一种基于血管流域的肝脏分段方法及系统

本发明属于医学图像处理，具体涉及一种基于血管流域的肝脏分段方法及系统。

背景技术：

1、肝脏是人体内脏中最大的器官，位于腹腔的右上部，承担着多种重要的生理功能，包括但不限于代谢调节、解毒、分泌胆汁、储存营养物质以及参与免疫调节等。在人体的生命活动中，肝脏的健康状况直接影响到整个机体的正常运作。

2、在全球范围内，肝脏疾病特别是肝癌的发病率和死亡率构成了严重的公共卫生问题。

3、为了提高肝脏手术的成功率和安全性，医护人员必须进行细致的术前规划。这包括利用高精度的医学成像技术来分析和映射肝脏结构，确保在手术中能够精确地定位并切除病变组织，同时最大限度地保留健康的肝脏组织。在此过程中，肝脏分段技术发挥着核心作用。

4、肝脏分段的理论基础主要依赖于两种分段方法。第一种方法由couinaud提出，这种方法基于肝脏内门静脉和肝静脉的分支，将肝脏划分为八个独立的功能单元。这种分段技术使得用户能够在手术中精确切除肿瘤及病变区域而不损害健康的肝组织，从而最大限度地保留肝脏的功能，有效提高了手术的成功率，并为其它复杂的肝脏手术技术提供了理论和实践基础。然而，couinaud方法所依据的解剖标记可能与实际的血管供氧区域有所偏差，导致手术中可能剩余不足的供氧组织或过多切除正常组织。为了克服这一限制，makuuchi等人开发了一种新的分段技术，这种技术以门静脉分支的流域作为基本单元，更贴合实际血管的供氧分布。通过更加精确地映射血管流域，该技术可以更精确地进行肝脏分段，这对于提高手术的精确性和安全性具有重要意义。在手术中，能够实现更细致的肝脏分段，还有助于保留尽可能多的健康肝功能区域，干净切除肿瘤区域，确保剩余肝脏的供血和引流静脉的完整性，从而大幅提升肝脏手术的治疗效果。

5、为实现肝脏分段，现有技术中有一种半自动切割思路，例如申请号为200810197660.8，名称为“一种基于ct图像的肝脏分段方法及其系统”的中国专利，其披露了首先对腹部msctp动脉期和门静脉期序列图像进行预处理，自动分割肝脏轮廓并得到肝脏图像；其次利用基于hessian矩阵的多尺度滤波方法对血管进行增强，利用区域增长等分割方法分割出肝门静脉，并利用三维拓扑细化方法提取出肝门静脉的中心线；血管交互分级标记；之后利用距离变换和voronoi算法进行计算，并利用肝脏轮廓进行值掩得到分段结果；最后重建出三维肝脏分段结果。现有的分割存在以下问题：未能保持细化线的拓扑结构，存在细化线断开的情况，细化操作进行不彻底，无法实现单个体素节点程度的细化，存在冗余节点，对后续结构化操作不利；对血管及肝脏段的分割均基于粗分割与细分割结合的方式以实现对粗糙图像的处理，会由粗分割的错误累计到后续细分割错误；不能实现对选点位置不好的纠正；对于每一段血管进行的分级处理，其排除了非常多的血管分支，仅保留了主干门静脉分支，基于此的分段会导致非主干门静脉血管会由于分段而被切断，

6、切割结果粗糙，连通性难以保持。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于血管流域的肝脏分段方法及系统。

2、为实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于血管流域的肝脏分段方法，其包括如下步骤：

3、s1，获取肝脏区域的ct图像；

4、s2，从ct图像中分割出肝脏及其血管结构；

5、s3，对所述血管结构进行半自动划分，基于用户的选点，实现肝脏血管的最优分段方案并显示；

6、s4，基于肝脏血管的分段方案扩充至肝脏，实现肝脏的分段并显示。

7、本发明的基于血管流域的肝脏分段方法提升半自动肝脏分段的效率和精确度，所有血管分支都得到保留，实现了任意位置的切割；先进行肝脏血管的分段再扩充至肝脏实现肝脏的分段，充分考虑血管流域血管供氧的影响，更精确地进行肝脏分段，有利于提高手术的精确性和安全性，有助于分割尽可能多的健康肝功能区域，从而干净切除肿瘤区域，确保剩余肝脏的供血和引流静脉的完整性，从而大幅提升肝脏手术的治疗效果。

