脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法和系统

1.本发明涉及动脉瘤4d-cta影像的后处理技术领域，特别是涉及一种脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法和系统，其适用于x射线动态影像数据。


背景技术：

2.目前，对于未破裂的颅内动脉瘤的处理仍存在争议，因为相当数量的破裂动脉瘤的大小低于介入治疗的阈值。对于动脉瘤通常可以对各类医学图像数据如基于cta技术的影像进行分析来确定其风险。现有的基于影像的动脉瘤不稳定性分析方法如专利文件cn112749521a、cn109961850a、cn113077435a所述，主要为接收患者的3d图像数据，基于3d图像数据重建脑动脉瘤模型，进行流体力学模拟仿真处理，从而得到得血流动力学指标的分布状况数据如壁面剪切应力、时间平均壁面剪切应力、震荡剪切指数和速度流线等。其缺点是仿真模型为静态数据，无法了解到一个心动周期内动脉瘤各血流动力学指标随时间的变化。
3.因此，改进现有的未破裂颅内动脉瘤风险预测模型十分必要。现有文献如【gu y,zhang y,luo m等，risk factors for asymptomatic intracranial small aneurysm rupture determined by electrocardiographic-gated4d computed tomographic(ct)angiography[j].medical science monitor:international medical journal of experimental and clinical research,2020,26:e921835】、【ferrari f,cirillo l,calbucci f等，wall motion at 4d-ct angiography and surgical correlation in unruptured intracranial aneurysms:a pilot study.[j].journal of neurosurgical sciences,2016,63(5):501-508】、【hayakawa m,tanaka t,sadato a等，detection of pulsation in unruptured cerebral aneurysms by ecg-gated 3d-ct angiography(4d-cta)with 320-row area detector ct(adct)and follow-up evaluation results:assessment based on heart rate at the time of scanning[j].clinical neuroradiology,2013,24(2):145-150】、【zhang j,li x,zhao b等，irregular pulsation of intracranial unruptured aneurysm detected by four-dimensional ct angiography is associated with increased estimated rupture risk and conventional risk factorsjournal of neurointerventional surgery 2021；13:854-859】等报道了动脉瘤易破裂的一个潜在影像标志是瘤壁的异常搏动：一个心动周期中连续重建获得20期图像，其中连续3期或更多期图像观察到可见的瘤壁异常突起。部分研究提示在未破裂动脉瘤中异常搏动与瘤体形态变化有关。并且有研究通过免疫组化证实动脉瘤异博点处胶原弹力层变薄，提示异博点可能为易破裂点。另有部分研究通过开颅手术证实动脉瘤破裂点即为异博点。上述文献中提示异博点可能为动脉瘤壁的局部薄弱点。但是异博点处动脉瘤壁的运动及其复杂，各区域运动并非独立，相互影响较大。目前对异博点的判断是由神经放射学家通过三维显示软件和纯粹的视觉做出的，不仅耗时耗力且判断的主观差异较大。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法，其适用于x射线动态影像数据，并通过自动化处理减小判断的主观差异。
[0005]
为了实现上述目的，本发明提供一种脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法，包括：
