第 卷 第 期 原 子 能 科 学 技 术 年 月!"#$%!!&'! #$ &" 图 像 分 割 在 肺 部 计 数 器 虚 拟 刻 度 中 的 应 用 黎 先 利 尹 国 辉 马 怀 成 成 智 威 冯 天 成 西 北 核 技 术 研 究 所 陕 西 西 安 + 摘 要 基 于 边 缘 检 测 及 阈 值 分 割 算 法 采 用 &&5 编 程 对 一 物 理 体 模 的 图 片 进 行 了 自 动 分 割 区 分 出 肺 肌 肉 骨 骼 种 组 织 并 对 分 割 出 的 数 据 进 行 了 三 维 重 建 实 现 了 体 素 模 型 的 快 速 建 立 将 自 动 分 割 出 的 器 官 的 体 积 与 实 际 器 官 的 比 较 相 对 偏 差 小 于 C 将 体 素 模 型 用 于 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 结 果 显 示 虚 拟 刻 度 与 实 验 结 果 的 相 对 偏 差 小 于 C 关 键 词 体 素 模 型 边 缘 检 测 阈 值 分 割 图 像 分 割 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 *+**) $-. --+!""!+"1!!$"+ /0&*,1*1 1&*!#,*6!, &*!# 5"",6+ $ 47!3& 6&2!2&52!'!&2$12# &&5286&"!5&2!'!!'#!'!! &'#"&$"!2'!'2/1 #12!&'5! 6!"!2!#!!' 8"!"#&31!"-!'#"&3$&#!28&3$2&3&3&"#!41!8!2!#!!'"#& &'!3$2&"#&!"!&4!'!4&!22 & C 6&25&!'!2!#!!'3& 6&212!'8"!$$&5"& 8 1 #1#2$2!2!"!21262&!4"1&&5"&!8!&#"!!2 6!!73!"!&4&1!24!"$6!6&"!&4!'!4&!22& C (" $47!3&!'#!'!! "!2'#2!#!& &#!2!#!& 肺 部 计 数 器 体 外 测 量 肺 部 污 染 核 素 残 留 是 工 作 人 员 个 人 内 照 射 监 测 的 重 要 内 容 通 常 肺 部 计 数 器 的 刻 度 需 一 仿 真 人 体 模 型 物 理 模 型 模 型 用 组 织 等 效 材 料 制 作 肺 部 含 有 待 刻 度 的 核 素 能 很 好 反 映 核 素 发 射 的 光 子 在 人 体 组 织 中 的 吸 收 但 物 理 模 型 制 作 复 杂 价 格 昂 贵 同 时 对 于 体 形 不 同 的 个 体 物 理 体 模 的 代 表 性 较 差 对 于 低 能 光 子 不 同 体 模 的 刻 度 结 果 可 能 相 差 C 因 此 通 过 体 素 模 型 进 行 虚 拟 刻 度 的 方 法 成 为 一 有 效 的 替 代 方 法 虚 拟 刻 度 借 助 蒙 特 卡 罗 程 序 模 拟 光 子 在 人 体 组 织 内 的 输 运 过 程 并 记 录 光 子 在 探 测 器 中 的 沉 积 能 量 模 拟 程 序 中 光 子 能 量 可 任 意 改 变 对 低 能 光 子 探 测 效 率 影 响 较 大 的 组 织 密 度 脂 肪 含 量 等 参 数 也 可 按 要 求 调 整 因 此 相 比 传 统 的 刻 * 度 方 法 虚 拟 刻 度 的 方 法 有 更 大 的 灵 活 性 收 稿 日 期 ** 修 回 日 期 ** 作 者 简 介 黎 先 利 + 男 安 徽 宿 松 人 硕 士 研 究 生 辐 射 防 护 专 业
