專利名稱：數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用影像可視化分析領域，更具體地，涉及一種改進的數(shù)字 胸片中的心臟鈣化影像增強技術。
背景技術：
1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X線以來，X線成像技術被廣泛地應用 在醫(yī)學的各個領域。數(shù)字胸片即是近年發(fā)展起來的、以普通X線胸片技術為 前身的數(shù)字化胸片成像方式。
針對數(shù)字胸片中各種組織對比度不同、X線影像亮度動態(tài)范圍寬廣的特 點，為較好地顯示各類組織結構，醫(yī)學影像可視化分析領域逐漸形成以窗寬 窗位調節(jié)為核心的窗顯示影像增強技術，即通過不斷調節(jié)顯示窗口中心位置 即窗位(也稱窗中心window center,用C表示)、顯示窗口寬度即窗寬 (Window width用W表示)大小來尋找能夠顯示組織結構的細節(jié)、反映準確 的組織密度差異的窗參數(shù)，并在此窗條件下提供增強的、清晰的組織影像。 如附圖1所示，圖la給出了由呈高斯分布的組織I 、 II、 III構成影像的亮度 直方圖，圖lb給出了現(xiàn)有窗技術中的窗寬、窗位位置示意圖。在未進行影像 增強前相當于在窗位CO處加窗寬為W0的顯示窗如直線0所示，影像亮度為 0時對應亮度最暗，亮度為最大值時對應最亮。顯然，當組織II在此窗內亮 度分布范圍投影到顯示亮度軸上的顯示灰階范圍AG小于人眼觀察的最小灰 階分辨率時，該組織無法被操作者及閱片人識別。以窗技術增強該組織影像 時，須在整個亮度分布范圍內仔細調整窗寬窗位，直至在窗位C2處加窗寬為 W2的顯示窗如直線2所示，方可獲取最清晰的組織II影像。同理，在窗位 Cl、 C3處分別加窗寬為W1、 W3的顯示窗如直線l、 3所示，方可獲取最清 晰的組織I 、組織III影像。窗技術在數(shù)字胸片的大部分應用中較好地提供了胸部組織，特別是肺組 織的細微結構影像。然而，對于心臟鈣化影像這類應用，由于多數(shù)情況下，
鈣化含量非常微少、鈣化成份中的脂質、纖維組織在x線下對比度非常低，
且投影成像技術使胸廓間各組織相互遮蓋，難以去除骨骼及肺部組織轉化結 構的影響，故需要反復、細致地調節(jié)窗寬窗位，尋找最佳的窗參數(shù)。這樣的 操作過程不僅繁瑣耗時，而且很多情況下仍然無法觀察到清晰的心臟轉化影 像。因此，現(xiàn)有窗技術很難在操作時間與影像增強效果上滿足臨床需要。
簡化操作過程、提高效率的一種改進方案是預設窗參數(shù)。事實上，現(xiàn)有 的數(shù)字胸片影像設備對常見部位都預設了窗參數(shù)，使得操作人員與閱片者可 以方便地使用預設參數(shù)來對特定部位進行觀察。然而，對于心臟轉化而言，
X線成像條件的差異、被檢者個體差異以及心臟鈣化發(fā)育程度的差異使得窗
參數(shù)在較大的動態(tài)范圍內變動，難以確定。
另一種可能的改進方法是對在較大動態(tài)范圍內變化的窗參數(shù)進行自適應 調節(jié)，但目前限于心臟鈣化機制以及不同鈣化階段組織成分的變化，以及成
分變化對X線吸收度的影響都還不明確，故使得符合生理機制的窗參數(shù)自適
應調節(jié)過程短時間內也不容易建立。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有數(shù)字胸片心臟鈣化影像對比度較低、難以識別的問 題，提出了一種簡潔實用、可以有效增強心臟鈣化影像的方法來滿足數(shù)字胸 片操作者以及閱片人對數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強的需要。
為達到以上目的，本發(fā)明是采用如下技術方案予以實現(xiàn)的 一種數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，包括下述步驟 步驟1，讀取原始數(shù)字胸片影像，對該數(shù)字胸片影像進行亮度直方圖計算； 步驟2，對該數(shù)字胸片影像的亮度直方圖進行包絡檢測，提取連續(xù)、平滑
的亮度直方圖包絡；用于消除亮度直方圖中離散譜線對后續(xù)處理的干擾； 步驟3，以曲線擬合的方式將該數(shù)字胸片影像的亮度直方圖包絡分段拆解
為多個高斯函數(shù)，并提取各高斯函數(shù)的特征參數(shù)；步驟4，根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，生成高斯函數(shù)對應的高斯 權重向量；