[0006]
s1：获取一个心动周期内的x射线动态影像数据，并从中选取和分割出n个时间点的待测部位的二维或三维体积数据，作为输入数据；n为输入数据的总采样帧数；
[0007]
s2：对输入数据中的每个像素点的时域信号进行傅里叶变换，得到具有多个频率特征的频率解析信号；
[0008]
s3：根据所述频率解析信号，对步骤s1得到的输入数据进行伪彩色成像；其中，成像的方式在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅和可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅这两种图像处理模式之间可切换。
[0009]
在所述步骤s1中，所述x射线动态影像数据是4维数据或包含时间维的动态2维数据。
[0010]
所述x射线动态影像数据为临床四维ct血管造影数据，并且基于临床四维ct血管造影数据和心电门控来重建切片数据，以在心动周期内选取n帧待测部位的三维体积数据。
[0011]
在所述步骤s1中，若选取的是三维体积数据，则所述步骤s1还包括：对所述三维体积数据在三维渲染软件中进行后处理，得到待测部位的3维动态渲染数据，作为最终的输入数据。
[0012]
所述步骤s2包括：对输入数据中的每个像素点做如下处理：首先提取当前像素点上的n帧时域信号，再利用到傅里叶变换对该时域信号做带通滤波处理，分别解析出频率特征为1
×
fs/n、2
×
fs/n、
…
、(n/2)
×
fs/n的动态信号，作为具有多个频率特征的频率解析信号，其中，fs为输入数据的采样频率，n为输入数据的总采样帧数。
[0013]
在所述步骤s3中，在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像包括：对于输入数据中的每个像素点，分别在a
×
fs/n-b
×
fs/n的频率范围内比较不同的频率特征的解析信号的强度大小，以振幅最大的频率解析信号所对应的频率特征为不同的伪彩色编码值，以该最大振幅为该像素点的显示强度值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息；其中，a《b，a为正整数，且b为至多为n/2的正整数。
[0014]
在所述步骤s3中，在可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像包括：对于输入数据中的每个像素点，分别以单一特定的频率特征的频率解析信号的振幅为像素点的显示强度值，以该频率解析信号的相位为不同伪彩色编码值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息。
[0015]
所述的脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法还包括步骤s4：根据伪彩色成像结果来判断动脉瘤的稳定性。
[0016]
另一方面，本发明提供一种脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析系统，包括：
[0017]
输入数据获取模块，其设置为获取一个心动周期内的x射线动态影像数据，并从中选取和分割出n个时间点的待测部位的二维或三维体积数据，作为输入数据；n为输入数据的总采样帧数；
[0018]
频率解析信号提取模块，其设置为对输入数据中的每个像素点的时域信号进行傅里叶变换，得到具有多个频率特征的频率解析信号；和
[0019]
伪彩色成像模块，其设置为根据所述频率解析信号，对步骤s1得到的输入数据进行伪彩色成像；其中，成像的方式在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅和可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅这两种图像处理模式之间可切换。
[0020]
所述频率解析信号提取模块设置为对输入数据中的每个像素点做如下处理：首先提取当前像素点上的n帧时域信号，再利用到傅里叶变换对该时域信号做带通滤波处理，分别解析出频率特征为1
×
fs/n、2
×
fs/n、
…
、(n/2)
×
fs/n的动态信号，作为具有多个频率特征的频率解析信号，其中，fs为输入数据的采样频率，n为输入数据的总采样帧数。
[0021]
本发明的不稳定动脉瘤时域频谱分析方法具有以下有益效果：
[0022]
