专利名称：数字胸片心脏钙化影像增强方法
技术领域：
本发明涉及医用影像可视化分析领域，更具体地，涉及一种改进的数字 胸片中的心脏钙化影像增强技术。
背景技术：
1895年德国物理学家伦琴发现X线以来，X线成像技术被广泛地应用 在医学的各个领域。数字胸片即是近年发展起来的、以普通X线胸片技术为 前身的数字化胸片成像方式。
针对数字胸片中各种组织对比度不同、X线影像亮度动态范围宽广的特 点，为较好地显示各类组织结构，医学影像可视化分析领域逐渐形成以窗宽 窗位调节为核心的窗显示影像增强技术，即通过不断调节显示窗口中心位置 即窗位(也称窗中心window center,用C表示)、显示窗口宽度即窗宽 (Window width用W表示)大小来寻找能够显示组织结构的细节、反映准确 的组织密度差异的窗参数，并在此窗条件下提供增强的、清晰的组织影像。 如附图1所示，图la给出了由呈高斯分布的组织I 、 II、 III构成影像的亮度 直方图，图lb给出了现有窗技术中的窗宽、窗位位置示意图。在未进行影像 增强前相当于在窗位CO处加窗宽为W0的显示窗如直线0所示，影像亮度为 0时对应亮度最暗，亮度为最大值时对应最亮。显然，当组织II在此窗内亮 度分布范围投影到显示亮度轴上的显示灰阶范围AG小于人眼观察的最小灰 阶分辨率时，该组织无法被操作者及阅片人识别。以窗技术增强该组织影像 时，须在整个亮度分布范围内仔细调整窗宽窗位，直至在窗位C2处加窗宽为 W2的显示窗如直线2所示，方可获取最清晰的组织II影像。同理，在窗位 Cl、 C3处分别加窗宽为W1、 W3的显示窗如直线l、 3所示，方可获取最清 晰的组织I 、组织III影像。窗技术在数字胸片的大部分应用中较好地提供了胸部组织，特别是肺组 织的细微结构影像。然而，对于心脏钙化影像这类应用，由于多数情况下，
钙化含量非常微少、钙化成份中的脂质、纤维组织在x线下对比度非常低，
且投影成像技术使胸廓间各组织相互遮盖，难以去除骨骼及肺部组织转化结 构的影响，故需要反复、细致地调节窗宽窗位，寻找最佳的窗参数。这样的 操作过程不仅繁琐耗时，而且很多情况下仍然无法观察到清晰的心脏转化影 像。因此，现有窗技术很难在操作时间与影像增强效果上满足临床需要。
简化操作过程、提高效率的一种改进方案是预设窗参数。事实上，现有 的数字胸片影像设备对常见部位都预设了窗参数，使得操作人员与阅片者可 以方便地使用预设参数来对特定部位进行观察。然而，对于心脏转化而言，
X线成像条件的差异、被检者个体差异以及心脏钙化发育程度的差异使得窗
参数在较大的动态范围内变动，难以确定。
另一种可能的改进方法是对在较大动态范围内变化的窗参数进行自适应 调节，但目前限于心脏钙化机制以及不同钙化阶段组织成分的变化，以及成
分变化对X线吸收度的影响都还不明确，故使得符合生理机制的窗参数自适
应调节过程短时间内也不容易建立。
发明内容
本发明为了解决现有数字胸片心脏钙化影像对比度较低、难以识别的问 题，提出了一种简洁实用、可以有效增强心脏钙化影像的方法来满足数字胸 片操作者以及阅片人对数字胸片心脏钙化影像增强的需要。
为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的 一种数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，包括下述步骤 步骤1，读取原始数字胸片影像，对该数字胸片影像进行亮度直方图计算； 步骤2，对该数字胸片影像的亮度直方图进行包络检测，提取连续、平滑
的亮度直方图包络；用于消除亮度直方图中离散谱线对后续处理的干扰； 步骤3，以曲线拟合的方式将该数字胸片影像的亮度直方图包络分段拆解
为多个高斯函数，并提取各高斯函数的特征参数；步骤4，根据步骤3提取的高斯函数特征参数，生成高斯函数对应的高斯 权重向量；
步骤5，根据步骤4生成的高斯权重向量对原始数字胸片影像进行高斯权 重显影，得到相应高斯函数的多个高斯权重影像；
