CN115689956A - 对数字减影血管造影的掩膜图像的最佳的加权 - Google Patents
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Abstract
为了降低噪声和运动伪影，建议一种产生用于数字减影血管造影的减影图像(S)的方法。在将造影剂添加到对象(2)中之前获取(S1)对象(2)的多个掩膜图像，并且在将造影剂添加到对象(2)中之后获取(S2)对象(2)的影像。由多个掩膜图像获取第一总和图像，方式为将多个掩膜图像分别乘以各自的权重并且相加。通过优化方法自动地确定(S5、S6)针对多个掩膜图像中的每个掩膜图像的所述各自的权重，并且通过从影像中减去总和图像求得所述减影图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种产生用于数字减影血管造影的减影图像的方法。本发明还涉及一种相应的用于产生这种减影图像的设备。此外，本发明也涉及一种计算机程序和一种电子可读的数据载体。
背景技术
在血管造影中，借助诊断成像方法显示血管，其中，通常为了使其可见或者为了增强图像中的对比度，尤其通过注射向患者输入造影剂。血管造影方法例如用于检查患有动脉硬化的患者的脉管系统。以这种方式方法例如将患者的心脏冠状血管成像，以便使医生接下来能够诊断。
原则上力求的是在血管造影时尽可能少地对患者造成负荷。为此需要将辐射剂量保持尽可能小。这导致所获取的图像可能对比不是那么强烈或者具有噪声。
在血管造影时的其它问题是，不只应该检查静态的对象，而且也应该检查动态的对象，例如心脏、肺或者涉及呼吸运动的其它器官。为了能足够准确地观察脉管，在这些情况下需要补偿所观察的器官的运动。
血管造影的一种特别的类型是数字减影血管造影(DSA)。其在检查血管时的特别的优点在于，通过减影使干扰性的图像组成部分不可见。例如由待检查的身体部分、例如大脑创建多个在时间上依次相续的图像。在一系列拍摄期间注射造影剂，所述造影剂在脉管中扩散。然而，在开始时获取不具有造影剂的所谓的掩膜图像。接下来创建所谓的灌注图像，在所述灌注图像中，造影剂或多或少地已经较远地在脉管中扩散开。将数字的掩膜图像从灌注图像中减去。减影所得的只是不同的图像部分，即恰恰是血流通的脉管。
在DSA成像中通常拍摄一系列掩膜图像。为了获取尽可能好的降噪，对掩膜图像进行平均处理。在对象或者身体部分运动时，这种平均处理通常不能实现目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，降低减影图像中的噪声比例并且必要时考虑待成像的对象的运动。
该技术问题按本发明通过一种产生用于数字减影血管造影的减影图像的方法和设备解决。此外，提供了相应的计算机程序和相应的数据载体。
因此，本发明提供一种产生用于数字减影血管造影的减影图像的方法。这种方法可以普遍地使用在任何类型的产生减影图像的成像中。在此，由至少两次拍摄(德语：Aufnahmen)获取减影图像，所述至少两次拍摄在两个不同的条件下获取。作为成像方法例如可以使用X射线检查或者磁共振断层扫描以及计算机断层扫描或者超声扫描。
首先在将造影剂添加到对象中之前获取对象的多个掩膜图像。因此由所述对象(例如大脑、心脏等)通过所选择的成像方法创建至少两个掩膜图像。这些掩膜图像是参考图像，所述参考图像显示在自然状态中的、在造影剂尚没有在对象、尤其是脉管中扩散时的对象。掩膜图像包含轮廓，尽管所述轮廓再现了对象的结构，但对于检查不重要或者只具有较小的重要性。当然，掩膜图像例如也包含待检查的脉管，但所述脉管对比不是非常强烈地显示。
在将造影剂添加到所述对象(例如身体部分)中之后获取所述对象的影像(Abbild，或者说成像)，因此这个成像再现了所扩散的造影剂的作用。添加造影剂本身不是所述方法的部分。在此重要的只是，在获取对象的影像时，造影剂处于所述一个或多个脉管中。因为造影剂在成像时引起特别高的对比度，所以例如造影剂在其中扩散的脉管能够对比特别强烈地在影像上识别出。当然，对象的影像例如也包含其它的组织结构，所述组织结构同样能够在掩膜图像上识别出。
