基于CT影像的肺裂计算机辅助检测方法

发布于:2021-10-23 09:54:45

仪器仪表用户 doi: 10. 3969 / j. issn. 16711041. 2011. 03. 001

□综述□

基于 CT 影像的肺裂计算机辅助检测方法
范立南,刘 洋,孙申申
( 沈阳大学 信息工程学院, 沈阳 110044 )
摘要: CT 影像中肺裂检测是判读肺病病症的重要手段 。*年来涌现了许多新理论 、 新方法, 但是没有一种方法能够满足对 所有病症图像精确检测的目标 。在总结国内外最*几年相关学者的研究成果基础上, 对检测肺裂方法进行分类和讨论, 并 指出了它们各自的优势和存在的问题 。在综述其相关方法的同时阐述每类检测肺裂方法的特点, 对其他研究者在肺裂检测 方法的选择上有一定的指导作用 。 关键词: 肺裂; CT 影像; 检测方法 中图分类号: TP391 文献标志码: A

Method of computeraided detecting lung fissure based on CT images
FAN Linan,LIU Yang,SUN Shenshen
( College of Information Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044 ,China)
Abstract : CT images of Lung Fissure detection is an important means of centrifuged lung disease. In recent years has emerged many new theories, new methods, but none of those methods can satisfy all symptoms of image accurate testing goal. In summary of domestic and international scholars in recent years related researches on and the detecting lung fissure method classification and discussion,and points out their respective advantages and problems. In this paper,the relevant methods also expounds each detection lung fissure method based on the features of other researchers in lung fissure methods selection on some guidance. Key words: lung fissure; CT images; detection method

0

引言
肺癌目前是癌症死亡率最高的, 而且每年人数都

在上升。肺癌在早期并没有什么特殊症状 , 仅为一般 如咳嗽、 低热、 胸痛等, 呼吸系统疾病所共有的症状, 很容易忽略。外科医生或放射线研究者通过判读计 预测排除肺癌的可能性, 从 算机断层扫描( CT) 影像, 而对肺腔制定外科手术计划。 然而对同一个胸腔需 要判读超过 500 张 CT 影像, 沉重的工作量不但耗时, 且低精确度同样增加了难度。为了解决这些难题, 在 临床诊断中肺裂的检测识别可以有效的帮助医生更 精确的判读 CT 影像中的病症, 因此肺裂检测方法的 研究有着十分重要的意义。 人类的肺通常分成五个明显结构上的隔间称为 肺叶。肺叶之间的物理边界叫做肺裂。 肺裂是各个 肺叶间分界的重要标志, 是评价肺部疾病分布的基 础。通常左肺由两个肺叶组成, 分别为上叶和下叶, 由斜裂分隔。右肺由三个肺叶组成, 分别为上、 中、 下 肺叶。上中肺叶由水*裂隔开, 中下肺叶由右斜裂隔 开( 如图 1 所示 ) 。 一般而言, 肺叶之间的功能相对
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独立, 多种类型的肺病可以提早限制在单独的肺叶 中。但是肺裂像素值变化范围比较广泛 , 而且边界通 这就造成了区分其他肺区域十分 常模糊不清和失真, [1 ] 困难 的 现 状 。 此 外 周 围 的 肺 结 构 ( 如 血 管 和 气 道) , 肺病症( 如肿瘤, 肺膨胀不全或肺气肿的变化 ) , CT 影像的噪声影响和假缺陷的干扰均使得自动检测 肺裂成为了一个极具挑战性的工作。 本文针对国内 外研究现状进行分析, 总结出较适合的肺裂检测分割 方法。