原 子 能 科 学 技 术 第 卷 另 外 由 于 程 序 中 人 体 组 织 数 据 来 源 于 人 体 的 断 层 扫 描 数 据 因 此 相 比 物 理 体 模 有 更 大 的 代 表 性 体 素 模 型 的 建 立 主 要 有 以 下 步 骤 获 取 人 体 断 层 扫 描 原 始 数 据 对 扫 描 图 片 进 行 图 像 分 割 识 别 出 不 同 的 器 官 组 织 赋 予 器 官 组 织 相 应 的 物 理 属 性 成 分 组 成 密 度 等 并 在 蒙 特 卡 罗 程 序 中 对 体 素 模 型 进 行 描 述 其 中 原 始 数 据 可 通 过 计 算 机 0 射 线 断 层 扫 描 技 术 或 核 磁 共 振 成 像 实 现 而 体 素 模 型 在 蒙 特 卡 罗 模 拟 程 序 中 的 描 述 也 易 借 助 > 中 的 卡 和 / 卡 实 现 图 像 分 割 指 按 一 定 规 则 将 幅 图 像 分 成 若 干 部 分 或 子 集 的 过 程 具 体 在 本 研 究 中 是 对 图 像 中 的 属 于 不 同 器 官 组 织 的 区 域 进 行 识 别 对 属 于 同 一 器 官 组 织 的 像 素 点 使 用 相 同 的 灰 度 进 行 标 识 图 像 分 割 是 体 素 模 型 建 立 的 关 键 步 骤 分 割 质 量 及 时 间 精 力 的 耗 费 决 定 了 体 素 模 型 的 应 用 前 景 早 期 的 图 像 分 割 靠 人 工 在 原 始 图 像 上 直 接 画 出 期 望 的 边 界 这 种 方 法 费 时 费 力 分 割 结 果 与 分 割 者 的 解 剖 知 识 和 经 验 直 接 关 联 分 割 结 果 不 太 理 想 因 此 研 究 一 种 准 确 的 半 自 动 或 自 动 图 像 分 割 方 法 非 常 必 要 目 前 国 内 体 素 模 型 的 处 理 或 用 图 像 处 理 软 件 >23 进 行 分 割 或 用 射 线 治 疗 软 件 <2#"&$ 生 成 灰 度 等 值 线 完 成 两 种 均 为 半 自 动 的 分 割 方 法 本 文 以 组 物 理 体 模 的 扫 描 图 片 为 原 始 数 据 采 用 &&5 软 件 编 程 实 现 图 像 的 快 速 自 动 分 割 和 三 维 重 建 图 像 分 割 图 像 分 割 的 方 法 可 归 为 大 类 基 于 阈 值 边 缘 和 区 域 的 分 割 方 法 各 分 割 方 法 各 有 优 劣 需 针 对 具 体 的 图 像 特 性 选 择 合 适 的 方 法 本 研 究 体 素 模 型 的 数 据 源 为 一 肺 部 计 数 器 刻 度 用 的 肺 部 含 放 射 源 的 > 型 仿 + 真 人 体 躯 干 模 型 该 模 型 共 有 肺 肌 肉 骨 骼 心 脏 肾 脏 肝 + 种 人 体 组 织 或 器 官 等 效 结 构 此 外 还 包 含 有 种 不 同 厚 度 的 胸 盖 板 以 模 拟 不 同 体 形 的 个 体 对 仿 真 人 体 模 型 分 别 在 覆 盖 种 盖 板 及 无 盖 板 的 情 况 共 ) 种 下 进 行 扫 描 各 取 得 个 断 层 扫 描 图 片 断 层 间 隔 为 通 过 <( 图 像 显 示 软 件 %$ # 快 速 浏 览 器 选 择 合 适 的 窗 值 和 窗 宽 得 到 种 分 别 突 出 肺 部 及 其 他 组 织 的 图 片 如 图 所 示 通 过 %$# 软 件 的 距 离 测 量 工 具 得 到 图 片 每 个 像 素 点 对 应 大 小 为 D 由 于 在 体 素 模 型!