步骤6，对步骤5得到的多个高斯权重影像进行筛选，剔除明显在心脏牵丐 化影像范围之外的权重影像，保留得到增强的心脏钙化影像。
上述方法步骤2中，所述对数字胸片影像的亮度直方图进行包络检测，具 体方法由公式(1)、 (2)描述
柳、J外)邵)>° m 、乂1)邵)-o 、 j
做(0^t考") (2)
其中，f为数字胸片中的亮度值，t/(/)为步骤1中所得数字胸片的亮度 直方图，Si/(/)为经采样保持去除离散谱线后的亮度直方图曲线，M/f(f)为检 出的亮度直方图包络。
所述步骤3中，所述以曲线拟合的方式将数字胸片影像的亮度直方图包 络分段拆解为3-8个高斯函数，如公式(3)描述
Mi/=tAnN(//n，c7n) (3)
1
其中，M/z为步骤2检出的亮度直方图包络，an、 a、 分别为分解所 得第n个高斯函数的特征参数幅度、期望值与标准差。
所述步骤3中曲线拟合的方式是使用gradient expansion法计算拟合曲线与 包络的非线性最小二乘方。
所述步骤4中，根据步骤3提取的高斯函数特征参数，由公式(4)生成 对应的高斯权重向量；
Wn(/) = e^CTn) (4) 其中，/为数字胸片中的亮度值，a、 为分解所得第"个高斯函数的期
望值与标准差，WJ/)为生成的第n个高斯权重向量。
所述步骤5中，根据步骤4生成的高斯权重向量对原始数字胸片影像按
照公式(5)进行高斯权重显影，再按照公式(6)将影像映射到256级灰阶供屏幕显示用；
WXn=ZMTxWnCOy) (5)
n Max(W%n)-Min(WZn) 、 ^
其中，Z议为原始的数字胸片影像，Wn(Z^)为由ZMT生成的第"个高斯权 重向量。W^为由第n个高斯权重向量生成的高斯权重投影。Min(Wjg为WXn 的最小亮度值，Max(WA。为W^的最大亮度值。SJ;为第w个高斯权重投影 的屏幕显示影像。
所述步骤6可置于步骤4之前，即根据步骤3提取的高斯函数特征参数， 先期剔除明显在心脏钙化影像范围之外的特征参数，然后再生成对应的高斯 权重向量。
本发明的优点在于
使用高斯函数对亮度直方图分段拆解，更符合各类生理组织在数字胸片中 的亮度大致呈高斯分布的事实，使得影像增强过程中仅增强本类组织的显示 对比度而不改变其在亮度直方图的分布形态。
以曲线拟合的方式提取多个高斯函数的特征参数，通过计算拟合曲线与包 络的非线性最小二乘方来直接确定各高斯函数的特征参数。代替了现有技术 中可能用到的复杂的窗宽窗位自适应调节过程。
多个高斯权重投影影像的对比、筛选替代了窗技术中窗参数的调整过程， 将窗宽窗位在大范围内的细致调节简化为对5~8个权重影像的对比筛选，使 得本发明在实际临床应用中可以降低阅片者劳动强度、縮短阅片时间、提高 阅片效率。
本方法简洁实用，无需人工预处理过程。实施时所需资源少、软硬件开支 低。既易于集成于专用数字X线胸片成像设备，亦可作为独立的图像后处理 措施提高现有数字胸片设备对心脏钙化影像的增强显示能力。
图1为影像增强原理示意图。图la为高斯分布的组织I 、 II、 III构成影 像的亮度直方图；图lb为现有窗技术中的窗宽、窗位位置示意图。 图2为本发明心脏钙化影像增强方法步骤框图。
图3为本发明步骤3取8个高斯函数对亮度直方图曲线包络的拟合示意图4为本发明步骤5生成的对应图3的8个高斯函数权重影像与原始数 字胸片影像效果对比图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。 如图2所示， 一种数字胸片心脏钙化影像增强方法，包括下述步骤 步骤l，读取原始数字胸片影像，数字胸片影像包括以CR (Computed
Radiography)、 DR (Digital Radiography)、 DES (Dual Energy Subtraction)、 DEDR (Dual Energy Digital Radiography )、 MEDR (Multi-Energy Digital
