CN106805989B - 用于动脉造影的图像处理系统及交感神经状态变化的快速测量系统 - Google Patents

用于动脉造影的图像处理系统及交感神经状态变化的快速测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于动脉造影的图像处理系统及交感神经状态变化的快速测量系统，所述图像处理系统包括X射线造影机、造影影像接收模块、造影剂参数输入模块、图像处理模块，其中：所述X射线造影机用于动脉造影影像采集；所述造影影像接收模块用于接收X射线造影机传出的影像并将该影像传输给图像处理模块；所述造影剂参数输入模块用于校准由于造影剂使用量不同引起的动脉造影区域内灰度变化量；所述图像处理模块包括影像背景提取模块、影像配准模块和影像灰度校准模块，用于对所获取的造影影像进行图像处理。该图像处理系统实现了对存在背景组织移动和背景噪声的血管造影影像进行优化，并校正了造影剂使用量不同对结果的影响，显著提高了分析结果的准确性和可重复性。

Description

用于动脉造影的图像处理系统及交感神经状态变化的快速测 量系统
技术领域
本发明涉及一种用于动脉造影的图像处理系统以及应用在基于造影影像的动脉交感神经状态变化的快速测量系统，包括单位时间血流量与血流速度的准确、快速、无创计算，尤其涉及校准造影剂使用量不同对血流计算结果的影响。
背景技术
交感神经是植物性神经的一部分，由中枢部、交感干、神经节、神经和神经丛组成。交感神经系统的活动比较广泛，刺激交感神经状态变化如交感神经兴奋性提高，能引起腹腔内脏及皮肤末梢血管收缩、心搏加强和加速、瞳孔散大、外周血压升高等生理现象，因此，交感神经的兴奋性状态在人体生理机能调节中占有重要地位。
现有技术中，比较典型的评价动脉交感神经状态如兴奋性的方法有如下几类：
电刺激法：参见参考文件1(Gal P,de Jong M R,Smit J JJ,et al.Bloodpressure response to renal nerve stimulation in patients undergoing renaldenervation:a feasibility study[J].Journal of human hypertension,2015,29(5):292-295.)Gal的临床研究结果显示，使用高频电刺激肾动脉交感神经的某些点位，可引起外周血压迅速暂时性的升高，同时，血压升高的程度与交感神经兴奋性存在紧密联系。
神经递质直接检测法：参见参考文件2(Grassi G,Seravalle G,Brambilla G,etal.The sympathetic nervous system and new nonpharmacologic approaches totreating hypertension:a focus on renal denervation[J].Canadian Journal ofCardiology,2012,28(3):311-317.)交感神经兴奋时可分泌多种神经递质，这些递质可以随血液运输到周围循环中，所以直接测定血浆中神经递质水平是评价交感神经兴奋性的方法。交感神经递质主要包括去甲肾上腺素、肾上腺素和多巴胺等。文件中Grassi等通过高效液相色谱法测血浆中去甲肾上腺素的水平来评价交感神经的状态(兴奋程度)。
神经递质间接检测法：参见参考文件3(Esler M,Jennings G,Korner P,etal.Measurement of total and organ-specific norepinephrine kinetics in humans[J].American Journal of Physiology-Endocrinology And Metabolism,1984,247(1):E21-E28.)将稀释至一定浓度的3H标记的去甲肾上腺素注射液注入体内，待20min后血药浓度趋于稳定时，取静脉血清测量血清中3H标记的去甲肾上腺素浓度，再根据特定公式计算可得血浆去甲肾上腺素的溢出率。Esler等指出正常人肺的去甲肾上腺素的溢出率占血浆去甲肾上腺素溢出率的40％，肾脏占17％，而高血压患者中，肺部占33％，肾脏占22％。该研究表明，交感神经兴奋时，血浆去甲肾上腺素溢出率可以在一定程度上评估局部交感神经的兴奋情况。
