CN104156931B - 一种数字减影血管造影方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字减影血管造影方法，它包括以下步骤：通过对原始血管图像序列进行对数变换处理后，对血管图像序列进行加权求和，得到背景图像模板，通过血管图像序列和背景图像模板得到血管初步图像，利用前后帧之间的相关性，计算出血管图像的增强模板，并对增强模板进行中值滤波，求得血管的三维增强模板，最终根据血管初步图像和三维增强模板得到每帧血管减影图像，再对血管减影图像进行限幅和拉伸，即可在显示器上显示每帧减影像；将每帧血管减影图像进行叠加即可得到血管合成图像，再对血管合成图像进行位宽变换，即可输出显示血管造影像。本发明能有效地提高生成血管图像的清晰度和准确性。

Description

一种数字减影血管造影方法

技术领域

本发明涉及数字减影血管造影领域，特别是涉及一种数字减影血管造影方法。

背景技术

为了研究血管系统的状态，通常在血管内注入对比剂，然后进行X线照相，得到血管造影图像。但图像中的血管影像会与其它各种组织结构的影像重叠在一起，不利于医生阅读。为此，数字减影血管造影DSA应运而生，它是二十世纪八十年代继CT产生之后的又一项新的医学成像技术，是计算机与传统X线血管造影相结合的产物。

数字减影血管造影DSA是通过电子计算机进行辅助成像的血管造影方法，是70年代以来应用于临床的崭新的X线检查新技术。它是应用计算机程序进行两次成像完成的。在注入造影剂之前，首先进行第一次成像，并用计算机将图像转换成数字信号储存起来。注入造影剂后，再次成像并转换成数字信号。将两次数字图像相减，消除相同的信号，得到一个只有造影剂的血管图像。通过DSA所得的血管图像较以往所用的常规脑血管造影所显示的图像，更清晰和直观，一些精细的血管结构亦能显示出来。

理论上，如果两帧图像的拍摄条件完全相同，则处理后的图像只剩下造影的血管，其余组织结构的影像将被全部消除。然而，目前血管造影图像的清晰度和准确性并没有达到理论效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字减影血管造影方法，通过造影图像序列计算出减影模像和初步减影像，并利用前后帧之间的相关性，计算出血管造影的增强模像，并对增强模像进行中值滤波，最终根据初步减影像和滤波的增强模像得到增强减影像，有效地提高生成血管图像的清晰度和准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种数字减影血管造影方法，它包括以下步骤：

S1：图像序列对数变换：对减影过程中的基象和造影原像分别进行对数变换处理，能使减影图像的血管更清晰，对第i帧图像序列I_i中的每个像素进行对数变换，得到第i帧输出图像P_i，其计算公式为：

式中，BW－图像帧I_i的像素最大值；

S2：计算背景图像模板：为了抑制噪声和造影剂给血管图像带来的影响，将图像序列P_i进行加权求和，而第i帧图像序列P_i像素值的权重大小与它和上一帧图像序列P_i-1同位置像素值的差成反比，背景图像模板mask_i的计算公式如下：

式中，α－常数，且α∈(0,1)；

m、n－图像帧中像素的位置；

P_i(m,n)－第i帧图像P_i中位于m，n坐标的像素值；

S3：计算初步血管图像：对第i帧图像序列P_i和其背景图像模板mask_i的差进行指数变换，得到第i帧的初步血管图像V_i，其计算公式如下：

S4：计算血管增强模板：对第i帧图像序列P_i和上一帧图像序列P_i-1的差进行指数变换，得到第i帧的血管增强模板D_i′，其计算公式如下：

S5：中值滤波处理：对第i帧血管增强模板D_i′进行3×3的中值滤波处理，滤除增强模板中的噪声，得到第i帧的血管三维增强模板D_i″，其计算公式如下：

D_i″＝medfilt(D_i′,[3 3])；

S6：血管减影图像增强：用第i帧的血管三维增强模板D_i″对第i帧的初步血管图像V_i进行图像增强，得到第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)，其计算公式为：