&" 模 拟 计 算 过 程 中 体 素 越 小 所 需 要 的 计 算 时 间 越 长 为 兼 顾 计 算 时 间 与 计 算 精 度 对 原 始 图 片 采 用 双 三 次 插 值 算 法 缩 小 ) 倍 即 将 每 个 像 素 点 调 整 为 D & 亮 度 对 比 度 5 亮 度 对 比 度 + 图 扫 描 获 取 的 仿 真 人 体 模 型 断 层 图 片 #&#!283$2&3& 2 骨 骼 与 肌 肉 的 分 割 选 择 亮 度 对 比 度 的 图 片 作 为 初 始 处 理 图 片 图 & 骨 骼 灰 度 为 肌 肉 灰 度 为 骨 骼 与 肌 肉 灰 度 处 于 两 个 无 交 集 的 灰 度 区 域 因 此 选 择 阈 值 分 割 算 法 对 骨 骼 和 肌 肉 进 行 分 割 阈 值 分 割 算 法 的 思 想 为 确 定 一 处 于 图 像 灰 度 取 值 范 围 的 灰 度 阈 值 将 图 像 中 各 像 素 的 灰 度 与 这 个 阈 值 相 比 较 像 素 的 灰 度 大 于 阈 值 的 为 一 类 小 于 阈 值 的 为 另 一 类 由 于 图 像 在 &&5 中 以 矩 阵 形 式 表 示 因 此 &&5 在 矩 阵 运 算 中 的 优 势 在 图 像 处 理 中 可 得 到 充 分 发 挥 使 用 "!&' 函 数 将 初 始 图 片 读 入 个 矩 阵 在 对 矩 阵 进 行 裁 剪 中 值 滤 波 后 选 择 灰 度 和 为 阈 值 灰 度 大 于 的 部 分 作 骨 骼 矩 阵 灰 度 大 于 小 于 的 部 分 作 肌 肉 矩 阵 得 到 肌 肉 和 骨 骼 的 分 割 矩 阵 图 2 肺 部 的 分 割 选 择 亮 度 对 比 度 + 的 图 片 作 为 初 始 处 理 图 片 图 5 由 于 肺 部 的 密 度 很 低 在 使 用 阈 值 分 割 时 会 将 其 他 组 织 的 边 界 或 肺 部 边 缘 空 气 包 含 进 来 影 响 重 建 出 的 肺 部 形 状 为 此 分 别 采 用 区 域 生 长 算 法 和 边 缘 检 测 算 法 对 肺 部 进 行 分 割 并 对 两 种 结 果 进 行 比 较 区 域 生 长 算 法 的 思 想 为 在 感 兴 趣 区 域
第 期 黎 先 利 等 图 像 分 割 在 肺 部 计 数 器 虚 拟 刻 度 中 的 应 用 噪 声 设 置 肺 部 区 域 灰 度 的 上 限 及 下 限 依 据 限 值 生 成 二 值 图 像 图 5 图 阈 值 分 割 方 法 分 割 出 的 骨 骼 & 和 肌 肉 5 #?!&&'12!52!#!!' 5$12#"!2'#!' ( 选 择 个 像 素 点 作 为 个 种 子 点 按 照 一 定 的 生 长 条 件 将 种 子 点 邻 域 内 灰 度 相 近 的 点 吸 收 并 以 新 吸 收 点 作 为 种 子 点 重 复 以 上 过 程 直 至 不 再 有 新 的 种 子 点 本 文 采 用 的 生 长 准 则 为 将 待 吸 收 点 灰 度 与 已 吸 收 的 像 素 点 灰 度 均 值 进 行 比 较 两 者 之 差 小 于 设 定 的 判 断 阈 值 则 将 其 吸 收 边 缘 检 测 算 法 的 思 想 为 生 成 目 标 区 域 的 边 界 然 后 将 边 界 内 区 域 分 割 出 来 常 用 的 边 缘 检 测 算 法 有 微 分 算 子 法 拉 普 拉 斯 高 斯 算 子 法 & $ 算 法 等 在 图 像 分 割 中 边 缘 的 封 闭 性 对 分 割 结 果 至 关 重 要 在 使 用 以 上 种 算 法 对 肺 部 进 行 边 缘 检 测 时 均 存 在 边 缘 的 封 闭 性 问 题 对 结 果 影 响 较 大 为 解 决 边 缘 封 闭 问 题 采 用 二 值 图 像 的 四 邻 域 边 界 识 别 方 法 具 体 算 法 流 程 图 如 下 对 原 始 图 像 图 & 进 行 中 值 滤 波 去 除 生 成 二 值 图 像 图 5 的 四 邻 域 边 界 图 边 界 元 素 必 须 满 足 两 个 条 件 值 为 四 邻 域 中 至 少 有 个 元 素 为 设 置 ( 种 子 点 对 边 界 内 的 部 分 进 行 填 充 并 将 填 充 后 的 图 像 减 去 之 前 的 边 界 最 后 对 分 割 出 的 肺 部 进 行 描 边 得 到 分 割 出 的 肺 部 图 像 图 ' 三 维 重 建 对 所 有 图 片 逐 个 进 行 分 割 后 存 入 个 三 维 矩 阵 使 用 &&5 的 表 面 重 建 函 数 221"8&! 