电位检测法：参见参考文件4(Vallbo A B,Hagbarth K E,Torebjork H E,etal.Somatosensory,proprioceptive,and sympathetic activity in human peripheralnerves[J].Physiological reviews,1979,59(4):919-957.)Vallbo等通过将直径为0.2mm的钨电极插入骨骼肌的神经纤维中，来测定腓神经或桡神经等多单位的交感神经节后纤维的动作电位，由此评估交感神经兴奋性。
上述方法尽管从不同角度给出了交感神经兴奋性的评估/测量方法，但其仍具有至少以下一种或多个技术缺陷：
(1)外周血压调节受多种机制影响，电刺激肾动脉造成外周血压变化具有不确定性(不唯一性)，而外周血压测量误差较大，无法为交感神经兴奋性提供定量评价。且电刺激法操作复杂、创伤较大，不适宜临床检测推广。
(2)神经递质直接的检测易受到检测方法的影响，只能粗略评估全身交感神经兴奋情况，无法定位某局部区域的交感神经状态；去甲肾上腺素的溢出率检测对检测技术要求较高，目前无统一的评价标准，且注射入人体内的3H标记的去甲肾上腺素可抑制交感神经的真实活性。同时需要强调的是，激素的分泌过程相对比较缓慢，无法实现交感神经兴奋性的快速评估/测量。
(3)交感神经电位的检测虽能直接反映交感神经的活性，然而操作有创，不利于推广应用。
(4)直径变化法由于没有考虑消融后肾血流速度的变化，故无法定量评估消融前后肾血流量的变化。
“血管单位时间血流量与血流速度的计算方法”(申请号:201510916119.8，申请日：2015.12.10)专利通过获得目标血管造影感兴趣区域的灰度拟合曲线并计算曲线下面积，实现了无创、快速计算血管血流量和血流速度。然而，血管造影影像中背景组织移动、背景噪声和造影剂使用量不同等原因都会对拟合曲线的灰度变化量会产生相应影响，造成所计算的血流量和血流速度可能存在较大偏差。
本发明所述用于动脉造影的图像处理系统及基于造影影像的动脉交感神经状态变化的快速测量系统在本发明人之前申请的“单位时间血流量与血流速度的计算方法”专利的基础上进行了针对上述技术问题的创新和改进，实现了对存在背景组织移动和背景噪声的血管造影影像进行优化，并校正了造影剂使用量不同对结果的影响，显著提高了分析结果的准确性和可重复性。
本发明所述的动脉交感神经状态变化快速测量系统，基于所述改进的血流量和血流速度计算方法，可以实现对两个时间点动脉交感神经状态的变化进行快速测量，针对现有评估方法存在的技术和安全问题进行了创新和改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于动脉造影的图像处理系统以及基于造影的动脉交感神经状态变化的快速测量系统，其目的在于，通过对动脉造影中的图像进行图像处理，获得基于动脉造影影像计算的血流量和血流速度，对分布于动脉的交感神经状态变化提供了一种更为优化的快速定量的测量系统及方法，以解决背景技术中提到的现有评估方法的局限性。
本发明用于动脉造影的图像处理系统，包括X射线造影机、造影影像接收模块、造影剂参数输入模块、图像处理模块，其中：
所述X射线造影机用于进行动脉造影以及对该动脉造影影像进行采集；
所述造影影像接收模块用于接收X射线造影机传出的影像并将该影像传输给图像处理模块；
所述造影剂参数输入模块用于校准由于造影剂使用量不同对感兴趣区域内灰度变化量的影响；所述图像处理模块包括影像提取模块、配准模块和灰度校准模块，用于对所获取的造影影像进行图像处理。
所述的系统，所述图像处理模块对所获取的造影影像进行图像处理包括：
背景提取模块，其用于接收原始造影影像，提取原始造影影像的背景影像，将原始造影影像与背景影像相减，获得原始造影影像的减影影像；
配准模块，其用于对减影影像进行图像配准，跟踪目标动脉血管始终位于感兴趣区域内；
灰度校准模块，其用于接收造影剂的参数作为输入参数，结合整幅影像内灰度变化量拟合出造影剂量和影像灰度变化量的正比关系并计算比例系数；所述灰度校准模块还用于计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线，检测拟合曲线上波峰与波谷的中点并定义为第一时间点，计算以第一时间点为中心的一个心动周期灰度变化量。
所述的系统，其中，通过图像配准模块将目标动脉血管定位在所圈定的感兴趣区域内，确定减影影像包含包括有目标动脉血管及其微循环灌注区域的感兴趣区域,以避免目标动脉血管由于心跳或者呼吸的影响在不同时间点显影于感兴趣区域外面。
所述的系统，其中，所述灰度校准模块进一步用于:选择起始时间为造影剂进入感兴趣区域之前，截止时间为造影剂完全充盈感兴趣区域之后，计算每帧造影中感兴趣区域内的总灰度值，并根据灰度值拟合出灰度随时间变化的灰度拟合曲线。