接下来由所述多个掩膜图像形成(第一)总和图像，方式为将所述多个掩膜图像分别乘以各自的权重并且相加。在此的优点是，非常特别地针对所述多个掩膜图像中的每个掩膜图像进行加权。这尤其可以在以下情况下是有利的，即在不同的呼吸阶段中获取掩膜图像。在这种情况下，可能需要以较高的权重考虑特定的呼吸阶段的掩膜图像并且对其它呼吸阶段的其它掩膜图像只较小地加权。以此方式，特别是在影像(即一个或多个灌注图像)恰恰在这个呼吸阶段创建时，可以至少部分地补偿运动。
现在特别重要的是，通过优化方法自动地确定针对所述多个掩膜图像中的每个掩膜图像的所述各自的权重。针对掩膜图像的所述各自的权重不是固定预设的，而是在优化的范围内针对每个掩膜图像单独地并且自动地获取。原则上适用于此的是这样的优化，所述优化根据优化标准实现对多个掩膜图像的相应加权。这种优化方法可以基于分析的和数字的算法。优化算法为此通常只需要掩膜图像和相应的预设的优化标准。
最后，通过从所述影像中减去所述总和图像(Summenbild)求得所述减影图像。也就是从由一个或多个灌注图像获取的或者相应于所述灌注图像的影像中减去被加权的掩膜图像的(优化的)相加之和、即总和图像或者说优化的掩膜图像。因此，所得到的减影图像包含更少的根据优化标准或者优化方法消除的结构。优化方法的目标优选旨在抑制噪声和/或补偿运动。为此，例如可以将相应适当的质量度量用于优化方法。
在一种实施方式中规定，针对所述影像，在添加造影剂之后获取所述对象的唯一的灌注图像或者原始图像。所述唯一的原始图像例如是以下灌注图像，在所述灌注图像中，脉管已经被造影剂至少部分地填充。在这种情况下，为了优化减影图像只使用唯一的原始图像或者灌注图像，但使用多个掩膜图像。这尤其在以下情况下是有利的，即为了获取优化的掩膜图像只执行唯一的一次优化方法。因此，能够以简单的方式通过当前的灌注图像并且减去优化的掩膜图像获取其它的减影图像。
在备选的实施方式中规定，针对所述影像，在添加造影剂之后获取所述对象的多个原始图像，并且由所述多个原始图像获取第二总和图像，方式为将所述多个原始图像分别乘以各自的权重并且相加，其中，通过优化方法自动地确定针对所述多个原始图像的所述各自的权重。这表示，不只针对多个掩膜图像求得各自的权重，而且也针对多个原始图像或者多个灌注图像求得各自的权重。这尤其在以下情况下是有利的，即时间的动态在检查中不那么重要。如果例如每秒获取三至七个图像或者甚至高达30个图像，则完全可能有利的是，在添加造影剂之后例如在噪声和运动方面也优化所述影像。因此，减影图像例如可以由优化的灌注图像和优化的掩膜图像获取。针对灌注图像或者原始图像的权重的优化和针对掩膜图像的权重的优化可以在共同的优化方法中实现。在这个方法内，针对原始图像的权重可以通过与掩膜图像的权重相同或者不同的部分优化方法被优化。相应地可能需要针对原始图像使用与针对掩膜图像不同的优化标准。然而，优化标准也可能相同。
在根据本发明的方法的有利设计方案中，在所述优化方法中，搜索所有掩膜图像的满足关于减影图像的质量标准的凸组合。凸组合的特征是所有权重之和等于1并且每个权重可以具有0到1之间的值。使用单个图像的凸组合的这种优化不只可以用于搜索针对掩膜图像的权重，而且还可以用于搜索针对灌注图像或者原始图像的权重。使用单个元素的凸组合的优化具有的优点为，可能可以取消标准化。在优化中，将减影图像的质量用作标准。以此方式可以根据减影图像的质量来控制对掩膜图像的加权。
在优选设计方案中规定，所述质量标准在于达到质量度量的极限值或者预设值(例如阈值)。极限值可以是最小值或者最大值。一旦优化方法达到了关于减影图像质量的极限值或者预设值，则由此产生掩膜图像的单个权重，并且必要时也产生灌注图像的单个权重。
例如，所述质量度量可以是能量、总变分或者Softplus函数(或者说激活函数)。如果例如能量是质量度量，则可能有利的是，搜索具有最小能量的减影图像。然后这样调节掩膜图像的权重，使得减影图像的能量达到最小值。这例如表明减影图像所包含的噪声很少。
备选地，质量度量也可以是总变分(也简单地称为“变分”)。在这种情况下，总和图像的总变分也应该达到最小值，由此尽可能多地抑制像素噪声。
然而，质量度量还可以包含所谓的“Softplus函数″。通过这个激活函数例如可以抑制减影图像中的正值。然而，质量度量不限于以上提到的函数。相反地，也可以使用其它函数或者所提到的函数或者其它函数的组合。
