基于图像处理的肝脏磁共振检测体位引导方法与流程

1.本发明涉及磁共振医学肝脏检测领域，具体涉及一种基于图像处理的肝脏磁共振检测体位引导方法。


背景技术：

2.目前医学成像技术在肝脏疾病(如肝硬化，肝癌，肝转移瘤，肝脏良性肿瘤等)的诊疗中扮演越来越重要的角色，通常采用磁共振与ct互补检测来定性病灶。相对其他成像技术而言，磁共振成像本身具有无辐射、解剖信息精确、信噪比高、组织分辨率高等优点，其成为在肝病诊断与治疗中最常用的成像方式，越来越多的研究者对肝脏图像进行图像处理、分析研究，以便辅助精确定量诊疗。
3.目前对于肝脏存在病变的患者，通过采用mri多方位、多序列、多参数成像来定位、定性病灶。其中，对病灶处进行检测时，需要磁共振设备操作人员引导设备进行器官定位，即将设备牵引至可检测肝脏范围处，在定位像上选择合适的扫描范围来获取完整的肝脏图像，此时得到初始扫描起止点，进行肝脏平扫，随后部分病人将注射造影剂进行三期动态增强扫描，用于提高病灶检出的灵敏度。在注射造影剂后的采样过程中，通常会存在病人药物注射后的生理因素如呼吸加深、身体挪动等因素，导致肝脏上移超出磁共振采样范围，致使肝脏顶部部分图像无法获取，患者扫描的肝脏图像不完整，从而导致影像诊断医师在对肝脏进行诊断时无法获取肝脏完整信号信息，不利于肝脏病灶诊断，甚至漏诊。有经验的操作人员在动脉期扫描完成后，通常会快速浏览图像，发现图像范围不完整，会立刻上移定位线，使肝脏位于扫描范围内，然而肝脏动脉期较短(通常在注射药物后25s采集动脉期图像，注射药物后55s采集门脉期图像)，一旦操作人员再次更改扫描范围，将错过肝脏的最佳动脉期，只能获取完整的门脉期、延迟期肝脏图像。若短期再给病人注射造影剂补扫，病人注射造影剂将超量，将给病人肝肾功能带来损害。由于采样过程存在不可逆性，当错过有效扫描期像后再次扫描，会使得获得的磁共振影像可信度降低20％～30％，这是病人与医生均不希望见到的情形。据统计，上述由于定位系统的未及时调整导致肝脏扫描不完全的情形，在全国各个放射科室全年存在5％非完整诊断影像。上述情况对于患者来说是一种非常不利的情形，使得自身病情无法得到正确的诊断，甚至于漏诊，延误病情，因而对于上述情形进行改善是有非常重要的现实作用和意义。


技术实现要素：

4.为了解决上述肝脏图像采集不全的问题，本发明将结合肝脏轮廓提取、肝脏图像处理以及磁共振检测过程，提供一种基于图像处理的肝脏磁共振检测体位引导方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于图像处理的体位引导方法，应用于磁共振检测中，包括如下步骤：
6.(1)图像预处理
7.1.1)在造影剂注射前，以平扫方式获取冠状位n份肝脏图像，以此为基础得到冠状
位方向的肝脏立体图；
8.1.2)解析肝脏立体图，基于灰度分离提取轮廓方式，得到对应冠状位n份肝脏图像的n张肝脏轮廓图样，对n张肝脏轮廓图样进行灰度值映射，映射方式为：将肝脏轮廓内的图像映射为白色、肝脏轮廓外的图像映射为黑色，从而使所述肝脏轮廓图样转变为黑白灰度值以便后续比对，即得到黑白肝脏轮廓图样；
9.1.3)基于步骤1.2)的n张黑白肝脏轮廓图样，建立肝脏轮廓立体图形；
10.1.4)生成每张黑白肝脏轮廓图样的每行、每列灰度值统计数据，并计算出每张黑白肝脏轮廓图样的归一化的灰度累加值，将n张黑白肝脏轮廓图样中灰度累加值最大的黑白肝脏轮廓图样定义为m0，m0的特征数据为所述的每行、每列灰度值统计数据，即，m0＝{[x0,x1,x2...x
lx-2
,x
lx-1
]，[y0,y1,y2...y
ly-2
,y
ly-1
]}；
[0011]