所述的系统，其中，所述图像配准模块进一步用于：接收两个角度的造影影像序列，选择两个影像序列中造影剂最充盈的帧，对目标动脉血管进行轮廓分割，以该轮廓作为感兴趣区域；使用两个角度的分割结果三维重建；对三维重建后的结果进行多次旋转或平移，使得每次三维血管反投影后的血管与对应帧影像中的目标动脉血管重合，记录此时旋转角度和平移距离，对该帧影像实施相应的旋转和平移；使得变换后的目标动脉血管位于感兴趣区域内；
所述灰度校准模块，还用于计算造影序列每帧影像感兴趣区域内灰度和，获得所述灰度曲线。
所述的系统，其中，
图像处理模块接收造影剂参数作为输入参数，所述造影剂参数包括造影剂的浓度和推注速度，则造影剂使用量＝浓度*推注速度*灰度统计时间，所述灰度统计时间为整幅影像灰度变化曲线上灰度和首次下降的时间点到首次下降到最小灰度和的时间点，造影剂使用量为整幅图像内进入血管的造影剂量及未进入血管的造影剂量总和，图像处理模块结合整幅影像内灰度变化量，拟合造影剂量使用量和影像灰度变化量的正比关系并计算比例系数。
所述的系统，其中，灰度校准模块对整幅图像中每一帧影像统计其所有像素的灰度和，拟合其随时间变化的灰度曲线，计算灰度曲线上最大和最小灰度和的差值D1，结合造影剂使用量I1，计算造影剂量和影像灰度变化量的比例系数k，其中k＝I1/D1。
所述的系统，其中，所述灰度曲线的拟合公式为：
g(t)＝a0+a1t1+a2t2+…+antn，其中a0，a1，a2，…an为拟合系数，t为时间；
所述灰度曲线的拟合公式进一步用于拟合感兴趣区域内灰度和随时间变化的灰度曲线。
所述的系统，其中：
当所述灰度曲线为感兴趣区域内灰度变化曲线时，检测所述灰度曲线波峰和波谷的中心点，当所述灰度曲线变化趋势为下降且该中心点斜率为负时，定义所述中心点为第一时间点；当所述灰度曲线变化趋势为上升且该中心点斜率为正时，定义所述中心点为第一时间点。
所述的系统，当动脉造影影像为肾动脉或肺动脉造影时：
1)所述背景提取模块接收造影剂注入前的造影影像作为背景，对配准后的影像进行减影；
2)所述感兴趣区域为造影中整个肾脏或肺部结构的一部分区域；
3)感兴趣区域的获得通过边缘检测技术对每帧影像中的肾脏或肺部结构进行跟踪；或者手动圈定整个肾脏或肺部轮廓。
一种交感神经状态变化的快速测量系统，包括血流分析模块、交感神经状态变化测量模块、以及如上任一所述的用于动脉造影的图像处理系统，其中：
所述血流分析模块用于根据以第一时间点为中心的一个心动周期[t1,t2]内曲线g(t)的变化量A结合比例系数k，获得对应的造影剂变化量，即一个心动周期血流量Q＝A*k，结合血管横截面积，进一步获得血流速度；
所述交感神经状态变化测量模块，在图像处理模块获取第一时间段和第二时间段的造影影像后，血流分析模块分别计算出两个时间段的血管单位时间血流量和血流速度，该交感神经状态变化测量模块根据两个时间段的血流量或血流速度变化评估动脉交感神经状态变化。
所述系统，其中，所述交感神经状态变化测量模块根据血流分析模块结合第一时间段的血流量基线计算得出的第一时间段和第二时间段动脉血流量变化百分比，测量动脉的交感神经状态变化。
本发明所述的基于造影的动脉交感神经状态变化快速测量系统，包括X射线造影机、造影剂参数输入模块、造影影像接收模块、图像处理模块、血流分析模块和显示模块，其中：
所述X射线造影机用于动脉造影影像采集；
所述造影影像接收模块通过局域网获取X射线造影机传出的影像；
所述造影剂参数输入模块用于校准由于造影剂使用量不同引起的血流分析误差；
所述图像处理模块包括影像背景提取、影像配准和影像灰度校准，用于对所获取的造影影像进行技术处理；
所述血流分析模块将获得的影像信息转化为血流信息，由此测量动脉交感神经的状态变化；
所述血流分析模块包含血流量分析和血流速度分析，分别是基于所述图像处理模块改进的血管单位时间血流量和血流速度计算方法；
所述改进的血管单位时间血流量的计算方法，该方法包括：接收原始造影影像，通过图像处理提取背景影像，并对原始图像减影得到减影影像；对减影影像进行配准；接收造影剂浓度和推注速度作为输入参数，结合整幅影像内灰度随时间的变化量，确定造影剂使用量和灰度变化量的正比关系并计算比例系数；确定包含目标血管及其微循环灌注区域作为感兴趣区域，计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线，确定拟合曲线波峰与波谷的中点，计算以该点为中心的一个心动周期内灰度变化量，结合比例系数计算该灰度变化量对应的造影剂变化量拟合单位时间血流量；