1)区别于动脉瘤异常搏动的形态学分析方法，本专利方法是从动脉瘤异常搏动的过程中瘤壁各区域的主要震动频率入手，解析并提供瘤壁各区域的运动快慢信息。并基于该信息分析预测动脉瘤搏动的不规则性以及瘤壁运动稳定性和薄弱点。整个瘤体中主要运动频率的多样性和不同运动特征空间分布的复杂性标志着动脉瘤的搏动的不规则性和差的稳定性，瘤体中高频运动的区域和成像强度最大的区域标志着瘤体搏动的薄弱点。因此，尽可能避免了主观的视觉判断所造成的判断结果差异。
[0023]
2)现有文献【zhang j,li x,zhao b等，irregular pulsation of intracranial unruptured aneurysm detected by four-dimensional ct angiography is associated with increased estimated rupture risk and conventional risk factors journal of neuro interventional surgery 2021；13:854-859】中的方法只能基于4维cta切片数据在三维渲染软件中处理，因为其通过在三维渲染软件中测量一个心动周期内20帧动脉瘤的3d图像，人为观测动脉瘤出现的连续3帧或更多帧图像中的肉眼可见的局灶性突起，来判断动脉瘤的稳定性，该方法处理的数据形式单一，且具有一定的主观性。而本专利方法数据应用范围较广，以x射线动态影像数据例如多种形式的4维(即动态3维)数据或包含时间维的动态2维数据作为原始输入数据，所述4维数据或包含时间维的动态2维数据可以是连续拍摄的x射线二维投影或连续拍摄的dsa数据(其是2维数据，是利用连续拍摄的x射线二维投影数据中的盈片减蒙片得)，4维cta切片数据及其在三维渲染软件中后处理得到的三维动态后处理数据，方法的实现可以基于任意可用的编程语言、编程软件，以得到动脉瘤稳定性指标。
[0024]
3)本发明的方法是自动化处理方法，判断的主观差异较小。本专利方法以傅里叶变换频谱分析为手段，无需人类视觉判断即可得到瘤壁各区域运动频率信息。
附图说明
[0025]
图1是根据本发明的一个实施例的脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法的流程图；
[0026]
图2是得到的3维动态渲染数据的示意图；
[0027]
图3是在输入数据的两个像素点上提取的n帧时域信号时，两个像素点的位置和对应的时域信号的示意图。
[0028]
图4a-图4e是图3中的一个像素点的多个频率特征的频率解析信号的时域信号图。
[0029]
图5a-图5e是图3中的另一个像素点的多个频率特征的频率解析信号的时域信号图。
[0030]
图6是根据第一种图像处理方法对所有像素点进行处理得到的成像结果图。
[0031]
图7是根据第二种图像处理方法对所有像素点进行处理得到的成像结果图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0033]
如图1所示为根据本发明的一个实施例的脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法，其包括以下步骤：
[0034]
步骤s1：获取一个心动周期内的x射线动态影像数据，并从中选取和分割出n个时间点的待测部位的二维或三维体积数据，作为输入数据；n为输入数据的总采样帧数；
[0035]
在本实施例中，获取的x射线动态影像数据为临床四维ct血管造影(4d-cta)数据，并且基于临床四维ct血管造影数据和心电(ecg)门控来重建切片数据，以在心动周期内选取20帧待测部位(即动脉瘤)的三维体积数据。其中，心电(ecg)门控就是用来选取一个心动周期内的cta数据，4d-cta的检查目前市面上常规使用的ct仪器在一个心动周期内采集20个ct的这种超高时间分辨率比较困难，需要采集多周期影像(假定为完全的规律的周期性运动)，结合ecg门控等间隔地选取20帧三维体积数据以组成一个心动周期的数据。分割则是通过找到待测部位(即动脉瘤区域)，图像分割出来以去除待测部位之外的数据来实现的。这里的三维体积数据是真三维数据，由比如320层切片构成。三维体积数据的格式是医学图像通用格式dicom格式。
[0036]
此外，在所述步骤s1中，若选取的是三维体积数据，则所述步骤s1还包括：对所述三维体积数据在amira等三维渲染软件中进行后处理，得到待测部位的3维动态渲染数据，作为最终的输入数据。渲染后的效果类似3d动画(伪三维数据)。
[0037]
在本实施例中，以3维动态渲染数据为例，对该3维动态渲染数据按时间顺序依次排列，如图2所示。
[0038]