Radiography)等方式获取的人体以及其它哺乳动物的胸部影像。对该数字胸 片影像进行常规亮度直方图计算。
步骤2，对该数字胸片影像的亮度直方图按公式(1)、 (2)描述进行包
其中，f为数字胸片中的亮度值，//(0为步骤1中所得数字胸片的亮度 直方图，SH(/)为经采样保持去除离散谱线后的亮度直方图曲线，Mi/(/)为检 出的亮度直方图包络。以便于消除亮度直方图中离散谱线对后续处理的干扰， 获取连续、平滑的亮度直方图包络。
步骤3，以曲线拟合的方式将亮度直方图包络分段拆解为一系列的高斯 函数，并提取各高斯函数的特征参数，包括幅度、期望值与标准差。
通过曲线拟合的方式将数字胸片影像的亮度直方图包络分段拆解为一系 列高斯函数，如公式(3)描述
其中，mz/为步骤2检出的亮度直方图包络，an、 a、 分别为分解所
得第n个高斯函数的特征参数幅度、期望值与标准差。曲线拟合的方式是使
用gradient expansion法计算拟合曲线与包络的非线性最小二乘方。
络检测:对于不同成像条件下获得的数字胸片影像，分解所得的高斯函数数目有 所不同，理论上可获得任意多的高斯函数且数目越多拟合效果越好，但是过
多的高斯函数首先与生理事实不符，其次消耗过多的计算资源，故一般情况
下以5 8个为宜，DES、 DEDR条件下的骨影影像则以3 5个为宜。
步骤4，根据步骤3提取的高斯函数特征参数，由公式(4)生成对应的 高斯权重向量；
其中，/为数字胸片中的亮度值，//n、 为分解所得第"个高斯函数的期 望值与标准差，W力)为生成的第"个高斯权重向量。
步骤5,根据步骤4生成的高斯权重向量对原始数字胸片影像按照公式 (5)进行高斯权重显影，再按照公式(6)将影像映射到256级灰阶供屏幕 显示用；
其中，l议为原始的数字胸片影像，WJDZ)为由Z^生成的第"个高斯权 重向量。W&为由第"个高斯权重向量生成的高斯权重投影。Min(W;g为WXn 的最小亮度值，Max(WJi。为WJ^的最大亮度值。S^为第"个高斯权重投影 的屏幕显示影像。
步骤6，对步骤5得到的多个高斯权重影像进行筛选，剔除明显在心脏 钙化影像范围之外的权重影像，保留得到增强的心脏钙化影像。
图3给出了多个高斯函数对亮度直方图曲线包络的拟合示意图。其中灰 色背景为一例数字胸片的亮度直方图，曲线1~8为对亮度直方图包络拟合所 得的8个高斯函数。分别对每个高斯函数进行权重向量计算并获取相应的权 重影像可在对该段影像进行影像增强的同时真实地保留亮度直方图中该段亮 度范围的分布形态。
图4给出了高斯权重影像与原始数字胸片影像对比图。其中原始数字胸 片心脏影像局部给出了一例数字胸片心脏左上部的局部影像，根据该影像， 较难观察到心脏区域的钙化影像。图像1~8分别给出按照图3所示的8个高斯函数生成的高斯权重影像，在图像4、 5、 6中可分别观察到白色箭头所指 的暗的钙化占位影像，在图像7、 8中则可观察到白色箭头所指的亮的转化影 像。图像4、 7中的钙化细节已非常清晰。由于噪声、伪影、人工异物等异常 影像的高斯分布窄而尖锐，通常仅出现在1 2幅权重投影影像中。故多个高 斯权重投影中均出现的暗或亮的相同形态的影像可排除此类异常影像的影 响。
权利要求
1、一种数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，包括下述步骤步骤1，读取原始数字胸片影像，对该数字胸片影像进行亮度直方图计算；步骤2，对该数字胸片影像的亮度直方图进行包络检测，提取连续、平滑的亮度直方图包络；用于消除亮度直方图中离散谱线对后续处理的干扰；步骤3，以曲线拟合的方式将该数字胸片影像的亮度直方图包络分段拆解为多个的高斯函数，并提取各高斯函数的特征参数；步骤4，根据步骤3提取的高斯函数特征参数，生成高斯函数对应的高斯权重向量；步骤5，根据步骤4生成的高斯权重向量对原始数字胸片影像进行高斯权重显影，得到相应高斯函数的多个高斯权重影像；步骤6，对步骤5得到的多个高斯权重影像进行筛选，剔除明显在心脏钙化影像范围之外的权重影像，保留得到增强的心脏钙化影像。
