专利名称:多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法
技术领域：
本发明属于医学成像技术领域：
，具体涉及一种不同成像角度冠脉造影的时间配准方法。
背景技术：
数字减影血管造影(DSADigital Subtraction Angiography)技术在临床已应用20多年，是心脑血管疾病无创诊断与介入治疗手术导航的重要依据。血管造影技术的发展可以从造影图像中提取出血管重要的量化信息，检测并量化器官狭窄的程度以及对血管树进行三维重建。血管的三维重建可以应用于很多方面，例如，它可以被显示以得到血管拓扑结构的现实表达；除了作显示用，它还可以计算不可直接由二维造影图像得到的空间血管参数，还可以估计主要取决于血管的绝对大小、形状和长度而非百分率器官狭窄的血管动力学参数，这是有很高的诊断重要性的；同时，血管段的三维结构是对冠状动脉疾病的完整估计的先决条件。当然，只有这些视觉化问题得以成功解决方能最优化地实施导管介入术。
冠状动脉序列造影图像的时间配准是单平面成像条件下冠脉三维重建的基础。传统的方法利用心电门控实现成像时刻的精确控制。在利用单平面血管造影系统从多个视点采集冠状动脉造影图像并进行三维重建时，由于不能同时获得各视点的图像，因此必须采取一定的手段寻找各视点对应相同心脏舒张-收缩状态的图像，实现时间配准。
目前该问题的解决，多采用心电门控做同步信号，即利用心电门控信号作为获取造影图像的触发信号。如图1所示，当心电脉冲达到一个峰值，即图中时间χ为整数时(如图χ取0或1处)，开始获取造影图像，时间χ取小数代表心电脉冲峰值之间的信号(如图χ取0.5处)。
由于心电门控技术复杂，操作不方便以及需要有经验的操作人员等缺点，使得很多冠脉造影图像没有相应的心电图，因此，如何解决不同成像角度的时间配准，在所采取的图像上进行精确三维重建成为一个难题。
发明内容为解决现有心电门控技术复杂，操作不方便的问题，本发明提供了一种多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，在单平面成像系统中，该方法在没有心电门控的情况下利用对图像分析，可靠地实现了冠脉造影不同成像角度成像的时刻配准问题。
本发明所述的多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，通过观察两个视角下的冠脉造影序列图像，可以发现它们具有如下特征一个时间序列图像存在一个平衡位置，在心脏跳动的过程中，血管上的特征点(分叉点或是曲率极值点)将周期性地偏离平衡位置。利用这个特征，可以计算各特征点到各自对应的平衡点的距离之和，分析位置距离曲线，匹配时间序列。其主要步骤为a.从不同的成像角度选取成像清晰的造影图序列；b.在步骤a中所选的造影图序列中选择N个特征点作为计算单元，并分别记录它们的图像坐标；c.对于每个造影图序列，分别计算每个特征点的平均值坐标作为该特征点的平衡点坐标；d.计算每帧造影图中每个特征点与其平衡点之间的距离和σ；e.选取两个序列中的距离和σ值最大的两帧造影图，即为不同的成像角度的造影图序列中心跳扩张最大时刻的对应图像。
本发明提出了在没有心电信号的条件下，充分利用冠脉造影图像本身提供的信息来实现不同视角序列对应帧的时间配准的途径。计算出的每帧造影图的特征点与平衡点距离和σ后，选取两个序列中该值最大的两帧图像，这两帧图像就是对应的心跳扩张最大时刻的对应图像。对于每个造影图序列，σ值的变化是从最大到最小到最大到最小再到最大的过程，也就对应了心脏跳动周期从心跳扩张最大时刻到达平衡点，到心脏收缩最紧张，回到平衡点，然后再到心跳扩张最大这样的跳动规则。
利用本发明所采用的方法，对采集的图像进行分析，能够得到相应的不同心跳周期的冠脉造影图，为血管的三维重建提供精确的控制，并减少了相应的设备的硬件设施；该方法原理简单，实现方便，有效地解决了多视点冠脉造影序列影像的时间配准问题。
图1是心电门控示意图；图2是具体实施方式