图1

肺的解剖结构

1

肺裂检测分割方法概述

肺裂检测是准确分割肺叶的基础, 一个自动的肺 裂检测方法在临床实践中可以有效地帮助外科医生 做前期的计划和手术后期的评估。 标记出的肺裂同
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□综述□ 时可以进一步帮助医生准确判读一系列病症影像 。 成熟的方法不仅可以辅助放射线研究者进行检测工 作, 而且也可以从病理学角度定性和定量的分析肺 此外在影像判读方面有效减少大量重复的工作 病, 。 量 因此, 发展一个自动的肺裂检测方法对分析肺影 像有着十分重要的实际意义。 但是计算机辅助的肺 裂检测是非常复杂的, 自动的或半自动的肺裂检测方 法仍在研究中。 大量的检 测 分 割 方 法 ( 如 气 道, 血管和肺的分 割) 均与肺的 CT 影像有关并且发展成熟, 但肺裂或 肺叶的检测分割方法仍在研究中。 目前检测分割方 基于肺的解剖学知识的方法和基于 法一般分成两类, 形状分析的方法。 1. 1 基于肺的解剖学知识的方法 以解剖学知识为基础的自动检测方案 , 需要依赖 局部或全局的肺结构解剖学知识 。 发展进程: 因为肺裂附*通常没有较大的血管, 所以 Kuhnigk 等人利用一个交互式的三维分水岭算 再利用以肺叶的边缘 ( 或*面 ) 检测为 法识别肺叶, 基础并且基于血管分类的方法实现肺裂检测 ; 因为考 虑到肺裂的线性外观, 因此 Zhou 等人和 Saita 等人分 并且分别 别把血管和细支气管分类成五个肺叶区域 , 利用边缘检测方法和以弯曲表面检测为基础的霍夫 变换方法实现肺裂检测; 因为解剖学中人类的肺是相 似的,因此 Zhang 等人发展了一个以灰度级信息编 并且结构上是以 码为基础的全局肺地图集 ( 模板 ) , 形状特征为基础的肺叶分割方法
[2 ]

仪器仪表用户 方案均需要最初的增长种子 ( 即起始点 ) , 并且需要 在 CT 影像上手动的描画出来, 但是实际定位二维的 属于相同肺裂的脱节碎片是比较困难的; 第二, 对噪 声或重建的假缺陷常常比较敏感, 原因在于需要计算 体元强度 值 的 二 次 导 数; 第 三, 在图像空间中尽管 “去噪” 操作 ( 如利用三维高斯滤波器 ) 是可行的, 但 “加宽” 了的边界。 是只能滤波处理已经

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2. 1

肺裂检测分割方法的现状
计算几何学方法自动检测分割肺裂

目前研究的方法总体上对所有患者首要考虑的 均是肺的解剖, 并且经常忽略个体的变化。因此为了 解决这一状况, 利用计算几何学方法实现自动检测分 割肺裂。 计算几何学方法的特点和优势: 第一, 此计 划只集中研究在 CT 检测中描画的曲面结构, 这样就 减少了对 肺 解 剖 知 识 和 其 他 潜 在 假 定 中 的 依 赖 性 ( 除了肺裂表面形状 ) , 减轻了个体间经常受较大变 化的影响, 从而实现起来更加灵活, 更易于检测肺裂; 第二, 因为肺裂相互连接比较少, 而且只是毫米厚度 的三维曲线, 所以利用不同的图像处理方法和滤波算 法可以减少肺裂检测中受不相干肺结构 ( 如血管, 气
[4 ] 道和肿瘤) 和孤立的群集体元的影响 。 此方案存在的局限性和困难: 第一, 此方案虽然

可以实现以高分辨率为基础的面中和穿过曲面的检 测, 并且重建了一些边缘增强, 但是在实际的临床实 践中并不常用。因为此方法需要在一些“有利的 ” 条 件下才能够达到良好的效果, 即它的检测是需要前提 的; 第二, 尽管评估此方案是可行的, 但仍需要更深层 考验此方案的稳健性, 才可以进一步实现检测较大数 量且种类多样的病症影像, 包括检测不规则或不健全 的肺影像; 第三, 由于穿过不同肺区域的体元强度是 变化的, 因此此方案的执行效率比较低 2 . 2 地图集引导方式实现肺叶分割
[5 ]



这些方案存在一定的局限性和困难: 第一, 较严 造成处理过程比 重的依赖肺的血管分割和体元分类 , 较复杂, 并且对选定的阈值容易敏感的状况, 影响了 肺裂检测的精确性; 第二, 在应用特殊变化的情况中, 容易造成检测弯曲表面不精确的情况发生 ; 第三, 需 要依赖中间检测的“相似性 ” 结果, 并且无法检测不 规则的肺部结构 ( 如有五个以上肺叶的特殊情况 ) ; 第四, 经常忽略个体的可变性, 若应用到“新的 ” 检测 中可能会导致分割失败。 1 . 2 基于形状分析的方法 以形状分析为基础的自动检测方案 , 需要实施应 用在二维或者三维图像空间中。 在二维图像空间中检测方法主要包括曲线增长 策略和利用 Vanderbrug 线性特征检测器方法。 在三 维图像空间中检测方法主要包括高斯与*均曲率分 析方法和以海赛矩阵的特征值分析为基础的形状分 [3 ] 类计划( 如斑点, 线和位面分类) 。 这些方案存在一定的局限性和困难: 第一, 此类
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Kuhnigk 等人在一系列影像上利用交互式的三 维分水岭算法检测肺裂, 此算法以原始数据和有一定 间距的地图集组合为计算基础, 早前已经实施在血管 任务中 。此方案存在的局限性和困难: 第一, 此方 法可变性较低, 并且需要手动的初始化操作; 第二, 对
[6 ]