在根据本发明的方法的特别的设计方案中，所述对象在获取所述掩膜图像时运动，并且所述第一总和图像是两个在时间上依次相续的掩膜图像的内插的掩膜图像。这例如可能在对涉及呼吸循环的身体部分成像时很重要。如果例如在完全吸气和完全呼气之间获取灌注图像并且在完全吸气时和在完全呼气时分别存在掩膜图像，则有利的是，通过从两个掩膜图像的内插创建相应于灌注图像的呼吸阶段的掩膜图像。以此方式可以获取可靠的减影图像。在这种情况下，优化方法例如将产生两个掩膜图像的相同权重。
根据本发明地还提供了一种产生用于数字减影血管造影的减影图像的设备，所述设备具有图像获取装置，所述图像获取装置用于在将造影剂添加到对象中之前获取对象的多个掩膜图像并且用于在将造影剂添加到所述对象中之后获取所述对象的影像，并且所述设备具有计算装置，所述计算装置用于由所述多个掩膜图像形成第一总和图像，方式为将所述多个掩膜图像分别乘以各自的权重并且相加，其中，通过优化方法自动地确定针对所述多个掩膜图像中的每个掩膜图像的所述各自的权重，并且计算装置用于通过从所述影像中减去所述总和图像求得所述减影图像。
图像获取装置可以具有相应的控制单元，该控制单元例如包含一个或者多个处理器，以便控制掩膜图像的图像获取和对象的成像。同样地，计算装置可以具有处理器，通过所述处理器求得总和图像并且在优化方法中获取权重以及求得减影图像。
此外，根据本发明提供一种计算机程序，所述计算机程序能够直接装载到以上提到的设备的存储器中，所述计算机程序具有程序指令，以便当在所述设备中执行所述程序时，执行以上提到的方法的步骤。因此，在本文献中描述的方法也能够以计算机程序(产品)的形式存在，当所述计算机程序(产品)在控制单元上执行时，所述计算机程序(产品)可以在控制单元上实现所述方法。同样地，可以提供一种电子可读的数据载体，其具有存储在所述数据载体上的电子可读的控制信息，所述控制信息包括至少一个以上类型的计算机程序并且设计为，使得当在以上提到的设备的控制装置中使用所述数据载体时，所述控制信息执行按照以上提到的类型的方法。
附图说明
现在根据附图更详细地阐述本发明，在附图中：
图1示出用于执行根据本发明的方法的用于数字减影血管造影的装置；
图2示出根据本发明的方法示例的示意性框图；
图3示出猪肝脏的经过掩膜平均处理的减影图像；
图4示出图3的经过掩膜调整的减影图像；
图5示出图2的经过优化的掩膜加权的减影图像；
图6示出兔头的区段的经过掩膜平均处理的减影图像；
图7示出图6的经过掩膜调整的减影图像；并且
图8示出图6的经过优化的掩膜加权的减影图像。
具体实施方式
以下详细描述的实施例是本发明的优选实施方式。
在图1中显示了用于执行根据本发明的方法的用于数字减影血管造影的设备1。在此，在此处显示的情况下，患者2处于设备1的患者床3上，应该创建所述患者的腿部区域的数字减影血管造影记录。为了记录图像，设备1具有C形臂系统4，所述C形臂系统具有辐射源以及探测器，所述C形臂系统与控制和/或计算装置5并且与图像输出器件6连接，通过所述图像输出器件也可以进行操作输入。在本实施例中可以通过控制和/或计算装置5完全自动化地创建图像拍摄，必要时可以在通过操作人员7初始启动之后完全自动化地创建图像拍摄。
这表示在操作人员7触发了一次图像拍摄之后，首先自动地在探测器的第一位置创建拍摄，所述探测器与C形臂系统4的辐射源相对置地布置。在此之后，必要时完全自动化地或者手动地向患者2输入造影剂，接下来在相同的探测器位置再次拍摄(原始图像或者灌注图像)。
按照本发明的方法的执行的启动可以由操作人员7例如通过在图像输出器件6上、例如通过键盘或者计算机鼠标等选择相应的开始区域8实现。
作为减影的结果或者作为在各个单独的探测器位置中的拍摄时的中间步骤产生的图像拍摄也可以作为照片9同样显示在图像输出器件6上，所述照片用于由操作人员7进行伴随着检查的控制或者用于接下来的分析。此外，图像数据和在执行所述方法的范围内求得的其它数据也可以保存在控制和/或计算装置5中，以便在之后例如通过医生分析或者通过内联网或者互联网发送至其它的或者外部的计算机。