中所述手动选取的八个特征点示意图，其中图2a和图2b为不同成像角度得到的冠脉造影图；图3是两个图像序列的缩略图，其中图3a代表序列1的缩略图，图3b代表序列2的缩略图；图4是采用手动描点时两个序列的特征点与其平衡点之间的距离和σ的柱形结果图，其中图4a代表序列1，图4b代表序列2；图5是采用模板匹配标注特征点时两个序列的特征点与其平衡点之间的距离和σ的柱形结果图，其中图5a代表序列1，图5b代表序列2；图6是两个不同角度心跳最大扩张时刻的对应图像，其中是图6a和图6b是手动描点时所得到的图像；图6c和图6d是模板匹配标注时所得到的图像。
具体实施方式下面结合来说明本实施例。
在两个序列图像中选取几十帧图像进行分析，选取了图像中血管的N个特征点作为计算单元，并建立图像时间配准的准则利用所选用的多帧的特征点的坐标均值作为心脏跳动平衡点的坐标，将每一个特征点到其对应平衡点的距离的和作为判断心跳时刻图像间相对应的准则。
本实施方式具体包括以下步骤a.从不同的成像角度选取成像清晰的造影图序列；本实施例选取两个成像角度的造影图序列，每个序列选用的25帧造影图，不同序列图像的缩略图如附图3a，3b所示。
b.在步骤a中所选的造影图序列中选择N个特征点作为计算单元，并分别记录它们的图像坐标；特征点是最能代表血管运动特征的点，如附图2a和2b所示冠脉造影图中我们可以看到，特征比较明显的点有分叉点和曲率极值最大的点；由于分叉点比较容易得到，因此本实施例每一帧选取8个中轴分叉点作为特征点。
c.对于每个造影图序列，分别计算每个特征点的平均值坐标作为该特征点的平衡点坐标；x-=1nΣi=1nxi,y-=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表选择的图像数，
分别代表平衡点的横坐标和纵坐标，xi，yi分别为每一帧图像中的特征点的横坐标和纵坐标。
d.计算每帧造影图中每个特征点与其平衡点之间的距离和σ；
σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表选择的图像数，σ为特征点到平衡位置的距离和，
分别代表平衡点的横坐标和纵坐标，xi，yi分别为每一帧图像中的特征点的横坐标和纵坐标。
对于每个造影图序列，按照各帧的先后顺序作出每个特征点与其平衡点之间的距离和σ的柱形结果图，如附图4a和图4b所示。从图中我们可以看出，该值的变化周期大约10帧左右，该距离和σ的变化从最大点(A点)到平衡点(B点)再到极大点(C点)，再从极大点(C点)到平衡点(D点)再到最大点(E点)，该变化周期内两次经过平衡点，与心脏跳动周期完全相同即心脏跳动从心跳扩张最大时刻到达平衡点，到心脏收缩最紧张，回到平衡点，然后再到心跳扩张最大这样的跳动规则；该距离和σ值为最大值时的那一帧造影图就是心脏跳动扩张时刻的成像，每两个最大值之间的局部极值点(C点)的那一帧造影图就是心脏收缩最紧张时刻的成像。
e.选取两个序列中的距离和σ值最大的两帧造影图，即为不同的成像角度的造影图序列中心跳扩张最大时刻的对应图像。如图6所示。
利用本方法所获得的心跳扩张最大时刻的对应图像，就可完成血管的三维重建等工作。
通常，我们是采用人工手动描点方法进行每个序列特征点的选取，该方法选点准确，但需要花费较多时间。由于所采集的冠脉造影图像序列中，灰度变化不明显，每个分支点的形变不明显，只是位置发生变化。
因此，本实施方式的更优化的方案可选用影像处理领域中的成熟技术-模板匹配方法来完成上述步骤b中选择特征点的工作，以提高本方法的实现速度。
首先以每一个点为中心选取窗口，在后续图像帧中进行匹配；由于序列图像坐标点的变化不是太明显，因此在每一帧匹配后用匹配后的模板代替已有的模板。并把匹配后的模板的中心点作为对应的后续帧的特征点。
模板匹配公式为R(i,j)=Σm=1MΣn=1MSi,j(m,n)×T(m.n)(Σm=1MΣn=1M[Si,j(m,n)]2)(Σm=1MΣn=1M[T(m,n)]2)]]>式中R(i，j)为每一点的相关值，M为模板区域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配图像中第i行、第j列分块中的象素灰度值。