8、根据本发明的一种优选实施方式，步骤s3中对所述血管结构进行半自动划分，基于用户的选点，实现肝脏血管的最优分段方案并显示的方法为：

9、s31，提取肝脏血管、细化血管并构建图模型；

10、s32，用户在血管模型上选点即切割点，若该点在分叉点附近，启动回溯机制，调整节点的位置使其远离分叉点；

11、s33，寻找所选切割点对应的最优方向和血管切平面作为切割平面；

12、s34，在血管模型上标注出切割平面，用不同颜色标注出所选点及其下游的血管，确定当前切割点后的血管支是否被全部切割到，如果没有返回步骤s32，否则退出。

13、本发明能保持细化线的拓扑结构，避免细化线断开的情况，能够实现单个体素节点程度的细化；另外通过对于用户点选位置不佳的情况，实现基于结构化处理的细化线，进行容忍度和回溯处理，进行自动的选点位置不好时的纠正，更加高效精准。

14、根据本发明的另一种优选实施方式，所述回溯机制为：

15、s321，用户选点后，寻找该点在细化线上最近的节点；

16、s322，判断该点是否在分叉点附近，当该点对应细化线上最近的节点到附近最近分叉点的距离小于规定距离时，则该点在分叉点附近，若在分叉点附近，执行步骤s323，否则判断是否选点完成，如果没有完成，返回执行步骤s321；

17、s323，寻找主干血管方向，并在此方向上回溯到父节点，将该点移动到其父节点的位置，返回步骤s322，以此来调整节点的位置，使其远离分叉点，确保从细化线节点到其对应的分叉点的最短路径长度大于或等于规定距离。

18、通过对于用户点选位置不佳的情况，实现基于结构化处理的细化线，进行容忍度和回溯处理，进行自动的选点位置不好时的纠正，更加高效精准。

19、根据本发明的再一种优选实施方式，步骤s33中寻找所选点对应的最优方向和血管切平面作为切割平面的方法为：

20、s331，在给定空间内构建一个球树，并通过球树查询找到选定点附近距离最近的一定数量的最近邻点，对这一定数量的最近邻点在三维空间中进行拟合，获取血管的主要走向即为初始方向向量；

21、s332，计算血管截面面积，利用一个无穷大的截面去切割图像，并计算直接与该血管段相连的截面面积大小；

22、s333，以初始方向向量作为起始值，以最小化肝脏血管截面积为优化目标，确定最优截面。

23、高质量地完成肝脏的分段。

24、根据本发明的再另一种优选实施方式，确定最优截面的方法为：

25、获取切割点坐标p(x0,y0,z0)，初始方向向量为其中，υ0x，υ0y，υ0z分别表示方向向量在x，y，z方向上的分量，x0,y0,z0分别表示切割点在x，y，z方向上的坐标值，

26、在初始方向向量上添加扰动向量

27、其中，dx,dy,dz分别表示扰动向量在x，y，z方向上的分量；

28、通过多次施加扰动向量以微调方向向量，改变切割平面的方向，选择最小截面积所对应的截面作为最优的切割平面，即：

29、

30、其中，是关于扰动向量的函数，表示根据扰动向量确定的方向向量所对应的切割平面的面积，选择扰动向量使得a最小化。

31、本发明提高效率并避免陷入局部最优解，通过引入了随机扰动机制，通过微调方向向量并在其周围空间内进行多次随机搜索，能够探索多个可能的切割方案，选择最小截面积的切割方案作为最优方案，有效地平衡了算法的全局搜索能力与计算效率，在可接受的时间内找到具有最小截面积的理想切平面。