2、 如权利要求1所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，所 述步骤2中对数字胸片影像的亮度直方图进行包络检测，具体方法由公式(1)、 (2)描述其中，/为数字胸片中的亮度值，/f(/)为步骤1中所得数字胸片的亮度 直方图，Si/(/)为经采样保持去除离散谱线后的亮度直方图曲线，M/f(/)为检 出的亮度直方图包络。
3、如权利要求1所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，所 述步骤3中以曲线拟合的方式将数字胸片影像的亮度直方图包络分段拆解为 3-8个高斯函数，如公式(3)描述其中，MZ/为步骤2检出的亮度直方图包络，An、 分别为分解所 得第"个高斯函数的特征参数幅度、期望值与标准差。 <formula>formula see original document page 2</formula>
4、 如权利要求1或3所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是， 所述步骤3中曲线拟合的方式是使用gradient expansion法计算拟合曲线与包 络的非线性最小二乘方。
5、 如权利要求1所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，所 述步骤4中，根据步骤3提取的高斯函数特征参数，由公式(4)生成对应的 高斯权重向量；Wn(/) = e2〔CT" (4) 其中，/为数字胸片中的亮度值，//n、 ^为分解所得第"个高斯函数的期 望值与标准差，Wn(/)为生成的第"个高斯权重向量。
6、 如权利要求1所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，所 述步骤5中，根据步骤4生成的高斯权重向量对原始数字胸片影像按照公式(5)进行高斯权重显影，再按照公式(6)将影像映射到256级灰阶供屏幕 显示用；WA;-服xWn(蜀 (5) SZn = 255 x——^~、 \ , " 、 (6)其中，"^为原始的数字胸片影像，Wn(Z^)为由Z^生成的第"个高斯权 重向量。WJ^为由第"个高斯权重向量生成的高斯权重投影。Min(WJ^为WJ^ 的最小亮度值，Max(WZ。)为WJ^的最大亮度值。SXn为第"个高斯权重投影 的屏幕显示影像。
7、如权利要求1所述的数字胸片心脏钙化影像增强方法，其特征是，所 述步骤6可置于步骤4之前，即根据步骤3提取的高斯函数特征参数，先期 剔除明显在心脏钙化影像范围之外的特征参数，然后再生成对应的高斯权重
全文摘要
本发明公开了一种数字胸片心脏钙化影像增强方法，使用高斯函数对亮度直方图分段拆解，通过一系列高斯函数拟合数字胸片的亮度直方图以直接获取高斯函数的特征参数，进而通过对不同高斯函数分别进行权重显影，实现心脏钙化影像的增强。本发明通过计算拟合曲线与包络的非线性最小二乘方来直接确定各高斯函数的特征参数，代替了现有技术中可能用到的复杂的窗宽窗位自适应调节过程。多个高斯权重投影影像的对比、筛选替代了窗技术中窗参数的调整过程，将窗宽窗位在大范围内的细致调节简化为对3～8个权重影像的对比筛选，使得本发明在实际临床应用中可以降低阅片者劳动强度、缩短阅片时间、提高阅片效率。
文档编号G06T5/00GK101430787SQ200810232270
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者澍 孔, 孙卫新, 津 李, 萍 郭, 捷 金, 翔 陈 申请人:西安交通大学