CN108776961A - 一种胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学图像的后处理技术领域，特别涉及一种基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，首先根据对比剂停止注射后瘤体与血管褪色时间的差异对动脉瘤进行分割；其次使用流体被对比剂灌注的区域的面积的阶梯型变化特点对心动周期进行分割；再次，求得血管瘤区域在对比剂开始进入该区域后的第一个心动周期内的时间积分图像，并求出其强度分布曲线，根据强度分布曲线分割真腔与假腔；最后，通过真腔与假腔的面积比确定第一破口相对于真腔的位置，并定位第一破口；该方法定位成功率约为85％，与人工定位方法相比，该方法定位时间较短，且该方法可以缩短图像采集时间并减少对比剂的注射量。

Description

一种胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法

技术领域

本发明涉及医学图像的后处理技术领域，特别涉及一种基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法。

背景技术

主动脉夹层动脉瘤一般是指主动脉内膜因各种原因撕裂，动脉的高压血流由裂口进入主动脉中层，动脉中层与外膜分离，形成假腔的病症。其病理基础是主动脉壁中层弹力纤维和平滑肌的退行性变。主动脉夹层动脉瘤发病急、病死率高，及早、准确的诊断是取得明显治疗效果的关键。

主动脉夹层的手术治疗的目的是根据夹层破口位置、夹层撕裂范围、血管受累情况以及患者本身情况选择手术方式，以达到消除假腔、替换受累血管、重建供血目的。其中第一破口的位置，是临床治疗最为关注的征象。但，由于破裂口所在的方向、大小、数目不同，易受真假腔掩盖，横断面不易显示。以往多采用对CT血管成像图像人工判读方式进行破口位置评估，但CT血管成像图像为计算机后处理重建产生，其即时性较差；同时，人工判读严重依赖医生的经验，存在一定的误差。

数字减影血管成像(DSA)方法是一种常用的辅助诊断方法，其实时性与分辨率都较高。但是，由于DSA图像拍摄帧率有限，且对比剂注入浓度不宜过高，故根据DSA图像很难直接找到第一破口位置。同时，为减小呼吸伪影，病人在拍摄过程中通常处于呼吸停止状态，这增大了病人的痛苦。因此，需要设计一种方法，更好地进行主动脉夹层动脉瘤第一破口的定位，并降低病人的拍摄时间和对比剂的使用量。

发明内容

本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，包括以下步骤，

步骤1：对血管瘤进行分割；

步骤2：提取对比剂进入血管瘤区域后的第一个心动周期；

步骤3：求得步骤2所述第一个心动周期内血管瘤区域内图像的总体时间积分强度，并求出其强度分布曲线，根据强度分布曲线分割真腔与假腔；

步骤4：通过真腔与假腔的面积比确定第一破口相对于真腔的位置，并定位第一破口。

优选地，所述步骤1具体方法为：

由于当对比剂停止注入后，血管中的对比剂会迅速地被血液冲洗掉，但血管瘤中的对比剂的扩散流出过程则更为缓慢。因此，在此时的图片上，只有血管瘤和一些毛细血管被染色。为了去除组织伪影和噪声，选取倒数后三张图片，使用二值化方法提取出被染色的区域(设为I_m，I_m-1，I_m-2)后，利用(1)式，计算公共区域：

计算公共区域I_ext中每一个连通域面积，以面积最大的连通域为血管瘤区域。

优选地，步骤2所述第一个心动周期的起点为：血管瘤图像上未灌注部分面积第一次与第二次开始下降的位置，终点为血管瘤图像上未灌注部分面积第二次开始下降的位置。

由主动脉入口处的血液流速公式，当心动周期为0.8秒时，有：

其中，首先为射血相、紧接着为主动脉瓣关闭后的短暂回流，其余时间流速为0。

由于在相邻的心动周期内，血管瘤的体积可以看作是周期性变化的，则可知，血管瘤内的流速场和压力分布都是周期变化的。因此，瘤体内存在周期性的血液流入与流出过程。在心动周期开始阶段，由于含有对比剂的血液流入血管瘤，血管瘤内的对比剂含量上升，其后，当血液流速为0时，血管瘤内的对比剂含量稳定。因此，通过二值化提取出血管瘤内未被对比剂灌注的区域的面积(即总像素数目)，并作出血管瘤内未被对比剂灌注的部分面积随时间的变化曲线，可以发现，血管瘤图像上未被对比剂灌注的区域面积呈阶梯型下降。因此，通过提取血管瘤图像上未灌注部分面积第一次开始下降的位置，可以得到假腔被灌注时的第一个心动周期的起点；通过提取血管瘤图像上未灌注部分面积第二次开始下降的位置，可以得到假腔被灌注时的第一个心动周期的终点。进而，可以提取出该心动周期的范围，并使用该心动周期的图像进行计算，以减少对比剂的注射量和拍照时间。

