基于Snake模型的细胞图像分割新方法研究-病理学专业论文.docxVIP

博士学位论文基于Snake模型的细胞图像分割新方法研究 博士学位论文 基于Snake模型的细胞图像分割新方法研究 博士研究生：杨谊 指导教师：申洪教授 摘要 目的和意义： 随着计算机技术的发展，计算机医学图像在临床啥断和治疗中起着越来越 重要的作用。从医学图像中分割出结构并构造出结构的精确几何模型是目前极 富挑战性的课题，其中边缘检测和图像分割技术是最重要的图像技术之一。医 学上判断和研究细胞涂片，比较同一种细胞在不同生理、病理或实验条件下形 态大小等的变化，可以为病理分析和病情诊断提供新的科学依据。目前的细胞涂 片判读大多由人工完成，由于细胞形态多样、变化多、数量多、交错分布，结果 分析的准确性和效率严重地依赖于医生的经验知识和视觉估计，所得到的一般 是定性的结论，而缺乏定量的描述、比较和分析。利用计算机图像处理技术研 制高效的辅助判读和数据分析系统能够有效地辅助医学研究。 在此研究中，最基本和首要的步骤是进行图像中细胞的分割，才能进而开 展细胞长度、宽度、面积等参数的计量分析，进而研究细胞内各细胞器结构变 化、大分子分布变化等量化分析与处理工作。细胞分割T作是细胞体视学参数 测定和定量计算的重要基础，能够为细胞的3D重建提供真实客观的数据来源， 为病理研究、药物疗效的评估提供仿真依据。这一领域的研究具有很大的潜力， 其中的核心技术和任务——细胞图像分割算法的研究在理论上和应用中都具有 重要意义。 研究方法内容及创新： 本论文首先研究了图像分割领域中目前已经成熟的和JF在探索中的主流方 法和技术的基本原理，分析了它们各自的适用范围以及优缺点。医学细胞图像 的特点是设计算法时必须考虑的重要因素。在认真研究和分析归纳了所研究的 摘要医学细胞图像的多方面特点的基础上，本文认为需要利用特有的领域知识来指 摘要 医学细胞图像的多方面特点的基础上，本文认为需要利用特有的领域知识来指 导分割才能实现一定范围内的自动分割。 在分割的策略方面本文分两步进行：首先选定包含待分割细胞的小部分区 域；然后在该区域中运用合适的分割方法，得到更可靠的结果。 在分割的技术方法方面，本文设计并实现了基于Snake模型的新算法。Snake 模型方法具有深厚的物理学基础，来描述要勾勒的目标(细胞)的边界会更加 切合实际。 Snake模型的分割思想是：首先在图像上给出一条对应于要分割区域的大致 的轮廓闭合曲线Snake，即初始模型；这条初始轮廓曲线在本身信息和图像信息 的控制下发生形状的改变，在形变的过程中不断向目标边界靠拢，最后曲线运 动到真实的目标边界上停止形变，达到收敛，实现目标的分割。Snake模型的 边缘检测思想是全局性的，为图像分割领域提供了一种全新的分割思路。 Snake模型把物体(或区域)的边界看成是一条由若干个边缘点构成的连续 曲线，曲线在内部力和外部力的作用下发生形变，基本Snake模型以能量形式 反映力的作用效果： E枷妇=E而+E。 (1) 其中‰为来自曲线内部作用能量 ‰=p1圳掣M圳等n／2)幽(2) 参数S为曲线的路径长度。由曲线论知”1，平面曲线一阶导数(或模)反映着曲 线的连续性，二阶导数(或模)反映着曲线的平滑性。 E。为来自曲线外部作用的能量，通常定义为图像梯度信息： E。。=f(一y(J)I V，(v(s))12)出 (3) ； 等形式。 模型的计算过程就是求解 E一=p1 圳掣卜刚警|2)】／2蝴州M呦|2]出 (4) 的极小值的过程。能量极小化的样条内力约束其形状，外力引导其行为，在内 外力的驱动下自主趋向目标边界。 Ⅱ 博士学位论文同时，从物理力学角度将Snake内能巨。表达式与弹性理论中曲线与杆的变 博士学位论文 同时，从物理力学角度将Snake内能巨。表达式与弹性理论中曲线与杆的变 形能量联系起来，反映了其物理学实质。 本文对多种类型的测试图应用基本Snake模型做边界分割测试，根据分割 结果分析评价了基本Snake模型的主要优点和局限性，提出了多方面的改进设 想。 为了更好地发挥Snake模型的能力，本文根据待分割的细胞图像质量对图 像进行有关的预处理操作，来获取更加符合要求的待分割图像。 在对基本Snake模型的改进方而，本文提出了两种途径：第一条途径保持 法目的是适应基本Snake模型的需求，提取高质量的初始轮廓，然后进行基本 Snake迭代，主要步骤如下： (1)计算图像中各点的最大绝对值灰度梯度 (2)求最大绝对梯度的判定阈值 (3)标记背景像素点 (4)轮廓生氏，得到初始轮廓 (5)边缘细化，孔洞填补，去除孤立点 (6)划分原图像为多个子区间，得到各个子区间的初始轮廓 这种方法的优点是能够精确地确定目标边界，最终获得的是光滑而连续的 目标边界曲线。缺点是处理步骤繁多，对其他图像处理技术依赖较多，算