CT肝脏灌注图像序列感兴趣区域运动跟踪算法研究

行较 为准确的帧 间跟踪 ， 从而 有效修 正 Ｃ Ｔ灌注 成像 过程 中感 兴趣 区域位 置漂移所造成的 Ｔ Ｄ Ｃ计算 的误差 ， 为临床上 实施更 为准确 的肝功评价奠定基础 。
１ 基 于灰 度 直 方 图特征 的肝脏 Ｃ Ｔ灌 注序 列 感兴趣 区域 ｍｅ ａ ｎ Ｓ ｈ ｉ ｆ ｔ 跟踪 算法
一
一
（ ５ ）
可见 ， Ｐ （ Ｙ ）与 ｑ分布越接近 ， Ｐ （ Ｙ ） 值越大 。对 于归一 化直 Ｒ 方图而 言， 当Ｐ （ Ｙ ） 与ｑ 分布完全相同时 ， Ｐ （ Ｙ ） 取得最大值 １ ； 否 则， ｐ （ Ｙ ） 将介 于 ０～ｌ之间 。 由于肝脏 Ｃ Ｔ灌注 成像 过程 中采集 的同层 的 图像序 列 ， 感 兴趣 目标的大小基本保持 不变 ， 这样 在跟踪过 程 中只需要 在相 邻帧 中寻找最优 匹配 的感兴趣 区域 的中心点 即可 ， 并不需 要在 跟踪过程 中更新 窗 口的尺度 和大小 ， 这样 问题 的求 解也 就等价
ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＲｏＩ Ｍ ｏＴＩ ｏＮ ＴＲＡＣＫ Ｉ ＮＧ ＡＬＧｏＲＩ ＴＨＭ ｏＦ ＣＴ ＬⅣ ＥＲ
Ｐ Ｅ Ｒ Ｆ ＵＳ Ｉ ＯＮ Ｉ ＭＡＧＥ Ｓ Ｅ ＱＵ Ｅ ＮＣ Ｅ
Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｚ ｈ ａ ｏ ｘ ｕ ｅ Ｚ ｈ ａ ｏ Ｘ ｉ ａ ｏ ｊ ｉ ｎ ｇ
Ｍ ｅ ａ ｎ Ｓ ｈ ｉ ｔ方法是一 种基 于核 密度梯度估 计的聚类 分析方 ｆ 法， 基 于核密度函数或加权核密度 函数计算进行迭代 ， 自动收敛 到局部 的概率密度 空间极 大值点 。由于其具 有非参特 性 ， 以及
良好 的鲁 棒 性 和广 泛 的适 用 性 ， ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ方 法 不 但 可 以用 来 进 ｆ
难以通过简单 的偏 移量修正 方法予 以校 正 ， 这在一 定程 度上影
行聚类和 图像分割 ， 还可 以用来进行高效 的图像跟踪 。］ 。
鉴于 ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ方法优 良的非参跟踪性能 ， ｆ 尤其 可以实现任 意形状的非刚体 目标 的跟踪 ， 可 以把其 应用 于肝 脏 Ｃ Ｔ灌注 成 像Ｔ Ｄ Ｃ曲线的计算过程 中， 实 现图像序 列 中感兴趣 区域 的相 似 度匹配与 自动跟踪 ， 从而为临床 肝功评 价提供 更为准确 的 Ｔ Ｄ Ｃ 和评价诊断依据 。
第３ ０卷 第 １ １ 期
２ ０ １ ３年 １ １月
计 算机 应 用与软 件
Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． １１
ＮＯ Ｖ．２ ０１ ３
Ｃ Ｔ肝 脏 灌 注 图像 序 列 感 兴 趣 区域 运 动 跟 踪 算 法研 究
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ
Ｃ Ｔ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｐ ｅ ｒ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｉ ｍｅ — ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ Ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ ｆ Ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ Ｏ ｆ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ（ Ｒ Ｏ Ｉ ） Ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ
本， 具有未知的密度函数， （ ） ， ∈Ｒ， Ａ ｒ ０ ， （ ） 的核估计为 ：
假设模板 的直方图是 ｑ （ ｙ ）， 即向量 ｛ ｑ ｝， 其 中的每一项 由 式（ ３ ） 算得 ； 同时假设 匹配对象 的直方 图是 Ｐ （ Ｙ ）， 即 向量
｛ Ｐ （ Ｙ ） ｝， 其中的每一项 由式 （ ４） 得 出。定 义如 下相 似 度衡 量 指标即 ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ跟踪 匹配 系数 ： ｆ
肝功状态进行 评价 Ｉ ４ Ｊ 。对 肝脏灌 注序列 图像 中 ｃ Ｔ值 变化 的 准确跟踪 和分 析在 Ｃ Ｔ肝脏灌注成像 过程 中对肝 功准确 评价具 有重要 的应用 价值 和意 义。在 临床上 ， 人体 呼 吸、 心跳、 膈 肌运 动等运动都可 能造 成所扫描 层面 的位移 ， 而且 各种 运动 综合作 用所 导致 的肝脏感兴趣 区域 的位移 往往 是典 型 的非 周期 运动 ，
陈兆学 赵晓静
（ 上 海 理 工 大 学 医 疗 器 械 与 食 品学 院 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３ ）
摘 要
为 了有效修 正 Ｃ Ｔ肝脏灌注成像过程 中各 种运动干扰所造成 的感 兴趣 区域位置 的帧 间偏差 ， 提 出一种基于 ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｆ ｔ 方
法和灰度直方 图统计特征 的肝脏 图像序 列感 兴趣 区域 跟踪算法 。基 于该方 法可以对 Ｃ Ｔ肝脏 灌注过程 中肝 门静脉 为代表 的感 兴趣 区域 的 中心位置 的运 动轨迹进 行较为准确 的帧 间跟踪 ， 从 而有效修正 Ｃ Ｔ灌注 成像 过程 中感 兴趣 区域 位置 漂移所造 成的 Ｔ Ｄ Ｃ计算 的误 差。该方法可为 临床 上实施更为准确 的肝功评价 奠定基础。
ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｔ ｉ ｓ ａ ｂ ｌ ｅ ｔ ｏ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ｏ ｕ ｔ ｑ ｕ ｉ ｔ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ — ｆ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｉ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＭｅ ｄ ｗ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ｆ ｏ ｏ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆＳ ｏ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ｆ ｏ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ９ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２—０ ８—３ １ 。上 海市教 委科研 创新项 目（ １ １ Ｙ Ｚ １ １ ６） ； 上海市教委 Ｐ Ａ Ｃ Ｓ系统重点课程项 目。陈兆学 ， 副教 授 ， 主研领域 ： 医学
