基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法、系统及介质

本发明涉及医学影像分析和计算机视觉，特别是涉及一种基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法、系统及介质。

背景技术：

1、肺血管结构具有明显的树状分支特征，且管径由近端向远端逐渐减小。在肺栓塞评估、肺血管地图构建、介入路径规划、血管形态学统计以及术前术中辅助诊疗等场景中，通常不仅需要获得肺血管整体分割结果，还需要进一步将肺血管划分为具有拓扑或解剖意义的多个血管段，并计算每一血管段的长度、半径、体积、空间位置、邻接关系等结构化参数。

2、目前，针对三维医学影像中管状结构的分段与参数提取，已有多种技术方案被提出。

3、例如，公开号为cn118261895a的中国专利申请，提出了一种基于图神经网络（gnn）的肝脏血管分段方法。其核心思路是从 ct 影像中分割肝血管掩膜、提取血管中心线、构建血管树图结构、使用图神经网络（gnn）对血管段进行动静脉分类与分段标识，最后通过区域生长将分段结果回填至血管体积。虽然实现了从中心线分段到体素回填的完整流程，但其性能高度依赖于大量高质量标注数据，训练成本高昂且模型可解释性较差。更重要的是，其处理对象为肝脏血管，与肺血管在多级分支形态、管径分布和临床需求上存在显著差异，相关模型难以直接迁移应用。

4、另一类方案，如cn121903882a和cn121810536a，聚焦于血管中心线拓扑结构的修复或基于骨架端点和分叉点的刚性切分。然而，这类纯几何方法存在一个普遍缺陷：在三维体素骨架化的过程中，真实血管的分叉区域往往会离散为多个相邻的分叉体素。现有技术将这些体素均视为独立分叉点进行切分，极易在真实分叉点附近产生大量虚假的短小血管段，严重干扰后续的量化统计。同时，它们也未考虑因局部拓扑抖动导致的主干血管被错误拆分，以及末梢区域因分割噪声产生的伪分支问题。

5、此外，如cn120953718a等针对心血管的技术方案，其分段策略以狭窄病灶检测为核心驱动，分段边界由狭窄位置决定，而非基于血管树的自然拓扑结构，应用场景与目的均与本领域不同。

6、综上所述，现有技术在处理肺血管三维自动分段时，普遍面临分叉区域虚假切分、主干连续性被破坏、缺乏伪末端清理机制、体素级映射困难以及输出格式不统一等共性技术瓶颈。因此，急需一种能够针对肺血管解剖结构特点，通过纯规则化、可解释的拓扑与几何约束，实现鲁棒、精准的肺血管段级划分，并能输出结构化参数的系统性解决方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的分叉区域虚假切分、主干连续性被破坏、缺乏伪末端噪声清理、分段结果无法天然扩展至体素级、缺少统一的段级结构化输出等问题，本发明提供了一种基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法、系统及介质，能够在保持血管树拓扑表达能力的同时，提升分段结果的连续性、稳定性和可解释性。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、获取肺血管三维二值掩膜；

4、步骤s2、预处理掩膜：对所述肺血管三维二值掩膜进行预处理，以提高连通性并抑制局部噪声；

5、步骤s3、三维骨架化：对预处理后的所述肺血管三维二值掩膜执行三维骨架化，得到单体素宽度的中心线骨架，将管状结构压缩为骨架图；

6、步骤s4、骨架点拓扑分类：统计每一个骨架点在三维邻域内的骨架邻居数量，并根据所述邻居数量确定拓扑类型；

7、步骤s5、分叉点聚类修正：对分叉点进行聚类，能够将局部分叉区域收敛为单一拓扑节点，从根本上减少虚假短段的产生；

8、步骤s6、初始中心线段追踪：以端点和所述代表分叉点作为边界节点，沿骨架连接关系追踪路径，形成初始血管段集合；

9、步骤s7、距离变换与半径计算：对预处理后的所述肺血管三维二值掩膜执行距离变换，将中心线点处的距离值作为局部血管半径近似值，并据此计算每个血管段的各类半径；

10、步骤s8、短分叉段合并：合并两端均为分叉点且长度较短的血管段；

11、步骤s9、主干连续性保护：合并主干候选段之间的不合理断裂，能够减少主干血管被局部分叉误切的问题；

12、步骤s10、伪末端删除：删除不符合真实末梢逐渐变细规律的短小端点分支；

13、步骤s11、体素级标签回填：将修正后的中心线段标签回填至肺血管体积中的各血管体素，生成体素级三维分段标签图；

14、步骤s12、输出结构化参数。

15、进一步地，步骤s2、预处理掩膜，具体步骤包括：

16、二值化：将输入的所述肺血管三维二值掩膜二值化为 {0,1}；

17、闭运算：采用三维结构元素执行形态学闭运算，用于填补血管内部小孔洞、桥接因分割模型噪声造成的微小断裂；

18、开运算：执行形态学开运算，用于去除孤立的小毛刺与单体素噪点；

19、连通域分析：对处理后的所述肺血管三维二值掩膜进行三维连通域分析，统计各前景连通域的体素数，仅保留体素数最大的连通域作为最终的血管掩膜，以剔除与主血管树不相连的零散假阳性区域。