血管分割比较敏感, 在影像分割上比较困难, 并且需 要依赖不同的特定阈值; 第三, 在肺结节与肺裂毗连 或血管与附*肺裂*行的情况中, 此方法无法实现令 人满意的效果。 Kubo 等人提取肺裂利用 VanderBurg 线性特征检 测器和有一定方向指引的盘*面结构元素为基础的 形态学操作。为了实现在机能**也可以检测
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仪器仪表用户 肺裂, 因此对以一定强度的弯曲曲面为基础的方法进 [7 ] 此 行了改进 。此方案存在的局限性和困难: 第一, 方法只能用于具有局部强度和形状特征的情况 , 因此 因为仅仅利用线 在 CT 影像中无法出现明显的肺裂, 性特征检测器, 这些肺裂是无法充分获得的, 很可能 ; , 出现丢失肺裂的问题 第二 无法提取肺边界附*的 肺裂曲面。由于不完整的分割再加上伪阴性和假阳 因此利用此方法提取肺裂在临床实际中仍 性的情况, 比较困难。 Zhou 等人和 Saita 等人研究的方法具有较 最*, 好的独立性, 以血管或血管加上导气管树分析为基础 的肺裂检测方法。 Saita 等人发展了在肺脉管系统之 “席状 ” 间检测 空间的方法, 即利用肺叶边界划分肺 脉管系统得 到 肺 裂。 Zhou 等 人 结 合 血 管 和 导 气 管 并且利用 Voronoi 分析结构, 从而可以识别肺裂最 树, 可能出现的位置 。 2 . 3 匹配的隐含曲面方法实现肺叶分割 此方案实现了自动的肺叶分割。 自动肺叶分割 不像早先在图像空间中基于形状 计划的优势: 第一, 分析的方法, 此计划是利用统计学的肺裂检测方法, 因此分割过程实施在几何学空间中。 因为在几何学 空间域中受噪声和假缺陷的影响 ( 以像素为基础 ) 比 较少, 而且更易于实施, 所以此方案选择利用统计学 的肺裂检测方法
[9 ] [8 ]

□综述□ 不同医学数据集中从而显示其功效。 但均没有定量 评估可以提供。目前提出的大部分增强滤波器虽然 增强特定结构比较有效, 但并不是对所有的情况均有 而且也容易增强非肺裂结构。为了克服这些难题 效,
[14 ] 。 可以利用有监督的滤波器 为了改善性能, 与无监督方法相比选择有监督方

有监督方法灵活。 在提供的合 法有诸多原因: 第一, 反之无监督方法需要 适例子中它能够训练任何结构, 重新设计并且对不同的系统需要各自的特定结构 ; 第 二, 相对无监督方法, 有监督方法常对特定参数的设 置敏感性比较小, 包括特征选择的时候; 第三, 影像检 测和 ROC 分析均显示出有监督方法可以更精确的检 测出肺裂。无监督方法中只有特征比较理想时 , 才能 [15 ] 。 得到较好的特征选择结果 有监督方法的不利条件: 第一, 因为此方法需要 手动分割, 而手动分割必须以已经训练过的系统为前 提, 所以首先要对系统进行训练才能够实现此方法 ; 第二, 三维 CT 数据中手动分割工作量很大并且需要 利用新建的数据 ( 如需要从不同扫描仪或不同采集 参数中获得) , 而基于新训练数据必须选择比较适合 的操作
[16 ]