取冠状位方向m0前后相邻的各4张黑白肝脏轮廓图样作为后续对比基准，定义这9张黑白肝脏轮廓图样的行列灰度值累加序列为：m-4
、m-3
、m-2
、m-1
、m0、m
+1
、m
+2
、m
+3
、m
+4
，将其做为后续误差调整基础集合；
[0012]
1.5)在造影剂注射后，按照步骤1.1)方法再次采集肝脏图像，只采集未注射造影剂前m0处对应的肝脏图像以及其冠状位方向前后相邻的各10张，合计21张肝脏图像，依照步骤1.2)～1.4)的方式处理，记为行列灰度值累加序列：m'-10
～m'
+10
；
[0013]
(2)数据处理
[0014]
2.1)计算m-4
～m
+4
与m
′-10
～m
′
+10
的最小误差百分比；
[0015]
2.2)以最小误差百分比为基础，结合技术经验值，判断是否需要调整体位。
[0016]
基于上述方案，优选地，所述步骤1.3)中建立肝脏轮廓立体图形的过程中，以冠状位方向平面图建立x、y坐标轴，即以人体直立时水平方向建立x轴、竖直方向建立y轴，以垂直于冠状位方向建立z坐标轴，将肝脏轮廓图样绘制成立体图。
[0017]
基于上述方案，优选地，述步骤1.4)中生成每张黑白肝脏轮廓图样的行、列灰度值统计数据的方法为：
[0018]
通过图像像素识别方式统计z坐标轴zi处x轴方向各列灰度值的和序列处x轴方向各列灰度值的和序列用表示该组序列；z坐标轴zi处y轴各方向各行灰度值的和序列处y轴各方向各行灰度值的和序列用表示该组序列，并对灰度值做归一化处理，如下公式(a)所示：
[0019][0020]
x(k)表示列编码，y(k)表示行编码，通过这种方式的转换可以得到归一的统计数据，zi表示z坐标轴上第i份黑白肝脏轮廓图样；
[0021]
在n份黑白肝脏轮廓图样中计算行序列的累加值的最大的值m
zmax
，将m
zmax
对应的序列组定义为m0，并取最大值z
max
对应的z坐标前后
±
4组序列作为后续对比基准，定义这9组序列为：m-4
、m-3
、m-2
、m-1
、m0、m
+1
、m+2
、m
+3
、m
+4
。
[0022]
基于上述方案，优选地，所述步骤2.1)中得到最小误差百分比方法为：通过滑动比对的方式得到21组均方差，滑动比对方式为m-4
～m
+4
与m'-10
～m'-2
计算均方差，m-4
～m
+4
与m'-9
～m'-1
计算均方差，m-4
～m
+4
与m'-8
～m'-0
计算均方差，以此类推计算m-4
～m
+4
与m'
+2
～m'
+10
均方差，上述过程如下公式(b)所示：
[0023][0024]
经过公式(2)可得到方差序列m
″k，其中行均方差序列为m
″
y(k)
，列均方差序列为m
″
x(k)
。行均方差序列m
″
y(k)
的最小方差值为m
″
ymin
，列均方差序列m
″
x(k)
的最小方差值为m
″
xmin
。通过查组可以得到列对应的序列组为{m'
ymin
}、行对应的序列组{m'
xmin
}，取对应序列号之间的增强期序列m
′
zi
～m
′
zj
。
[0025]
基于上述方案，优选地，所述步骤2.1)中判断方法为：
[0026]
通过m
′
zi
～m
′
zj
得到增强期相对平扫时与m0序列相对应的m
′
(zi+zj)/2
，计算{m'
(zi+zj)/2
(y(k))}序列累加和占m
zmax
百分比，结合经验数据，以某一百分比作为判断临界点，当小于临界点时无需调整，当大于临界点时给出肝脏造影不完整，需重新调整采样区间的结论。
[0027]
基于上述方案，优选地，所述体位引导方法还包含步骤(3)数据比对矫正：
[0028]
当步骤(2)得出需重新调整采样区间的结论，则需要将次体位牵引后重复步骤(1)和(2)，而牵引距离以如下方式生成：
[0029]
