心脏图像分割方法研究与实践

### 心脏图像分割方法研究与实践 在医学影像领域，心脏图像的准确分割对于疾病诊断和治疗规划至关重要。本文将介绍两种不同的心脏图像分割方法，包括基于方向直方图的形状先验分割方法以及通过电影磁共振图像轮廓传播实现晚期钆增强磁共振图像心肌分割的方法，并对它们的实验结果进行分析。 #### 基于方向直方图的形状先验分割方法 ##### 实验设置 - **数据采集**：使用西门子Sonata MR扫描仪，在注射Gd - DTPA造影剂后采集心脏图像。像素间距范围为(1.5×1.5) - (2.8×2.8)mm²，共获取7个二维数据集，每个数据集包含60帧，总计420张图像。 - **分割标签**：有左心室血池、左心室心肌和背景3个分割标签，专家手动对所有帧中的左心室血池和心肌进行分割。 - **自动分割方法**：采用四种方法进行自动分割，分别是仅使用强度信息的图割法（GC）、结合形状先验和图割的方法（GCSP）以及另外两种相关方法。使用Dice度量（DM）将自动分割结果与手动分割结果进行比较。在所有实验中，k1 = 10，k2 = 1.2，w1 = 0.6。 ##### 实验结果分析 - **可视化结果**：图2展示了典型心脏灌注序列不同对比增强阶段的帧以及不同方法的分割结果。手动分割用红色表示，自动分割用不同颜色表示。这些图像显示左心室与周围心肌之间对比度较差，仅依靠强度信息会导致左心室过度分割。使用形状先验时，分割精度有所提高，且GCSP方法对形状变化更具鲁棒性。 - **定量结果**：表1显示了四种方法的定量分割性能。使用形状先验显著提高了分割精度，仅靠强度信息不足以对磁共振图像中的左心室进行分割。GCSP方法的DM值最高，轮廓距离最小，表明方向直方图能有效处理因变形引起的形状变化。 |方法|Dice Metric (%) - 心外膜|Dice Metric (%) - 心内膜|Dice Metric (%) - 整体左心室|Mean Absolute Distance (mm) - 心外膜|Mean Absolute Distance (mm) - 心内膜|Mean Absolute Distance (mm) - 整体左心室| |----|----|----|----|----|----|----| |GC|87.1±1.2|88.2±0.9|87.7±1.1|3.2±0. |2.8±0.5|3.0±0.6| |GCSP|95.1±0.6|94.7±1.1|95.0±0.9|0.7±0.3|0.8±0.4|0.7±0.3| |[2]|92.8±1.3|93.1±0.5|92.9±0.8|1.4±0.4|1.2±0.3|1.3±0.3| |[6]|93.1±0.9|92.4±1.0|92.±0.9|1.2±0.2|1.3±0.4|1.3±0.3| - **时间分析**：不同方法的平均分割时间分别为GC 13秒、GCSP 29秒、[2]方法17秒、[6]方法32秒。实验使用MATLAB 7.5在配备奔腾4、3 GHz双核处理器的PC上进行，未对代码进行多核优化。 - **参数影响**：w1决定强度对总惩罚的相对贡献。当w1 > 0.9时，强度信息的贡献高，最终标签仅受强度影响；当w1 < 0.3时，形状先验信息主导，强度信息无影响。w1 = 0.6是通过经验选择的，能在广泛数据集上给出最佳结果。k1应足够大于零以对标签施加硬约束，k2应足够小以不主导VS，且大于零以确保解的唯一性。当k2 > 1.5时，VS对最终标签的贡献减小。 #### 通过电影磁共振图像轮廓传播实现晚期钆增强磁共振图像心肌分割的方法 ##### 研究背景 心肌梗死后心肌活力评估对诊断和治疗规划至关重要，检测、定位和量化梗死心肌组织对于确定心脏哪些部分可能从血管重建治疗中获益很重要。在典型的心脏磁共振（CMR）检查中，注射造影剂后同时采集电影序列，15 - 20分钟后进行晚期钆增强（LGE）扫描，此时疤痕的强度比健康心肌更亮。手动勾勒心肌轮廓耗时且存在观察者间和观察者内的差异，自动分割因梗死区域造影剂积聚导致的心肌强度不均匀而困难。 ##### 方法框架 该方法采用多级框架，以粗到细的方式实现LGE CMR图像的自动心肌分割，主要包括以下三个步骤： 1. **预处理和仿射变换** - **图像选择**：仅考虑短轴切片，根据DICOM头信息选择与目标LGE图像空间位置相同且相位最接近的电影图像，并在选定的电影图像中勾勒心肌轮廓作为先验分割。 - **图像归一化**：将每对对应的电影和LGE图像归一化为相同的物理分辨率、相似的直方图分布和相同的大小。 -