[发明专利]用于在三维解剖图像中自动分割个别骨骼骨的系统及方法

说明书

在某些实施例中，本文呈现的是用于在例如微CT成像的小动物成像的背景下进行稳健骨分裂及分割的方法。在某些实施例中，描述一种用于计算单个及混合二阶导数分裂滤波器并将其应用于灰度图像及二元骨掩模的方法。即使对于低分辨率数据，这些滤波器也可准确地识别所述骨的分裂线/平面，且因此准确地在形态学上断开个别骨。接着，可将分裂骨用作区生长技术中的种子，例如标记物控制的分水岭分割。使用此方法，与现有技术方法相比较，可以高得多的稳健性及准确性对骨进行分割。

技术领域

本发明大体上涉及图像分析的方法及系统。更特定来说，在某些实施例中，本发明涉及从小型受试者(例如，小型动物、小型哺乳动物)的解剖图像的自动骨分裂及分割，所述解剖图像例如用计算断层扫描(CT)扫描仪捕获。

背景技术

存在大量针对哺乳动物体内成像的技术—例如生物发光、荧光、断层扫描及多模式成像技术。小型哺乳动物的体内成像由大量研究者在各种领域(例如，肿瘤学、传染病及药物发现)中执行。

体内微型计算机断层扫描(以下称为“微CT”)成像是可以高分辨率对组织、器官及非有机结构成像的基于x射线的技术，然而更高处理量的成像可有益地使用更低分辨率的微CT成像来加速图像采集及/或处理，同时维持可接受的准确度及图像细节。微CT发展迅速，需要低剂量扫描及快速成像协议以促进多模式应用并启用纵向实验模型。体内成像通常涉及将例如荧光探针的试剂用于活体动物内部的生物学现象的无创性时空可视化。多模式成像涉及以不同方式获得的图像的融合，举例来说，通过组合FMT、PET、MRI、CT及/或SPECT成像数据。

图像分析应用及/或成像系统通常允许生物医学图像的可视化、分析、处理、分割、配准及测量。这些应用程序及系统还提供体绘制工具(例如，体积合成、深度描影、梯度描影、最大强度投影、总体素投影、信号投影)；操纵功能(例如，界定所关注结构的区域、删除非所要对象、编辑图像及对象图)；及测量功能(例如，用于计算表面体素的数目、暴露面的数目、区的平面面积及区的估计表面积或体积)。

常规对象分割算法通常依赖于形态学方法来执行骨分裂。在这些方法中，通常将分水岭变换应用于灰度图像数据或二元对象掩模的距离变换。分水岭变换将二元掩模分离成标记区，其表示组成二元掩模的个别对象(例如，在F.迈耶(F.Meyer)、S.布切尔(S.Beucher)所著的《视觉传达与图像表示杂志(J.Vis.Comm.Im.Rep.)》1(1)，199021-46中所论述)。使用这种方法，来自图1的二元骨掩模可被分离并如图2中所描绘那样来标记。

如在图2中显而易见，此常规分割方法存在导致欠分割、过分割且最重要的是分裂线/平面的不正确放置的限制及缺陷。后者的出现主要是因为距离及分水岭变换的组合将分裂线/平面放置在对象之间最薄连接器上。然而，最薄连接器可能会或可能不会与骨关节重合。此问题可在图2中所示的结果中从股盆分裂股骨中看到。

尽管一些现有形态学分割技术有时可在较大的哺乳动物(例如人类)的高分辨率图像中提供充足准确性，其中对象之间的间隔大于体素分辨率，但其性能无法提供在处置例如图1中所示的数据集的低分辨率数据时进行进一步图像处理所需的充足准确度，例如用于小型动物(例如，小鼠、大鼠、田鼠、兔子及类似大小的动物)的成像。微CT图像通常具有大约几微米到几百微米(例如4.5微米到200微米之间)的体素大小。在较低分辨率(例如，对应于40微米或更高的体素大小)下，部分体积效应可导致两个单独对象在二元掩模中在形态学上连接，这可能例如导致分割准确性的显著损失，如图2中所示。在一些实施例中，受试者(例如，小型哺乳动物受试者，例如小鼠)的图像具有使得图像的每一体素对应于每一维度中至少40微米的体积的分辨率。