CN108294768B - 序列图像多参数配准的x射线心血管造影减影方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影方法及系统，属于医学成像技术领域。先由X射线造影图像序列结构特征提取和迭代优化，分离出冠脉造影序列图像中的心跳信号、呼吸信号和平移运动信号。利用这些运动信号，从冠脉造影序列图像中，自动选择成对的时相相同的蒙片或活片，消除蒙片序列与活片序列之间可能存在的平移运动、呼吸运动和心脏旋转运动。最后采用减影的步骤，从冠脉造影图中提取较为完整清晰的冠脉血管序列。通过本发明在一个冠脉血管造影序列中，不同心动周期各个时相造影图像可以相互对应起来，这样就找到了与每个蒙片背景最相近的冠脉造影图，充分的利用了序列图像本身提供的血管运动信息。
Description
技术领域
本发明属于医学成像技术领域，更具体地，涉及一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影方法及系统。
背景技术
数字减影血管造影(Digital Subtraction Angiography,DSA)技术是一种应用于介入放射学的透视技术，可以在骨骼或密集的软组织环境中清晰地显现出血管，是血管疾病无创诊断的重要依据。医生在对患者进行冠状动脉造影检查时，由于造影剂对人体有害，注入在人体内的造影剂停留的时间不会很久，一般情况下，一个冠脉造影图序列只会持续6s左右不会超过10s。成人正常心跳在60-100次/分钟，一个心动周期在0.6-1.0s之间。而造影过程中，图像采样帧数在80ms/frame左右，因此一个冠脉血管造影图序列中存在多个心动周期。
在一个冠脉血管造影图像序列中，当造影剂(contrast agent)还没有进入血管时，造影图中不会出现冠脉血管，我们称之为蒙片(mask)。当造影剂逐渐充满血管，产生的造影图像称之为活片(live)。所谓的减影就是将活片与蒙片相减，理想的情况下会得到只含冠脉血管的图像。但是心脏在三维空间的运动十分复杂，在冠脉造影序列图像中含有心脏的跳动信号和患者的呼吸运动信号。另外，医生在使用单臂X射线造影系统时，为了使造影成像图中包含有整个冠脉血管，可能会移动造影平台，这就造成在X射线造影序列图像中可能还会有患者身体的二维平移运动信号。
图像配准就是要使在不同时间，不同视角或不同传感器获取的两幅图像或者多幅图像在空间上对齐。配准算法可以大致分为四个步骤：特征检测，特征匹配，变换模型的估计以及图像重采样与变换。配准的算法大致可以分成两大类，一种是基于区域的图像配准，另一种是基于特征的图像配准。前者将特征检测步骤与匹配部分合并，直接比较参考图像与待配准图像感兴趣区域之间灰度差异，寻找最小差异达到配准的效果，如归一化互相关法、Fourier法以及互信息法。后者是基于图像中突出的结构特征的提取，如特征点、特征线等，通过空间关系法、固定特征描述子法、金字塔法和小波变换等方法达到图像配准的效果。
但是图像配准在过去都是使用一对图像，利用的是参考图像与待配准图像中的特征区域或者特征结构。在冠脉造影图像序列中，既有造影剂没有进入血管的造影图(蒙片)，也有造影剂逐渐充满血管的造影图(活片)，蒙片与活片的配准非常困难。造影序列图像中包含了冠脉血管的运动参数信息，此前已有的配准方法没有用到图像序列中包含的运动参数信息。
在冠脉造影序列图像中，由于蒙片和活片的心动周期相位不吻合，直接采用减影的操作得到的结果中含有大量的背景伪像。因此必须采取某种手段寻找时相相同的蒙片与活片。为了解决这个问题，目前多采用心电门控做同步信号，该方法在采集冠脉血管造影图时，需要心电门控信号作为获取造影图像的触发信号。在造影剂还未进入血管时，以R波(心电脉冲峰值)为起点采集的造影图，找到与R波同相位的一帧作为第一帧蒙片。在造影剂充满血管时，也以R波为起点采集造影图。检查结束后，可以抽取时相相同的蒙片序列片段与活片序列进行减影，如图3所示。但是心电门控技术复杂，现有的血管造影系统很多没有相应的心电门控，这也使得很多冠脉血管造影图像没有对应的心电图。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影方法及系统，由此解决在现有的血管造影系统很多没有相应的心电门控，使得很多冠脉血管造影图像没有对应的心电图的情况下，无法采用心电门控做同步信号来寻找时相相同的蒙片与活片的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影方法，包括：
从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，从所述第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，所述第一结构特征点为所述蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，从所述第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，所述第二结构特征点为所述活片序列片段中血管结构特征点；
利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准；
消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，所述对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
优选地，所述跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，包括：