所述改进的血管血流速度的计算方法，该方法包括：接收原始造影影像，通过图像处理提取背景影像，并对原始图像减影得到减影影像；对减影影像进行配准；接收造影剂的使用量作为输入参数，结合整幅影像内灰度变化量，确定造影剂使用量和灰度变化量的正比关系并计算比例系数；确定包含目标血管及其微循环灌注区域作为感兴趣区域，计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线，确定拟合曲线波峰与波谷的中点，计算以该点为中心的一个心动周期内灰度变化量，结合比例系数计算该灰度变化量对应的造影剂变化量拟合单位时间血流量；基于所述单位时间血流量及血管管腔面积，获得所属血管的血流速度；
所述显示模块用于人机交互并显示系统分析结果，包括血流分析结果和动脉交感神经状态变化分析结果。
优选的，所述动脉交感神经状态变化测量方法包括：接收两不同时间段动脉造影影像，所述时间段分别为第一时间段和第二时间段；使用所述系统计算第一时间段和第二时间段动脉血流量及其变化量；基于第一时间段血流量计算动脉血流量变化百分比；以该百分比或血流量变化量快速测量动脉交感神经状态变化。
优选的，所述改进的血管单位时间血流量和血流速度计算方法，相对于“单位时间血流量与血流速度的计算方法”专利引入了背景提取、造影剂使用量和灰度校准等技术创新点。其中背景提取将原造影影像与背景影像相减，获得原造影影像的减影影像，能够有效减少心脏、膈肌等组织的位移和背景噪声对感兴趣区域内灰度变化的影响；结合造影剂使用和整幅影像的灰度变化量，获得二者对应关系并计算比例系数，可以显著校准由于造影剂使用量不同造成的血流量计算误差。
优选的，所述感兴趣区域包括含有造影剂的主支血管及其微循环灌注区域。
优选的，当影像为肾动脉或肺动脉造影时，所述感兴趣区域包括整个肾脏或肺部结构，感兴趣区域的获得可以通过边缘检测技术对每帧影像中的肾脏或肺部结构进行跟踪；或者手动圈定整个肾脏或肺部轮廓。
优选的，所述图像处理模块通过图像配准跟踪目标血管始终位于感兴趣区域内。
优选的，所述背景提取方法进一步包括：接收血管的X射线造影影像序列，使用形态学操作对影像进行背景提取。
优选的，所述背景提取方法进一步包括：当影像为肾动脉或肺动脉造影时，使用造影剂未进入血管的影像作为背景进行减影。
优选的，所述灰度拟合曲线变化趋势为下降时，所述第一时间点为灰度拟合曲线斜率为负时波峰与波谷的中点；当所述灰度拟合曲线变化趋势为上升时，所述第一时间点为灰度拟合曲线斜率为正时波峰与波谷的中点。
优选的，所述方法进一步包括：选择起始时间为造影剂进入目标血管之前，截止时间为造影剂完全充盈目标血管之后，接收造影剂参数(包括造影剂浓度和推注速度)作为输入参数，结合整幅影像灰度变化量，确定造影剂使用量和灰度变化量的正比关系并计算比例系数，校准造影剂使用量不同对感兴趣区域内影像灰度变化量的影响。
优选的，计算单位时间血流量时，仅仅计算感兴趣区域的灰度变化量，排除了造影剂返流引起的计算误差。
优选的，基于造影剂对血流的替代关系，可获得单位时间血流量。
优选的，所述原始灰度变化曲线是由每帧减影影像中感兴趣区域内灰度直方图计算得到的灰度值所做的原始数据曲线。
优选的，通过接受心脏冠脉造影，获得血管感兴趣区域后，所获得的血流速度可用于评价血管狭窄对血流速度的影响，或者后续计算狭窄血管血流储备分数FFR值。
优选的，通过接受基于有肿瘤区域的血管造影，获得血管感兴趣区域后，所获得的单位时间血流量或血流速度可用于评估肿瘤治疗前跟治疗后供血的变化，以提示治疗效果。
优选的，通过接受动脉血管造影，获得血管感兴趣区域后，所获得的血流速度可用于外周血管计算狭窄血管的压力降或血流储备分数(FFR)值。
本发明的有益效果在于，该技术方案提供了一种基于造影的动脉交感神经状态变化的快速测量系统，不仅达到了无创检测，避免了电刺激动脉等测量方式的不安全性和神经递质检测的较大误差，同时，该技术方案实现了对现有血流量和血流速度计算方法的优化，修正了背景移动、噪声和造影剂使用量引起的计算误差，显著提升了方法的准确性和可重复性。
附图说明
图1为动脉交感神经状态变化快速测量系统示意图；
图2为改进的单位时间血流量和血流速度计算方法示意图；
图3为灰度形态学“闭”操作示意图，其中a为一维形态学示意图，b为二维形态学示意图；
图4为冠状动脉造影影像配准示意图；
图5为肾动脉X射线造影示意图，左、中、右分别为造影剂未进入目标血管、造影剂进入部分血管、造影剂充盈目标血管影像；