步驟5，根據(jù)步驟4生成的高斯權重向量對原始數(shù)字胸片影像進行高斯權 重顯影，得到相應高斯函數(shù)的多個高斯權重影像；
步驟6，對步驟5得到的多個高斯權重影像進行篩選，剔除明顯在心臟牽丐 化影像范圍之外的權重影像，保留得到增強的心臟鈣化影像。
上述方法步驟2中，所述對數(shù)字胸片影像的亮度直方圖進行包絡檢測，具 體方法由公式(1)、 (2)描述
柳、J外)邵)>° m 、乂1)邵)-o 、 j
做(0^t考") (2)
其中，f為數(shù)字胸片中的亮度值，t/(/)為步驟1中所得數(shù)字胸片的亮度 直方圖，Si/(/)為經(jīng)采樣保持去除離散譜線后的亮度直方圖曲線，M/f(f)為檢 出的亮度直方圖包絡。
所述步驟3中，所述以曲線擬合的方式將數(shù)字胸片影像的亮度直方圖包 絡分段拆解為3-8個高斯函數(shù)，如公式(3)描述
Mi/=tAnN(//n，c7n) (3)
1
其中，M/z為步驟2檢出的亮度直方圖包絡，an、 a、 分別為分解所 得第n個高斯函數(shù)的特征參數(shù)幅度、期望值與標準差。
所述步驟3中曲線擬合的方式是使用gradient expansion法計算擬合曲線與 包絡的非線性最小二乘方。
所述步驟4中，根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，由公式(4)生成 對應的高斯權重向量；
Wn(/) = e^CTn) (4) 其中，/為數(shù)字胸片中的亮度值，a、 為分解所得第"個高斯函數(shù)的期
望值與標準差，WJ/)為生成的第n個高斯權重向量。
所述步驟5中，根據(jù)步驟4生成的高斯權重向量對原始數(shù)字胸片影像按
照公式(5)進行高斯權重顯影，再按照公式(6)將影像映射到256級灰階供屏幕顯示用；
WXn=ZMTxWnCOy) (5)
n Max(W%n)-Min(WZn) 、 ^
其中，Z議為原始的數(shù)字胸片影像，Wn(Z^)為由ZMT生成的第"個高斯權 重向量。W^為由第n個高斯權重向量生成的高斯權重投影。Min(Wjg為WXn 的最小亮度值，Max(WA。為W^的最大亮度值。SJ;為第w個高斯權重投影 的屏幕顯示影像。
所述步驟6可置于步驟4之前，即根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)， 先期剔除明顯在心臟鈣化影像范圍之外的特征參數(shù)，然后再生成對應的高斯 權重向量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
使用高斯函數(shù)對亮度直方圖分段拆解，更符合各類生理組織在數(shù)字胸片中 的亮度大致呈高斯分布的事實，使得影像增強過程中僅增強本類組織的顯示 對比度而不改變其在亮度直方圖的分布形態(tài)。
以曲線擬合的方式提取多個高斯函數(shù)的特征參數(shù)，通過計算擬合曲線與包 絡的非線性最小二乘方來直接確定各高斯函數(shù)的特征參數(shù)。代替了現(xiàn)有技術 中可能用到的復雜的窗寬窗位自適應調節(jié)過程。
多個高斯權重投影影像的對比、篩選替代了窗技術中窗參數(shù)的調整過程， 將窗寬窗位在大范圍內的細致調節(jié)簡化為對5~8個權重影像的對比篩選，使 得本發(fā)明在實際臨床應用中可以降低閱片者勞動強度、縮短閱片時間、提高 閱片效率。
本方法簡潔實用，無需人工預處理過程。實施時所需資源少、軟硬件開支 低。既易于集成于專用數(shù)字X線胸片成像設備，亦可作為獨立的圖像后處理 措施提高現(xiàn)有數(shù)字胸片設備對心臟鈣化影像的增強顯示能力。


圖1為影像增強原理示意圖。圖la為高斯分布的組織I 、 II、 III構成影 像的亮度直方圖；圖lb為現(xiàn)有窗技術中的窗寬、窗位位置示意圖。 圖2為本發(fā)明心臟鈣化影像增強方法步驟框圖。
圖3為本發(fā)明步驟3取8個高斯函數(shù)對亮度直方圖曲線包絡的擬合示意圖4為本發(fā)明步驟5生成的對應圖3的8個高斯函數(shù)權重影像與原始數(shù) 字胸片影像效果對比圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 如圖2所示， 一種數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，包括下述步驟 步驟l，讀取原始數(shù)字胸片影像，數(shù)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)等方式獲取的人體以及其它哺乳動物的胸部影像。對該數(shù)字胸 片影像進行常規(guī)亮度直方圖計算。
步驟2，對該數(shù)字胸片影像的亮度直方圖按公式(1)、 (2)描述進行包
其中，f為數(shù)字胸片中的亮度值，//(0為步驟1中所得數(shù)字胸片的亮度 直方圖，SH(/)為經(jīng)采樣保持去除離散譜線后的亮度直方圖曲線，Mi/(/)為檢 出的亮度直方圖包絡。以便于消除亮度直方圖中離散譜線對后續(xù)處理的干擾， 獲取連續(xù)、平滑的亮度直方圖包絡。
步驟3，以曲線擬合的方式將亮度直方圖包絡分段拆解為一系列的高斯 函數(shù)，并提取各高斯函數(shù)的特征參數(shù)，包括幅度、期望值與標準差。
通過曲線擬合的方式將數(shù)字胸片影像的亮度直方圖包絡分段拆解為一系 列高斯函數(shù)，如公式(3)描述
其中，mz/為步驟2檢出的亮度直方圖包絡，an、 a、 分別為分解所
得第n個高斯函數(shù)的特征參數(shù)幅度、期望值與標準差。曲線擬合的方式是使
用gradient expansion法計算擬合曲線與包絡的非線性最小二乘方。
絡檢測:對于不同成像條件下獲得的數(shù)字胸片影像，分解所得的高斯函數(shù)數(shù)目有 所不同，理論上可獲得任意多的高斯函數(shù)且數(shù)目越多擬合效果越好，但是過
多的高斯函數(shù)首先與生理事實不符，其次消耗過多的計算資源，故一般情況
下以5 8個為宜，DES、 DEDR條件下的骨影影像則以3 5個為宜。
步驟4，根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，由公式(4)生成對應的 高斯權重向量；
其中，/為數(shù)字胸片中的亮度值，//n、 為分解所得第"個高斯函數(shù)的期 望值與標準差，W力)為生成的第"個高斯權重向量。
步驟5,根據(jù)步驟4生成的高斯權重向量對原始數(shù)字胸片影像按照公式 (5)進行高斯權重顯影，再按照公式(6)將影像映射到256級灰階供屏幕 顯示用；
其中，l議為原始的數(shù)字胸片影像，WJDZ)為由Z^生成的第"個高斯權 重向量。W&為由第"個高斯權重向量生成的高斯權重投影。Min(W;g為WXn 的最小亮度值，Max(WJi。為WJ^的最大亮度值。S^為第"個高斯權重投影 的屏幕顯示影像。
步驟6，對步驟5得到的多個高斯權重影像進行篩選，剔除明顯在心臟 鈣化影像范圍之外的權重影像，保留得到增強的心臟鈣化影像。
圖3給出了多個高斯函數(shù)對亮度直方圖曲線包絡的擬合示意圖。其中灰 色背景為一例數(shù)字胸片的亮度直方圖，曲線1~8為對亮度直方圖包絡擬合所 得的8個高斯函數(shù)。分別對每個高斯函數(shù)進行權重向量計算并獲取相應的權 重影像可在對該段影像進行影像增強的同時真實地保留亮度直方圖中該段亮 度范圍的分布形態(tài)。
圖4給出了高斯權重影像與原始數(shù)字胸片影像對比圖。其中原始數(shù)字胸 片心臟影像局部給出了一例數(shù)字胸片心臟左上部的局部影像，根據(jù)該影像， 較難觀察到心臟區(qū)域的鈣化影像。圖像1~8分別給出按照圖3所示的8個高斯函數(shù)生成的高斯權重影像，在圖像4、 5、 6中可分別觀察到白色箭頭所指 的暗的鈣化占位影像，在圖像7、 8中則可觀察到白色箭頭所指的亮的轉化影 像。圖像4、 7中的鈣化細節(jié)已非常清晰。由于噪聲、偽影、人工異物等異常 影像的高斯分布窄而尖銳，通常僅出現(xiàn)在1 2幅權重投影影像中。故多個高 斯權重投影中均出現(xiàn)的暗或亮的相同形態(tài)的影像可排除此類異常影像的影 響。
權利要求
1、一種數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，包括下述步驟步驟1，讀取原始數(shù)字胸片影像，對該數(shù)字胸片影像進行亮度直方圖計算；步驟2，對該數(shù)字胸片影像的亮度直方圖進行包絡檢測，提取連續(xù)、平滑的亮度直方圖包絡；用于消除亮度直方圖中離散譜線對后續(xù)處理的干擾；步驟3，以曲線擬合的方式將該數(shù)字胸片影像的亮度直方圖包絡分段拆解為多個的高斯函數(shù)，并提取各高斯函數(shù)的特征參數(shù)；步驟4，根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，生成高斯函數(shù)對應的高斯權重向量；步驟5，根據(jù)步驟4生成的高斯權重向量對原始數(shù)字胸片影像進行高斯權重顯影，得到相應高斯函數(shù)的多個高斯權重影像；步驟6，對步驟5得到的多個高斯權重影像進行篩選，剔除明顯在心臟鈣化影像范圍之外的權重影像，保留得到增強的心臟鈣化影像。
2、 如權利要求1所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，所 述步驟2中對數(shù)字胸片影像的亮度直方圖進行包絡檢測，具體方法由公式(1)、 (2)描述其中，/為數(shù)字胸片中的亮度值，/f(/)為步驟1中所得數(shù)字胸片的亮度 直方圖，Si/(/)為經(jīng)采樣保持去除離散譜線后的亮度直方圖曲線，M/f(/)為檢 出的亮度直方圖包絡。
3、如權利要求1所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，所 述步驟3中以曲線擬合的方式將數(shù)字胸片影像的亮度直方圖包絡分段拆解為 3-8個高斯函數(shù)，如公式(3)描述其中，MZ/為步驟2檢出的亮度直方圖包絡，An、 分別為分解所 得第"個高斯函數(shù)的特征參數(shù)幅度、期望值與標準差。 <formula>formula see original document page 2</formula>
4、 如權利要求1或3所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是， 所述步驟3中曲線擬合的方式是使用gradient expansion法計算擬合曲線與包 絡的非線性最小二乘方。
5、 如權利要求1所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，所 述步驟4中，根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，由公式(4)生成對應的 高斯權重向量；Wn(/) = e2〔CT" (4) 其中，/為數(shù)字胸片中的亮度值，//n、 ^為分解所得第"個高斯函數(shù)的期 望值與標準差，Wn(/)為生成的第"個高斯權重向量。
6、 如權利要求1所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，所 述步驟5中，根據(jù)步驟4生成的高斯權重向量對原始數(shù)字胸片影像按照公式(5)進行高斯權重顯影，再按照公式(6)將影像映射到256級灰階供屏幕 顯示用；WA;-服xWn(蜀 (5) SZn = 255 x——^~、 \ , " 、 (6)其中，"^為原始的數(shù)字胸片影像，Wn(Z^)為由Z^生成的第"個高斯權 重向量。WJ^為由第"個高斯權重向量生成的高斯權重投影。Min(WJ^為WJ^ 的最小亮度值，Max(WZ。)為WJ^的最大亮度值。SXn為第"個高斯權重投影 的屏幕顯示影像。
7、如權利要求1所述的數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，其特征是，所 述步驟6可置于步驟4之前，即根據(jù)步驟3提取的高斯函數(shù)特征參數(shù)，先期 剔除明顯在心臟鈣化影像范圍之外的特征參數(shù)，然后再生成對應的高斯權重
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字胸片心臟鈣化影像增強方法，使用高斯函數(shù)對亮度直方圖分段拆解，通過一系列高斯函數(shù)擬合數(shù)字胸片的亮度直方圖以直接獲取高斯函數(shù)的特征參數(shù)，進而通過對不同高斯函數(shù)分別進行權重顯影，實現(xiàn)心臟鈣化影像的增強。本發(fā)明通過計算擬合曲線與包絡的非線性最小二乘方來直接確定各高斯函數(shù)的特征參數(shù)，代替了現(xiàn)有技術中可能用到的復雜的窗寬窗位自適應調節(jié)過程。多個高斯權重投影影像的對比、篩選替代了窗技術中窗參數(shù)的調整過程，將窗寬窗位在大范圍內的細致調節(jié)簡化為對3～8個權重影像的對比篩選，使得本發(fā)明在實際臨床應用中可以降低閱片者勞動強度、縮短閱片時間、提高閱片效率。
文檔編號G06T5/00GK101430787SQ200810232270
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權日2008年11月14日
發(fā)明者澍 孔, 孫衛(wèi)新, 津 李, 萍 郭, 捷 金, 翔 陳 申請人:西安交通大學