y0表示平扫阶段得到的m0图像对应的y坐标轴(m0图像最大y坐标轴)，y
′0表示增强期得到的m
′
(zi+zj)/2
图像对应的y坐标轴(m
′
(zi+zj)/2
图像最大y坐标轴)，
[0030]
y＝(y
′
0-y0)*t
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(c)
[0031]
上述公式(c)即为牵引机需要调整的距离，t表示图像放缩比例，由生成的肝脏立体图与实际距离比例决定，一般取图像放缩比为10：1，即t＝10。
[0032]
得到的y值之后，利用外部传送带器械，调整病人躺卧的检测平台前移距离，即可将增强期的肝脏放置在mri设备采样区间内，这样就可得到不影响诊断的肝脏mri图样。
[0033]
本发明的有益效果：对比人工调整采样区间慢以及精确度低的情况，本发明基于图像处理提取肝脏轮廓特征的方式，有效解决肝脏图像采集不全的问题，在该方法下可快速完成病人体位引导有利于采样得到完整的肝脏图样，对病人的病情诊断起到很好的帮助。且本发明方法特别简单，相较于现有很多复杂的数据处理方法，处理速度大大提高，具有较好的实用性。
附图说明
[0034]
图1为本发明的系统结构图；
[0035]
图2为磁共振肝脏冠状位各层图像；
[0036]
图3为n份肝脏轮廓图样；
[0037]
图4为肝脏轮廓图样绘制立体图；
[0038]
图5为肝脏灰度图行列灰度值统计方式图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方法作进一步详细描述。以下实施例用于说明发明，但不用来限制发明的范围
[0040]
基于本发明方法，发明人设计了基于图像处理的磁共振检测快速体位引导系统如图1所示，其包括图像采集模块1、图像预处理模块2、数据处理模块3、体位牵引模块4。所述图像采集模块1完成器官冠状位、轴位方向图像采集；所述图像预处理模块2完成图像轮廓提取与轮廓质量计算功能；所述数据处理模块3完成药物注射前后肝脏图像比对与牵引数据产生功能；所述体位牵引模块4完成人体前后具体调整功能。
[0041]
系统工作流程分为初始肝脏完整图像获取、增强期扫描前病人肝脏图像确认、肝脏图像对比与牵引数据返回，具体过程如下所示：
[0042]
(1)图像预处理模块
[0043]
1.1)磁共振检测肝脏器官时，对肝脏平扫，获取完成的n份肝脏图像，并利用基于灰度分离肝脏轮廓提取方式得到n张肝脏轮廓图样。以此作为冠状位方向的肝脏完整立体数据基础，如图2所示为磁共振设备采样得到的肝脏各层冠状位图样(肝脏图像如深灰色所示)。
[0044]
1.2)解析基于冠状位图像的肝脏立体图：利用基于灰度分离提取轮廓方式得到各层肝脏轮廓图样，并将各层提取出的肝脏轮廓图样进行灰度值映射。灰度值映射过程为：将被肝脏轮廓包围部分的灰度值映射为255(灰度值255即为白色)，将肝脏轮廓外的灰度值映射为0(灰度值0即为黑色)，如图3所示。通过这种方式将灰度分离后的肝脏图样转变为黑白灰度值以便后续图像比对。
[0045]
1.3)建立肝脏轮廓立体图形：以冠状位方向平面图建立x、y坐标轴，即以人体直立时水平方向建立x轴、垂直方向建立y轴，以垂直于冠状位方向建立z坐标轴，将肝脏轮廓图样绘制成立体图，如图4所示。
[0046]
1.4)将每份x/y坐标轴方向上每一份肝脏图样看作一个密度均匀的切片(假定其密度系数为1)，计算出每一份肝脏x/y坐标轴图样切片的每行、每列归一化的灰度累加值：
[0047]
通过图像像素识别方式统计坐标轴为zi处x轴方向各列灰度值的和序列用表示该组序列；y轴各方向各行灰度值的和序列用表示该组序列(行列累加方式如图5所示)，并对灰度值做归一化处理，如下公式(a)所示：
