第一章 绪论
1.1 引言
医学成像是一些用来对人体进行观察的技术手段，这些技术手段包括超声波成像、磁共振成像、X 光成像等，利用这些技术手段可以对病人的内部组织进行诊断、观察等。随着医学成像技术的不断发展，全世界的各种医疗机构不断地产生大量的医学图像数据，这些不断产生的数据给临床诊断带来了很大的便利。对于一个患者的图像数据，医生通常会通过阅片进行诊断，但是随着社会节奏的加快和人们生活质量的提高，传统的医生阅片诊断的弊端也逐渐显露出来，医生阅片诊断在很大程度上会受到主观因素的影响，而且这种阅片诊断十分耗时，需要医生逐层对医学图像进行观察和分析，这种弊端限制了医院的临床诊断效率，使医院不能满足患者的需求。此外，越来越多的临床数据图像给医生带来了很大的阅片压力。近年来，随着计算机技术的发展，计算机辅助诊断被提了出来[1]。计算机辅助诊断也被称为计算机辅助检测，是一种结合了计算机视觉和临床医学的交叉技术。这种技术通过全面快速地对医学图像进行处理来辅助医生对图像进行分析，并在较短时间内做出诊断决策，极大地提高了疾病诊断的效率。医学图像分割，作为临床诊断中图像分析的基础，能够快速地得到所需要的目标区域，是计算机辅助诊断中的重要技术环节[2]。
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1.2 课题研究背景及意义
X 射线于 1835 年被科学家伦琴发现，并在后来被用到了医学研究中，这是医学成像技术发展的起点。此后，20 世纪 50 年以来，超声波成像（ultrasonography,USG）、计算机断层扫描 （Computed Tomography, CT）、磁共振成像（MagneticResonance Imaging ，MRI）等技术相继出现，这些技术由于能够展示人体内部组织和病理变化而给医生进行临床疾病的诊断带来了极大的便利。脑积水是一种由于大脑内部的脑脊液非正常积累产生的疾病，这种疾病会引起颅压升高，导致人体视力和行动障碍，给人体健康带来很大的危害，因此对脑积水的及时诊断意义重大。在正常情况下，脑脊液连续地在大脑中循环，而脑积水会打破这种平衡状态，该病最终会导致脑室系统因为脑脊液的积累而扩张，脑积水的这一特征可以通过医学图像显示出来，如图 1-1 所示。对于先天性的脑积水，患者头部明显增大，医生通过观察这一外部特征便能做出诊断。而对于成人脑积水，颅腔容积不会发生明显变化，没有明显的外部特征，需要医生通过观察医学图像中脑室结构来诊断患者是否患有脑积水，传统情况下，医生要逐层观察医学图像中的脑室的结构来进行诊断。随着计算机辅助诊断的出现，一些疾病的诊断摆脱了传统的逐层阅片这种低效率的方案，尤其是肿瘤的诊断。如果将计算机辅助诊断技术用于非先天性脑积水的诊断，这将会给脑积水的诊断效率带来巨大的提升。通过对脑积水的介绍可以知道，非先天性脑积水会导致患者脑室系统扩大，而患者的颅腔容积却不会出现明显变化，因此脑积水患者的脑室和颅腔的容积比会超出正常范围。在这种背景下可以实现脑积水的计算机辅助诊断。进行脑积水辅助诊断需要将脑室从医学图像中分割出来，而在脑室系统中，第三脑室和第四脑室由于容积相对较小，在形态上不能明显反映出脑积水，因此脑积水辅助诊断中需要做的是将脑室系统的主体部分即侧脑室分割出来。分割出侧脑室后，便可以根据侧脑室和颅腔的容积比，结合分割出的侧脑室的形态，对脑积水进行辅助诊断。总的来说，脑积水辅助诊断需要脑室和颅腔两部分容积信息。由于颅腔结构相对简单，分割难度相对较小，而侧脑室因为其结构复杂导致分割难度较大。因此脑积水辅助诊断的主要工作是设计出比较合适的方案实现侧脑室分割。
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第二章 侧脑室分割的相关基础知识
2.1 脑部磁共振图像介绍
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）作为医学成像技术中的一种，已经在当前临床医学诊断中被普遍使用。这种技术利用磁场、无线电波和场梯度来生成能够反映人体内部组织的医学图像。人体的各个组织中存在着大量的氢原子核，氢原子核可以被电磁波激发，基于该原理，利用电磁波激发磁场中患者体内的氢原子核，激发结束后，氢原子核会将吸收的能量再度释放掉，体内组织不同，氢原子核能量的衰减也不同，衰减的能量被外置的接收器受到，经过计算机的信号采集过程便可以生成磁共振图像。磁共振成像系统如图 2-1 所示[13]。氢原子核释放所吸收的能量的过程也成为弛豫过程，按照弛豫时间可以将 MR图像分为不同的序列，最常见的有 T1 加权序列图像和 T2 加权序列图像，如图 2-2，（a）为脑部的 T1 加权序列图像，（b）为脑部的 T2 加权序列图像。T1 加权图像应用梯度回波序列成像，突出组织纵向弛豫的差别。该类图像比较适合观察解剖结构。T2 加权图像应用自旋回波序列成像，突出组织横向弛豫的差别。在 T2 加权图像中，脑脊液等液体组织对应的像素点的灰度值比较高，脂肪组织等对应的像素点的灰度值比较低。该类图像比较适于观察肿瘤、出血等病变。磁共振成像技术与其余的成像技术相比有许多不同的特点，例如磁共振成像可以多参数立体成像。此外，磁共振图像显示的质量比较高、对软组织分辨率高且能够多谱成像，所以磁共振成像非常适用于人脑成像，成为了脑疾病诊断中最为常见的技术手段。颅腔是颅骨包含的空腔，其中包含了脑实质和脑脊液。在磁共振图像中，颅腔内组织主要有脑脊液、灰质、白质等。对于同一种组织，在图像上对应的像素点的灰度值并不是一个常量，而是处于一个范围内，再加上受到成像环境、噪声等因素的影响，颅腔内各个组织表现在图像上的边界比较模糊。