图6为包含目标血管及其灌注心肌的感兴趣区域充盈时刻示意图；
图7为Doppler导丝法测得的不同心动周期内血流速度变化曲线示意图；
图8为感兴趣区域不同心动周期内的原始灰度变化曲线和灰度拟合曲线示意图；
图9为单位时间血流量与血流速度计算原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-9，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种动脉交感神经状态变化的快速测量系统，包括X射线造影机、造影剂参数输入模块、造影影像接收模块、图像处理模块、血流分析模块、交感神经状态测量装置和显示模块，其中：
所述X射线造影机用于进行动脉造影以及对该动脉造影影像进行采集；所述造影影像接收模块通过局域网获取X射线造影机传出的影像并将获取的影像传输给图像处理模块；所述造影剂参数输入模块用于校准由于造影剂使用量不同引起的血流分析误差；所述图像处理模块包括背景提取模块、配准模块和灰度校准模块，以对所获取的造影影像进行图像处理，并将处理后的影像传输给血流分析模块；所述血流分析模块将获得的影像信息转化为血流信息，该血流信息被用于评估动脉交感神经的状态；所述显示模块用于人机交互并显示系统分析结果。
工作时，首先通过局域网从X射线造影机分别接受两不同时间段的动脉造影影像并存入计算机，所述时间段为第一时间段和第二时间段，使用所述图像处理模块分别对两时间段动脉造影影像处理，并将结果输入血流分析模块，获得第一时间段和第二时间段的动脉单位时间血流量Q1和Q2；其次，交感神经状态变化测量装置计算Q1和Q2的差值ΔQ＝Q1-Q2；其次，交感神经状态变化测量装置第一时间段动脉单位时间血流量为基线，计算两时间段动脉单位时间血流量变化百分比；再次，交感神经状态变化测量装置以该血流量变化百分比或ΔQ对动脉交感神经状态变化进行快速测量。
实施例2
本发明提供一种改进的计算血管单位时间血流量及血流速度的方法，如图2所示，具体包括如下步骤：首先，接收血管的X射线造影影像，并对该影像进行背景提取，使用原影像与背景相减得到减影影像，以减少其他人体组织结构显影对灰度变化曲线的影响；其次，确定包含目标血管及其灌注心肌作为感兴趣区域；其次，对减影影像进行图像配准，跟踪目标血管始终位于感兴趣区域内；其次，接收造影剂参数输入模块输入的造影剂浓度和推注速度等作为输入参数，结合整幅影像灰度变化量，确定造影剂使用量(造影剂使用量＝造影剂浓度*推注速度*灰度统计时间)和灰度变化量的正比关系并计算比例系数；计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线(优选的，选择起始时间位于造影剂进入感兴趣区域之前，截止时间位于造影剂完全充盈感兴趣区域之后)，获得拟合曲线波峰与波谷中点作为第一时间点；其次，获取以第一时间点为中心的一个心动周期拟合曲线灰度变化量A，根据比例系数，计算该灰度变化量所对应的造影剂变化流量，得出单位时间血流量；最后，结合血管管腔面积，获得所述血管的血流速度V。
优选的，背景提取可以使用灰度形态学操作“闭”。“闭”操作作为一种图像的形态学操作，以结构元B对原图像A进行灰度处理，可以弥合原图像中较窄的间断和细长的沟壑，消除小的空洞，填补轮廓线中的断裂，在本系统中用于填补血管显影产生的“沟壑”，从而重建出背景影像。如图3a所示，假设f(x)为影像一维扫描线上灰度在x轴分布，g(x)为结构元，g对f的闭操作可从几何角度解释为，从f的上表面向下推动结构元，g的任何部分所到达的最低值(灰度值由黑线变为红线)。在二维影像中，将图像函数f(x,y)看成是一个三维表面，即影像灰度值可解释为xy平面上的高度值，如图3b中实色区域，经结构元g(x,y)作用后，影像灰度分布部分变为阴影区域。
需要强调的是，现有技术中的影像减影使用心动周期同相位减影，需要记录造影剂进入感兴趣区域前的至少一个心动周期，人工对比挑选出适合作为背景的多帧影像，并确保心动周期的每一时间点都有相应的背景影像，耗时较久且无法解决不随心动周期变化的膈肌位移现象。
优选的，图像配准可以使用互信息作为测度解决造影影像动态配准的问题。医学影像配准是指对一幅医学影像寻求一种空间变换，使它与另一幅医学影像的对应点在图像上具有相同的空间位置，如图4所示，对浮动图像做变换，使之与参考图像对齐，图中两条直线交叉点对应三幅影像同一坐标点。冠脉造影中，血管会随着心跳或呼吸运动在影像上产生位移，因此目标血管段会在某些时间点移出感兴趣区域外，应用配准技术可以将每一帧影像中目标血管段“固定”在同一位置，减少灰度统计误差。而互信息是信息理论中一种有用的信息度量，可以看成一个随机变量中包含的关于另一随机变量的信息量(或一个随机变量由于已知另一个随机变量而减少的不确定性)。假设两个随机变量(X,Y)的联合分布为p(x,y)，边际分布分别为p(x),p(y)，互信息表示为：