式中，Max(D_i″)－第i帧的血管三维增强模板D_i″的最大像素值；

S7：血管图像合成：对每一帧血管减影图像V_i’(m,n)进行累加，得到血管合成图像V_t，其计算公式为：

Vt＝ΣV_i′；

S8：图像位宽变换处理：首先计算图像序列的最大值和最小值，然后根据图像序列的最大值和最小值计算图像像素值的最大值和最小值，再根据图像像素值的最大值和最小值对图像序列进行限幅处理，最后对限幅后的图像序列进行平移拉伸，即得到最终输出显示的图像序列；

所述的图像位宽变换处理包括血管减影图像的图像位宽变换处理和血管合成图像的图像位宽变换处理；

S9：图像数据输出：通过计算机显示器输出显示血管减影图像和血管合成图像。

步骤S8所述的血管减影图像的图像位宽变换处理步骤为：将第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i，所述的血管减影图像的图像位宽变换步骤包括以下子步骤：

S811：计算血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv；

S812：确定血管减影图像的像素范围：根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn，其计算公式如下：

式中，β₁、β₂－常数，且β₁∈(0,1),β₂∈(0,1),β₁＜β₂；

S813：图像限幅：根据血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn对第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行限幅处理，得到限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)，其计算公式为：

S814：输出第i帧的血管减影图像outImg_i：对限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)进行平移拉伸，即得到最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i，其计算公式为：

步骤S8所述的血管合成图像的图像位宽变换处理，将血管合成图像V_t进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的血管合成图像outIm，所述的血管合成图像的图像位宽变换步骤包括以下子步骤：

S821：计算血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv；

S822：确定血管合成图像的像素范围：根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t，其计算公式如下：

式中，β₃、β₄－常数，且β₃∈(0,1),β₄∈(0,1),β₃＜β₄；

S823：图像限幅：根据血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t对血管合成图像V_t进行限幅处理，得到限幅后的血管合成图像V_t’，其计算公式为：

S824：输出血管合成图像outIm：对限幅后的血管合成图像V_t’进行平移拉伸，即得到最终输出的血管合成图像outIm，其计算公式为：

本发明的有益效果是：本发明通过对原始血管图像序列进行对数变换处理后，对血管图像序列进行加权求和，得到背景图像模板，通过血管图像序列和背景图像模板得到血管初步图像，利用前后帧之间的相关性，计算出血管图像的增强模板，并对增强模板进行中值滤波，求得血管的三维增强模板，最终根据血管初步图像和三维增强模板得到每帧血管减影图像，再对血管减影图像进行限幅和拉伸，即可在显示器上显示每帧减影像；将每帧血管减影图像进行叠加即可得到血管合成图像，再对血管合成图像进行位宽变换，即可输出显示血管造影像。本发明能有效地提高生成血管图像的清晰度和准确性。

附图说明

图1为本发明血管造影的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种数字减影血管造影方法它包括以下步骤：

步骤1：读取图像序列：读取注入造影剂前和注入造影剂后的原始血管图像序列；

步骤2：图像序列对数变换：对输入的原始血管图像序列进行对数变换，得到输出的血管图像序列；

步骤3：计算背景图像模板：通过对血管图像序列进行加权求和，得到血管图像的背景图像模板；

步骤4：计算初步血管图像：对每帧血管图像序列和其背景图像模板的差进行指数变换，得到初步血管图像；

步骤5：血管图像指数变换：对每帧血管图像序列和其上一帧图像序列的差进行指数变换，得到血管增强模板；

步骤6：对血管图像进行三维增强：对每帧血管增强模板进行3×3的中值滤波处理，滤除增强模板中的噪声，得到血管三维增强模板；

步骤7：得到每帧血管图像和最终血管合成图像：用每帧血管图像的三维增强模板对初步血管图像进行图像增强，得到血管减影图像，对每帧血管减影图像进行累加，得到血管合成图像；

步骤8：进行图像位宽变换：对血管合成图像和每帧血管减影图像进行限幅，再进行平移拉伸处理，将其平移拉伸到计算机的显示范围；

步骤9：图像数据输出：通过计算机显示器显示最终输出的血管合成图像和最终输出的每帧血管减影图像。

下面通过计算公式具体说明求得血管造影像的计算方法。

(一)图像序列对数变换

由于X线的强度在人体内是以指数关系衰减的，因此对减影过程中的基像和造影原像分别进行对数变换处理，能使减影图像的血管更清晰，基像为注入造影剂前的血管图像，造影原像为注入造影剂后的血管图像。