为了减少匹配时间，本实施例采用基于先验知识的匹配方法，即每一个特征点的位置在一定的范围内变化。对于每个特征点，连续的两帧的图像特征点的位置和形变变化不明显，连续两帧的特征点的变化在20个象素之间，因此我们选用的窗口为50×50象素，并使得他们在特征点100×100的范围内寻找匹配点，并把匹配后的模板的中心点作为后续帧对应的匹配点。这样明显减少了匹配时间。第一个序列的图像进行匹配的时间仅为267.76秒。第二个序列图像进行匹配的时间仅为170.45秒。根据模板匹配结果作出每个特征点与其平衡点之间的距离和σ的柱形结果图，如附图5a和图5b所示。
权利要求
1.多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，其特征在于它按照下述步骤进行a.从不同的成像角度选取成像清晰的造影图序列；b.在步骤a中所选的造影图序列中选择N个特征点作为计算单元，并分别记录它们的图像坐标；c.对于每个造影图序列，分别计算每个特征点的平均值坐标作为该特征点的平衡点坐标，x‾=1nΣi=1nxi,]]>y‾=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表选择的图像数，
分别代表平衡点的横坐标和纵坐标，xi，yi分别为每一帧图像中的特征点的横坐标和纵坐标；d.计算每帧造影图中每个特征点与其平衡点之间的距离和σ，σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表选择的图像数，σ为特征点到平衡位置的距离和，
分别代表平衡点的横坐标和纵坐标，xi，yi分别为每一帧图像中的特征点的横坐标和纵坐标；e.选取两个序列中的距离和σ值最大的两帧造影图，即为不同的成像角度的造影图序列中心跳扩张最大时刻的对应图像。
2.根据权利要求
1所述的多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，其特征在于选取能代表血管运动特征的点作为所述特征点。
3.根据权利要求
2所述的多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，其特征在于所述特征点可选择血管的中轴分叉点或者血管曲率极值最大的点。
4.根据权利要求
1、2或3所述的多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，其特征在于所述步骤b利用模板匹配方法，按照下述步骤进行b-1.在该造影图序列中第一帧造影图中选择特征点；b-2.以每一个点为中心选取窗口，在第二帧图像中进行匹配并用匹配后的模板代替已有的模板；b-3.对应后续帧，将匹配后的模板的中心点作为该帧的特征点。模板匹配公式为R(i,j)=Σm=1MΣn=1MSi,j(m,n)×T(m,n)(Σm=1MΣn=1M[Si,j(m,n)]2)(Σm=1MΣn=1M[T(m,n)]2)]]>上式中R(i，j)为每一点的相关值，M为模板区域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配图像中第i行、第j列分块中的象素灰度值。
专利摘要
多视点冠脉造影序列影像的时间配准方法，属于医学成像技术领域：
。为解决现有心电门控技术复杂，操作不方便的问题，本发明的主要步骤为从不同的成像角度选取成像清晰的造影图序列；在所选的造影图序列中选择N个特征点作为计算单元，并分别记录它们的图像坐标；对于每个造影图序列，分别计算每个特征点的平均值坐标作为该特征点的平衡点坐标；计算每帧造影图中每个特征点与其平衡点之间的距离和σ；选取两个序列中的距离和σ值最大的两帧造影图，即为不同的成像角度的造影图序列中心跳扩张最大时刻的对应图像。本发明所述方法对采集的图像进行分析，能够得到相应的不同心跳周期的冠脉造影图，为血管的三维重建提供精确的控制，并减少了相应的设备的硬件设施。
文档编号A61B8/00GK1994228SQ200610125571
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月25日
发明者桑农, 张天序, 钟胜, 胡静, 王国栋, 张真 申请人:华中科技大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan