專利名稱：多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不同成像角度冠脈造影的時(shí)間配準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字減影血管造影(DSADigital Subtraction Angiography)技術(shù)在臨床已應(yīng)用20多年，是心腦血管疾病無創(chuàng)診斷與介入治療手術(shù)導(dǎo)航的重要依據(jù)。血管造影技術(shù)的發(fā)展可以從造影圖像中提取出血管重要的量化信息，檢測并量化器官狹窄的程度以及對血管樹進(jìn)行三維重建。血管的三維重建可以應(yīng)用于很多方面，例如，它可以被顯示以得到血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)表達(dá)；除了作顯示用，它還可以計(jì)算不可直接由二維造影圖像得到的空間血管參數(shù)，還可以估計(jì)主要取決于血管的絕對大小、形狀和長度而非百分率器官狹窄的血管動(dòng)力學(xué)參數(shù)，這是有很高的診斷重要性的；同時(shí)，血管段的三維結(jié)構(gòu)是對冠狀動(dòng)脈疾病的完整估計(jì)的先決條件。當(dāng)然，只有這些視覺化問題得以成功解決方能最優(yōu)化地實(shí)施導(dǎo)管介入術(shù)。
冠狀動(dòng)脈序列造影圖像的時(shí)間配準(zhǔn)是單平面成像條件下冠脈三維重建的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的方法利用心電門控實(shí)現(xiàn)成像時(shí)刻的精確控制。在利用單平面血管造影系統(tǒng)從多個(gè)視點(diǎn)采集冠狀動(dòng)脈造影圖像并進(jìn)行三維重建時(shí)，由于不能同時(shí)獲得各視點(diǎn)的圖像，因此必須采取一定的手段尋找各視點(diǎn)對應(yīng)相同心臟舒張-收縮狀態(tài)的圖像，實(shí)現(xiàn)時(shí)間配準(zhǔn)。
目前該問題的解決，多采用心電門控做同步信號，即利用心電門控信號作為獲取造影圖像的觸發(fā)信號。如圖1所示，當(dāng)心電脈沖達(dá)到一個(gè)峰值，即圖中時(shí)間χ為整數(shù)時(shí)(如圖χ取0或1處)，開始獲取造影圖像，時(shí)間χ取小數(shù)代表心電脈沖峰值之間的信號(如圖χ取0.5處)。
由于心電門控技術(shù)復(fù)雜，操作不方便以及需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員等缺點(diǎn)，使得很多冠脈造影圖像沒有相應(yīng)的心電圖，因此，如何解決不同成像角度的時(shí)間配準(zhǔn)，在所采取的圖像上進(jìn)行精確三維重建成為一個(gè)難題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有心電門控技術(shù)復(fù)雜，操作不方便的問題，本發(fā)明提供了一種多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，在單平面成像系統(tǒng)中，該方法在沒有心電門控的情況下利用對圖像分析，可靠地實(shí)現(xiàn)了冠脈造影不同成像角度成像的時(shí)刻配準(zhǔn)問題。
本發(fā)明所述的多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，通過觀察兩個(gè)視角下的冠脈造影序列圖像，可以發(fā)現(xiàn)它們具有如下特征一個(gè)時(shí)間序列圖像存在一個(gè)平衡位置，在心臟跳動(dòng)的過程中，血管上的特征點(diǎn)(分叉點(diǎn)或是曲率極值點(diǎn))將周期性地偏離平衡位置。利用這個(gè)特征，可以計(jì)算各特征點(diǎn)到各自對應(yīng)的平衡點(diǎn)的距離之和，分析位置距離曲線，匹配時(shí)間序列。其主要步驟為a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算單元，并分別記錄它們的圖像坐標(biāo)；c.對于每個(gè)造影圖序列，分別計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的平均值坐標(biāo)作為該特征點(diǎn)的平衡點(diǎn)坐標(biāo)；d.計(jì)算每幀造影圖中每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ；e.選取兩個(gè)序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像。
本發(fā)明提出了在沒有心電信號的條件下，充分利用冠脈造影圖像本身提供的信息來實(shí)現(xiàn)不同視角序列對應(yīng)幀的時(shí)間配準(zhǔn)的途徑。計(jì)算出的每幀造影圖的特征點(diǎn)與平衡點(diǎn)距離和σ后，選取兩個(gè)序列中該值最大的兩幀圖像，這兩幀圖像就是對應(yīng)的心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像。對于每個(gè)造影圖序列，σ值的變化是從最大到最小到最大到最小再到最大的過程，也就對應(yīng)了心臟跳動(dòng)周期從心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻到達(dá)平衡點(diǎn)，到心臟收縮最緊張，回到平衡點(diǎn)，然后再到心跳擴(kuò)張最大這樣的跳動(dòng)規(guī)則。
利用本發(fā)明所采用的方法，對采集的圖像進(jìn)行分析，能夠得到相應(yīng)的不同心跳周期的冠脈造影圖，為血管的三維重建提供精確的控制，并減少了相應(yīng)的設(shè)備的硬件設(shè)施；該方法原理簡單，實(shí)現(xiàn)方便，有效地解決了多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)問題。


圖1是心電門控示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
中所述手動(dòng)選取的八個(gè)特征點(diǎn)示意圖，其中圖2a和圖2b為不同成像角度得到的冠脈造影圖；圖3是兩個(gè)圖像序列的縮略圖，其中圖3a代表序列1的縮略圖，圖3b代表序列2的縮略圖；圖4是采用手動(dòng)描點(diǎn)時(shí)兩個(gè)序列的特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ的柱形結(jié)果圖，其中圖4a代表序列1，圖4b代表序列2；圖5是采用模板匹配標(biāo)注特征點(diǎn)時(shí)兩個(gè)序列的特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ的柱形結(jié)果圖，其中圖5a代表序列1，圖5b代表序列2；圖6是兩個(gè)不同角度心跳最大擴(kuò)張時(shí)刻的對應(yīng)圖像，其中是圖6a和圖6b是手動(dòng)描點(diǎn)時(shí)所得到的圖像；圖6c和圖6d是模板匹配標(biāo)注時(shí)所得到的圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合來說明本實(shí)施例。
在兩個(gè)序列圖像中選取幾十幀圖像進(jìn)行分析，選取了圖像中血管的N個(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算單元，并建立圖像時(shí)間配準(zhǔn)的準(zhǔn)則利用所選用的多幀的特征點(diǎn)的坐標(biāo)均值作為心臟跳動(dòng)平衡點(diǎn)的坐標(biāo)，將每一個(gè)特征點(diǎn)到其對應(yīng)平衡點(diǎn)的距離的和作為判斷心跳時(shí)刻圖像間相對應(yīng)的準(zhǔn)則。
本實(shí)施方式具體包括以下步驟a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；本實(shí)施例選取兩個(gè)成像角度的造影圖序列，每個(gè)序列選用的25幀造影圖，不同序列圖像的縮略圖如附圖3a，3b所示。
b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算單元，并分別記錄它們的圖像坐標(biāo)；特征點(diǎn)是最能代表血管運(yùn)動(dòng)特征的點(diǎn)，如附圖2a和2b所示冠脈造影圖中我們可以看到，特征比較明顯的點(diǎn)有分叉點(diǎn)和曲率極值最大的點(diǎn)；由于分叉點(diǎn)比較容易得到，因此本實(shí)施例每一幀選取8個(gè)中軸分叉點(diǎn)作為特征點(diǎn)。
c.對于每個(gè)造影圖序列，分別計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的平均值坐標(biāo)作為該特征點(diǎn)的平衡點(diǎn)坐標(biāo)；x-=1nΣi=1nxi,y-=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表選擇的圖像數(shù)， 分別代表平衡點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
d.計(jì)算每幀造影圖中每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ；
σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表選擇的圖像數(shù)，σ為特征點(diǎn)到平衡位置的距離和， 分別代表平衡點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
對于每個(gè)造影圖序列，按照各幀的先后順序作出每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ的柱形結(jié)果圖，如附圖4a和圖4b所示。從圖中我們可以看出，該值的變化周期大約10幀左右，該距離和σ的變化從最大點(diǎn)(A點(diǎn))到平衡點(diǎn)(B點(diǎn))再到極大點(diǎn)(C點(diǎn))，再從極大點(diǎn)(C點(diǎn))到平衡點(diǎn)(D點(diǎn))再到最大點(diǎn)(E點(diǎn))，該變化周期內(nèi)兩次經(jīng)過平衡點(diǎn)，與心臟跳動(dòng)周期完全相同即心臟跳動(dòng)從心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻到達(dá)平衡點(diǎn)，到心臟收縮最緊張，回到平衡點(diǎn)，然后再到心跳擴(kuò)張最大這樣的跳動(dòng)規(guī)則；該距離和σ值為最大值時(shí)的那一幀造影圖就是心臟跳動(dòng)擴(kuò)張時(shí)刻的成像，每兩個(gè)最大值之間的局部極值點(diǎn)(C點(diǎn))的那一幀造影圖就是心臟收縮最緊張時(shí)刻的成像。
e.選取兩個(gè)序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像。如圖6所示。
利用本方法所獲得的心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像，就可完成血管的三維重建等工作。
通常，我們是采用人工手動(dòng)描點(diǎn)方法進(jìn)行每個(gè)序列特征點(diǎn)的選取，該方法選點(diǎn)準(zhǔn)確，但需要花費(fèi)較多時(shí)間。由于所采集的冠脈造影圖像序列中，灰度變化不明顯，每個(gè)分支點(diǎn)的形變不明顯，只是位置發(fā)生變化。
因此，本實(shí)施方式的更優(yōu)化的方案可選用影像處理領(lǐng)域中的成熟技術(shù)-模板匹配方法來完成上述步驟b中選擇特征點(diǎn)的工作，以提高本方法的實(shí)現(xiàn)速度。
首先以每一個(gè)點(diǎn)為中心選取窗口，在后續(xù)圖像幀中進(jìn)行匹配；由于序列圖像坐標(biāo)點(diǎn)的變化不是太明顯，因此在每一幀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點(diǎn)作為對應(yīng)的后續(xù)幀的特征點(diǎn)。
模板匹配公式為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)為每一點(diǎn)的相關(guān)值，M為模板區(qū)域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配圖像中第i行、第j列分塊中的象素灰度值。
為了減少匹配時(shí)間，本實(shí)施例采用基于先驗(yàn)知識的匹配方法，即每一個(gè)特征點(diǎn)的位置在一定的范圍內(nèi)變化。對于每個(gè)特征點(diǎn)，連續(xù)的兩幀的圖像特征點(diǎn)的位置和形變變化不明顯，連續(xù)兩幀的特征點(diǎn)的變化在20個(gè)象素之間，因此我們選用的窗口為50×50象素，并使得他們在特征點(diǎn)100×100的范圍內(nèi)尋找匹配點(diǎn)，并把匹配后的模板的中心點(diǎn)作為后續(xù)幀對應(yīng)的匹配點(diǎn)。這樣明顯減少了匹配時(shí)間。第一個(gè)序列的圖像進(jìn)行匹配的時(shí)間僅為267.76秒。第二個(gè)序列圖像進(jìn)行匹配的時(shí)間僅為170.45秒。根據(jù)模板匹配結(jié)果作出每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ的柱形結(jié)果圖，如附圖5a和圖5b所示。
權(quán)利要求
1.多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，其特征在于它按照下述步驟進(jìn)行a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算單元，并分別記錄它們的圖像坐標(biāo)；c.對于每個(gè)造影圖序列，分別計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的平均值坐標(biāo)作為該特征點(diǎn)的平衡點(diǎn)坐標(biāo)，x‾=1nΣi=1nxi,]]>y‾=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表選擇的圖像數(shù)， 分別代表平衡點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；d.計(jì)算每幀造影圖中每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ，σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表選擇的圖像數(shù)，σ為特征點(diǎn)到平衡位置的距離和， 分別代表平衡點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；e.選取兩個(gè)序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，其特征在于選取能代表血管運(yùn)動(dòng)特征的點(diǎn)作為所述特征點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，其特征在于所述特征點(diǎn)可選擇血管的中軸分叉點(diǎn)或者血管曲率極值最大的點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，其特征在于所述步驟b利用模板匹配方法，按照下述步驟進(jìn)行b-1.在該造影圖序列中第一幀造影圖中選擇特征點(diǎn)；b-2.以每一個(gè)點(diǎn)為中心選取窗口，在第二幀圖像中進(jìn)行匹配并用匹配后的模板代替已有的模板；b-3.對應(yīng)后續(xù)幀，將匹配后的模板的中心點(diǎn)作為該幀的特征點(diǎn)。模板匹配公式為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)為每一點(diǎn)的相關(guān)值，M為模板區(qū)域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配圖像中第i行、第j列分塊中的象素灰度值。
全文摘要
多視點(diǎn)冠脈造影序列影像的時(shí)間配準(zhǔn)方法，屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域。為解決現(xiàn)有心電門控技術(shù)復(fù)雜，操作不方便的問題，本發(fā)明的主要步驟為從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；在所選的造影圖序列中選擇N個(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算單元，并分別記錄它們的圖像坐標(biāo)；對于每個(gè)造影圖序列，分別計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的平均值坐標(biāo)作為該特征點(diǎn)的平衡點(diǎn)坐標(biāo)；計(jì)算每幀造影圖中每個(gè)特征點(diǎn)與其平衡點(diǎn)之間的距離和σ；選取兩個(gè)序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴(kuò)張最大時(shí)刻的對應(yīng)圖像。本發(fā)明所述方法對采集的圖像進(jìn)行分析，能夠得到相應(yīng)的不同心跳周期的冠脈造影圖，為血管的三維重建提供精確的控制，并減少了相應(yīng)的設(shè)備的硬件設(shè)施。
文檔編號A61B8/00GK1994228SQ20061012557
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月25日
發(fā)明者桑農(nóng), 張?zhí)煨? 鐘勝, 胡靜, 王國棟, 張真 申請人:華中科技大學(xué)