。尽管利用新训练数据会改善系统, 但并

不是十分常用。 2 . 5 局部自适应分割方法 肺裂的检测是肺叶分割和重建的基础。 此方案 采用对肺部区域进行预处理的局部自适应分割方法 获得 CT 影像的线结构。 此方案存在的局限性和困 难: 第一, 要求高: 肺裂上的像素值和肺裂的强度必须 并且要求肺裂上的像素灰度 要高于周围结构的强度, 值变化范围比较小才能够清楚的检测到肺裂 。 第二, 若肺裂灰度值跟周围结构的对比度不是很强就需要 利用非监督方法才可以增强肺裂; 第三, 若因为病变 就必 或 CT 影像分辨率低的原因导致自动检测失败, 须利用线结构的信息进行寻找, 并且需要手动的描画 肺裂的端点才能够检测到清晰的肺裂 2 . 6 峰测定地图集方式搜索肺裂
[17 ]

; 第二, 隐含函数以肺裂曲面表示

从而可以引导 法为基础提供*滑不完整肺裂的估计 , [10 ] “自然的” 合理 分割肺叶 。因为不完整肺裂的情况 非常普遍, 而且在临床实践中评估肺裂完整性也十分 因此此方法也可以用作定量评估不完整肺裂的 重要, 此方法能够分割肺叶从而可以提供 一种方式; 第三, 准确的肺解剖学知识, 进一步帮助引导初期检测和诊 断, 有效的管理个别患者的病症影像 。 此方案存在的局限性和困难: 第一, 此方案的主 要限制是缺乏方法验证。在临床实际中需要利用 CT 检测描画较严重的肺病症 ( 如结节 / 肿瘤, 严重的肺 气肿, 纤维症, 结疤和肺膨胀不全 ) 。 但是此方案的 CT 检测只是从较健康或温和地肺病中获得测试数据 肺叶分割直接依靠肺裂检测的执行性能, 集。第二, 但是此方案仅仅以肺裂检测的唯一特征和表面匹配 计划为基础, 而且在多样的肺病模式的情况下, 可能
[12 ] 对肺叶分割的结果产生不良影响 。 2 . 4 利用有监督增强滤波器实现肺裂检测 [11 ]



此方案存在的局限性和困难: 第一, 寻找初始肺 这种大范围的寻找在肺裂清 裂时需要大范围的检测, 楚且完整时是有效的, 但是如果噪声比较大、 图像质 量不是很好的情况时是不成功的。因此, 肺裂初始寻
[18 ] 找得到的结果远远不能令人满意 ; 第二, 通过此方 , 法检测的肺裂可能是不完整的 由于肺裂模糊和不清

发展进程及现状瓶颈: Haussecker 等人为了局部 结构分析利用以结构变分法与张量为基础的滤波器 , Koller 等人为了曲线结构的检测以海赛矩阵为基础 定义滤波器
[13 ]

晰的情况比较多, 所以它们在峰图上常常比*祷蛘 以一种不连续的形式出现, 这些小分支往往对肺裂检 测会产生负面的影响; 第三, 正是因为此算法对训练 图像和测试图像的要求比较高, 所以健壮性仍有待
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。Sato 等人和 Li 等人均应用滤波器到

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□综述□ 提高
[19 ]

仪器仪表用户
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肺裂检测分割方法发展趋势
Zhang 等人利用解剖学上的肺地图集来初始化

肺裂的搜索。然后, 通过山脊测量到二维切片中增强 再利用模糊逻辑提取肺裂的最终位 肺裂的对比度, 置。此方法更易于发现斜裂, 并且精确度也比较好。 Kuhnigk 等人主要利用基于血管分割的距离变换和 再利用交互式的三维分水岭 原始 CT 值来检测肺裂, 变换来分割肺叶。 但是仍需要不同的手动初始化操 Ukil 等人首先利用 作才可以实现肺裂的检测。最*, 基于血管和导气管树的解剖学方法定义搜索区域 , 然 此方 后在大量的感兴趣区域中发现最佳的三维曲面 , 法对肺叶的分割能够得到比较好的效果 。 此外, 以上这些方法均集中研究肺裂和肺叶的分 割, 但是仍然需要增强肺裂才能有更理想的效果 。 目 前正在研究利用模式识别的方法设*侠硐氲穆瞬 器从而实现增强肺裂的目的。 Wiemker 等人利用片 状组织增强滤波器增强肺裂实现的效果比较好 。 目 一个是以结构变分 前发展的滤波器主要有两个方向, 一个是以海赛矩阵的特征 法与张量的特征值为基础, [20 ] 值为基础, 仍在研究之中 。

