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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 基于数据驱动的马尔科夫蒙特卡洛视网膜血管分割 姓名：周玮 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：陈松灿 2011-01 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 眼底视网膜血管作为人体非创伤观察的重要器官，其不同程度的变化能够反映出高血压、动脉 硬化等心血管疾病的症状，特别当与血管相关的器官发生病变时，眼底血管的直径、曲率等特征的 改变在一定程度上可反映病变的程度。故定量和定性地自动分析视网膜血管具有非常重要的临床应 用价值，而视网膜血管分割和提取则是分析血管的首要任务。 现有多数视网膜血管分割方法尽管对非病变的血管图像具有较好的分割效果，但对病变图像
2、的 分割效果仍不理想，尤对光照不均、病灶等敏感。为此，本文提出了一种相对鲁棒的血管分割方法。 该方法首次尝试利用计算机视觉中的 Top-down 和 Bottom-up 两种层次化分割框架相结合实现视网 膜图像的分割。具体而言，首先在彩色视网膜图像的绿色通道上利用 Curvelet 变换进行血管增强。 然后在贝叶斯统计框架下，采用可逆跳转的马尔科夫蒙特卡洛算法搜索参数空间，从而求得不依赖 于初始分割的近似全局最优的分割，同时利用数据驱动的均值漂移聚类算法和 Canny 边缘检测算子 来加速马尔科夫链的动态变化。 本文在 MATLAB 环境下，采用标准 STARE 视网膜图像库中四幅图像进行了实
3、验，实验结果表明 该方法不仅对非病变的图像而且对病变的图像都具有较好的鲁棒分割效果，并且通过模式识别中的 没有免费午餐定理在理论上对该方法进行了理论分析。 关键词：关键词：马尔科夫蒙特卡洛；数据驱动；血管分割；Curvelet 变换；医学图像处理。 I 基于数据驱动的马尔科夫蒙特卡洛视网膜血管分割 ABSTRACT Quantitative and qualitative analysis of retinal blood vessels is an important method for non-invasively diagnosing hypertension, arterioscle
4、rosis and other cardiovascular diseases, and the segmentation and extraction for the retinal blood vessels is a primary task. Most of existing retinal blood vessel segmentation methods are effective only for normal retinal images, but insufficiently effective for pathological retinal images due to t
5、heir sensitiveness to some factors such as non-uniform illumination and focus of infection. In this paper, a relatively-robust method for segmenting blood vessels is proposed. It segments retinal blood vessels by firstly attempting to use a unified mechanism of top-down and bottom-up in computer vis
6、ion. Specifically, the proposed method uses reversible jump Markov chain Monte Carlo to search parameter space in the Bayesian statistical framework and obtain the approximate global optimal result, Meanwhile a data-drive technology is used for driving the Markov chain. Experimental results show tha
7、t our method is robust in segmenting both non-pathological images and pathological images. Key words: Markov Chain Monte Carlo; Data-Driven; Blood Vessels Segmentation; Medical Image Processing. II 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图 1.1两种视网膜血管图像 . 1 图 1.2眼底视网膜图像辅助诊断系统的流程 . 2 图 1.3非病变的和病变视网膜血管图像.4 图 2.1 Curvelet变
8、换的流程图 . 9 图 2.2小波变换、Ridgelet变换和Curvelet变换的效果图. 9 图 2.3 本文预处理的流程图 . 11 图 2.4 图像预处理的实验结果 . 11 图 3.1 MCMC框架图 . 14 图 3.2 Gibbs采样生产马氏链图 . 16 图 3.3 二维分布中Gibbs采样示意图 . 17 图 3.4 RJMCMC算法的示意图 . 18 图 3.5 （a）边缘方向示意图 (b) 8 邻域幅角方向. 20 图 3.6 Canny边缘检测算子的实验结果图 . 20 图 3.7 样本间距离示意图 . 21 图 3.8 EM算法的实验结果图. 22 图 3.9 均值漂
9、移算法的实验结果图 . 25 图 4.1 DDMCMC框架示意图 . 31 图 5.1 专家手绘结果、文献5分割结果和本文分割结果的实验对比图. 36 图 5.2 文献12分割结果和本文分割结果的实验比对图 . 36 图 5.3 算法ROC曲线图 . 37 图 5.4图像im0077 采用数据自适应核回归法去噪后的分割结果. 38 图 5.4随机树实例图 . 39 表 3.1 样本间距离计算公式 . 21 表 5.1 随机树模型中马氏链五种动态变化 . 39 V 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 符号： AB 用元素 B 对 A 进行膨胀 A B 用元素 B 对 A 进行腐蚀 A B? 用
10、元素 B 对 A 进行开运算 缩略词： SVM Support Vector Machine MCMC Markov Chain Monte Carlo RJMCMC Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo MAP-MRF Maximum A Posteriori-Markov Random Field M-H Metropolis-Hastings FCM Fuzzy C-Means EM Expectation-Maximization TP True Positive TN True Negative FP False Positive FN F
11、alse Negative STARE STructured Analysis of the Retina VII 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺
12、书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题研究目的及意义 大量现有的流行病学资料表明目前高血压、动脉硬化等心血管疾病是世界上中老年 人死亡的主要原因。在年龄、高血压等因素的综合作用下，将引起微血管损伤。具体表 现为广泛的小动脉狭窄和动静脉局部狭窄。视网膜血管作为人体唯一可非创伤直接观察 到的较深层次的微血管， 其结构特征的变化如血管的形态和血流可以直接反映出高血压、 动脉硬化等疾病的病程情况 1。视网膜病变的过程可分为四个阶段： （1）轻度非增殖性 病变。该阶段出现微动脉瘤现象，它是视网膜的细小血管中发生肿胀的小球。 （2）中度 非增殖性病变。视网膜会渗出部分的营养，导致血管闭塞。 （3）重度非增殖性病变：闭 塞的血管大量增加，视网膜出现大面积无灌注区域。视网膜受损区域增加分泌促进新生 血管生长的生长因子。 （4）增殖性病变：视网膜受损区域会生长出大量新生血管。这些 新生血管生长状况异常，同时结构脆弱，一旦破裂，会让患者的视力严重下降，甚至会