由sm(n)＝cm(n)+rm(n)+Lm(n)+tm(n)确定所述第一结构特征点的第一运动信号，其中，第一运动信号sm(n)为混合信号，cm(n)表示所述第一心跳运动信号，rm(n)表示所述第一呼吸运动信号，Lm(n)表示所述第一平移运动信号，tm(n)表示其他信号，n表示蒙片序列片段中的图像帧号。
优选地，所述利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn表示所述第一心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn＝±Cn，n表示蒙片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn表示所述第一心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定所述第一心跳运动信号中的最大值Cmax对应的目标帧号，判断所述第一心跳运动信号中除Cmax的其他点与Cmax的数值关系，再结合αn正负号确定所述第一心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
优选地，所述利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，包括：
由sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)消除所述第一平移运动信号，由sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)消除所述第一呼吸运动信号，其中，sm'(n)表示所述蒙片序列片段中消除所述第一平移运动信号后的混合信号，sm”(n)表示所述蒙片序列片段中消除所述第一平移运动信号和所述第一呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除所述第一平移运动信号和所述第一呼吸运动信号后的混合信号，将所述蒙片序列片段中相同时相的蒙片在蒙片序列坐标系上进行相互配准。
优选地，所述跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，包括：
由sc(n)＝cc(n)+rc(n)+Lc(n)+tc(n)确定所述第二结构特征点的第二运动信号，其中，第二运动信号sc(n)为混合信号，cc(n)表示所述第二心跳运动信号，rc(n)表示所述第二呼吸运动信号，Lc(n)表示所述第二平移运动信号，tc(n)表示其他信号，n表示所述活片序列片段中的图像帧号。
优选地，所述利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn'表示所述第二心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn'＝±Cn'，n表示活片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn'表示所述第二心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定所述第二心跳运动信号中的最大值Cmax'对应的目标帧号，判断所述第二心跳运动信号中除Cmax'的其他点与Cmax'的数值关系，再结合αn'正负号确定所述第二心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
优选地，所述利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，包括：
由sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)消除所述第二平移运动信号，由sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)消除所述第二呼吸运动信号，其中，sc'(n)表示所述活片序列片段中消除所述第二平移运动信号后的混合信号，sc”(n)表示所述活片序列片段中消除所述第二平移运动信号和所述第二呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除所述第二平移运动信号和所述第二呼吸运动信号后的混合信号，将所述活片序列片段中相同时相的活片在活片序列坐标系上进行相互配准。
优选地，所述利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准，包括：
将所述蒙片序列坐标系与所述活片序列坐标系对准后，利用sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)和sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的平移分量，以将最后一帧蒙片与第一帧活片配准；
利用sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)和sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)分离出来的呼吸运动分量，消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的呼吸运动分量，估计最后一帧蒙片与第一帧活片的呼吸运动分量，以将所述蒙片序列片段与所述活片序列片段进行配准。
