肖海慧 廖定安
摘要:肝臟是人體中的最大內(nèi)臟器官,位于腹部位置,采用腹部CT能夠?qū)颊叩母闻K位置以及形狀明確觀察,可以發(fā)現(xiàn)正常肝臟為楔形,右葉厚而且大,越向左越小越薄。在肝臟醫(yī)學(xué)圖像檢測(cè)中,成像中會(huì)受到部分容積效應(yīng)以及外界 噪聲等相關(guān)因素的影響,從而導(dǎo)致肝臟分割精確性不高,這一問題也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像分割中的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)。本文則重點(diǎn)關(guān)于肝臟腫瘤CT圖像的分割算法展開研究。
關(guān)鍵詞:肝臟腫瘤;CT圖像;分割算法
中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2018)32-0210-04
肝臟腫瘤早期診斷及治療直接決定患者的預(yù)后和轉(zhuǎn)歸?,F(xiàn)階段腫瘤早期診斷主要依靠醫(yī)生根據(jù)自身的醫(yī)學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)勾畫出腫瘤區(qū)域并對(duì)其判斷,處理起來不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且具有較大的主觀性,人為因素影響大,嚴(yán)重影響肝臟腫瘤的早期、準(zhǔn)確診斷。一方面,人肉眼對(duì)圖像的區(qū)分度遠(yuǎn)不如機(jī)器對(duì)圖像數(shù)據(jù)的區(qū)分度,但機(jī)器對(duì)疾病的認(rèn)知度遠(yuǎn)趕不上醫(yī)生對(duì)疾病的認(rèn)知度,這就需要研究計(jì)算機(jī)識(shí)別肝臟腫瘤圖像的算法和方法;另一方面,由于醫(yī)生臨床工作繁忙,精力有限,人工識(shí)別腫瘤的效率并不高,甚至在長(zhǎng)時(shí)間疲勞情況下可能會(huì)出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤,這就需要研究計(jì)算機(jī)輔助診斷肝臟腫瘤方法。實(shí)現(xiàn)腫瘤的自動(dòng)識(shí)別不僅可以提高腫瘤識(shí)別的精確度,還可以減少醫(yī)生工作負(fù)擔(dān),提高腫瘤的早期診斷率。雖然研究計(jì)算機(jī)輔助腫瘤圖像診斷的成果很多,研究也很熱,但是,目前的識(shí)別算法和輔助診斷方法還不能有效地解決肝臟腫瘤早期、準(zhǔn)確診斷問題,因此,研究肝臟腫瘤的圖像識(shí)別算法,探索肝臟腫瘤病理與肝臟圖像表現(xiàn)關(guān)系的理論問題具有重大的學(xué)術(shù)意義和臨床應(yīng)用價(jià)值。本文重點(diǎn)對(duì)肝臟腫瘤CT圖像的分割算法展開分析。
1 肝臟圖像的獲取
本次研究所采用的是肝臟腫瘤CT圖像,其中計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Computer Tomography,CT)是針對(duì)人體某一范圍,采用X射線逐層實(shí)施橫斷掃描,受到透射入組織密度不同,所出現(xiàn)的吸收以及衰減后的強(qiáng)度也具有明顯差異。通過探測(cè)器的應(yīng)用可以將接收到的穿透橫斷層X線信號(hào),成功轉(zhuǎn)化為電信號(hào),這一信號(hào)可以采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器成功轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),對(duì)其實(shí)施計(jì)算機(jī)處理也就可以得到相應(yīng)的重建圖像。
2 圖像格式轉(zhuǎn)換
在新型醫(yī)療器械研究及應(yīng)用中,醫(yī)院的成像設(shè)備種類也在不斷增加,設(shè)備的生產(chǎn)廠商不同自然網(wǎng)絡(luò)接口也具有差異,在醫(yī)學(xué)圖像處理中具有一定難度。想要有效實(shí)現(xiàn)不同醫(yī)療設(shè)備之間的通信,也就提出DICOM,也就是通信標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)字影像。在當(dāng)前環(huán)境下,支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備廠商數(shù)量也在不斷增加。