基于互信息的图像配准就是寻找一个空间变换关系，使得经过该变换后两幅图像间的互信息达到最大，在医学图像领域多用于多模态医学影像的配准，用于本系统时可解决冠脉造影中血管“从无到有”的动态配准。
优选的，接收造影剂使用量对所得灰度变化量进行校准，以解决造影剂使用量不同对灰度变化产生的影响。需要强调的是，“血管单位时间血流量与血流速度的计算方法”(申请号:201510916119.8，申请日：2015.12.10)专利没有考虑到造影剂用量对灰度变化量的影响，会引入造影剂使用量产生的计算不同误差。
优选的，所述方法仅仅计算感兴趣区域的灰度变化量对应的造影剂变化量作为目标血管单位时间血流量，排除了造影剂返流引起的计算误差。需要强调的是，由于血管供血心肌的范围不同，供血心肌区域对血液需求量(反映在造影剂需求量)有所差异，当心动周期中的某些时刻供血区域对血液的需求量少于造影剂推注量，造影剂会出现返流，对血管内血流量变化不产生作用，如果选择整幅影像的灰度变化量计算灰度拟合曲线，会引入较大误差，同时忽略供血区域对血液需求量的差别，造成灰度拟合曲线的变化趋势与目标血管实际灰度变化趋势不符，降低计算结果的准确性和可重复性。
优选的，由三维定量测量的方法，得到血管管腔面积A，平均血流速度V＝Q/A。
需要指出的是，本实施例采用了一般血管造影情况下的灰度值变化为下降趋势的情况进行了分析，即在所得到灰度拟合曲线为下降曲线的情况下，通过选择该曲线斜率为负时波峰与波谷的中点为第一时间点，并以该第一时间点为中心计算一个心动周期拟合曲线的灰度变化量，同时选择整段灰度拟合曲线的最大值为基线对灰度变化量进行校准。
然而，在某些造影影像中，造影剂充盈后灰度值比充盈前的灰度值大，上述灰度值变化为上升趋势，即所得到灰度拟合曲线为上升曲线，此时，则需要检测灰度拟合曲线中斜率为正时波峰与波谷的中点为第一时间点，并以该第一时间点为中心计算一个心动周期拟合曲线的灰度变化量，同时选择整段灰度拟合曲线的最小值为基线对灰度变化量进行校准。
实施例3
X射线造影利用人体软组织和造影剂对射线吸收程度的不同，在造影图像上形成了血管和周围组织之间的不同高对比度。造影图像中每一个像素的颜色深度由灰度值表示，灰度值越大像素越亮。如图5所示，血管在没有打入造影剂之前(左)灰度值较高，无法从周围软组织中区分出来，打入造影剂之后(中)造影剂随血流扩散，由于造影剂对射线的吸收能力更强，感兴趣区域的灰度值随之减小，血管颜色变深，造影剂充盈时(右)，几乎可以看见肾脏所有动脉血管。
肾动脉X射线造影在进行减影之前，干扰组织与周围背景对比度较大，同时影像噪声较多，干扰组织的移动和背景噪声引起的灰度变化会严重影响包含目标血管的感兴趣区域内灰度变化。
肾动脉X射线造影在进行减影之后，可以明显看见干扰组织与周围背景对比对下降，影像噪声显著降低，有效减小了干扰组织移动和背景噪声引起的灰度变化对包含目标血管的感兴趣区域内灰度变化的影响。
如图6所示，其示出了肾动脉的整体影像，为进行图像校准，先对每一帧影像统计其所有像素的灰度和，拟合其随时间变化的灰度曲线，计算灰度曲线上最大和最小灰度和的差值D1，结合造影剂使用量I1，计算造影剂使用量和影像灰度变化量的比例系数k，其中k＝I1/D1。
我们选择肾脏结构作为感兴趣区域，如白线所圈出的区域。随着造影剂注入，肾动脉出现图5所示过程，几个心动周期之后造影剂被稀释，感兴趣区域灰度值升高。
每个心动周期内平均血流速度大小近似，但不同时间段的选取对于计算平均血流速度有很大影响。如图7所示，用Doppler导丝法直接测量的不同心动周期内血流速度曲线。时间间隔相同的不同时间段T1和T2所求解出的平均血流速度相差很大，因此，为了确保计算值精确，优选的选取整数个心动周期进行血流速度均值计算，如整数个心动周期。
如图8所示，提取感兴趣区域每一帧的灰度值，并拟合出感兴趣区域灰度拟合曲线g(t)。例如，优先选择3个以上(即N>＝3)心动周期，起始时间为造影剂进入感兴趣区域之前，并根据灰度值拟合出灰度拟合曲线g(t),所述拟合公式为多项式拟合：
g(t)＝a0+a1t1+a2t2+…+antn；其中a0，a1，a2，…an为拟合系数，t为时间。