优选地，所述消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量，包括：
将所述活片序列片段中的图像以根部节点为中心顺时针旋转θ角度，其中，活片序列图像上任意点(x,y)绕根部节点(a,b)顺时针旋转θ角后的坐标为(X,Y)，得到旋转后的活片序列图像，其中，
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影系统，包括：
蒙片间对准模块，用于从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，从所述第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，所述第一结构特征点为所述蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
活片间对准模块，用于从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，从所述第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，所述第二结构特征点为所述活片序列片段中血管结构特征点；
相互对准模块，用于利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准；
旋转分量消除模块，用于消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
减影模块，用于将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，所述对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：在一个冠脉血管造影序列中，不同心动周期各个时相造影图像可以相互对应起来，这样就找到了与每个蒙片背景最相近的冠脉造影图，充分的利用了序列图像本身提供的血管运动信息。
附图说明
图1是该发明的流程框图；
图2是蒙片序列内部、活片序列内部及它们之间的配准示意图；
图3是心脏减影处理原理图；
图4是不同时相在心脏跳动曲线中的对应关系；
图5是右视角蒙片序列Y轴方向心脏跳动曲线；
图6是右视角活片序列Y轴方向心脏跳动曲线；
图7(a)与图7(b)分别是从右视角蒙片序列片段中分离的X轴，Y轴方向呼吸运动；
图8(a)与图8(b)分别是从右视角活片序列片段中分离的X轴，Y轴方向平移运动；
图9(a)与9(b)分别是从右视角活片序列片段中分离的X轴，Y轴方向呼吸运动；
图10(a)-图14(a)是右视角蒙片序列片段，是序列图像中的第2帧到第6帧；
图10(b)-图14(b)是右视角活片序列片段，是序列图像中的第30帧到第34帧；
图10(c)-图14(c)是右视角冠脉造影图去噪，消除平移后与同时相的蒙片减影结果；
图10(d)-图14(d)是右视角冠脉造影图去噪，消除平移信号、呼吸信号和心脏旋转运动信号后与同时相蒙片减影结果，其中图10(c)，10(d)是第30帧与第2帧减影结果；图11(c)，11(d)是第31帧与第3帧减影结果；图12(c)，12(d)是第32帧与第4帧减影结果；图13(c)，13(d)是第33帧与第5帧减影结果；图14(c)，14(d)是第34帧与第6帧减影结果；
图15(a)-图19(a)是左视角蒙片序列片段，是序列图像中的第3帧到第7帧；
图15(b)-图19(b)是左视角活片序列片段，是序列图像中的第13帧到第17帧；
图15(c)-图19(c)是左视角冠脉造影图去噪，消除平移后与同时相的蒙片减影结果；
图15(d)-图19(d)是左视角冠脉造影图去噪，消除平移信号、呼吸信号和心脏旋转运动信号后与同时相蒙片减影结果，其中图15(c)，15(d)是第13帧与第3帧减影结果；图16(c)，16(d)是第14帧与第4帧减影结果；图17(c)，17(d)是第15帧与第5帧减影结果；图18(c)，18(d)是第16帧与第6帧减影结果；图19(c)，19(d)是第17帧与第7帧减影结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影的方法，先提取蒙片序列中导管的结构特征点在序列图像中随时间变化的运动曲线，分离出蒙片序列中的心脏跳动信号、平移运动信号和呼吸运动信号。再提取活片序列中的心血管结构特征点在序列图像中随时间变化的运动曲线，分离出活片序列中的心脏跳动信号、平移运动信号和呼吸运动信号。进一步确定时相相同的活片序列片段和蒙片序列片段，补偿蒙片序列与活片序列中平移运动、呼吸运动和心脏旋转运动，再通过对准好的活片序列与蒙片序列相减的步骤提取冠脉造影图中的冠脉血管序列。
如图1所示为本发明提供的一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影的方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括：
S1、从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪第一结构特征点以确定第一结构特征点的第一运动信号，从第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用第一心跳运动信号确定蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号对蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，第一结构特征点为蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