优选地，由于图像上某像素的亮度I_r(x,y)与该像素位置处的对比剂粒子的物质的量n(x,y)有如下关系：

I_r(x,y)＝I₀(x,y)e^k×n(x,y) (3)

其中，k为对比剂的吸光系数，I₀(x，y)表示未加入对比剂时X光透过人体后的图像。

考虑到对比剂粒子的运动具有一定的随机性，为更好地提取出破口位置，首先定义位置为(x,y)的像素上对比剂粒子i的时间积分强度w_i(x,y)为：

其中，

c为单个对比剂粒子的吸光量，t_i(x,y)为该粒子在坐标为(x,y)的像素内存在的时间，为第i个对比剂粒子在平行于图片的方向上的平均速度，L_pixel为像素的长度。

对一个心动周期而言，可得位置为(x,y)的像素上的总体时间积分强度为：

其中，M为一个心动周期中的图像数量，N为在该心动周期中通过该像素的对比剂粒子总数目，Q为该心动周期中通过该像素的对比剂流量，Δt为两帧图像之间的间隔，I_c(p,x,y)表示第p张图像上像素(x,y)处的灰度值，h为比例系数。则，可知，由于在第一破口位置对比剂未受到稀释，故其对比剂平均浓度远高于其余位置；同样的，由于在血液由第一破口喷出时的速度方向所指向的涡流位置，对比剂运动的平均速度较低，且由于对比剂因涡流造成的叠加，N(x,y)亦显著增大，此时，亦取到极大值，因此，这两个区域的W(x,y)值远大于其余区域。同时，关于整个心动周期的积分还可以抑制由于血液喷射的随机性带来的噪声，从而起到增强并突出上述两个区域的作用。

根据公式(3)与(5)，可以发现，由于假腔内的对比剂受到了稀释，故假腔中的W(x,y)低于真腔。使用公式(6)求得瘤体范围内的归一化总体时间积分强度I_f，并分为50个强度级别，作出强度分布曲线。

max{W}和min{W}代表矩阵W的最大值与最小值；观察强度分布曲线，可以发现，图像内存在两个峰，分别代表真腔与假腔的总体时间积分强度，其中，代表真腔的峰位于代表假腔的峰的左侧。相比于原始图像中血管瘤部分的灰度分布，刚度分布曲线中，代表真腔与假腔的两个峰与它们之间的谷的大小相差更大，区分更为明显，因此，可以将真腔与假腔依靠这两个峰之间的谷区分开。

优选地，所述步骤4中通过真腔与假腔的面积比确定第一破口相对于真腔位置的具体方法为：

首先，积分强度分布曲线，得到真腔与假腔的面积，并计算真腔与假腔的面积比。当破口位于真腔的大弯侧或小弯侧时，瘤体与真腔的重合面积较小，故其真腔与假腔的面积比小于1；而当破口位于真腔的腹侧或背侧时，瘤体与真腔必然会重合较大的面积，故其真腔与假腔的面积比大与1。根据真腔、假腔的面积比例是否大于1，可以实现对于破口与真腔间的位置关系的区分。

优选地，所述步骤4中定位第一破口位置的具体方法为：

当破口位于真腔一侧时，破口位置附近的I_f值为整个假腔中的最小值；而当破口位于真腔正上方或正下方时，由于破口处的像素上的对比剂总体时间积分强度为真腔与假腔中该位置的对比剂总体时间积分强度的和，破口位置附近的I_f值亦为真腔中的最小值。据此，可以在准确定位血管瘤并分割真腔、假腔的基础上，实现对于血管瘤破口的定位。取强度分布曲线中破口所在峰上升段的前四分之一灰度范围内的像素，得到第一破口位置的初步提取结果。

但是，由于毛细血管与涡流会带来噪声，需要对这些噪声加以滤除。由于第一破口一定与真腔相连通，而这些噪声区域较为独立。因此，可以根据提取出的结果中的每个连通域与真腔是否存在重合，检测每个连通域是否与真腔连通，舍去不连通的位置，去除毛细血管与涡流带来的噪声。选取所有与真腔连通的区域中面积最大者，即为第一破口位置。

相对于现有技术，本发明的优点如下：

本发明提出的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法可以实现对于主动脉夹层动脉瘤的第一破口位置的定位，定位成功率约为85％，与人工定位方法相比，该方法定位时间较短，且该方法使用对比剂进入血管瘤区域后的第一个心动周期的图像进行计算，可以缩短图像采集时间并减少对比剂的注射量，减轻病人痛苦。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为动脉瘤分割示意图，其中，图(a)为停止注射对比剂后的一帧图像；图(b)为图(a)中的主动脉夹层动脉瘤分割的结果。

