获取血管造影图像的方法
【专利摘要】一种获取血管造影图像的方法，涉及数字X射线图像处理领域，用于数字减法血管造影术，补偿病人不自主运动和内部器官正常运动对血管系统图像的影响。该方法包括：使用X射线系统照射得到造影前序列N个图像；将造影剂注入血管；照射X射线得到造影后序列M个图像；造影前图像与造影后图像空间图像配准；从造影后图像减去造影前图像，所得到的图像发送到输出装置。图像配准时，对每个图像搜索特征细节，根据特征细节的移位确定器官的移位；将造影前图像分割为同质区域；对每个区域计算几何变换，对造影前图像每个区域进行相应几何变换。本发明因去除了运动解剖结构伪影而提高了减法血管造影照片的诊断价值。
【专利说明】获取血管造影图像的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字X射线图像处理领域，能够应用于数字减法血管造影术，以补偿病人不自主的运动和其内部器官正常运动对血管系统图像的影响。
【背景技术】
[0002]血管造影术是一种医学成像技术，其通过将造影剂注入病人被检查的血管内，来使血管内部可视化。在血管造影照片中，除了血管以外，还可以看到周围器官和组织的图像，这些图像经常干扰对填充了造影剂的血管的识别。为了在数字减法血管造影术(digital subtraction angiography,DSA)中降低周围组织的可视性，生成造影前图像，该造影前图像是在将造影剂注入血管系统之前获取的病人关注区域(region of interest,ROI)的X射线图像。然后，拍摄显示所注入的造影剂流经所关注的血管的路径的图像序列。这些图像称为造影后图像，它们从造影剂开始注入时开始记录，显示随着造影剂在血管中前进和逐渐溶解在血液中，填充了造影剂的血管的状态。通过从造影前图像中减去造影后图像，可以校正不属于血管系统的伪影(artifact)，从而增强血管的可视性，改善诊断和治疗。
[0003]由于造影前图像和造影后图像的获取是在不同的时间点进行的，因此，周围组织和器官的任何空间变化均可导致在图像中产生伪影。特别是在运动器官的造影边界(contrast border)处,更容易看到它们。在某些情况下，对伪影的造影超过了对血管的造影，导致血管系统的基本部分被覆盖，一些细节无法识别。
[0004]已知一种在DSA中使用的匹配图像的方法(美国专利第7409078号)。根据该方法，按照如下步骤生成DSA图像:
[0005]-在将造影剂注入病人血管系统之前，获取造影前图像；
[0006]-将造影剂注入病人血管系统；
[0007]-获取造影后图像；
[0008]-对造影前图像安放规则网格(regulargrid)；
[0009]-使用网格交叉控制点来匹配造影后图像和造影前图像；
[0010]-计算将要显示在显示器上的减法图像；
[0011]-测试控制点的稳定性，如果不足够稳定，则将网格分为更小的单元或形成更大的单元。
[0012]上述方法的缺点在于处理后的图像特征集合不完整，因而不是对运动伪影的最优校正。
[0013]还已知一种用于DSA图像的方法和装置(美国专利第5848121号)。根据该方法，按照如下步骤生成DSA图像:
[0014]-在将造影剂注入病人血管系统之前，获取造影前图像；
[0015]-将造影剂注入病人血管系统；
[0016]-获取造影后图像；[0017]-在造影前图像和造影后图像中找出一组特定细节；
[0018]-计算在造影前图像和造影后图像中所找出的特定细节的对应关系；
[0019]-基于特征点的坐标,构件自适应局部几何变换模型(modelof adaptive localgeometrical transform)；
[0020]-使用所得到的变换对造影前图像进行变形；
[0021]-通过从造影后图像的对数中减去变形后的造影前图像的对数，构建减法图像。
[0022]上述方法的缺点在于，如果错误地计算了造影前图像与造影后图像的特征点的对应关系，则将在所得到的结果图像中产生无法去除的缺陷。
[0023]与本发明最接近的方法是根据美国专利申请第2010/0266188号的对胸部X射线图像进行匹配、减法和显示的方法。该方法由如下操作构成:
[0024]-在将造影剂注入病人血管系统之前，获取造影前图像；
[0025]-将造影剂注入病人血管系统；
[0026]-获取造影后图像；
[0027]-对于同一器官，获取至少两个X射线图像；
[0028]-根据尺寸、亮度(intensity)、色彩深度(colordepth)、ROI的选择等,进行归一化等初步图像处理；
[0029]-进行粗图像匹配，包括移位和旋转补偿；
[0030]-使用小细节的相关匹配或光流计算方法(methodfor optical flowcomputation),来进行细图像匹配；