其中，跟踪第一结构特征点以确定第一结构特征点的第一运动信号，包括：
由sm(n)＝cm(n)+rm(n)+Lm(n)+tm(n)(1)确定第一结构特征点的第一运动信号，其中，第一运动信号sm(n)为混合信号，cm(n)表示第一心跳运动信号，rm(n)表示第一呼吸运动信号，Lm(n)表示第一平移运动信号，tm(n)表示其他信号(如噪声)，n表示蒙片序列片段中的图像帧号。
其中，
表示心脏跳动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示心脏跳动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示呼吸运动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示呼吸运动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示平移运动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示平移运动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示其他信号动作引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示其他信号动作引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量。
其中，如图5是从导管曲率最大点的运动曲线中分离的心脏跳动曲线。可以看出一个周期的心脏跳动曲线近似于一条正弦曲线，曲线上的每一点距离X轴的距离不同，前一点相对于相邻后一点有向上或者向下的运动趋势，因此，利用第一心跳运动信号确定蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn表示第一心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn＝±Cn，n表示蒙片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn表示第一心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定第一心跳运动信号中的最大值Cmax对应的目标帧号(该帧图像处于心脏舒张末期)，判断第一心跳运动信号中除Cmax的其他点与Cmax的数值关系，再结合αn正负号确定第一心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
结合图4可知，心脏舒张时曲线上的点有向上运动趋势，心脏收缩时曲线上的点有向下运动趋势，因此，正号表示该点对应的图像处于心脏的舒张期，负号表示该点对应的图像处于心脏的收缩期。如图5中第50，60帧处于快速充盈期，第51-52帧处于缓慢充盈期，第53帧处于心房收缩期，第54帧处于等容收缩期，第55-56帧处于快速射血期，第57-58帧处于缓慢射血期，第59帧处于等容舒张期。
其中，利用第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，包括：
由sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)(2)消除第一平移运动信号，由sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)(3)消除第一呼吸运动信号，其中，sm'(n)表示蒙片序列片段中消除第一平移运动信号后的混合信号，sm”(n)表示蒙片序列片段中消除第一平移运动信号和第一呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除第一平移运动信号和第一呼吸运动信号后的混合信号，将蒙片序列片段中相同时相的蒙片在蒙片序列坐标系上进行相互配准。
S2、从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪第二结构特征点以确定第二结构特征点的第二运动信号，从第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用第二心跳运动信号确定活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号对活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，第二结构特征点为活片序列片段中血管结构特征点。
其中，跟踪第二结构特征点以确定第二结构特征点的第二运动信号，包括：
由sc(n)＝cc(n)+rc(n)+Lc(n)+tc(n)(4)确定第二结构特征点的第二运动信号，其中，第二运动信号sc(n)为混合信号，cc(n)表示第二心跳运动信号，rc(n)表示第二呼吸运动信号，Lc(n)表示第二平移运动信号，tc(n)表示其他信号(如噪声)，n表示所述活片序列片段中的图像帧号。
其中，