此外，在其他实施例中，获取的x射线动态影像数据可以是多种形式的4维(即动态3维)数据或包含时间维的动态2维数据，所述4维数据或包含时间维的动态2维数据可以是连续拍摄的x射线二维投影或连续拍摄的dsa数据(其是2维数据，是利用连续拍摄的x射线二维投影数据中的盈片减蒙片得)，4维cta切片数据及其在三维渲染软件中后处理得到的三维动态后处理数据，本发明的方法的实现可以基于任意可用的编程语言、编程软件，以得到动脉瘤稳定性指标。
[0039]
步骤s2：对输入数据中的每个像素点的时域信号进行傅里叶变换，得到具有多个频率特征的频率解析信号；
[0040]
如上文所述，这里的像素点并非必须是经过渲染的3维动态渲染数据中的像素点，任意的动态二维或者三维数据中的像素点均能够作为待处理的像素点，只要像素点能够提取出动态时域信号即可。
[0041]
所述步骤s2包括：对输入数据中的每个像素点做如下处理：首先提取当前像素点上的n帧时域信号，再利用到傅里叶变换对该时域信号做带通滤波处理，解析出如所示的频率特征为1
×
fs/n、2
×
fs/n、
…
、(n/2)
×
fs/n这些成分的动态信号，作为具有多个频率特征
的频率解析信号，其中，fs为输入数据的采样频率，n为输入数据的总采样帧数。
[0042]
其中，在输入数据的两个像素点上提取的n帧时域信号如图3所示。根据图3的两个像素点上提取的n帧时域信号所得到的多个频率特征的频率解析信号分别如图4a-图4e所示，如图5a-图5e所示。
[0043]
在本实施例中，采样是指步骤s1中的选取操作，因此，输入数据的总采样帧数n为20。
[0044]
由此，本发明的方法利用傅里叶变换频谱分析得到频率解析信号，该频率解析信号在时域上反映了x射线动态影像数据中各像素在一个分析周期内的各频率搏动的占比。
[0045]
步骤s3：根据所述频率解析信号，对步骤s1得到的输入数据进行伪彩色成像；其中，成像的方式在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅和可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅这两种图像处理模式之间可切换。
[0046]
由此，本发明的方法根据步骤s2解析出的具有各频率搏动的占比的频率解析信号来进行伪彩色成像，从而能够计算并分析出不稳定动脉瘤各区域的异常搏动频率，为后续预测不稳定动脉瘤的薄弱区域和破裂可能性提供定性或定量的信息。
[0047]
具体来说，基于频率解析信号，有如下两种图像处理模式：
[0048]
1)可视化最大占比的频率特征及对应的振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像具体包括：
[0049]
对于输入数据中的每个像素点，分别在a
×
fs/n-b
×
fs/n(a《b，a为正整数，且b为至多为n/2的正整数)的频率范围内比较不同的频率特征的解析信号的强度大小，以振幅最大的频率解析信号所对应的频率特征为不同的伪彩色编码值(比如频率特征的值越低颜色编码越偏冷色系，频率特征的值越高颜色编码越偏暖色系)，以该最大振幅为该像素点的显示强度值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息。
[0050]
2)可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像具体包括：
[0051]
对于输入数据中的每个像素点，分别以单一特定的频率特征如1
×
fs/n的频率解析信号的振幅为像素点的显示强度值，以该频率解析信号的相位为不同伪彩色编码值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息。
[0052]
考虑到在什么运动频率下的动脉瘤才是真的不稳定动脉瘤，目前无相关研究。因此这里的单一特定的频率特征具体应该取什么值是不确定的。在本实施例中，可以将每个频率特征均作为单一特定的频率特征来进行可视化处理，即，将频率特征如1
×
fs/n、
…
(n/2)
×
fs/n都处理并显示一遍，供研究人员或医生参考。本专利只提供动脉瘤不稳定运动的指标以供参考，指标后面的疾病意义，需要后续进一步研究。
[0053]
此外，如果输入数据是包含时间维的2维数据，薄弱点位置还需要后续结合多角度图像凭经验判断，薄弱点在动脉瘤瘤壁上。
[0054]
以上的两种图像处理方法可相互组合，共同参与动脉瘤稳定性和不规则搏动的薄弱区域的判断。
[0055]
此外，还可以包括步骤s4：根据伪彩色成像结果来判断动脉瘤的稳定性。
[0056]