原始检测到的关于人体某一部位的图像可由如下公式表示：

I＝I₀e^{(-u(x,y,z,t)·dz)}

式中，I－原始检测到的关于人体某一部位的图像；

I₀－衰减后的X线强度；

u(x,y,z,t)－某一时刻t人体的衰减系数分布。

u(x,y,z,t)实际上是对应于人体组织结构的细节，我们所需的二维图像信息实际是其在z方向的投影u(x,y,z,t)·dz。

在进行减影前，先对原始血管图像序列进行图像对数变换，对第i帧图像序列I_i中的每个像素进行对数变换，得到第i帧输出图像P_i，其计算公式为：

式中，I_i－第i帧输入的血管图像序列；

BW－图像帧I_i的像素最大值；

P_i－第i帧输出的血管图像序列。

若输入图像是8位，则图像位宽最大值BW为255；若输入图像是16位，则图像位宽最大值BW为65535。

(二)背景图像模板生成及血管初步图像生成

由于在图像序列中，背景图像变化很小。为了抑制噪声和造影剂给图像带来的影响，将血管图像序列进行加权求和。而第i帧图像序列P_i像素值的权重大小与它和上一帧图像序列P_i-1同位置像素值的差成反比，背景图像模板mask_i的计算公式如下：

式中，α－常数，且α∈(0,1)；

m、n－图像帧中像素的位置；

P_i(m,n)－第i帧图像P_i中位于m，n坐标的像素值。

将第i帧图像序列P_i与背景图像模板mask_i相减，然后再进行指数变换便得到血管初步图像V_i，公式如下：

(三)血管减影图像序列的三维增强模板

由于，血管图像序列的前后帧之间具有很大的相关性，血管造影像主要是造影原像与基像之间的差值部分。因此，将造影原像与基像之间的差值图像，即血管图像的增强模板，用于血管造影图像增强。

对第i帧图像序列P_i和上一帧图像序列P_i-1的差进行指数变换，得到第i帧的血管增强模板D_i′，其计算公式如下：

血管增强前需要对增强模板D_i′进行一次中值滤波，以滤除增强模板D_i′中的噪声。

对第i帧血管增强模板D_i′进行3X3的中值滤波，即得到第i帧的血管三维增强模板D_i″，其计算公式为：

D_i″＝medfilt(D_i′,[3 3])。

(四)血管减影图像增强与血管图像合成

用第i帧的血管三维增强模板D_i″对第i帧的初步血管图像V_i进行血管图像增强，得到第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)，其计算公式为：

式中，Max(D_i″)－第i帧的血管三维增强模板D_i″的最大像素值。

血管图像合成是将每一帧增强后的血管减影图像V_i’(m,n)进行累加，得到血管造影像V_t，其计算公式如下：

Vt＝ΣV_i′。

(五)图像位宽变换

图像位宽变换目的是对每帧图像进行限幅，然后拉伸到计算机显示范围。

(1)血管减影图像的图像位宽变换处理

对于血管减影图像的图像位宽变换处理，将第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i。

首先求得血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv。

根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn。

若减影像图像像素V_i’(m,n)小于减影像图像像素的最小值dmn，减影像图像像素V_i’(m,n)则等于减影像图像像素的最小值dmn。

若减影像图像像素V_i’(m,n)大于减影像图像像素的最大值dmx，减影像图像像素V_i’(m,n)则等于减影像图像像素的最大值dmx。

若减影像图像像素V_i’(m,n)小于减影像图像像素的最大值dmx，且大于减影像图像像素的最小值dmn，则减影像图像像素的值V_i’(m,n)保持不变。

血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn的计算公式如下：

式中，β₁、β₂－常数，且β₁∈(0,1),β₂∈(0,1),β₁＜β₂。

根据血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn对第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行限幅处理，得到限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)，其计算公式为：

对限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)进行平移拉伸，即得到最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i，其计算公式为：