表示心脏跳动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示心脏跳动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示呼吸运动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示呼吸运动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示平移运动引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示平移运动引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量，
表示其他信号动作引起的特征点沿着x轴坐标变化的信号分量，
表示其他信号动作引起的特征点沿着y轴坐标变化的信号分量。
如图6是从血管结构特征点的运动曲线中分离的心脏跳动曲线。
其中，利用第二心跳运动信号确定活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn'表示第二心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn'＝±Cn'，n表示活片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn'表示第二心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定第二心跳运动信号中的最大值Cmax'对应的目标帧号，判断第二心跳运动信号中除Cmax'的其他点与Cmax'的数值关系，再结合αn'正负号确定第二心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
其中，利用第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号对活片序列片段中各活片间进行相互对准，包括：
由sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)(5)消除第二平移运动信号，由sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)(6)消除第二呼吸运动信号，其中，sc'(n)表示活片序列片段中消除第二平移运动信号后的混合信号，sc”(n)表示活片序列片段中消除第二平移运动信号和第二呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除第二平移运动信号和第二呼吸运动信号后的混合信号，将活片序列片段中相同时相的活片在活片序列坐标系上进行相互配准。
S3、利用第一平移运动信号、第一呼吸运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号对相邻的蒙片序列片段以及活片序列片段进行相互对准；
将蒙片序列坐标系与活片序列坐标系对准后，利用sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)和sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的平移分量，以将最后一帧蒙片与第一帧活片配准；
利用sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)和sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)分离出来的呼吸运动分量，消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的呼吸运动分量，估计最后一帧蒙片与第一帧活片的呼吸运动分量，以将蒙片序列片段与活片序列片段进行配准。
S4、消除活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
S5、将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
其中，通过以上步骤，可以将不同心动周期中的相同时相的蒙片与活片对应起来。理想情况下，这些蒙片与活片图像的背景相同，对准后的减影可以完全消除背景，但是在实际情况中，由于冠脉造影血管序列图像是离散时间采样的结果，不同的心动周期中相同时相的蒙片与活片之间可能存在微小的时间差。在这个时间差中，心脏有以根部节点为中心的旋转运动。考虑到心脏旋转运动分量，在蒙片序列与活片序列减影前，先将活片序列图像以根部节点(a,b)为中心顺时针旋转小的角度θ(0-1°)，再与相同时相的蒙片减影。实验结果发现当活片序列图像顺时针旋转0.3°-0.4°时，得到的减影结果较好。活片序列图像Cont(n)上任意点(x,y)绕根部节点(a,b)顺时针旋转θ角后新坐标为(X,Y)，得到旋转后的活片序列图像Cont'(n)。
在消除蒙片序列与活片序列的平移分量、呼吸分量与旋转运动分量后，采用减影的步骤得到较为清晰完整的冠脉序列。其公式可以表达为：
DSAi(n)＝Conti'(n)-Maski(n)(8)
其中，i表示心脏8个时相中的一种，DSAi(n)表示较为清晰的冠脉序列图，Conti'(n)是与蒙片Maski(n)同时相的消除旋转影响后的活片。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明提出一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影的方法，实施方式具体包括以下步骤：
1.蒙片序列中各蒙片的相互对准
Step1:提取蒙片序列片段导管的结构特征点(曲率变化最大点)，跟踪其运动并提取其运动曲线；