如图9，求出感兴趣区域灰度拟合曲线波峰与波谷的中点(t0,g(t0))，所述点确定为第一时间点。计算第一时间点前后分别二分之一心动周期[t1,t2]内曲线g(t)的变化量A，结合比例系数k，获得对应的造影剂变化量，即一个心动周期血流量Q＝A*k。
优选的，当影像为肾动脉造影时，接受造影剂注入前的影像作为背景，对配准后的影像进行减影。
优选的，当影像为肾动脉造影时，所述感兴趣区域为整个肾脏结构，感兴趣区域的获得可使用边缘检测技术对每帧影像中的肾脏结构进行跟踪；或者手动圈定整个肾脏轮廓。
实例4
接受两个角度的造影影像，选择两个影像序列中造影剂最充盈的帧，对目标血管进行轮廓分割，以该轮廓作为感兴趣区域。
优选的，轮廓分割使用半自动分割方法，保证分割速度的同时可以人工校正计算机软件分割失误。
使用所述两个角度的分割结果三维重建，对三维重建后的结果进行多次旋转或平移，使得每次三维血管反投影后的血管与对应帧影像中的目标血管重合，记录此时旋转角度和平移距离，对该帧影像实施相应的旋转和平移变换，使得变换后的目标血管位于感兴趣区域内。
优选的，所述反投影角度为三维重建使用的造影角度。
计算造影序列每帧影像感兴趣区域内灰度和，获得所述灰度曲线。
优选的，此时管腔横截面积为整段目标血管的平均管腔面积。
优选的，使用实例4所述方法替代传统图像配准技术对目标血管进行跟踪，有利于减少图像配准插值等过程引起的灰度和形变误差，并可提高计算单支血管血流量和血流速度的准确性。
本发明的创新点之一就在于，基于两时间段的动脉交感神经X射线造影影像对动脉交感神经状态变化进行测量，有效避免了电刺激动脉等评估方法存在潜在危险、可重复性差等问题，并解决神经递质检测法操作复杂、误差较大等问题，实现了动脉交感神经状态变化的快速测量。对原始X射线造影影像使用形态学操作“闭”进行背景提取并减影，避免了利用心动周期同相位减影耗时较久且无法解决不随心动周期变化的膈肌位移现象；接受造影剂参数作为输入参数，计算影像灰度变化量和造影剂量的比例系数对感兴趣区域内灰度变化量进行校正，避免了造影剂使用量不同对拟合曲线灰度变化量的影响；使用拟合曲线整个时间段内灰度最大值(或最小值)为基线对归一化变化量进行校准，避免了感兴趣区域包含血管范围的不同对拟合曲线灰度变化量的影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种用于动脉造影的图像处理系统，包括X射线造影机、造影影像接收模块、造影剂参数输入模块、图像处理模块，其中：
所述X射线造影机用于进行动脉造影以及对动脉造影影像进行采集；
所述造影影像接收模块用于接收X射线造影机传出的影像并将该影像传输给图像处理模块；
所述造影剂参数输入模块用于校准由于造影剂使用量不同引起的动脉造影区域内灰度变化量；
所述图像处理模块包括背景提取模块、配准模块和灰度校准模块，用于对所获取的造影影像进行图像处理；
所述图像处理模块对所获取的造影影像进行图像处理包括：
背景提取模块，其用于接收原始造影影像，提取原始造影影像的背景影像，将原始造影影像与背景影像相减，获得原始造影影像的减影影像；
配准模块，其用于对减影影像进行图像配准，跟踪目标动脉血管始终位于感兴趣区域内；
灰度校准模块，其用于接收造影剂的参数作为输入参数，结合原始造影影像的整幅影像内灰度变化量拟合出造影剂量和影像灰度变化量的正比关系并计算比例系数；所述灰度校准模块还用于计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线，检测拟合曲线上波峰与波谷的中点并定义为第一时间点，计算以第一时间点为中心的一个心动周期内的灰度变化量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过配准模块将目标动脉血管定位在所圈定的感兴趣区域内，确定减影影像包含包括有目标动脉血管及其微循环灌注区域的感兴趣区域,以避免目标动脉血管由于心跳或者呼吸的影响在不同时间点显影于感兴趣区域外面。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述灰度校准模块进一步用于:选择起始时间为造影剂进入感兴趣区域之前，截止时间为造影剂完全充盈感兴趣区域之后，计算每帧造影中感兴趣区域内的总灰度值，并根据总灰度值拟合出灰度随时间变化的灰度拟合曲线。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述配准模块进一步用于：接收两个角度的造影影像序列，选择两个影像序列中造影剂最充盈的帧，对目标动脉血管进行轮廓分割，以该轮廓作为感兴趣区域；使用两个角度的分割结果三维重建；对三维重建后的结果进行多次旋转或平移，使得每次三维血管反投影后的血管与对应帧影像中的目标动脉血管重合，记录此时旋转角度和平移距离，对所述对应帧影像实施相应的旋转和平移；使得变换后的目标动脉血管位于感兴趣区域内；