其中在DICOM文件中包括有DICOM文件頭以及DICOM數(shù)據(jù)集各一個(gè)。其中DICOM文件頭為128個(gè)字節(jié)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集標(biāo)識(shí)信息的存儲(chǔ),其余4個(gè)字節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)DICOM文件前綴標(biāo)志的存儲(chǔ)。DICOM數(shù)據(jù)集的組成是依照一定順序排列的數(shù)據(jù)元素,在DICOM文件中數(shù)據(jù)元素是最基本的單位。在對(duì)DICOM文件分析過程中,也就可以獲取相應(yīng)的醫(yī)學(xué)圖像信息,同時(shí)也能夠得到患者的基本資料,包括醫(yī)生的診斷結(jié)果、圖形拍攝醫(yī)院等信息。
3 圖像濾波
在進(jìn)行圖像成像中,難免會(huì)受到噪聲的影響。在本次研究中我們選用區(qū)域生長(zhǎng)法,這一方法的應(yīng)用重點(diǎn)也就是初始種子點(diǎn)的選擇,噪聲對(duì)于肝臟CT圖像分割工作具有直接影響,同時(shí)也會(huì)對(duì)肝臟分割精度和后續(xù)三重重建造成嚴(yán)重影響。所以,需要實(shí)現(xiàn)對(duì)肝臟腫瘤CT圖像的濾波處理,將其具有干擾因素的噪聲實(shí)現(xiàn)清除,提高肝臟邊緣輪廓清晰化,也能夠顯著提升區(qū)域生長(zhǎng)算法應(yīng)用準(zhǔn)確性。
3.1鄰域平均濾波
在以上公式中,x和y的取值范圍為0,1,2,3…,s代表的則是圖像的鄰域系統(tǒng),N代表的是原圖像像素個(gè)數(shù)。這一方法在實(shí)際應(yīng)用中的本質(zhì)也就是采用模板以及圖像實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算,在圖像中把確定大小的窗口實(shí)施滑動(dòng),也就可以更新圖像的灰度。結(jié)合實(shí)際情況,也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鄰域半徑大小的合理選擇,通常情況下模板的大小為3×3,5×5.
3.2中值濾波
這一方法屬于是一種非線性平滑技術(shù),圖像上的每一點(diǎn)灰度值均能夠設(shè)置相應(yīng)的鄰域窗口中像素點(diǎn)灰度值中值。在圖像處理中屬于是常用局部平滑技術(shù),不但能夠保持圖像的細(xì)節(jié),也可以保持其邊緣信息。這一方法的基本原理為:在圖像中采用像素點(diǎn)為奇數(shù)的窗口實(shí)施滑動(dòng),需要處理像素和窗口重合之后,過去相應(yīng)像素灰度值,并依照相應(yīng)順序?qū)ζ鋵?shí)施排列,最中間的像素灰度值可以將其賦值為沒有處理的像素。在此過程中的關(guān)鍵點(diǎn)也是窗口大小的確定。如果確定的窗口比較小,容易導(dǎo)致沒有良好的方向性,影響效果;反之,會(huì)提高計(jì)算量,影響運(yùn)算速度。
3.3濾波處理后的肝臟圖像
在對(duì)濾波處理前后的圖像進(jìn)行對(duì)比,在本次處理中采用的方法是中值濾波器處理,在試驗(yàn)中確定中值濾波模板大小為5×5。所得切片數(shù)量比較大,在本文章中無法一一顯示,本次選取某一患者的圖像進(jìn)行對(duì)比,選取3張切片,依次為20、30、44。其中 在下圖中,圖片a、b、c為肝臟原圖像,圖片d、e、f為中值濾波處理后的圖片。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)在中值濾波處理之后,可以明顯減少圖像中的噪聲,顯著提升圖像信噪比,從而為圖片之后的區(qū)域生長(zhǎng)算法處理奠定基礎(chǔ)。
4 改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法
4.1原理及實(shí)現(xiàn)
從全局灰度均值下的傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)法實(shí)施流程主要為4步,其中分別為:第一步,初始化。確定區(qū)域范圍中的生長(zhǎng)初始種子點(diǎn);第二步,對(duì)和相似性準(zhǔn)則的符合性進(jìn)行判定。和已經(jīng)生長(zhǎng)區(qū)域中的灰度均值和種子像素8鄰域像素灰度值進(jìn)行對(duì)比分析,如果結(jié)果發(fā)現(xiàn)差的絕對(duì)值在一定閾值以下,也就可以在這一區(qū)域中將其進(jìn)行合并;第三步,能夠滿足第二步中的點(diǎn)也就可以作為新的種子點(diǎn),并對(duì)生長(zhǎng)區(qū)域中的灰度均值進(jìn)行計(jì)算,確定新的相似性準(zhǔn)則,并再次回到第二步,確定新的能夠滿足相似性準(zhǔn)則的像素;第四步,對(duì)和終止條件的滿足性進(jìn)行對(duì)比,如果沒有發(fā)現(xiàn)新的種子點(diǎn),也就代表本次生長(zhǎng)過程結(jié)束。