在冠脉造影序列图像中，包含有各种运动状态的冠脉造影图。在造影剂未注入冠脉血管的序列图为冠脉血管蒙片序列。在序列图的末尾，造影剂在血管中逐渐消散甚至消失，这些图像也可以当作蒙片，具体见图2所示。在蒙片中虽然没有冠脉血管，但是导管上的特征点的运动也反应出了心脏的运动状态。跟踪特征点提取其运动曲线可以为分离不同的运动信号做准备。
Step2:从导管结构特征点的运动曲线中分离出心跳运动、平移运动、呼吸运动信号分量曲线；
利用本发明方法从导管特征点的运动曲线估计心脏跳动信号、平移运动信号、呼吸运动信号分量。
Step3:标记蒙片序列中各蒙片所处的时相；
利用从导管特征点的运动曲线中分离的心跳信号确定蒙片序列中各蒙片时相。
Step4:对蒙片序列中相同时相的蒙片进行对准；
利用估计的随时间变化的平移运动分量和呼吸运动分量，将该蒙片序列相同时相的蒙片在空间上进行相互配准对应起来。
2.活片序列中各活片相互配准
Step5:从血管结构特征点运动曲线中分离出心跳信号、平移信号、呼吸信号分量曲线；
利用本发明方法在冠脉血管上选取特征点，然后在序列图像中跟踪得到特征点随时间变化的运动曲线，采用多参数模型指导的迭代分离方法，从运动曲线中分离出心脏跳动信号、平移运动信号、呼吸运动信号分量曲线。
Step6:活片序列内部配准；
利用估计的随时间变化的平移运动分量和呼吸运动分量，将该冠脉造影图中相同时相的活片在空间上进行相互配准对应起来；
3.活片序列/蒙片序列时相相互对准
Step7:标记蒙片序列/活片序列中相同时相的各蒙片/各活片，并认为具有相同标记的蒙片/活片已进行了配准；
在一个心动周期中有8个时相，它们其分别为：心房收缩期、等容收缩期、快速射血期、缓慢射血期、舒张前期、等容舒张期、快速充盈期、缓慢充盈期。每个时相持续的时间各不相同，时相与心脏跳动曲线的对应关系如图4所示。不同帧号的造影图对应着心跳曲线上不同的位置，根据心跳曲线就可以判断出造影图在哪个时相区间内。通过图5与图6可以看出一个周期的心脏跳动曲线近似于一条正弦曲线，曲线上的每一点距离X轴的距离不同，前一点相对于相邻后一点有向上或者向下的运动趋势，用矢量αn表示每个点的数据，αn＝±Cn。其中，n表示造影图对应的帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn表示心跳信号中各点到X轴的距离。结合图4可知，心脏舒张时曲线上的点有向上运动趋势，心脏收缩时曲线上的点有向下运动趋势，因此，正号表示该点对应的图像处于心脏的舒张期，负号表示该点对应的图像处于心脏的收缩期。在图6中，第6-8帧、14-18帧、23-27帧、33-36帧符号为负值，这些图像在心脏收缩状态的时相中。第9-13、19-22帧、28-32帧符号为正值，这些图像在心脏舒张状态的时相中。Cn表示心跳信号中各点到X轴的距离。分离出心脏跳动曲线后，首先确定最大值Cmax对应的帧号，然后判断其他点Ci与最大值Cmax的数值关系，再结合正负号最终确定每个点对应的图像处于心脏中的具体时相。我们将心动周期的8个时相分别用时相a-h标记。每帧图像对应于8个时相中的一个，这样就将活片序列与蒙片序列分成8个组。每个组内的造影图所在的心脏时相都是相同的。如图7、图8与图9所示，图7(a)与图7(b)分别是从右视角蒙片序列片段中分离的X轴，Y轴方向呼吸运动；图8(a)与图8(b)分别是从右视角活片序列片段中分离的X轴，Y轴方向平移运动；图9(a)与9(b)分别是从右视角活片序列片段中分离的X轴，Y轴方向呼吸运动。
4.相邻蒙片序列和活片序列的配准
蒙片序列与活片序列已通过上述步骤进行了内部配准与标记，因此只需要对蒙片序列与活片序列首尾相邻的两帧造影图像进行配准即认为活片序列与蒙片序列配准了。
Step8:消除蒙片序列与活片序列首尾相邻的两帧造影图平移运动；
由式(1)在无噪声信号干扰的理想情况下，特征点运动曲线s(n)包含有心脏跳动信号c(n)、呼吸信号r(n)、平移信号L(n)和其他信号t(n)。利用本发明方法，一种自动不断循环优化迭代从X射线造影序列图像中提取平移运动和心脏运动等运动参数。由式(2)，消除蒙片与相同时相的冠脉血管造影图的平移运动信号L(n)。
消除平移信号右视角减影结果如图10(c)～14(c)所示，左视角减影结果如图15(c)～19(c)所示。从减影图像中可以看到，目标冠脉血管被完整的提取出来，但是在非血管区域中仍然有一些背景伪像没有完全消除。
Step9:消除蒙片序列与活片序列首尾相邻的两帧造影图呼吸运动；
在冠脉造影检查时，患者的呼吸对心脏的造影成像会产生影响，所以医生会要求病人在检查时屏住呼吸，然而这种方法并不是完全有效的，因为屏住呼吸可能会使患者的心脏运动的更加复杂，得到的造影图像可能会变模糊。人体的呼吸会引起心脏在三维空间中发生平移，投影到造影平面上表现为冠脉血管的二维平移运动。消除冠脉造影序列图像中的呼吸运动r(n)，使得蒙片与活片减影的效果更好。
5.补偿心脏旋转的影响
Step10:考虑心脏在造影过程中以根部节点为中心的旋转运动，消除相同时相的活片与蒙片之间的旋转因子；
心脏的结构复杂，心脏跳动时不仅包含有心肌向内收缩和向外舒张运动，还包括心脏的整体平移运动以及心脏绕心脏中轴的旋转运动。心脏的收缩舒张运动可以近似的认为是以心脏的重心为中心，心脏的旋转运动则是绕心脏中轴旋转，简化的血管中轴是通过重心且到心包表面点的距离平方和最小的空间直线。心脏在三维空间中的旋转运动，投影在二维造影图中表现为细微的移动。在确定了冠脉造影序列图像中的心动周期以及时相后，将相同时相的冠脉造影图与蒙片减影，非血管区域的消除程度不够，这是因为造影成像过程中心脏存在旋转运动，为了使非血管区域消除更加彻底，估计并补偿了心脏的旋转运动。