[0031]-按照所需要的细节具有最佳可视性并且多余的细节具有最佳去除效果的方式，来进行匹配后的图像的减法。
[0032]上述这些方法与本发明的方法的相同之处在于:
[0033]1、在控制区域的有限集合上估计匹配后的图像的几何变换。
[0034]2、能够补偿图像中的器官的移位、旋转、局部变形。
[0035]3、在运动估计时，对图像进行多尺度分析。
[0036]4、对匹配后的图像进行减法处理，从而增强特定细节(本发明中
[0037]的血管，或者根据本发明的一个可能应用中的肺结核)。
[0038]美国专利申请第2010/0266188号的方法的主要缺点在于，当被检查对象具有显著影响所获得的血管造影照片的质量的特定特征时，运动估计的准确性有限。这是因为运动补偿的一系列处理是以从大尺度(粗)到小尺度(更准确)的不同尺度进行的。对临床实践所遇到的图像进行多重空间频率分析表明，很多图像含有仅导致空间分辨率降低的基本细节。在这种情况下，上述方法对确定的运动能够提供准确的结果，但在确定的运动之后，误差将被累积。
[0039]此外，根据已知的方法，坐标变换的函数在ROI中是平滑的，如果ROI中有至少两个边缘清楚的运动部分，则对运动补偿的准确性具有负面影响。
【发明内容】
[0040]本发明的技术效果是因去除了运动解剖结构伪影而提高了减法血管造影照片的诊断价值。[0041]为了实现上述目的，本发明提供一种获取减法血管造影照片的方法，包括:使用X射线装置对病人进行X射线照射，从而得到造影前序列的N个数字图像；将造影剂注入病人的血管系统；在进行照射后，得到造影后序列的M个数字图像；进行造影前序列的数字图像与造影后序列的数字图像的空间对应关系匹配；从造影后序列的图像减去造影前序列的图像；将所得到的数字血管造影照片发送到输出装置，在数字图像匹配步骤，在每个图像中，搜索特征细节；参考所述特征细节的移位等来确定病人器官的移位；在相似的运动区域(同质变形区域(region of homogenous warping))内对造影前序列的图像进行图像分割；对于每个区域，计算几何变换；对于造影前序列的图像的全部区域，进行相应的几何变换。
[0042]可选地，作为特征细节，选择病人的骨结构和器官，所述骨结构和器官在照射期间在数字图像中的位置能够唯一地确定，而与所述骨结构和器官的空间位置的改变无关。
[0043]可选地，在相似的运动区域内对造影前序列的图像进行分割时，对于每个特征细节，构建相对于造影后序列的当前图像可能的移位的有限集合，选择区域中的特征细节的移位相似的区域。
[0044]可选地，在造影前序列的图像中，选择X射线装置的不运动的部分，在数字图像匹配步骤中，所述区域具有零移位(zero-shift)。
[0045]可选地，在获得了造影前序列的N个数字图像之后，通过对数字图像进行加权求和，来形成单个造影前参考图像，其中，对第一个图像进行存储而不进行改变，对接下来的每个图像在求和前使用当前参考图像进行空间匹配，然后进行加权求和。
[0046]可选地，在获取造影后序列的数字图像期间，从造影后序列的图像中选择参考图像，其中，所选择的图像被重复进行搜索特征细节、估计移位和分割。
[0047]可选地，在所获得的每个数字图像中，相互遮挡的器官和组织被分离到至少两个相互重叠的图像，这些图像是与不同深度的器官和组织相对应的层，对于每个层，独立地进行图像匹配，然后对结果进行求和。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]通过图1?4来示出本发明的技术方案、实施方式、技术效果的实现等，其中:
[0049]图1示出X射线装置。
[0050]图2示出造影后图像序列的内容。
[0051]图3示出运动器官的分割(segmentation)。
[0052]图4示出处理结果。
【具体实施方式】
[0053]通过例如图1所示的X射线装置，来进行数字X射线图像的获取。图1所示的X射线装置包括X射线管1，其发射X射线2。X射线2穿透位于台面4上的病人身体3，进入接收器5。接收器5将X射线转换为数字图像。在一个可能的实施方式中，接收器5可以包括:闪烁屏(未图示)，其将X射线转换为可见光；以及感光阵列(未图示)。X射线管I和接收器5固定在支撑构件6上，使得对于相对于台面4的运动具有4个自由度。
[0054]根据本发明的方法，通过对病人进行照射，得到造影前序列，即，N个数字图像(其中NS I)。在将造影剂注入病人血管系统后，可以得到造影后序列，即，M个数字图像(其中MS I)。对于造影后序列中的每个图像，可以选择一个适当的参考图像，该参考图像可以属于造影前序列或造影后序列中的任一个，或者是对来自这两个序列的一定数量的在先图像进行组合处理所得到的结果图像。
[0055]根据本发明的不同实施方式，可以按照如下各方式来获取和处理造影前序列和造影后序列的图像:
[0056]1、在支撑构件6不运动的情况下，获取造影前序列的N个数字图像(其中NS I)。在对造影后序列的全部图像进行处理期间，使用人工选择的质量最高的图像(或单个造影前图像，N= I)作为参考图像。
[0057]2、在支撑构件6不运动的情况下，获取造影前序列的至少两个数字图像。将人工选择的质量最高的图像存储为参考图像。后续的全部图像使用该参考图像进行空间匹配。对匹配后的图像进行求和，将求和结果存储为更新后的参考图像。由此对参考图像进行降噪。当处理造影后序列的图像时，仅使用一个参考图像。
[0058]3、当血管造影检查需要使支撑构件6运动时，例如当检查病人较长的血管时，在支撑构件6位于不同位置时获取造影前图像。对于造影前图像序列和造影后图像序列，支撑构件6的运动路径相同。在对造影后图像序列进行处理时，将支撑构件6位于同一位置时所得到的每个造影前图像用作参考图像。
[0059]4、当因获取造影后图像序列时支撑构件6或病人发生了不可预见的运动或因其它原因而导致图像内容发生变化时，从这时起，参考图像从造影前图像替换为造影后图像，该作为参考图像的造影后图像是进行过处理，从而降低了填充有造影剂的血管的可视性的造影后图像。
[0060]图2示出造影后序列的数字血管造影图像的内容。接收器5的矩形视野7被检查期间不运动的X射线装置构件8部分遮蔽。病人的图像包括:填充有造影剂的血管9 ;以及在血管造影检查中不涉及的器官和组织10。
[0061]为了匹配造影后序列和参考图像，可以进行对于图像匹配来说最佳的几何变换。因为对不运动区域进行了初步选择，因此，图像的匹配部分较窄。这需要接收器视野的一部分被准直器快门(collimator shutters)遮蔽，或者接收器包括截面呈圆形的光电转换器。不运动部分的边缘呈直线状或光滑曲线状，并且具有高对比度，这使得可以使用已知的几何基本体选择(geometric primitives selection)算法(例如霍夫变换(Houghtransformation))再加上回归分析技术来对不运动部分的边缘进行搜索。
[0062]不运动区域具有不运动的性质，这使得能够在处理每个参考图像时都选择它们。
[0063]当进行图像配准(imageregistration)时，首先,从参考图像中选择控制区域的有限集合。选择控制区域时，使得控制区域含有图像的特征细节。特征细节应该具有这样的属性，即，能够可靠地从给定对象的图像中识别出它们，而与亮度、几何变换以及是否存在噪声无关。
[0064]为了选择控制区域，进行如下操作:
[0065]1、通过高斯金字塔(Gaussian pyramid)变换或类似变换,对图像进行多尺度化(multiscale)。尺度的数量可以人工设置，或者与图像空间频谱的形状相关。
[0066]2、在每个尺度，对图像应用特征细节增强算子。在本发明的一个实施方式中，该算子基于在图像的每个点上纹理(texture)的协方差矩阵(covariance matrix)计算。探测器响应是该协方差矩阵的特征值的积。探测器响应的局部最大值对应于对象边界的亮度差、弯曲和交叉。
[0067]3、通过选择在不同尺度中探测器响应值最大的细节，来对特征细节进行限制。为了正确地比较在不同尺度中探测器响应值，引入单调增校正因子，该因子在从大尺度变为小尺度时增加。
[0068]4、在所发现的每个特征细节的周围形成控制区域，所形成的控制区域的尺寸与最大探测器响应所在的尺度相对应。对于每个区域，可以进一步进行与纹理协方差矩阵的特征向量相对应的空间定向(spatial orientation)。
[0069]本发明的上述实施方式可以简化，例如，不进行对特征细节的搜索，代之以在图像上叠加具有预定形状(例如，正方形)的几何网格，则控制区域集合位于网格的节点处。
[0070]对参考图像进行分析的结果是控制区域集合，对于集合中的每个控制区域，存储其中心坐标、尺寸以及取决于本发明的实施方式的其它属性。
[0071]对于造影后序列中的每个数字图像，以及造影前序列中的不是参考图像的图像，进行与参考图像的配准，该配准包括如下步骤:
[0072]1、以与处理参考图像时相同的方式，在图像中选择控制区域。
[0073]2、将当前图像的控制区域的属性与所存储的参考图像的控制区域的属性进行比较。基于它们之间的相关性，确定两者控制区域之间的一对一对应关系。其结果是，对于每个控制区域，确定其相对于参考图像的移位向量。通常情况下，在参考图像中选择的控制区域集合不与当前图像的控制区域集合完全匹配。通过在进一步的处理中采用统计技术，来消除在上述过程中产生的移位测定误差。