若输入图像是8位，则图像位宽最大值BW为255；若输入图像是16位，则图像位宽最大值BW为65535。

(2)血管合成图像的图像位宽变换处理

对于血管合成图像的图像位宽变换处理，将血管合成图像V_t进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的血管合成图像outIm。

首先求得血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv。

根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t。

若血管合成图像像素V_t(m,n)小于血管合成图像像素的最小值dmn_t，血管合成图像像素V_t(m,n)则等于造影像图像像素的最小值dmn_t。

若血管合成图像像素V_t(m,n)大于血管合成图像像素的最大值dmx_t，血管合成图像像素V_t则等于造影像图像像素的最大值dmx_t。

若血管合成图像像素V_t(m,n)小于血管合成图像像素的最大值dmx_t，且大于血管合成图像像素的最小值dmn_t，则血管合成图像像素V_t的值保持不变。

血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t的计算公式如下：

式中，β₃、β₄－常数，且β₃∈(0,1),β₄∈(0,1),β₃＜β₄。

根据血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t对血管合成图像V_t进行限幅处理，得到限幅后的血管合成图像V_t’，其计算公式为：

对限幅后的血管合成图像V_t’进行平移拉伸，即得到最终输出的血管合成图像outIm，其计算公式为：

本发明通过对原始血管图像序列进行对数变换处理后，对血管图像序列进行加权求和，得到背景图像模板，通过血管图像序列和背景图像模板得到血管初步图像，利用前后帧之间的相关性，计算出血管图像的增强模板，并对增强模板进行中值滤波，求得血管的三维增强模板，最终根据血管初步图像和三维增强模板得到每帧血管减影图像，再对血管减影图像进行限幅和拉伸，即可在显示器上显示每帧减影像；将每帧血管减影图像进行叠加即可得到血管合成图像，再对血管合成图像进行位宽变换，即可输出显示血管造影像。本发明能有效地提高生成血管图像的清晰度和准确性。

Claims (3)

1.一种数字减影血管造影方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：图像序列对数变换：对减影过程中的基象和造影原像分别进行对数变换处理，能使减影图像的血管更清晰，对第i帧图像序列I_i中的每个像素进行对数变换，得到第i帧输出图像P_i，其计算公式为：

$P_i=Ln\left(\frac{I_i}{BW}\right)$

式中，BW－图像帧I_i的像素最大值；

S2：计算背景图像模板：为了抑制噪声和造影剂给血管图像带来的影响，将图像序列P_i进行加权求和，而第i帧图像序列P_i像素值的权重大小与它和上一帧图像序列P_i-1同位置像素值的差成反比，背景图像模板mask_i的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}d{f}_i(m,n)=\mathrm{\α}\·\left|P_i\right(m,n)-P_{i-1}(m,n\left)\right|\\ mas{k}_0(m,n)=P_0(m,n)\\ mas{k}_i(m,n)=(1-d{f}_i\left(m,n\right))\·mas{k}_{i-1}(m,n)+P_i(m,n)\·d{f}_i(m,n)\end{array}\right.$

式中，α－常数，且α∈(0,1)；

m、n－图像帧中像素的位置；

P_i(m,n)－第i帧图像P_i中位于m，n坐标的像素值；

S3：计算初步血管图像：对第i帧图像序列P_i和其背景图像模板mask_i的差进行指数变换，得到第i帧的初步血管图像V_i，其计算公式如下：

$V_i=e^{-|P_i-{\mathrm{mask}}_i|};$

S4：计算血管增强模板：对第i帧图像序列P_i和上一帧图像序列P_i-1的差进行指数变换，得到第i帧的血管增强模板D′_i，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_i=e^{-|P_i-P_{i-1}|}\\ D_i^{\′}(m,n)=Min\left(D_i\right(m,n),D_{i+1}(m,n\left)\right)\end{array}\right.;$

S5：中值滤波处理：对第i帧血管增强模板D′_i进行3×3的中值滤波处理，滤除增强模板中的噪声，得到第i帧的血管三维增强模板D_i″，其计算公式如下：

D_i″＝medfilt(D′_i,[3 3])；

S6：血管减影图像增强：用第i帧的血管三维增强模板D_i″对第i帧的初步血管图像V_i进行图像增强，得到第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)，其计算公式为：