所述灰度校准模块，还用于计算造影序列每帧影像感兴趣区域内灰度和，获得灰度曲线。
5.根据权利要求1-4中任一所述的系统，其特征在于，
图像处理模块接收造影剂参数作为输入参数，所述造影剂参数包括造影剂的浓度和推注速度，则造影剂使用量＝浓度*推注速度*灰度统计时间，所述灰度统计时间为整幅影像灰度变化曲线上灰度和首次下降的时间点到首次下降到最小灰度和的时间点，造影剂使用量为原始造影影像的整幅图像内进入血管的造影剂量及未进入血管的造影剂量总和，图像处理模块结合整幅影像内灰度变化量，拟合造影剂量使用量和影像灰度变化量的正比关系并计算比例系数。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，灰度校准模块对原始造影影像的整幅图像中每一帧影像统计其所有像素的灰度和，拟合其随时间变化的灰度曲线，计算灰度曲线上最大和最小灰度和的差值D1，结合造影剂使用量I1，计算造影剂量和影像灰度变化量的比例系数k，其中k＝I1/D1；
所述灰度曲线的拟合公式为：
g(t)＝a0+a1t1+a2t2+…+antn，其中a0，a1，a2，…an为拟合系数，t为时间；
所述灰度曲线的拟合公式进一步用于拟合感兴趣区域内灰度和随时间变化的灰度曲线。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
当所述灰度曲线为感兴趣区域内灰度变化曲线时，检测所述灰度曲线波峰和波谷的中心点，当所述灰度曲线变化趋势为下降且该中心点斜率为负时，定义所述中心点为第一时间点；当所述灰度曲线变化趋势为上升且该中心点斜率为正时，定义所述中心点为第一时间点。
8.根据权利要求1所述的系统，当动脉造影影像为肾动脉或肺动脉造影时：
1)所述背景提取模块接收造影剂注入前的造影影像作为背景，对配准后的影像进行减影；
2)所述感兴趣区域为造影中整个肾脏或肺部结构的一部分区域；
3)感兴趣区域的获得通过边缘检测技术对每帧影像中的肾脏或肺部结构进行跟踪；或者手动圈定整个肾脏或肺部轮廓。
9.一种交感神经状态变化的快速测量系统，包括血流分析模块、交感神经状态变化测量模块、以及如权利要求1-8之一所述的用于动脉造影的图像处理系统，其特征在于：
所述血流分析模块用于根据以第一时间点为中心的一个心动周期[t1,t2]内曲线g(t)的变化量A结合比例系数k，获得对应的造影剂变化量，即一个心动周期血流量Q＝A*k，结合血管横截面积，进一步获得血流速度；
所述交感神经状态变化测量模块，在图像处理系统获取第一时间段和第二时间段的造影影像后，所述血流分析模块分别计算出两个时间段的血管单位时间血流量和血流速度，该交感神经状态变化测量模块根据两个时间段的血流量或血流速度变化，快速测量出该动脉的交感神经的状态变化；
所述交感神经状态变化测量模块根据血流分析模块结合第一时间段的血流量基线计算得出的第一时间段和第二时间段动脉血流量变化百分比，测量该动脉的交感神经状态变化；
所述曲线g(t)为灰度曲线：
g(t)＝a0+a1t1+a2t2+…+antn，其中a0，a1，a2，…an为拟合系数，t为时间。
10.根据权利要求9所述的交感神经状态变化的快速测量系统，其特征在于，该交感神经状态变化的快速测量系统还包括显示模块，其用于人机交互并显示该系统的测量结果，包括血流分析结果和动脉交感神经状态变化分析结果。
11.一种改进的血管单位时间血流量和血流速度计算方法，其基于权利要求1-8中任一所述的系统实现，该方法包括：
接收原始造影影像，通过图像处理提取背景影像，并对原始造影影像减影得到减影影像；对减影影像进行配准；接收造影剂浓度和推注速度作为输入参数，结合原始造影影像的整幅影像内灰度随时间的变化量，确定造影剂使用量和灰度变化量的正比关系并计算比例系数；确定包含目标血管及其微循环灌注区域作为感兴趣区域，计算并拟合出感兴趣区域内灰度随时间变化的拟合曲线，确定拟合曲线波峰与波谷的中点，计算以该点为中心的一个心动周期内灰度变化量，结合比例系数计算该灰度变化量对应的造影剂变化量拟合单位时间血流量；以及进一步的，基于所述单位时间血流量及血管管腔面积，获得所属血管的血流速度。
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