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(duì)防治乳腺癌采取的“三早”原則。超聲成像憑借其無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(rùn)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(gè)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(dòng)輪廓方法以及它們?cè)诙S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(dòng)輪廓模型。首先，引入單演信號(hào)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(hào)的特征；然后，將相位非對(duì)稱方法應(yīng)用于多尺度的圖像特征上，以達(dá)到檢測(cè)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(gè)邊緣停止項(xiàng)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了梯度矢量流；最后，在活動(dòng)輪廓模型中融入自定義的邊緣停止項(xiàng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(huì)跨越不同的組織，因此基

6、于同質(zhì)片的統(tǒng)計(jì)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(gè)同質(zhì)片視為一個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(duì)稱方法提取邊緣曲面，進(jìn)而利用每個(gè)體素鄰域的邊緣信息擬合了一個(gè)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(guò)分析同質(zhì)體的紋理分布和計(jì)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(shí)，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(dòng)離真實(shí)腫瘤邊界較遠(yuǎn)的演化曲線逐漸向真實(shí)邊界處靠攏。最后，在活動(dòng)輪廓模型中，綜合全局和局部能量，通過(guò)曲線的快速演化實(shí)現(xiàn)