对 分 割 出 的 肺 部 及 骨 骼 进 行 三 维 重 建 如 图 所 示 由 图 可 看 出 对 于 使 用 的 源 数 据 边 缘 检 测 算 法 重 建 出 的 肺 部 表 面 更 光 滑 基 本 不 存 在 误 判 的 区 域 使 用 阈 值 分 割 算 法 分 割 出 的 骨 骼 部 分 的 重 建 效 果 也 很 理 想 表 列 出 了 重 建 出 的 肺 部 体 积 与 实 际 体 模 体 积 的 对 比 两 种 算 法 给 出 的 肺 部 体 积 与 实 际 体 模 体 积 的 相 对 偏 差 均 小 于 C ) 应 用 在 使 用 > 型 仿 真 人 体 模 型 对 肺 部 计 数 器 进 行 效 率 刻 度 的 过 程 中 个 高 纯 锗 探 测 图 四 邻 域 边 缘 检 测 算 法 的 肺 部 分 割 过 程 #/1#2!#!& 3"!2212#*!#5"!'#!'!! &#" & 区 域 生 长 算 法 重 建 出 的 肺 部 5 边 缘 检 测 重 建 出 的 肺 部 骨 骼 重 建 出 的 肺 部 图 通 过 &&5 三 维 重 建 的 组 织 器 官 #<"!2"1 82!#!!'221!"#& 5$ &&5
) 原 子 能 科 学 技 术 第 卷 表 两 种 算 法 重 建 出 的 肺 部 体 积 与 实 际 体 模 体 积 的 比 较 *"1+"+-$-&$!!$"!+"" $!+"&$ 器 官 实 际 体 模 体 积 / 算 法 重 建 体 积 / 算 法 重 建 体 积 与 实 际 的 相 对 偏 差 C 边 缘 检 测 区 域 生 长 边 缘 检 测 区 域 生 长 左 肺 ) ) ) 右 肺 + + + 器 置 于 模 型 胸 部 上 方 测 量 模 型 肺 部 发 射 的 光 子 并 通 过 更 改 胸 盖 板 的 方 法 模 拟 不 同 + 胸 壁 厚 度 的 人 体 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 采 用 的 模 拟 软 件 为 > 体 素 模 型 体 素 大 小 为 DD 依 据 阈 值 分 割 及 边 缘 检 测 算 法 对 无 盖 板 和 种 盖 板 情 况 下 体 模 的 图 片 进 行 自 动 分 割 分 割 出 骨 骼 肌 肉 肺 部 种 组 织 生 成 描 述 人 体 组 织 的 三 维 矩 阵 每 个 矩 阵 元 的 数 值 对 应 相 应 的 组 织 按 > 对 重 复 数 据 的 输 入 规 则 对 三 维 矩 阵 进 行 压 缩 以 减 少 > 输 入 程 序 的 大 小 减 小 计 算 过 程 中 的 计 算 机 内 存 消 耗 节 约 计 算 时 间 利 用 > 中 的 / 卡 生 成 体 素 卡 生 成 不 同 的 组 织 器 官 的 集 合 将 压 缩 后 的 矩 阵 导 入 > 输 入 文 件 生 成 体 素 模 型 并 用 于 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 如 图 ) 所 示 对 肺 部 进 行 均 匀 抽 样 抽 样 源 粒 子 为 衰 变 发 射 的 ++)).! 