图3为心动周期分割示意图。

图4为破口位于大弯侧的一例病例，其强度分布曲线为图5(a)。其中，图(a1)-(c1)分别为t＝1/6T,1/2T和5/6T时刻的DSA图像，图(d1)为经由本文算法提取出的归一化总体时间积分强度图像。图(a2)-(d2)分别为图(a1)-(d1)中夹层动脉瘤区域的归一化灰度分布直方图和归一化总体时间积分强度曲线。

图5为强度分布曲线，其中，峰A代表真腔，峰B代表假腔。其中，图(a)为破口位于真腔大弯侧或小弯侧的强度分布曲线；图(b)为破口位于真腔的腹侧或背侧的强度分布曲线。

图6为图4病例的真、假腔分割结果。

图7为图4病例的第一破口位置标定图像。

图8为定位准确性验证。其中，图(a)为本方法的第一破口定位结果，图(b)为两位高年资医生的人工定位结果。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明，图1为本发明的总体流程图。在本实施例中，造影使用设备为：PHILIPS AlluraXper FD20；对比剂为：欧乃派克(含碘量规格：350mg/ml，用量100ml)，为(通用电气药业(上海)有限公司)产品。对比剂造影方法为：经股动脉穿刺置管，使用高压注射器(Medrad Mark V Provis)经5F黄金标记猪尾导管注入对比剂于主动脉内，摄片速度为6帧/s，注射压力600psi(4136.85kPa)。本实施例中，算法使用软件为Matlab 2010。

第一步：根据对比剂停止注射后瘤体与血管褪色时间的差异对动脉瘤进行分割，如图2所示。由图2(a)可以发现，在对比剂停止注射后，血管内的对比剂很快因为血液的冲刷而褪色；而瘤体内的对比剂则可以停留更长的时间，造成瘤体内的灰度值较低因此，可以使用阈值法对动脉瘤区域进行分割：

选取倒数后三张图片，使用二值化方法提取出被染色的区域(设为I_m，I_m-1，I_m-2)后，利用(1)式，计算公共区域：

通过计算每一个连通域面积，去除公共区域中存在的组织伪影等干扰后，分割出血管瘤区域。

第二步：由于血管瘤图像上被对比剂灌注的区域面积变化也是阶梯型变化的。因此，通过提取血管瘤图像上未灌注部分面积第一次与第二次开始下降的位置，可以得到假腔被灌注时的第一个心动周期的起点与终点，进而提取出该心动周期内的血管瘤图像，即如图3所示的第11-18帧图像位于的心动周期；

第三步：对第二步所求的对比剂进入血管瘤区域后的第一个心动周期，使用公式(1)，求得血管瘤区域内图像的总体时间积分强度W，如图4所示。

其中，(x,y)为血管瘤区域内某一个像素的坐标，M为一个心动周期中的图像数量，N为在该心动周期中通过该像素的对比剂粒子总数目，Q为该心动周期中通过该像素的对比剂流量，Δt为两帧图像之间的间隔，I_c(p,x,y)表示第p张图像上像素(x,y)处的灰度值，h为比例系数。

由于在第一破口位置对比剂未受到稀释，故其对比剂平均浓度远高于其余位置；同样的，由于在血液由第一破口喷出时的速度方向所指向的涡流位置，对比剂运动的平均速度较低，且由于对比剂因涡流造成的叠加，N(x,y)亦显著增大，此时，亦取到极大值，因此，这两个区域的W(x,y)值远大于其余区域。同时，关于整个心动周期的积分还可以抑制由于血液喷射的随机性带来的噪声，从而起到增强并突出上述两个区域的作用。

由于假腔内的对比剂受到了稀释，故假腔中的W(x,y)低于真腔。使用公式(2)求得瘤体范围内的归一化总体时间积分强度I_f，并分为50个强度级别，作出强度分布曲线，如图4(d2)所示。

max{W}和min{W}代表矩阵W的最大值与最小值；根据图4(a2)-(d2)，相比于原图像，图像I_f的强度分布更为分散，且图中的两个峰间的波谷更为明显，可以更容易地将这两个峰分开，方便后面的操作。强度分布曲线存在两个峰，分别代表真腔与假腔的总体时间积分强度，其中，代表真腔的峰位于代表假腔的峰的左侧。

第四步：判断第一破口与真腔的相对位置，并定位第一破口的位置。其中，判断第一破口与真腔的相对位置的方法为：首先，积分强度分布曲线，得到真腔与假腔的面积，并计算真腔与假腔的面积比。当破口位于真腔的大弯侧或小弯侧时，瘤体与真腔的重合面积较小，故其真腔与假腔的面积比小于1，如图5(a)所示；而当破口位于真腔的腹侧或背侧时，瘤体与真腔必然会重合较大的面积，故其真腔与假腔的面积比大于1，如图5(b)所示。根据真腔、假腔的面积比例是否大于1，可以实现对于破口与真腔间的位置关系的区分。由于图4中的病例的强度分布曲线如图5(a)所示，其真腔与假腔的面积比低于我们选定的阈值，所以，判断其第一破口位于大弯侧或小弯侧。结合血管瘤的具体位置，由于该病人的血管瘤位于血管的大弯侧，所以这为位病人的血管瘤第一破口位于主动脉的大弯侧，图4中的病人的主动脉夹层动脉瘤真腔与假腔分割结果如图6所示，其中，灰色部分代表假腔区域，黑色部分代表真腔区域。