[0048][0049]
x(k)表示列编码，y(k)表示行编码，通过这种方式的转换可以得到归一的统计数据，zi表示z坐标轴上第i份冠状位肝脏灰度图样。
[0050]
在n份冠状位肝脏图样中计算行序列的累加值的最
大的值m
zmax
，将m
zmax
对应的序列组定义为m0，并取最大值z
max
对应的z坐标前后
±
4组序列作为后续对比基准，定义这9组序列为：m-4
、m-3
、m-2
、m-1
、m0、m
+1
、m
+2
、m
+3
、m
+4
，将这9份肝脏图样对应的序列做为后续误差调整基础集合。
[0051]
1.5)在造影剂注射后x秒(药物作用时间)，再次采集肝脏图像，重复步骤1.2)～1.4)第二次提取肝脏轮廓，由于增强期时间短，在第一步采样的基础上只采样未注射药物前z
max
坐标轴对应的m'-10
～m'
+10
区间的21份肝脏轴状位图像即可。采样得到的图像依旧采用基于灰度分离提取轮廓方式获取肝脏外观轮廓图样，并计算得到增强期图样-10～+10的行列灰度值累加序列m
′-10
、m
′-9
、m
′-8
、m
′-7
、...、m
′0、...、m
′
+7
、m
′
+8
、m
′
+9
、m
′
+10
。
[0052]
(2)数据处理阶段
[0053]
2.1)计算m-10
～m-2
、m0、m
+1
～m
+10
的与m'-10
、m'-9
、m'-8
、m'-7
、...、m'0、...、m
′
+7
、m
′
+8
、m
′
+9
、m
′
+10
的最小误差百分比(行列均进行比较，会得到两组最小均方差)。
[0054]
得到最小误差百分比方法为：通过滑动比对的方式得到21组均方差，滑动比对方式为m-4
～m
+4
与m'-10
～m'-2
计算均方差，m-4
～m
+4
与m'-9
～m'-1
计算均方差，m-4
～m
+4
与m'-8
～m'-0
计算均方差，以此类推计算m-4
～m
+4
与m'
+2
～m'
+10
均方差，上述过程如下公式(b)所示：
[0055][0056]
经过公式(2)可得到方差序列m
″k，其中行均方差序列为m
″
y(k)
，列均方差序列为m
″
x(k)
。行均方差序列m
″
y(k)
的最小方差值为m
″
ymin
，列均方差序列m
″
x(k)
的最小方差值为m
″
xmin
。通过查组可以得到列对应的序列组为{m'
ymin
}、行对应的序列组{m'
xmin
}，取对应序列号之间的增强期序列m
′
zi
～m
′
zj
。
[0057]
得出是否需要调整体位结论：计算m
′
(zi+zj)/2
占m0百分比，若百分比小于15％(临床经验数据)则可不必调整扫描区间，采样结果可供医生诊断肝脏病情；若百分比大于15％，则可给出结论，肝脏造影不完整，需重新调整采样区间。
[0058]
(3)数据比对矫正阶段
[0059]
在上述(2)数据处理阶段得出结论基础上，再次将次体位牵引后的肝脏图像，确认牵引系统正确调整磁共振采样区间。
[0060]
如过需要牵引，则牵引距离为：
[0061]
y＝(y
′
0-y0)*t
[0062]
y0表示平扫阶段得到的m0图像对应的y坐标轴(m0图像最大y坐标轴)，y
′0表示增强期得到的m
′
(zi+zj)/2
图像对应的y坐标轴(m
′
(zi+zj)/2
图像最大y坐标轴)。t表示图像放缩比例，由生成的肝脏立体图与实际距离比例决定，一般取图像放缩比为10：1，即t＝10。
[0063]
(4)体位牵引阶段
[0064]
利用外部传送带器械，以及得到的y，调整病人躺卧的检测平台前移距离，即可将增强期的肝脏放置在mri设备采样区间内，这样就可得到不影响诊断的肝脏mri图样。