种 能 量 的 光 子 采 用 已 修 正 过 参 数 的 高 纯 锗 探 测 器 作 为 记 录 单 元 记 录 探 测 器 对 种 光 子 在 不 同 等 效 胸 壁 厚 度 无 盖 板 及 种 不 同 盖 板 情 况 下 的 探 测 效 率 并 将 虚 拟 刻 度 模 拟 结 果 与 实 验 刻 度 结 果 进 行 对 比 表 对 比 结 果 显 示 在 ) 种 等 效 胸 壁 厚 度 下 种 光 子 的 虚 拟 刻 度 结 果 与 实 验 刻 度 结 果 有 很 好 的 一 致 性 相 对 偏 差 均 小 于 C 表 蒙 特 卡 罗 模 拟 计 算 值 与 实 验 值 的 比 较 *"+-$"""" " "$+",-"+""" 能 量.! 等 效 胸 壁 情 况 实 验 值 探 测 效 率 计 算 值 计 算 值 与 实 验 值 的 相 对 偏 差 C + 无 盖 板 D D 盖 板 +D D 盖 板 D D 盖 板 +D D 盖 板 ++D ) +D ) 无 盖 板 D )D 盖 板 D D + 盖 板 D D + 盖 板 D D + 盖 板 D D + 无 盖 板 +D D ) 盖 板 D D + 盖 板 D D 盖 板 D D 盖 板 D D + 无 盖 板 D D ++ 盖 板 D D 盖 板 D D 盖 板 )D D 盖 板 D D 导 致 虚 拟 刻 度 结 果 与 实 验 刻 度 结 果 之 间 偏 差 的 主 要 因 素 如 下 体 素 模 型 与 物 理 体 模 的 差 异 由 于 分 割 后 重 建 出 的 肺 部 与 体 模 中 肺 体 积 偏 差 非 常 小 由 此 导 致 的 偏 差 可 忽 略 相 比 而 言 由 于 图 像 分 割 导 致 的 胸 壁 厚 度 差 异 将 会 对 探 测 效 率 造 成 更 大 的 影 响 通 过 对 分 割 后 体 素 模 型 厚 度 进 行 测 量 其 与 物 理 模 型 的 偏 差 在 以 内 对 于 )).! 光 子 由 此 导 致 的 相 对 偏 差 小 于 C 而 对 于 +.! 光 子 相 对 偏 差 小 于 图 ) 体 素 模 型 用 于 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 #)7!3&12!' 4"1&&5"& 81#1#2$2! C 探 测 器 与 体 模 的 相 对 几 何 位 置 及 探 测 器 与 体 模 表 面 的 距 离 是 影 响 探 测 效 率 的 主 要 位 置 因 素 通 过 较 准 确 地 定 位 可 将 > 程 序 中
第 期 黎 先 利 等 图 像 分 割 在 肺 部 计 数 器 虚 拟 刻 度 中 的 应 用 ) 探 测 器 与 体 模 的 距 离 与 实 际 距 离 的 偏 差 控 制 在 内 其 导 致 的 探 测 效 率 相 对 偏 差 在 )C 以 内 考 虑 其 他 位 置 角 度 及 测 量 的 水 平 位 置 等 因 素 后 由 相 对 几 何 位 置 偏 差 导 致 的 探 测 效 率 相 对 偏 差 应 小 于 C 探 测 器 的 几 何 结 构 参 数 通 常 厂 商 提 供 的 高 纯 锗 探 测 器 几 何 结 构 参 数 与 实 际 参 数 间 存 在 较 大 的 差 异 需 经 过 参 数 修 正 以 使 蒙 特 卡 罗 模 拟 探 测 效 率 与 实 验 值 保 持 较 好 的 一 致 在 修 正 过 程 中 采 用 了 *2 混 合 点 源 分 别 置 于 探 测 器 正 下 方 处 测 量 探 测 器 的 实 验 探 测 效 率 以 实 验 探 测 效 率 为 参 考 值 对 探 测 器 参 数 进 行 修 正 采 用 修 正 的 几 何 参 数 后 在 范 围 内 探 测 器 对 种 光 子 ++)).! 探 测 效 率 实 验 值 与 模 拟 值 的 相 对 偏 差 小 于 )C)CCC 综 合 以 上 分 析 对 于 发 射 的 )).! 光 子 虚 拟 刻 度 计 算 值 与 实 验 值 的 偏 差 主 要 由 模 拟 程 序 中 探 测 器 与 体 模 间 的 相 对 几 何 位 置 导 致 而 对 于 ++.! 