在以上分析過程中能夠發(fā)現(xiàn),這一方法在應(yīng)用過程中實(shí)施區(qū)域生長(zhǎng),只是對(duì)比分析已生長(zhǎng)區(qū)域全局均值和像素灰度值,但是在此研究中發(fā)現(xiàn)肝臟灰度特性并不能夠采用已生長(zhǎng)區(qū)域灰度均值進(jìn)行替代,肺肝臟區(qū)域也會(huì)對(duì)其研究結(jié)果有一定的影響。在本次研究過程中針對(duì)這一相似性準(zhǔn)則實(shí)施改進(jìn),全局均值可以采用區(qū)域生長(zhǎng)中的局部區(qū)域均值進(jìn)行替代,以能夠最大化減少肝臟CT圖像研究過程中,非肝臟部分灰度的干擾作用。因此所得相似性準(zhǔn)則為:
在以上公式中,R代表的是區(qū)域生長(zhǎng)變化過程中的局部區(qū)域,Mˊ代表的是能夠合并到這一區(qū)域中的像素點(diǎn)數(shù)量,mˊ代表的是局部區(qū)域平均灰度。
在醫(yī)學(xué)圖像分割研究過程中,區(qū)域生長(zhǎng)相似性準(zhǔn)則的閾值具有重要影響作用,如果在閾值選擇過程中過大,容易出現(xiàn)過分割問題,反之無法將牧寶區(qū)域全部完整提取出來。在對(duì)概率論以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)研究中能夠發(fā)現(xiàn),對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度可以采用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行表示,在本次研究中對(duì)于區(qū)域生長(zhǎng)準(zhǔn)則的閾值設(shè)置形式采用的是已生長(zhǎng)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差以及固定系數(shù)乘積,可以實(shí)現(xiàn)閾值大小的動(dòng)態(tài)變化,以能夠?qū)?shí)際圖像變化有效適應(yīng)。
在改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法實(shí)施過程中其流程包括4個(gè)步驟,其中分別為:第一步,初始化。確定初始種子點(diǎn)8鄰域灰度均值,可以將其作為是局部區(qū)域灰度均值初始值,閾值則確定為鄰域標(biāo)準(zhǔn)差和一定系數(shù)的乘積;第二步,對(duì)局部區(qū)域灰度均值和種子像素8鄰域像素灰度均值大小進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果顯示在預(yù)先設(shè)定的閾值之下,即可以將其合并在所在區(qū)域,也就是新的種子點(diǎn);第三步,對(duì)這一階段局部區(qū)域灰度均值以及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果也就是新的種子點(diǎn),重新回到第二步;第四步,終止條件的判定,如果沒有滿足需求的新種子點(diǎn),也就代表區(qū)域生長(zhǎng)算法結(jié)束,不然重新從第二步開始繼續(xù)執(zhí)行。
4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)比傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)法和改進(jìn)后的結(jié)果,詳情見下圖,其中a為原圖像,b為傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng),c為改進(jìn)生長(zhǎng)法。
從以上圖中可以看出,在傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)法應(yīng)用中,選取的參考值為已生長(zhǎng)區(qū)域的全局灰度均值,之中也包括部分不屬于肝臟部分,從而出現(xiàn)過分割問題;在改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法應(yīng)用中,采用的是局部區(qū)域灰度均值,可以將肝臟區(qū)域準(zhǔn)確提取出來,另外在應(yīng)用過程中不必事先設(shè)定閾值,在區(qū)域生長(zhǎng)過程中可以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)閾值進(jìn)行改變。采用區(qū)域生長(zhǎng)法進(jìn)行肝臟區(qū)域提取,所得結(jié)果中存在一定明顯的孔洞,邊緣也有毛刺,因此針對(duì)這一問題需要繼續(xù)優(yōu)化分割結(jié)果,以能夠提高肝臟提取完整性,以及提高邊緣輪廓的平滑性。