定位第一破口的位置的方法为：由于当破口位于真腔一侧时，破口位置附近的I_f值为整个假腔中的最小值；而当破口位于真腔正上方或正下方时，由于破口处的像素上的对比剂总体时间积分强度为真腔与假腔中该位置的对比剂总体时间积分强度的和，破口位置附近的I_f值亦为真腔中的最小值。据此，由于图4中的病人的主动脉夹层动脉瘤第一破口位于主动脉的大弯侧，所以，取假腔峰(即图5(a)中峰值最大的峰)的上升段的前四分之一灰度范围内的像素，可以得到第一破口位置的初步提取结果。

但是，由于毛细血管与涡流会带来噪声，需要对这些噪声加以滤除。由于第一破口一定与真腔相连通，而这些噪声区域较为独立。因此，可以测试提取出的结果中的每个连通域是否与真腔连通，舍去不连通的位置，去除毛细血管与涡流带来的噪声。选取所有与真腔连通的区域中面积最大者，即为第一破口位置，如图7中的方框内的深色部分与真腔的交界位置所示，方框内的深色部分整体为血液由第一破口喷出时的最可能的形态，其主轴方向为血液喷出的主方向。

图8(b)为两位高年资医生对于图4中的病人的主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位结果，箭头所指示的位置为第一破口所在的位置。对比本方法的第一破口位置定位结果和高年资医生的定位结果，本方法对主动脉夹层动脉瘤第一破口位置的定位准确，本方法是可以实现定位第一破口位置的功能的。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1：对血管瘤进行分割；

步骤2：提取对比剂进入血管瘤区域后的第一个心动周期；

步骤3：求得步骤2所述第一个心动周期内血管瘤区域内图像的总体时间积分强度，并求出其强度分布曲线，根据强度分布曲线分割真腔与假腔；

步骤4：通过真腔与假腔的面积比确定第一破口相对于真腔的位置，并定位第一破口。

2.如权利要求1所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，所述步骤1具体方法为：

选取倒数后三张图片，使用二值化方法提取出被染色的区域后，计算公共区域：

使用二值化方法提取出被染色的区域设为I_m，I_m-1，I_m-2；

计算公共区域I_ext中每一个连通域面积，以面积最大的连通域为血管瘤区域。

如权利要求1所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，步骤2所述第一个心动周期的起点为：血管瘤图像上未灌注部分面积第一次与第二次开始下降的位置，终点为血管瘤图像上未灌注部分面积第二次开始下降的位置。

3.如权利要求1所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，步骤3中所述总体时间积分强度通过以下公式求得：

其中，M为一个心动周期中的图像数量，N为在该心动周期中通过该像素的对比剂粒子总数目，Q为该心动周期中通过该像素的对比剂流量，Δt为两帧图像之间的间隔，I_c(p,x,y)表示第p张图像上像素(x,y)处的灰度值，h为比例系数。

4.如权利要求3所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，步骤3中所述强度分布曲线通过以下公式作出：

其中，I_f为瘤体范围内的归一化总体时间积分强度，分为50个强度级别；max{W}和min{W}代表矩阵W的最大值与最小值。

所述强度分布曲线存在两个峰，分别代表真腔与假腔的总体时间积分强度，代表真腔的峰位于代表假腔的峰的左侧。

5.如权利要求4所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，所述步骤4通过真腔与假腔的面积比确定第一破口相对于真腔位置的具体方法为：根据所述强度分布曲线，得到真腔与假腔的面积，计算真腔与假腔的面积比；真腔与假腔的面积比小于1，判断破口位于真腔的大弯侧或小弯侧；真腔与假腔的面积比大于1，判断破口位于真腔的腹侧或背侧。

6.如权利要求5所述的基于数字减影血管成像图像的胸主动脉夹层动脉瘤第一破口位置定位方法，其特征在于，所述步骤4中定位第一破口位置的具体方法为：

取强度分布曲线中破口所在峰上升段的前四分之一灰度范围内的像素，得到第一破口位置的初步提取结果；

根据提取出的结果中的每个连通域与真腔是否存在重合，检测每个连通域是否与真腔连通，舍去不连通的位置，去除毛细血管与涡流带来的噪声；

选取所有与真腔连通的区域中面积最大者，即为第一破口位置。