右视角冠脉造影序列消除平移信号、呼吸信号以及心脏旋转运动后，其减影结果如图10(d)～14(d)所示，左视角冠脉造影序列消除平移信号、呼吸信号以及心脏旋转运动后，其减影结果如图15(d)～19(d)所示。图10(c)是未消除旋转运动的右视角减影结果，图10(d)与图10(c)相对比，非血管区域中的一些背景伪像消除更加彻底。
6.减影
Step11:消除蒙片序列与活片序列的平移分量、呼吸分量与旋转后，利用公式(8)得到较为清晰完整的冠脉序列。
按照上述方法，在一个冠脉血管造影序列中，不同心动周期各个时相造影图像可以相互对应起来，这样就找到了与每个蒙片背景最相近的冠脉造影图，充分的利用了序列图像本身提供的血管运动信息。
本发明还提供了一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影的系统，包括：
蒙片间对准模块，用于从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪第一结构特征点以确定第一结构特征点的第一运动信号，从第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用第一心跳运动信号确定蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号对蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，第一结构特征点为蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
活片间对准模块，用于从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪第二结构特征点以确定第二结构特征点的第二运动信号，从第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用第二心跳运动信号确定活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号对活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，第二结构特征点为活片序列片段中血管结构特征点；
相互对准模块，用于利用第一平移运动信号、第一呼吸运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号对相邻的蒙片序列片段以及活片序列片段进行相互对准；
旋转分量消除模块，用于消除活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
减影模块，用于将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影方法，其特征在于，包括：
从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，从所述第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，所述第一结构特征点为所述蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，从所述第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，所述第二结构特征点为所述活片序列片段中血管结构特征点；
利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准；
消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，所述对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，包括：
由sm(n)＝cm(n)+rm(n)+Lm(n)+tm(n)确定所述第一结构特征点的第一运动信号，其中，第一运动信号sm(n)为混合信号，cm(n)表示所述第一心跳运动信号，rm(n)表示所述第一呼吸运动信号，Lm(n)表示所述第一平移运动信号，tm(n)表示其他信号，n表示蒙片序列片段中的图像帧号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn表示所述第一心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn＝±Cn，n表示蒙片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn表示所述第一心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定所述第一心跳运动信号中的最大值Cmax对应的目标帧号，判断所述第一心跳运动信号中除Cmax的其他点与Cmax的数值关系，再结合αn正负号确定所述第一心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，包括：
由sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)消除所述第一平移运动信号，由sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)消除所述第一呼吸运动信号，其中，sm'(n)表示所述蒙片序列片段中消除所述第一平移运动信号后的混合信号，sm”(n)表示所述蒙片序列片段中消除所述第一平移运动信号和所述第一呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除所述第一平移运动信号和所述第一呼吸运动信号后的混合信号，将所述蒙片序列片段中相同时相的蒙片在蒙片序列坐标系上进行相互配准。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，包括：
由sc(n)＝cc(n)+rc(n)+Lc(n)+tc(n)确定所述第二结构特征点的第二运动信号，其中，第二运动信号sc(n)为混合信号，cc(n)表示所述第二心跳运动信号，rc(n)表示所述第二呼吸运动信号，Lc(n)表示所述第二平移运动信号，tc(n)表示其他信号，n表示所述活片序列片段中的图像帧号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，包括：
用矢量αn'表示所述第二心跳运动信号中每个点的数据，其中，αn'＝±Cn'，n表示活片序列片段中的图像帧号，正号表示向上运动趋势，负号表示向下运动趋势，Cn'表示所述第二心跳运动信号中各点到X轴的距离；
确定所述第二心跳运动信号中的最大值Cmax'对应的目标帧号，判断所述第二心跳运动信号中除Cmax'的其他点与Cmax'的数值关系，再结合αn'正负号确定所述第二心跳运动信号中的每个点对应的图像处于心脏中的时相。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，包括：
由sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)消除所述第二平移运动信号，由sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)消除所述第二呼吸运动信号，其中，sc'(n)表示所述活片序列片段中消除所述第二平移运动信号后的混合信号，sc”(n)表示所述活片序列片段中消除所述第二平移运动信号和所述第二呼吸运动信号后的混合信号；
根据消除所述第二平移运动信号和所述第二呼吸运动信号后的混合信号，将所述活片序列片段中相同时相的活片在活片序列坐标系上进行相互配准。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准，包括：
将所述蒙片序列坐标系与所述活片序列坐标系对准后，利用sm'(n)＝sm(n)-Lm(n)和sc'(n)＝sc(n)-Lc(n)消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的平移分量，以将最后一帧蒙片与第一帧活片配准；
利用sm”(n)＝sm'(n)-rm(n)和sc”(n)＝sc'(n)-rc(n)分离出来的呼吸运动分量，消除最后一帧蒙片与第一帧活片之间的呼吸运动分量，估计最后一帧蒙片与第一帧活片的呼吸运动分量，以将所述蒙片序列片段与所述活片序列片段进行配准。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量，包括：
将所述活片序列片段中的图像以根部节点为中心顺时针旋转θ角度，其中，活片序列图像上任意点(x,y)绕根部节点(a,b)顺时针旋转θ角后的坐标为(X,Y)，得到旋转后的活片序列图像，其中，
10.一种序列图像多参数配准的X射线心血管造影减影系统，其特征在于，包括：
蒙片间对准模块，用于从蒙片序列片段中选取第一结构特征点，跟踪所述第一结构特征点以确定所述第一结构特征点的第一运动信号，从所述第一运动信号中分离出第一心跳运动信号、第一平移运动信号以及第一呼吸运动信号，利用所述第一心跳运动信号确定所述蒙片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第一平移运动信号以及所述第一呼吸运动信号对所述蒙片序列片段中各蒙片间进行相互对准，其中，所述第一结构特征点为所述蒙片序列片段中导管结构曲率变化最大的点；
活片间对准模块，用于从活片序列片段中选取第二结构特征点，跟踪所述第二结构特征点以确定所述第二结构特征点的第二运动信号，从所述第二运动信号中分离出第二心跳运动信号、第二平移运动信号以及第二呼吸运动信号，利用所述第二心跳运动信号确定所述活片序列片段中每帧图像所处的心脏时相，利用所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对所述活片序列片段中各活片间进行相互对准，其中，所述第二结构特征点为所述活片序列片段中血管结构特征点；
相互对准模块，用于利用所述第一平移运动信号、所述第一呼吸运动信号、所述第二平移运动信号以及所述第二呼吸运动信号对相邻的所述蒙片序列片段以及所述活片序列片段进行相互对准；
旋转分量消除模块，用于消除所述活片序列片段中的活片相对于相同时相蒙片的心脏旋转分量；
减影模块，用于将对准后的活片序列片段与蒙片序列片段减影，其中，所述对准后的活片序列片段表示与蒙片同时相的消除旋转影响后的活片。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于Snake模型的血管树骨架三维重建技术;曹治国 等;《计算机学报》;20110331;第33卷(第3期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108294768A (zh) | 2018-07-20 |
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