图像区域上建立了一个三角形网格；Ｃｏｈｅｎ　提出了著　名的气球力，还有Ｘｕ和Ｐｒｉｎｃｅ等人　提出的ＧＶＦ外场　力，扩大了参数活动轮廓模型外力的作用范围，等等。　参数活动轮廓模型由于其在轮廓线表示、克服噪声　和交互控制等方面的优越性，已经被广泛运用于医学图　像的分割。文献［１０１提出了一种改进的ＧＶＦ模型，在原　始ＧＶＦ模型中加入了一个外力场，成功解决了ＧＶＦ模　型在肝脏分割过程中无法正确收敛到边界凹陷处的问　题。Ｈｏｎｇ　Ｌａｎ等人　”针对Ｓｎａｋｅ模型对初始轮廓很敏　感以及缺少曲率约束等问题，对Ｓｎａｋｅ模型进行改进，　用分水岭算法来获取初始轮廓并且在能量方程中加入　了与曲线形状相关的外力，实现肝脏图像的准确分割。　Ｍａｒｓｏｕｓｉ　Ｍ等人”　１提出一种怏速自适应的Ｂ．Ｓｎａｋｅ模　型，把外力、自适应的节点插入和多分辨率策略相结合，　将面积和体积的估计作为Ｂ—Ｓｎａｋｅ模型的辅助工具，实　现左心室超声心动图像中心脏边界的分割。　然而，大部分已有的研究成果都是对整条初始轮廓　曲线进行演化，对于一些无需进行演化的曲线段，仍然　对其进行能量函数的计算，时间效率比较低。例如文　献［３］中阐述的结合变分法的ＧＶＦ模型，处理２００张切　片需要３０　ｍｉｎ，虽然分割的精度很高，但是效率太低。　区域填充算法”　的算法简单，容易实现，对小区域的物　体效果较好，但是对于区域较大的物体容易出现过分割　和漏分割现象。　本文结合Ｂ—Ｓｎａｋｅ模型的特点，充分利用相邻切片　间的相似性来弥补区域填充算法处理后可能出现过分　割和漏分割的缺陷，而且，相邻切片分割结果的小偏差　不会互相影响。初步处理后得到接近目标边界的轮廓　线，作为Ｂ－Ｓｎａｋｅ模型的初始轮廓，结合文献［１４］中提到　的灰度模型，只需对曲线的部分控制点进行迭代，效率　较高，可以得到较准确的分割结果。　２算法原理与步骤　本文算法分为初步分割和改进的Ｂ—Ｓｎａｋｅ模型优　化两个部分，框架图如图ｌ所示。考虑到相邻切片之间　肝脏区域的面积和形状的变化很小，首先选取一张肝脏　区域较大，轮廓较清晰的切片图，通过手动确定轮廓点　和样条曲线拟合得到第一张切片的分割结果，将该分割　结果映射到相邻的切片，通过区域内的灰度统计特性确　定种子点和填充的灰度范围，进行漫水填充，结合形态　学操作，并将结果与上一张切片的分割结果按一定的算　法进行比较，优化后的结果作为初步分割的结果。将初　步分割的结果作为第二部分中改进的Ｂ．Ｓｎａｋｅ模型算　法的初始轮廓，自动进行调整。由于初步分割后的结果　已经很接近目标真实边界，很大一部分曲线已经在肝脏　的边界上，将其作为活动轮廓模型的初始轮廓，利用文　献［１４１中的灰度模型对轮廓线上的控制点进行分类，对　不在边界上的控制点进行小范围的调整即可实现准确　的目标提取。　

图１整体框架图　选取一张肝脏区域较大而且轮廓比较清晰的切片　图作为第一张处理的切片图，如图２所示，对于一套按　顺序扫描的切片，这样的切片图一般在肝脏ＣＴ序列的　中间部分可以找到。由于这样的切片图中肝脏区域较　大，得到的区域内部的灰度值统计特性能比较准确地反　应真实肝脏区域的特性。　手动确定了第一张切片的轮廓点之后，采用三次Ｂ　样条曲线对轮廓点进行拟合，如图２所示。　

图２三次Ｂ样条曲线拟合　２．１　Ｓｎａｋｅ原始模型　Ｋａｓｓ等人　提出的参数活动轮廓模型是典型的变分　求解问题，将弹性力学中的弹性势能及弯曲势能引入模　型，将其作为该模型的内部能量，并与来自图像信息的　外部能量结合在一起。内部能量是为了保持曲线的连　续性和平滑性，外部能量引导曲线向目标边界演化，当　模型能量取得最小值时，演化结束。