20、进一步地，步骤 s5、分叉点聚类修正，具体包括：

21、对分叉点进行基于密度的聚类，并在每个分叉簇中保留一个代表分叉点，其余分叉点重新归类为路径点。

22、进一步地，步骤 s7、距离变换与半径计算，具体包括：

23、对预处理后的所述肺血管三维二值掩膜执行欧氏距离变换，得到血管区域内部各体素到最近背景边界的距离值；

24、将中心线点在距离场中的距离值作为该位置的局部血管半径近似值，并根据所述局部血管半径近似值计算各血管段的平均半径、最小半径及最大半径。

25、进一步地，步骤 s8、短分叉段合并，具体包括：

26、识别两端均为分叉点且长度小于第一长度阈值的短分叉段，并查找与所述短分叉段共享分叉点的邻接血管段；

27、若所述短分叉段与所述邻接血管段之间的半径相似度高于所述第一半径阈值，则将所述短分叉段并入最匹配的所述邻接血管段。

28、进一步地，步骤 s9、主干连续性保护，具体包括：

29、筛选平均半径大于主干半径阈值且两端均为分叉点的血管段作为主干候选段；

30、对于长度小于第二长度阈值的所述主干候选段，寻找与其共享节点的其他主干候选段，并基于半径相似度进行合并。

31、进一步地，步骤 s10、伪末端删除，具体包括：

32、识别一端为端点、另一端为分叉点且长度小于第三长度阈值的末端段，并将所述末端段与同一分叉点相连的父级邻接血管段进行比较；

33、若所述末端段的平均半径与所述父级邻接段的平均半径过于接近，则将所述末端段判定为伪末端段并删除。

34、进一步地，步骤 s11、体素级标签回填，具体包括：

35、对修正后的每一中心线段赋予唯一段标签，并针对肺血管三维二值掩膜中的每一前景体素，查找与其距离最近的已标记中心线点，将所述前景体素标记为最近中心线点所属血管段的标签值，从而生成与原始掩膜具有相同空间尺寸的体素级三维分段标签图。

36、另一方面，本发明还提供了一种基于中心线与半径连续性的肺血管分段系统，包括：

37、预处理模块：对输入的肺血管三维二值掩膜进行预处理，以降低噪声、填补局部小孔洞并保留主要肺血管树；

38、骨架提取模块：对预处理后的所述肺血管三维二值掩膜执行三维骨架化，得到单体素宽度的中心线骨架，将管状结构压缩为骨架图；

39、拓扑分类模块：统计每一骨架点在三维邻域内的骨架邻居数量，将骨架点划分为端点、路径点和分叉点；

40、分叉聚类模块：对空间邻近的所述分叉点进行聚类，将多个离散分叉体素归并为代表分叉点，从而减少由骨架离散误差引起的虚假切分；

41、中心线段追踪模块：以所述端点和所述代表分叉点作为边界节点，沿骨架连接关系追踪中心线，形成具有明确起点、终点和路径序列的初始血管段集合；

42、半径计算模块：对预处理后的所述肺血管三维二值掩膜执行距离变换，并将中心线点处的距离值作为局部半径近似值，以计算每个血管段的平均半径、最小半径和最大半径；

43、段级修正模块：基于血管段长度、节点类型、半径相似度及拓扑邻接关系，对所述初始血管段进行修正，包括：

44、短分叉段合并单元：合并两端均为分叉点且长度较短的血管段；

45、主干连续性保护单元：合并主干候选段之间的不合理断裂；

46、伪末端删除单元：删除不符合真实末梢逐渐变细规律的短小端点分支；

47、上述三个修正单元均基于同一半径相似度公式驱动，形成统一的半径连续性约束框架，无需深度学习训练即可实现可解释的段级修正。

48、标签回填模块：根据最近中心线点原则，将修正后的中心线段标签回填至肺血管体积中的各血管体素，生成体素级三维分段标签图；本模块采用纯几何最近邻映射，具有确定性和可复现性；

49、参数输出模块：输出各血管段的结构化参数，包括段编号、起始节点类型、终止节点类型、中心线长度、平均半径、最小半径、最大半径、体素数量、物理体积、质心坐标以及可选的解剖名称字段。

50、本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行所述的基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法。

51、相对于现有技术，本发明的有益技术效果：

52、本发明提供的一种基于中心线与半径连续性的肺血管分段方法、系统及介质，以肺血管三维二值掩膜为输入，先将肺血管体积压缩为中心线拓扑结构，再在段级层面执行分叉聚类、短段合并、主干连续性保护及伪末端删除，最后再将修正后的中心线标签映射回原始血管体积。该方案能够实现以下效果：

53、1、分叉聚类消除虚假短段：通过对空间邻近分叉点进行聚类并保留代表分叉点，从根本上减少了因骨架离散误差导致的虚假切分。

54、2、统一的半径连续性约束框架：以半径相似度公式  为核心，统一驱动短分叉段合并、主干连续性保护和伪末端删除三步修正，形成基于可解释规则的段级修正体系，无需深度学习训练即可适应不同数据源。

55、3、主干血管连续化：通过主干候选段识别和主干链连续性保护机制，降低了肺主动脉及较大肺血管分支被误切成多个短段的概率。与现有技术（如cn121903882a） 的拓扑修复不同，本发明的保护策略同时结合了半径、长度和节点类型三维信息。

56、4、伪末端自动清理：通过末端段长度和末端-父级半径比例关系的双重判定，有效过滤噪声和边界毛刺对末梢统计的干扰。

57、5、中心线-体素双级一致输出：通过最近中心线点映射将段标签回填至三维血管体积，同时输出中心线级和体素级一致的分段结果。与现有技术（如 cn118261895a）的 gnn驱动区域生长回填不同，本方案为纯几何映射，具有确定性。

58、6、统一结构化参数输出：输出包含段编号、起止节点类型、长度、半径、体积、质心和邻接关系等字段的完整结构化结果，可直接为肺血管地图构建、血栓负荷评估、介入路径规划及后续训练数据制备提供数据基础。

59、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。