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2.2 基于脑室分割的脑积水辅助诊断基本流程
脑积水辅助诊断的主要过程如图 2-5 所示，该过程可以概括为三个模块，即预处理、分割和生成辅助诊断结果。由于噪声等因素的影响，会造成分割难度的加大，且会造成误分割，所以需要首先对图像进行预处理。其次，脑积水辅助诊断需要以脑室和颅腔的容积比作为参考值，所以在脑积水的辅助诊断中需要用到脑室和颅腔分割的结果。其中，脑室分割正是本课题的研究重点，后续将进行相关阐述。医学图像的成像质量受到多种因素的影响，图像采集仪器，环境，甚至病人本身的细微动作都可能影响采集到的图像质量。对于不同种类的图像处理，如分割、配准、融合等，采用的图像与处理方法也不相同。但是绝大多数的预处理过程通常都会包含去噪，非均匀场校正，配准，颅骨剥离等过程。由于本文的主要工作是基于脑室分割的脑积水辅助诊断，主要需要做的工作是提取出侧脑室部分，预处理的主要目的是降低图像中噪声的影响。因此，本文的预处理过程主要是去噪[14-16]。医学图像由于在成像过程中受到各种因素的影响，会无法避免地存在或多或少的噪声。在 MR 图像中，噪声会明显降低图像的质量，使图像中的组织的边界区域模糊不清，一些细微的组织结构难以辨认，影响医生阅片，给疾病的临床诊断造成困难。有效的去噪可以很好地保留图像的边界和结构信息，这可以减小脑室分割过程中存在的误差。
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第三章 基于传统方案的脑室分割 .......19
3.1 区域生长在脑室分割中的应用与分析 ..... 19
3.1.1 基于区域生长的脑室分割 ............. 19
3.1.2 基于三维区域生长的脑室分割 ..... 22
3.1.3 基于三维区域生长的侧脑室分割的优势 ......... 23
3.1.4 基于三维区域生长的侧脑室分割的缺陷 ......... 23
3.2 阈值分割算法在脑室分割中的应用与分析 ...... 24
3.3 OTSU 算法在侧脑室分割过程中的应用与分析.......... 26
3.3.1 OTSU 算法......... 26
3.3.2 OTSU 算法在侧脑室分割中的应用......... 27
3.4 形态学操作及其应用 ............ 29
3.4.1 图像形态学操作 ......... 29
3.4.2 形态学操作在侧脑室分割中的应用 ....... 32
3.5 本章小结 ............ 33
第四章 侧脑室分割组合模型 ...........34
4.1 多重最大类间方差及应用 .... 35
4.2 改进的三维区域生长算法 .... 38
4.3 侧脑室分割组合模型及应用 .......... 41
4.4 实验 .......... 49
4.5 本章小结 ............ 58
第五章 基于脑室分割的脑积水辅助诊断 ...........59
5.1 颅腔分割方案 .... 59
5.2 脑积水辅助诊断系统 ............ 61
5.3 本章小结 ............ 65
第五章 基于脑室分割的脑积水辅助诊断
5.1 颅腔分割方案
在第二章对脑积水辅助诊断处理流程和辅助诊断系统的介绍中已经讲到，脑积水最明显的特征就是脑室容积的扩张，而成人颅腔容积并不会发生明显变化，因此脑积水辅助诊断主要是利用脑室和颅腔的容积比来进行。第二章中对脑积水辅助诊断的介绍中已经讲到，侧脑室分割是本课题的主要研究内容，颅腔大小不会发生明显变化，且分割相对简单，非本课题研究的重点内容，因此在本课题中，虽然颅腔分割属于脑积水辅助诊断系统中图像分割模块的一部分，却不将其如侧脑室分割那样作为一个独立的模块，而是将颅腔分割过程加入到基于容积比计算的辅助诊断过程中，在该过程中，首先分割颅腔并统计其容积，然后结合侧脑室分割模块产生的结果生成辅助诊断结果。本文将前面提出的多重最大类间方差算法用于颅腔分割方案的构造，整个颅腔的分割从上到下依次利用步骤 1）中方案对图像进行逐层处理。在整个颅腔扫描图像中脑实质区域从上到下先增大后减小，如图 5-2 所示，