$V_i^{\′}(m,n)=V_i(m,n)\·(1+\frac{D_i^{\′\′}(m,n)}{Max\left(D_i^{\′\′}\right)})$

式中，Max(D_i″)－第i帧的血管三维增强模板D_i″的最大像素值；

S7：血管图像合成：对每一帧血管减影图像V_i’(m,n)进行累加，得到血管合成图像V_t，其计算公式为：

Vt＝∑V_i′；

S8：图像位宽变换处理：首先计算图像序列的最大值和最小值，然后根据图像序列的最大值和最小值计算图像像素值的最大值和最小值，再根据图像像素值的最大值和最小值对图像序列进行限幅处理，最后对限幅后的图像序列进行平移拉伸，即得到最终输出显示的图像序列；

所述的图像位宽变换处理包括血管减影图像的图像位宽变换处理和血管合成图像的图像位宽变换处理；

S9：图像数据输出：通过计算机显示器输出显示血管减影图像和血管合成图像。

2.根据权利要求1所述的一种数字减影血管造影方法，其特征在于：步骤S8所述的血管减影图像的图像位宽变换处理步骤为：将第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i，所述的血管减影图像的图像位宽变换步骤包括以下子步骤：

S811：计算血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv；

S812：确定血管减影图像的像素范围：根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}dmn=mmnv+(mmxv-mmnv)\·{\mathrm{\β}}_1\\ dmx=mmxv-(mmxv-mmnv)\·{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

式中，β₁、β₂－常数，且β₁∈(0,1),β₂∈(0,1),β₁＜β₂；

S813：图像限幅：根据血管减影图像像素值的最大值dmx和最小值dmn对第i帧的血管减影图像V_i’(m,n)进行限幅处理，得到限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)，其计算公式为：

$V_i^{\&prime;\&prime;}(m,n)=\left\{\begin{array}{cc}dmn& V_i^{\&prime;}(m,n)<dmn\\ dmx& V_i^{\&prime;}(m,n)>dmx\\ V_i^{\&prime;}(m,n)& others\end{array}\right.;$

S814：输出第i帧的血管减影图像outImg_i：对限幅后的第i帧的血管减影图像V_i″(m,n)进行平移拉伸，即得到最终输出的第i帧的血管减影图像outImg_i，其计算公式为：

${\mathrm{outImg}}_i=\frac{(V_i^{\&prime;\&prime;}-dmn)}{(dmx-dmn)}\&CenterDot;BW.$

3.根据权利要求1所述的一种数字减影血管造影方法，其特征在于：步骤S8所述的血管合成图像的图像位宽变换处理，将血管合成图像V_t进行图像位宽变换处理后，再通过计算机显示屏显示最终输出的血管合成图像outIm，所述的血管合成图像的图像位宽变换步骤包括以下子步骤：

S821：计算血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv；

S822：确定血管合成图像的像素范围：根据血管图像序列的最大值mmxv和最小值mmnv计算血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}dm{n}_t=mmnv+(mmxv-mmnv)\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_3\\ {\mathrm{dmx}}_t=mmxv-(mmxv-mmnv)\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_4\end{array}\right.$

式中，β₃、β₄－常数，且β₃∈(0,1),β₄∈(0,1),β₃＜β₄；

S823：图像限幅：根据血管合成图像像素值的最大值dmx_t和最小值dmn_t对血管合成图像V_t进行限幅处理，得到限幅后的血管合成图像V_t’，其计算公式为：

${\mathrm{Vt}}^{\&prime;}(m,n)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{dmn}}_t& V_t(m,n)<{\mathrm{dmn}}_t\\ {\mathrm{dmx}}_t& V_t(m,n)>{\mathrm{dmx}}_t\\ Vt(m,n)& others\end{array}\right.;$

S824：输出血管合成图像outIm：对限幅后的血管合成图像V_t’进行平移拉伸，即得到最终输出的血管合成图像outIm，其计算公式为：

$out\mathrm{Im}=\frac{({\mathrm{Vt}}^{\&prime;}-{\mathrm{dmn}}_t)}{({\mathrm{dmx}}_t-{\mathrm{dmn}}_t)}\&CenterDot;BW.$