[0074]3、在控制区域集合中，选择这样的组(group)，S卩，这些组的移位恒定，并且可以由所选择的几何变换模型以满意的准确度来描述。在本发明的一个可能的实施方式中，上述模型是仿射变换(affine transformation),它意味着对移位、旋转、倾斜、缩放的各种组合。例如，图3出病人头部的水平投影被分割(划分(partitioning))为3个部分，S卩，头骨11、下颌12和肩部13，它们具有不同的运动性。控制区域的中心得到移位向量14，以及边界向量(outlier vector) 15。作为对移位进行簇分析(cluster analysis)的结果,对于控制区域的每个组，得到几何变换的通用模型。
[0075]4、使用图像亮度梯度数据，来计算含有控制区域的所选择的组的图像分割的边界。
[0076]5、对参考图像进行变换，对所选择的图像分割进行所计算出的几何变换。在图像分割的边界处，可以进行插值来降低边缘效应。
[0077]在图像配准结束后，对于各像素，使用当前图像亮度除以变换后的参考图像的亮度。该操作对应于对数减法。其结果是，得到所需的减法图像。
[0078]图4示出未进行运动补偿的血管造影图像16与通过本发明的方法所获得的血管造影图像17的对比。在未进行运动补偿的情况下，填充有造影剂的血管18的图像含有运动伪影19，这些伪影19不是现有器官或组织的图像。在通过本发明的方法所获得的图像中，伪影20显著减弱。
[0079]因为对在比较了参考图像的控制区域与当前图像的控制区域后获得的光流场进行分割，因此，能够降低残留的、对血管研究有害的器官可视性，提高本发明的方法所获得的血管造影图像的诊断价值。
[0080]实施例
[0081]通过使用X射线系统来获得X射线图像，该X射线系统的固定部分不投影到探测器的工作区域。进行X射线照射，从而获得造影前序列的2~3个数字图像。在造影前图像序列的第一个数字图像中，搜索特征细节。为此，进行如下操作:
[0082]1、对于图像，形成由4层构成的多尺度表征(multiscale representation)。第一层是图像本身。然后，为了形成每个下一层，使用窗口尺寸为3 X 3的数字平滑滤波器，通过因子2对图像进行子采样。
[0083]2、在多尺度图像的每一层，选择特征细节。为此，首先计算亮度在水平方向和竖直方向的一阶偏导数:
[0084]
【权利要求】
1.一种获取血管造影图像的方法，包括:使用X射线系统对被检查的病人进行照射，从而得到造影前序列的N个数字图像；然后将造影剂注入病人的血管；然后照射X射线，从而得到造影后序列的M个数字图像；进行造影前序列的数字图像与造影后序列的数字图像的空间图像配准；然后从造影后序列的数字图像减去造影前序列的数字图像，将所得到的数字血管造影图像发送到输出装置，其特征在于: 在数字图像配准步骤，对于每个图像，搜索特征细节，根据所述特征细节的移位来确定病人器官能够预期的移位； 然后，将造影前序列的图像分割为同质变形区域； 对于每个区域，计算几何变换，对于造影前序列的数字图像的每个区域，进行相应的几何变换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于特征细节，选择病人的骨结构和器官，所述骨结构和器官在数字图像中的位置能够唯一地确定，而与所述骨结构和器官的空间位置无关。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将造影前序列的数字图像分割为同质变形区域时，对于每个特征细节，构建相对于造影后序列的当前图像可能的移位的有限集合，选择图像中特征细节的移位相似的区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在造影前序列的图像中，选择X射线系统的固定部分，在数字图像配准步骤中，所述区域具有零偏置。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的方法，其特征在于，在获得了造影前序列的N个数字图像之后，通过对第一个数字图像进行存储而不进行修正、并且对接下来的每个图像使用当前参考图像进行空间配准、然后进行加权求和，来形成单个造影前数字参考图像。
6.根据权利要求1?4中任一项所述的方法，其特征在于，在获取造影后序列的数字图像过程中，也从造影后序列的图像中选择参考图像，重复在其中搜索特征细节，评价移位和分割。
7.根据权利要求1?4中任一项所述的方法，其特征在于，在所获得的每个数字图像中，相互遮挡的器官和组织由至少两个相互重叠的图像分离，与器官和组织相对应的层位于不同的深度，对于每个层，独立地进行图像配准，然后对结果进行求和。
【文档编号】G06T5/50GK103544690SQ201310288210
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2012年7月10日
【发明者】A·S·阿法纳先科 申请人:伊姆普斯封闭式股份有限公司