32、根据本发明的再另一种优选实施方式，步骤s33和步骤s34之间还具有实现精准切割的步骤：

33、获取切割平面s、切割点p以及与s相交的所有血管段；

34、判断与s相交的所有血管段的连通性：

35、其中，ai为与s相交的血管段的代号，i为血管序号，

36、求具有连通性的血管形成的连通域：

37、conn(li,l)＝{lj∈l,在l上存在从li到lj的路径}，其中，l是整个血管网络形成的图，li是起始的血管段，lj是l任意一个血管段；

38、用切割前血管形成的连通域与切割之后血管形成的连通域作差集，得到切除的血管段所形成的连通域，即切除部分血管段；

39、用切割前血管形成的连通域与切除部分血管段形成的连通域再次求差集，得到截取之后的剩余血管段，完成精准的肝脏血管切割。

40、本发明确保切割结果与剩余部分连通，并保持血管连通性；保留所有血管分支，实现任意位置的精准切割。

41、根据本发明的再另一种优选实施方式，步骤s4中基于肝脏血管的分段方案扩充至肝脏，实现肝脏的分段并显示的方法为：

42、s41，设置gpu参数，窗口大小和迭代次数；

43、s42，获取肝脏图像以及分段好的血管数据；

44、s43，判断是否达到终止条件，若得到，则输出最终的肝脏分段图像，否则执行步骤s44；

45、s44，选择未打标签的点，生成窗口并对每个窗口内的数据点计算它们与所述未打标签的点的距离，形成距离矩阵，在有效窗口内部，选择到未打标签的点距离最小的点的标签作为该窗口中心点的标签，返回步骤s43。

46、利用gpu的并行计算能力优化现有的扩散算法,提高处理速度和效率。更精确地处理细致的肝脏血管组织图像，从而提高诊断的精确性和治疗的有效性。

47、根据本发明的再另一种优选实施方式，生成窗口的方法为：

48、生成每个未打标签点的三维窗口，将这些窗口展平处理，将三维窗口中的每个点遍历，最终形成一个二维向量，其中二维向量每一行代表一个展平后的窗口数据，每一行中的数据表示这个窗口中的点到窗口中心点的距离，同时为每个点分配一个索引；

49、gpu并行计算每个未分割点的窗口数据，在单个步骤中同时处理多个窗口数据。

50、通过每次生成窗口，覆盖一部分的点，在后续迭代过程中需要根据这些点来进行生成窗口，才能计算出这些点的标签值；而且形态学处理之后，窗口数据需要重新改变。通过为每个点分配一个索引，更容易地索引到距离窗口中心最近的点，直接取每一行最小值的索引(每一行都代表窗口内各点距离中心点的距离)，可以直接根据最小值索引提取其标签，作为窗口中心点的标签。

51、根据本发明的再另一种优选实施方式，经过设定的迭代轮数执行一次形态学操作步骤，实现了优化和细化分割边界，有效地防止图像的错分和锯齿化。

52、使肝脏分段结果与血管供氧区域更为近似，使交界处更为平滑，便于用户观察和手术操作。

53、为实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于血管流域的肝脏分段系统，其包括处理器，所述处理器执行获取肝脏区域的ct图像，执行本发明的方法进行肝脏血管的分段和肝脏的分段并显示。

54、本发明的系统更高效、更精准的实现半自动肝脏切割，保持细化线的拓扑结构，避免细化线断开的情况，并实现单个体素节点程度的细化。确保切割结果与剩余部分连通，并保持血管连通性。保留所有血管分支，实现任意位置的精准切割。对于用户点选位置不佳的情况，实现基于结构化处理的细化线，进行容忍度和回溯处理，进行自动的选点纠正，解决用户点选位置不佳的问题。利用gpu的并行计算能力优化现有的扩散算法,提高处理速度和效率。使肝脏分段结果与血管供氧区域更为近似，使交界处更为平滑，便于用户观察和手术操作。

55、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。