5 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理
在改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法應(yīng)用之后,獲取的肝臟圖像還需要繼續(xù)分割。在處理過程中可以采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算方法。在多次試驗(yàn)后確定模板為半徑為5的圓,對(duì)于所得切片大部分均能夠得到良好效果。其中試驗(yàn)結(jié)果見下圖。
以上圖中所得的a、b、c分別為切片20、30、44,對(duì)其實(shí)施數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理,所得結(jié)果如上所示。在閉運(yùn)算方法的應(yīng)用下可以有效填充區(qū)域生長(zhǎng)算法后的肝臟內(nèi)部空洞。在以上圖中出現(xiàn)的顯著孔洞主要為肝臟血管,在本次研究中需要對(duì)肝臟體積以及灰度均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,因此在閉運(yùn)算過程中,沒有完全填充以上血管孔洞。
6 分割效果評(píng)價(jià)
在本次圖像分割中采用的分割算法為改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué),在當(dāng)前研究中針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像分割算法的評(píng)價(jià),主要采用的是主觀評(píng)論方法。為能夠?qū)Ρ敬尾捎玫姆指钏惴ńY(jié)果進(jìn)行評(píng)估,將分割所得肝臟圖像在原始圖像上進(jìn)行疊加,并在原圖像中采用紅色進(jìn)行標(biāo)記,從下圖中我們可以看出肝臟邊緣部分?jǐn)M合情況和肝臟分割基本情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本次分割算法的定性評(píng)價(jià)。其中分割結(jié)果見下圖:
從以上圖中可以看出,改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分割結(jié)果,為能夠?qū)ζ浞指罱Y(jié)果有進(jìn)一步認(rèn)識(shí),將本次采用的算法和其他算法進(jìn)行對(duì)比分析。
6.1和Otsu法對(duì)比
在肝臟CT圖像分割算法過程中,應(yīng)用閾值法中的Otsu法分析,其中在這一算法的應(yīng)用下所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖:
在Otsu算法中,屬于是一種自適應(yīng)閾值算法,在對(duì)圖像分析過程中可以通過最佳閾值將圖像分成目標(biāo)以及背景。從上圖中能夠看出,和腹腔中的肌肉、腎臟灰度值對(duì)比,能夠發(fā)現(xiàn)肝臟灰度值與其比較接近,容易出現(xiàn)粘連問題,這一算法在感興趣區(qū)域以及背景灰度差異明顯中的應(yīng)用更為合適,所以在肝臟提取中只是采用閾值法可行性不高。
6.2和邊緣檢測(cè)對(duì)比
在醫(yī)學(xué)分割中采用的邊緣檢測(cè)法,實(shí)現(xiàn)方式主要是采用不同區(qū)域中的像素灰度值,在本次研究中針對(duì)肝臟CT圖像分割過程中采用并行邊緣檢測(cè)算子,在實(shí)際應(yīng)用中常用的有Canny、Roberts、LOG以及Prewitt算子等。下圖即為采用不同邊緣檢測(cè)算子實(shí)現(xiàn)肝臟切片分割結(jié)果。
從圖中可以看出,針對(duì)CT圖像實(shí)施不同邊緣檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)分析,其中在應(yīng)用中Roberts算子在應(yīng)用中對(duì)于邊緣是采用局部差分算子實(shí)現(xiàn)定位,在研究中發(fā)現(xiàn)容易出現(xiàn)邊緣丟失,更適合應(yīng)用中邊緣明顯的圖像分割中;Canny算子屬于是最優(yōu)化邊緣檢測(cè)算子,在邊緣檢測(cè)中性能良好,也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噪聲抑制以及邊緣檢測(cè)關(guān)系的有效平衡;Sobel算子以及Perwit算子在應(yīng)用中首先需要對(duì)圖像實(shí)施平滑處理,之后實(shí)施微分運(yùn)算,在應(yīng)用中圖像平滑處理存在差異,在邊緣檢測(cè)中能夠取得良好效果,但是也容易出現(xiàn)虛假邊緣檢測(cè)。LOG算子在應(yīng)用中是采用高斯函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的平滑濾波,邊緣檢測(cè)中采用的方法為拉普拉斯算子,可以對(duì)圖像中的噪聲起到良好抑制作用。從圖中能夠發(fā)現(xiàn),肝臟和周圍器官、組織灰度比較接近,導(dǎo)致噪聲容易對(duì)CT成像造成影響,出現(xiàn)圖像邊緣不夠清晰,如果在研究中采用的是傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)方法,也就導(dǎo)致無法將肝臟邊緣有效提取。