种 能 量 的 光 子 几 何 位 置 偏 差 与 探 测 器 几 何 结 构 参 数 导 致 的 偏 差 是 主 要 原 因 另 外 在 低 能 0 射 线 峰 解 谱 过 程 中 的 实 验 探 测 效 率 误 差 也 不 可 忽 视. 小 结 本 文 使 用 阈 值 分 割 及 边 缘 检 测 算 法 采 用 &&5 编 程 的 方 式 实 现 了 基 于 组 仿 真 人 体 模 型 数 据 的 体 素 模 型 的 快 速 建 立 并 将 建 立 的 体 素 模 型 用 于 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 结 果 显 示 通 过 本 方 法 快 速 自 动 分 割 图 像 后 建 立 的 体 素 模 型 可 很 好 地 应 用 于 肺 部 计 数 器 的 虚 拟 刻 度 相 比 物 理 模 型 体 素 模 型 更 灵 活 同 时 有 更 大 的 个 体 代 表 性 采 用 编 程 的 方 法 可 方 便 地 进 行 自 动 图 像 分 割 和 三 维 重 建 快 速 对 分 割 结 果 进 行 检 验 并 可 进 行 数 据 压 缩 直 接 生 成 用 于 > 模 拟 的 体 素 数 据 具 有 很 好 的 灵 活 性 需 指 出 的 是 真 实 的 人 体 扫 描 图 像 要 比 物 理 体 模 扫 描 图 像 更 复 杂 在 图 像 分 割 过 程 中 最 关 键 的 问 题 是 针 对 具 体 的 图 像 特 征 选 择 合 适 的 算 法 参 考 文 献 =, =?!"3&"2 8"23&1#2!2&'& >"! <2!"$* =/ >(%%*%% //!&33& 847!3&2!!"& '2!"$8"&'1'!2&'& >"!* <2!"$** 张 斌 全 马 吉 增 程 建 平 等 使 用 人 体 躯 干 物 理 模 型 的 模 型 和 蒙 特 卡 罗 方 法 校 准 肺 部 计 数 器 辐 射 防 护 ++)*,?1& -!#,&3#!&&5"& 81#1!"12#&'!8 "23&&'!&"!'&'&* >"! ++)*!2! 刘 立 业 = <'!/ / 等 基 于 /4!""! 模 型 图 片 构 建 人 体 躯 干 数 字 体 模 及 其 在 肺 部 计 数 器 虚 拟 刻 度 中 的 应 用 辐 射 防 护 )+* / /$!= <'!/ /!& 7!3&5&2!'!&#!28/4!"* "!"23&&'2&33& 4"1& &5"& 8&"!&)$$1#1#2$2! &'& >"! )+*!2! 黄 峰 茜 陈 春 晓 姚 均 营 图 像 分 割 方 法 的 研 究 进 展 中 国 医 疗 器 械 信 息 +*,!#& 17&( 1* $#'4&!!2 &#!2!#!& &!'& <!4! 8"& + *!2! + 成 智 威 毛 永 马 如 维 等 超 铀 元 素 肺 部 计 数 器 的 效 率 刻 度 技 术 辐 射 防 护 + )*+,6!(#16!!& 8!$ &5"& 8"&21"& 1'! 1#1!"&'& >"! +)*+!2!, 21"4!$!4&1&!'2 8"&#!2!#!& >&!"!# +)*+ 张 斌 全 马 吉 增 程 建 平 等 体 素 模 型 在! &" 模 拟 计 算 中 的 描 述 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 %)*,?1& -!#, &* 3#!& '!# 8 47! 3&28"!&"21&21"&82#1& 4!"2$%!!&'!#$ %)*!2! 0*"&$&'#&&*"&$2&'&"'28"'!!"&5"&* *<(*+! &