步骤s4具体包括：对于可视化最大占比的频率特征及对应的振幅的图像处理模式，若动脉瘤的局部区域图像中颜色不同，说明区域最大占比频率不相一致且分布复杂，则
该动脉瘤存在异常搏动，为非稳定性动脉瘤；高频分量占主导的区域，有可能是瘤壁薄弱区域；低频分量占主导但是高亮度的区域，说明该区域在对应频率下的运动较为强烈，也可能是瘤壁薄弱区域。
[0057]
对于可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅的图像处理模式，高亮度的区域可能是瘤壁薄弱区域。
[0058]
基于上文所述的脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析方法，所实现的脑动脉瘤瘤壁稳定性指标数据的时域频谱分析系统包括：
[0059]
输入数据获取模块，其设置为获取一个心动周期内的x射线动态影像数据，并从中选取和分割出n个时间点的待测部位的二维或三维体积数据，作为输入数据；n为输入数据的总采样帧数；
[0060]
频率解析信号提取模块，其设置为对输入数据中的每个像素点的时域信号进行傅里叶变换，得到具有多个频率特征的频率解析信号；和
[0061]
伪彩色成像模块，其设置为根据所述频率解析信号，对步骤s1得到的输入数据进行伪彩色成像；其中，成像的方式在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅和可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅这两种图像处理模式之间可切换。
[0062]
其中，所述频率解析信号提取模块设置为对输入数据中的每个像素点做如下处理：首先提取当前像素点上的n帧时域信号，再利用到傅里叶变换对该时域信号做带通滤波处理，分别解析出频率特征为1
×
fs/n、2
×
fs/n、
…
、(n/2)
×
fs/n的动态信号，作为具有多个频率特征的频率解析信号，其中，fs为输入数据的采样频率，n为输入数据的总采样帧数。
[0063]
其中，所述伪彩色成像模块设置为：
[0064]
在可视化最大占比的频率特征及对应的振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像包括：对于输入数据中的每个像素点，分别在a
×
fs/n-b
×
fs/n的频率范围内比较不同的频率特征的解析信号的强度大小，以振幅最大的频率解析信号所对应的频率特征为不同的伪彩色编码值，以该最大振幅为该像素点的显示强度值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息；其中，a《b，a为正整数，且b为至多为n/2的正整数；
[0065]
在可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅的图像处理模式下，所述伪彩色成像包括：对于输入数据中的每个像素点，分别以单一特定的频率特征的频率解析信号的振幅为像素点的显示强度值，以该频率解析信号的相位为不同伪彩色编码值，最终得到每个像素点的rgb图像的显示信息。
[0066]
实验结果
[0067]
根据第一种图像处理方法(即可视化最大占比的频率特征及对应的振幅)对所有像素点进行处理，最后的成像结果如图6所示。该图6中选择的频率范围为4
×
fs/n-10
×
fs/n，绿色区域为对应为低频分量占主导的区域，红色区域为对应为高频分量占主导的区域，也最有可能为瘤壁薄弱区域。低频分量占主导但是高亮度的区域为在对应频率下的运动较为强烈，也可能是瘤壁薄弱区域。也就是说，高频分量占主导的区域、低频分量但是运动较为强烈的区域都有可能是瘤壁薄弱区域。动脉瘤易破点的特点为运动强烈、形变大、瞬时凸起较高的区域。这些区域可能集中在低频分量占主导的区域，因为形变大但不一定动的快。薄弱区的另一个特点可能是运动频率高，形变的快，虽然形变不大，但反反复复很快的运动也容易破裂。因此，本发明的方法有助于识别动脉瘤易破点的这些区域。
[0068]
根据第二种图像处理方法(即可视化单一特定的频率特征下的相位和振幅)对所有像素点进行处理，最后的成像结果如图7所示。如图7所示，1
×
fs/n信号有着不同的相位，图7中有显示的区域标志着该区域瘤壁在1*fs/n频率上有较强的运动。且亮度越亮，运动越明显，也最有可能为瘤壁薄弱区域。不同的颜色标志着不同区域运动的步调不相一致，一般同一片小区域运动的步调较为一致，可能为同一个异常搏动区域。
[0069]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。