一种医学图像三维血管显示增强方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学图像处理技术，尤其涉及CTA/MRA图像的3D血管显示增强方法。
【背景技术】
[0002] 人体不同部位的血管可以提供人体相关组织的大量信息，其形态（主要包括血管 的直径、血管的分叉角度、血管的弯曲度）、分布都是诊断相关血管疾病的重要指标。人类血 管的准确可视化和精确量化对诊断和治疗血管疾病有着重要的意义，成为许多临床实践的 重要前提。而血管的狭窄程度是血管疾病严重程度的重要指标，由于其决定着后续的具体 治疗方案。不论是介入手术还是搭桥手术都需要一个性能优异的术中导航系统，其能帮助 外科医生对三维血管结构有更好地观察。以上临床需求，对三维血管分割技术的完整性、准 确度提出了很大的挑战，鉴于临床获取的医学数据低对比度、背景区域复杂、噪声大这一特 点，在对三维血管实施分割技术之前，对其与周围背景区域的对比度进行良好地改善及背 景区域和噪声的良好抑制是尤为重要的，这就需要一个鲁棒性好的三维血管增强算法，其 性能将直接影响血管分割结果的精度、小血管在可视化中的显示效果。
[0003] 目前，多种血管成像技术已被应用于临床实践中，如数字减影血管造影（DSA)、CT 血管造影（CTA)、核磁共振血管造影（MRA)等，但是CTA/MRA数据较为普遍，所以基于该两类 数据，发明了本方法，并在该两类数据上进行实践应用。
[0004] 血管增强算法主要可以分为两大类：其一是固定某一尺度，构建一个由不同方向 微分算子组合而成的滤波器进行滤波，简称为扩散滤波器，常见的有边界增强扩散（EED)、 血管增强扩散（VED)，该方法由于尺度是固定的，对包含大尺度范围的血管区域存在问题； 其二是基于血管函数来迭代多尺度，并通过分析Hessian矩阵的特征值来确定边缘，常见 的有Frangi滤波器、Sato滤波器，该方法的问题是忽略了血管的方向。如果能将二者良好 地结合，设计出一个多尺度、多方向的3D滤波器组，并利用该滤波器组对3D的CTA/MRA图 像进行空间滤波，当尺度、方向与血管实际宽度、方向最匹配时，此滤波器组的输出最大，这 样将成功地设计出一个性能优异的滤波器组，不仅能显示大血管，还能保留血管末梢的小 血管结构，更能良好地抑制背景区域，解决了血管与其周围背景区域低对比度这一难题。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种医学图像三维血管 显示增强方法，解决现有的CTA/MRA图像中3D血管显示增强效果差这一难题。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种医学图像三维血管显示增强方法，包括如下步骤：
[0008] (1)构造多尺度、多方向滤波器组；
[0009] (2)设计符合血管管状的滤波器（类似于柱状的椭球体），并确定滤波器的径向空 间频率F ;
[0010] (3)融合多尺度、多方向滤波器组的滤波结果，获取滤波后的响应图像，显示不同 方向的大小血管。
[0011] 所述步骤（1)中，多尺度、多方向滤波器组的构造方法为：
[0012] (11)首先构造 η个尺度的滤波器小组，将第j个滤波器小组的尺度记为Hij，将Hij 尺度滤波器的高斯标准差记为σ ,，将m]尺度滤波器的径向空间频率记为F ,，设计径向空 间频率记为匕时，需使F ,的周期T稍微小于尺度m 所有η个滤波器小组的尺度为M = [1111，1112，*"， 111]，*"，111丄各尺度下的高斯标准差为2 = [01，02，*"，0]，*"，〇丄各尺度下 的径向空间频率为F = [F1, F2,…，Fj，…，FJ ;
[0013] (12)第j个滤波器小组包括1个滤波器，1个滤波器分别对应1个方向，1个方向 按照如下步骤确定：
[0014] 在单位球体的球面上均匀选取21个点，鉴于球体的对称性，选取出半个球面上的 1个点；以单位球体的球心为原点〇,建立右手三维笛卡尔坐标系（X，y，Z)，球面上第i个点 Pi的三维坐标记为（X i, y;，Zi)，1彡i彡1 ;
[0015] 将三维坐标（Xi, Yi, Zi)转换为球坐标（α ;，β J，α ;表示OP ;在χ-y面的投影与X 轴正半轴的夹角，β i表示OP 1与x-y面的夹角，
决定第i 个滤波器的方向，该方向对应的三维坐标旋转矩阵为；
[0017] 所述步骤（2)中，第j个滤波器小组中第i个滤波器的设计方法为：
[0018] (21)在右手三维笛卡尔坐标系（X，y，z)上建立边长为叫的正方体，该正方体 的中心与坐标系的原点〇重合，该正方体的边与坐标系的轴平行；将该正方体内第j个 点Pj的三维坐标记为（X _j, y_j, zj，x_j, y_j, z_j均为整数，且
[0019] (22)基于如下数学表达式，生成尺度为叫的3D高斯球，第j个点P j对应的值为 g.i (x.j，y" z j):
[0021] 其中：〇 x表示g』(X』，y』，z.)在X轴上的标准差，〇 y表示g』(X』，y』，z.)在y轴上的 标准差，〇z表示L(X^Uj)在z轴上的标准差，且σ χ= σ y= σ z= σ .j;
[0022] (23)基于如下数学表达式，生成尺度为mp母线方向为 (cos β {os α ;，cos β pin α ;，sinP J 的圆柱体，第 j 个点 Pj对应的值为 sr LjUj, y" Zj):
[0025] (24)基于如下数学表达式，生成尺度为nij、主轴方向为（cos β iCos a i, cos β pin a i, sin β J 的卷积模板1? (Xj，y.j，z.j):
[0026] h； j (Xj, Yj, z j) = gj (Xj, Yj, z j) X Sri j (χ?； Yj, Z j)
[0027] 对Ii1, (X]，y]，Z])进行归零处理，得到第j个滤波器小组中第i个滤波器，该滤波器 的尺度为nij，方向为（α β J。
[0028] 所述步骤⑶中，融合多尺度、多方向滤波器组的滤波结果，获取滤波后的响应图 像，显示不同方向的大小血管，具体方法为：
[0029] (31)选定Hij尺度的1个滤波器与CTA/MRA图像做空间卷积，各个体素点选取与其 方向最相符的滤波器的空间卷积结果（最大响应值）作为该尺度下的最终响应值，最终形 成Hi j尺度下的响应图像；
[0030] (32)由于待增强的图像经空间滤波后，其边缘的亮度非常高，对m,尺度下的响应 图像，采取去除边缘高亮区域和响应异常点赋0值处理，以便于进行归一化处理；
[0031] (33)由于在不考虑方向的前提下，大尺度滤波器的卷积结果会把小尺度滤波器 的卷积结果覆盖掉，所以，要对所有η个尺度的最终响应值进行归一化处理，各个体素点选 取与其尺度最相符的滤波器的空间卷积结果作为其增强结果值，以显示不同方向的大小血 管。
[0032] 本发明的滤波函数Ii1, (X]，y]，Ζ])主要由两部分构成，其一是具有平滑作用的高斯 因子A (χ?，1，zi)，其二是能够调节滤波器形状和方向的调和因子slYi (χ?，1，zi)。选择高斯 函数作为本方法滤波器的组成部分，原因是：在三维空间中，3D高斯函数在笛卡尔坐标系 下将生成一个高斯球，该高斯球不仅具有旋转不变性这一优良性质，而且球体内部的体