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结束语

肺裂是一个非常重要的结构, 同时对肺叶分割也 因此一些自动的和半自动的 起到了至关重要的作用, 肺裂检测方法已经应用到基于 CT 影像的医疗辅助 诊断系统中。尤其是国外的研究小组已经研究了一 些检测方法并且仍在进一步研究中。 在发展肺裂检 测的方法上, 还有大量的工作需要进行。□ 参考文献
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仪器仪表用户 doi: 10. 3969 / j. issn. 16711041. 2011. 03. 002

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输电线路差动保护技术研究进展
1 荀堂生 ,徐



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( 1 . 山东电力学校,泰安 271000 ; 2 . 国电南瑞科技股份有限公司,南京 210061 )
摘要: 输电线路差动保护原理简单, 保护范围明确, 动作不需延时, 被广泛用做线路的主保护 。 本文介绍了目前国内差动保 T 型接线线 护的研究最新进展, 详细介绍了如何解决超高压 、 特高压中分布电容电流, 以及差动保护应用在同杆多回线路 、 路上遇到的难点问题。 关键词: 差动保护; 特高压; 线路保护 中图分类号: U463 . 5 文献标志码: A

Research advances of transmission line differential protection technology
XUN Tangsheng1 ,XU Feng2
( 1. Shandong Electric Power School,Taian 230601 , China; 2. NARI National Power Technology Co. ,Ltd. , Nanjing 2210061 , China)
Abstract : Transmission line differential protection principle is simple,has clear protection scope,action without delay and is widely used as the primary protection circuit. This article describes the latest developments of the current domestic difhigh voltage and ultraferential protection,introduces in detail how to solve the distribution capacitors current in the extracircuit lines on the same pole high voltage lines,and difficult problems in the application of differential protection of multiand Ttype connection line. high voltage; line protection Key words: differential protection; ultra-

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引言

输电线路差动保护利用基尔霍夫电流定理工作 , 具有原理简单、 保护范围明确、 动作不需延时等特点, 因而被用做线路的主保护, 特别在高压和超高压线路 上差动保护也取得了很好的效果。 但是随着我国特 高压建设的快速发展, 如何克服其分布电容电流的对 是学者们研究的重点。另外在电网建 差动保护影响, 同杆多回架设方 设中 T 型接线方式以及同杆双回、 , 式 这些新的输电线路形式也对传统差动保护的广泛 应用带来新的挑战。

在超高压输电线路中, 分布电容电流的影响不容 忽视, 一条线路长度为 500km 的 750kV 或 1150kV 的 输电线路的电容电流约为 960A, 约占线路自然电流 [1 ] 那么要想保护不 的 55% 。如果不采取任何措施, 就必须抬高保护的差动定值门槛, 差动定值 致误动, 。 门槛太高则降低了保护的灵敏性 在超高压线路中接入高压并联电抗器 , 可以补偿 减小电容电流对电流差动保护的影 一部分电容电流, 响。但是当线路较长时, 线路中仍会有较大的电容电 流, 此电容电流仍然会在电流差动保护中产生差电 从而影响到保护的正常运行。 为此, 除了高压并 流, 联电抗器外, 在保护装置内部, 也必须采取电容电流

1
1. 1

输电线路差动保护研究
差动保护中电容电流影响

[ 17] 王亚非, 吴树春, 谌业荣, 等. 64 层螺旋 CT 多*面 . 中华放射学杂志,2009 , 43 重组显示肺叶肺裂[J] ( 8 ) : 817821. [ 18] 李雯, 白洪忠, 陈起航, 等. 肺部斜裂的高分辨率 CT J] . 河北医药, 2006 , 28 ( 1 ) : 5152. 表现[ [ 19] 胡金水, 张建州. 高分辨率 CT 图像肺部裂纹的自动 J] . 计算机工程, 2010 , 36 ( 2 ) : 179183. 检测[ [ 20] 武秋林. 肺门与肺裂的解剖学观测及其临床意义 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息

[ J] . 河南职工医学院学报, 2008 , 20 ( 5 ) : 42l422. ), 作者简介: 范立南( 1964男, 博士, 教授, 研究方向为图像工 ), 程、 模式识别、 智能化仪表; 刘洋( 1986女, 硕士研究生, 研 ), 究方向为图像处理、 智能控制理论及应用; 孙申申 ( 1980女, 博士, 讲师, 研究方向为医学影像处理 、 模式识别。 基金项目: 辽宁省自然科学基金( 20102154 ) ; 辽宁省教育厅科 研项目计划( L2010376 ) 0114 收稿日期: 2011EIC Vol. 18 2011 No. 3 5


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