6.3和FCM聚類相比
在本次研究中采用的是FCM模糊C-均值算法,所得分割實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。
從圖中可以看出,F(xiàn)CM算法在應(yīng)用中,如果是應(yīng)用在肝臟面積較大CT圖像中,能夠取得良好的分割效果,也就可以將肝臟區(qū)域近乎完整的提取出來。但是在CT序列中肝臟也出現(xiàn)了一系列變化,如果是切片中的序列肝臟面積比較小,也就會(huì)導(dǎo)致取得的分割效果比較差。另外在傳統(tǒng)FCM算法應(yīng)用中,容易包括圖像中的腎臟錯(cuò)誤,主要原因?yàn)楦闻K和腎臟灰度值比較接近。另外這一方法在應(yīng)用中,需要和圖像灰度值相結(jié)合,并提前將聚類數(shù)目和初始聚類中心設(shè)置出來,在應(yīng)用中所需時(shí)間比較多,也容易受到主觀因素的影響。
6.4數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法
在這一方法應(yīng)用中,首先需要合理選擇閾值以能夠?qū)Ω闻KCT圖像實(shí)施分割,數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在應(yīng)用中需要實(shí)施一系列運(yùn)算,在處理之后所得肝臟CT圖像分割結(jié)果見下圖。
6.5方法對(duì)比
通過對(duì)以上幾種方法的分割結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分割算法在肝臟圖像分割中的效果更為顯著。就算是這一方法在應(yīng)用中需要采用人工方式進(jìn)行種子點(diǎn)選取,然而在運(yùn)算過程中可以將已生長(zhǎng)區(qū)域信息加入其中,可以將生長(zhǎng)準(zhǔn)則中的閾值實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)改變,也就有助于進(jìn)一步提高CT圖像中的肝臟區(qū)域提取完整性以及準(zhǔn)確性,能夠取得良好的肝臟CT圖像分割結(jié)果。
7 結(jié)語(yǔ)
在本次研究中,主要是對(duì)患者腹部CT圖像實(shí)施肝臟分割,以能夠統(tǒng)計(jì)分析患者在不同時(shí)刻的肝臟體積以及灰度平均值,對(duì)患者肝臟進(jìn)行分析?;谘芯拷Y(jié)果可以看出,肝臟信號(hào)強(qiáng)度的表現(xiàn)方式為信號(hào)強(qiáng)度大、灰度值平均以及平均灰度值大。在本次研究中所采用的改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分割算法,有效實(shí)現(xiàn)了肝臟腫瘤CT圖像的分割,分割效果顯著。在腹部CT圖像中的噪聲比較多,會(huì)直接影響分割精確度。
在本次研究中首先采用中值濾波器對(duì)其圖像中的噪聲進(jìn)行消除,以能夠起到良好的濾波以及平滑作用?;诖瞬捎酶倪M(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法實(shí)現(xiàn)肝臟圖像的分割處理,在研究過程中和肝臟特點(diǎn)相結(jié)合,針對(duì)傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)算法進(jìn)行改進(jìn),所得肝臟圖像上存在一定的毛刺和孔洞,因此需要對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行分割,采用的方法為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法。對(duì)比分析FCM算法、邊緣檢測(cè)和傳統(tǒng)Otsu算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)肝臟體積以及灰度平均值的統(tǒng)計(jì)分析,從而評(píng)估本次分割結(jié)果,發(fā)現(xiàn)結(jié)果良好。
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【通聯(lián)編輯:光文玲】