响了 Ｃ Ｔ肝脏灌注成像 过程 中所 获取 的 Ｔ Ｄ Ｃ曲线 的 准确性 ， 造
成肝脏功能评 价的偏差 。为 了修 正 Ｃ Ｔ肝脏灌 注 成像过 程 中人 体各种干扰运 动所 造成 的感 兴趣 区域位 置 的帧间偏 差 ， 本文 提 出了一种基 于 ｍ ｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ方法 和灰度 直方 图统计 特征 的肝脏 图 ｆ
像 序列感兴趣 区域 跟踪算法 。基 于该方法 可 以对 Ｃ Ｔ肝 脏灌 注
图像处理 ， 生物医学信号处理和 Ｐ Ａ Ｃ Ｓ 系统。赵 晓静 ， 硕士 。
ｌ ６ ２
计 算机 应 用与软件
２ ０ １ ３丘
１ ． １ 核 密度 估计 的基 本原 理
设Ｘ ， ， Ｙ ， …， ｘ 是 从一 维 总体 中抽 出的独 立 同分 布样
Ｃ Ｔ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｐ ｅ ｒ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ，ａ ｎ ＲＯＩ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍ ｏ ｆ Ｃ Ｔ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｈ ｉ ｔ ｆ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｇ ｒ ａ ｙ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｈ ｉ ｓ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ
ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｔ ＤＣ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｆ ｓ ｅ ｔ ｏ ｆ Ｒ ＯＩ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ Ｔ ｐ ｅ ｒ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｃ ａ ｎ ｌ ａ ｙ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ
ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｌ ｖ ｅ ｉ ｎ（ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｌ ｉ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ Ｒ Ｏ Ｉ ）ｄ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕ ｓ ｒ ｅ ｏ ｆ Ｃ Ｔ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｐ ｅ ｒ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ
ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｍｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｉ ｖ ｅ ｒ ｆ ｕｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｃ ｌ ｉ ｎｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ．
过程 中肝 门静脉为代表 的感兴趣 区域 的中心位置 的运动轨迹进
０ 引 言
Ｃ Ｔ灌注成像 是指在静脉 注射 对 比剂 的同时对 选定 的层 面 进行 同层 动态扫描 ， 以获得该 层面 内每一 像素 的密度 随强化 时 间而演变 的曲线 ， 称 为时间／ 密度 曲线 Ｔ Ｄ Ｃ （ ｔ ｉ ｍ ｅ — ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ） ， 该 曲线横 坐标为时 间 ， 纵 坐标为 注 药前 后 Ｃ Ｔ值 的变 化。基 于 Ｔ Ｄ Ｃ和特定的计算 模型 可 获得 对 比剂在 器 官 中的浓 度 变化 规 律， 进而间接反映组织器 官内灌注量变化 以对其 功能进行评估 。 Ｃ Ｔ肝脏 灌注成像可对肝硬 化 、 弥 漫性 肝病 、 肝移 植 、 肝 肿瘤 以及
ｘ ） ＝ Ｋ （ ）
（ １ ）（ Ｙ ） ｑ ｕ ｄ ｚ
其中Ｋ （ ） 为定义在 Ｒ上的核 函数 ， 也 称为 窗 ， ｎ为样 本容 量 ， ｈ 称为窗宽或带宽 ， 为与 ｎ有关的正数 。很 明显 ， 影响核密度估计 的两 个重要 因素为 ： 样本核 函数及窗宽 的选取 。对 于给定样 本 ， 这两 个因素将 直接影响到核密度估计的精度 。 般核函数都选择对称 的概率 密度 函数族 ， 也就 是说核 函 数 Ｋ（ ） 必 须 满 足如 下 的条 件 ：
关 键 词 中图分类号 Ｃ Ｔ肝 脏 灌 注 时 间 密度 曲线 均 值 漂 移 Ｔ Ｐ ３ ９ １ 文献标识码 Ａ 感 兴趣 区域 运 动 跟 踪
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ３ ８ ６ ｘ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ０ ４ ５
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ — ｆ ｒ ａ ｍｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｒ ＯＩ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｄ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕ ｒ ｓ ｅ ｏ ｆ