摘 要

冠心病作为一种近年来影响人类健康的重要疾病，患病率一直呈上升趋势。多层螺旋CT冠脉血管和心脏成像逐步成为冠心病初期检查的主要方式，其优点主要是快速、低创、低危，尽早发现冠心病对于患者尽快接受治疗和医生制定治疗方案具有重大意义。

多层螺旋CT冠脉血管成像的关键技术就在于对冠脉血管的三维分割，血管的分割效果越好，医生的判断就越准确，对医生的诊断就越有利。

本文的焦点是具体了解心脏冠脉血管的分布情况，分析临床医学的实际需求，然后考查当前针对医学图像常见的几种图像分割方法，尝试分割出冠脉血管。目标为实现对冠脉血管的三维分割。具体内容有：介绍多层螺旋CT冠脉血管成像的发展历程和发展现状、介绍冠脉血管相关生理知识以及数字图像处理和开发工具的基础知识、利用区域生长和概率决策对三维图像数据进行冠脉血管的分割。分割的具体工作包括对图像数据进行基于最大后验概率决策的体素分类、利用三维区域生长提取出冠脉血管重要分支。

研究结果表明：利用基于概率决策和区域生长的算法可以成功对冠脉血管的重要分支进行提取工作。

关键词：冠脉血管；多层螺旋CT；均值聚类；概率决策；区域生长

Abstract

As a major disease that affects human health in recent years, the prevalence rate of coronary heart disease has been increasing continuously. MSCT coronary arteries and heart imaging have gradually become the important method for early detection of coronary heart disease, its main advantages are its feature of non-invasive, Low-risk and fast. Early detection of coronary heart disease is of great significance for patients to be treated as soon as possible and for doctors to develop treatment programs.

The key technique of MSCT coronary arteries angiography is the 3D segmentation of coronary arteries. The doctor's judgment and diagnosis can be more accurate with better segmentation effect.

The core of this paper is to study the 3D segmentation algorithm of MSCT coronary angiography, in order to realize the 3D segmentation of coronary arteries. Main contents of this paper are composed of : the introduction of current situation and history of MSCT coronary arteries angiography development , Physiology knowledge of coronary vascular, basic knowledge of digital image processing and development tools，anisotropic diffusion filtering pretreatment for coronary artery CT images，segmentation of coronary arteries by using region growth and probability decision to preprocessed image data, Body-Element classification based on maximum posteriori probability decision for image data and extracting important branches of coronary arteries by 3D regional growth.

Research indicates that it is possible to extract the important branches of coronary arteries successfully by using the algorithm based on probabilistic decision and region growth.

Key Words:coronary arteries；MSCT；means clustering；probabilistic decision；region growing

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 发展历程和研究现状 2

1.2.1 CT技术的发展历史 2

1.2.2 CT图像分割技术的研究现状 3

1.2.3 MSCT冠脉血管图像三维重建技术的研究现状 3

1.3 本文目标和主要内容 4

第2章 分割与重建关键技术 5

2.1 心脏和冠脉血管 5

2.1.1 心脏 5

2.1.2 冠脉血管及冠心病原理 5

2.1.3 冠心病的诊断方法 6

2.2 CT成像原理和开发工具介绍 7

2.2.1 CT成像基本原理 7

2.2.2 CT设备 7

2.2.3 MATLAB 8

2.2.4 VTK 9

2.3 图像预处理 9

2.3.1 CT图像特点 9

2.3.2 各向异性滤波 10

2.4 图像分割 10

2.4.1 灰度阈值法 10

2.4.2 分水岭法 12

2.5 医学图像三维重建 12

2.5.1 面绘制 13

2.5.2 体绘制 13

第3章 冠脉血管分割的总体方案 14

3.1 总体方案制定 14

3.2 各向异性扩散滤波预处理 14

3.3 基于概率决策的体素分类 15

3.3.1 K-均值聚类 15

3.3.2 最大后验概率决策 15

3.4 三维区域生长提取冠脉血管 16

3.4.1 区域生长法 16

3.4.2 提取策略 16

第4章 冠脉分割方案的设计与实现 18

4.1 各向异性扩散滤波预处理 18

4.2 K-均值聚类 20

4.3 最大后验概率决策 21

4.4 区域生长提取冠脉血管 22

第5章 总结和展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

现代科技飞速发展，百姓享受科技所带来的便利也越来越多，生活的标准越来越高，然而工作的节奏逐渐加快，各类疾病也随之而来，在这之中频率最高也最具典型性的为心脑血管疾病。冠状动脉粥样硬化性心脏病，俗称冠心病，其发病机理为冠状动脉内存在粥样硬化，脉管内血流通道变窄或是血流通道被阻塞，导致冠状动脉血供减少或是心肌梗死的发生，冠心病在心血管疾病当中出现频率最高，也作为医学界广泛关注的重点以及研究和诊治的难点。现代医学发展十分迅速，其诊疗手段也在不断进行革新，医学影像学不再局限于传统意义的解剖学、血流灌注以及代谢学，分子影像的时代已经来临，其对于疾病在诊断方面有着更高的精确度和灵敏性，为临床的诊断以及治疗带来了福音^[1]。

为能清晰观察人体之内的脉管系统，工业中常用的电子计算机射线断层扫描技术被引入医学领域，简称CT。该技术可应用在肿瘤的良恶性判别、对恶性肿瘤进行分期判断、神经以及心血管类的早期疾病诊断、制定放疗方案以及观察化疗效果等多个方面，均可达到良好的临床效果。同时该技术向前发展，成为医学CT技术，简称MCT。通过该技术，我们能够诊察人体器官中微小病灶，尤其对于软组织，其成像效果相较于传统射线技术更加清晰。该技术的广泛应用，为医生的诊断带来了极大的方便。然而影像所呈现出来的往往只是截面或是剖面信息，若要实现从一连串的影像图片中对肿瘤的形态、大小、位置、血管排布以及其同血管的联系进行准确判断，还要依赖于医生的临床经验以及卓越的空间想象能力。此类因素均有不确定性，也就导致了诊断上可能存在不准确性，为下一步治疗方式方法的决定增加了难度。站在另一个角度，患者不同于医生，对待医学知识的认识往往停留在基础层面，甚至是一无所知，这就导致了医患在沟通上存在阻碍。问题涉及到方方面面，均给手术带来了风险，同时也可能使导致患者蒙受损失。