在DSA成像的当前实施例中，记录了一系列掩膜图像。为了获得尽可能好的噪声抑制作用并且在必要时补偿运动(例如呼吸运动)可能有利的是，使用这样的权重，所述权重将具有与灌注图像相似的运动阶段的掩膜图像更高地加权。
为了消除运动伪影，可以不对多个掩膜图像进行平均处理，而是通过分析图像质量指标(IQM，Image Quality Metric)将各个单独的掩膜图像配置给每个灌注图像。如果灌注图像的呼吸阶段位于两个掩膜图像的呼吸阶段之间，则可以通过在两个最佳匹配的掩膜图像之间的时间内插进一步改善结果。
然而，这个方法尚未涉及多个具有相同呼吸阶段的掩膜图像的情况或者没有运动或者运动较少的情况。在这些情况下，可能在此没有产生可以通过对多个掩膜图像或者运动差异进行平均处理来实现的最佳的降噪。因此，根据本发明建议一种方法，所述方法对于所有情况和对于每个灌注图像都计算掩膜图像的优化的加权平均。由此可以实现减少运动伪影和降噪的优化组合。
通过从灌注图像F中减去掩膜图像M可以计算减影图像S。在这种情况下，M表示所有掩膜图像Mi的按照优化的加权因数αi的加权平均。必要时灌注图像F也可以是各个单独的灌注图像Fi的具有优化的加权因数βi的加权平均。然而，以下只考虑使用唯一的灌注图像F和多个掩膜图像Ni的情况。多个(最佳地)加权的灌注图像的使用以类似的方式实现。
通过解决以下具有附加条件的非线性优化问题来获取权重αi：
S＝F-∑iαiMi，具有优化标准argmin IQM(F-∑iαiMi)，条件是∑iαi＝1 0≤αi≤1。
因此，搜索所有掩膜图像Mi的凸组合(参见以上针对αi的条件)，该凸组合提供了应用于减影图像S的最佳质量度量IQM。在此特别地搜索质量度量达到最小值的组合。然而也可以考虑质量度量达到最大值或者其它预设值的备选方案。通过对掩膜图像的权重的这种优化，可以在运动阶段中实现最佳的掩蔽。此外，通过这种权重优化可以实现掩膜图像之间的内插。最后，优化的权重也可以用于对具有相似呼吸阶段的掩膜图像进行平均处理以降噪。
作为质量度量IQM通常可以使用凸函数，例如能量(I2)、总变分(TV)或者Softplus函数(SP)，其抑制减影图像S中的正值。这些函数的组合也可以用作质量度量。
以下说明了之前提到的函数的项及其根据权重的偏导数，以便通过基于梯度的方法实现优化：
在此，Sj表示减影图像S在像素j处的像素值，其中，j是向量索引或者二维坐标。Mi,j表示掩膜图像Mi在像素j处的像素值。Sx,j表示梯度图像，即沿x方向求导的减影图像S。相应地，Sy,j表示减影图像沿y方向在像素j处的导数。ε表示固定的偏置值。Mx,i,j或者Sx,j和My,i,j或者Sy,j表示相应的掩膜图像Mi或者减影图像S在像素j处沿x或者y方向的梯度的像素值。
例如可以通过内部点算法高效地解决优化问题。这种算法例如在Waltz，RichardA.等的″An interior algorithm for non-linear optimization that combines linesearch and trust region steps″，数学编程107.3(2006；第391-408页)中描述。然而，也可以使用其它优化算法。例如通过数学程序“MATLAB”的功能“fmincon″提供了一种实现方式。通过这样的算法，可以在十到二十次迭代、即大约3s的计算时间内找到一个好的解决方案。
图2显示了根据本发明的方法的实施例的示意性框图。在第一步骤S1中，在将造影剂添加到对象中之前获取对象的多个掩膜图像Mi。在第二步骤S2中，在将造影剂添加到所述对象中之后获取所述对象的影像或者灌注图像F。必要时在这个步骤中也获取多个灌注图像Fi，以借助相应的加权创建影像。在随后的步骤S3中，由所述多个掩膜图像Mi形成总和图像∑iαiMi，方式为将所述多个掩膜图像Mi分别乘以各自的权重αi并且相加。随即在步骤S4中，通过从所述影像F中减去所述总和图像∑iαiMi求得所述减影图像S。在接下来的步骤S5中，检验优化算法是否已达到其优化目标。如果达到了其优化目标，则输出减影图像S。如果尚未达到优化目标，则执行步骤S6。在此，进行优化算法的(重新的)迭代。为此，将关于减影图像的质量度量IQM用于优化。在步骤S6中的优化迭代之后，再次返回步骤S3。最后，由优化循环S3-S6得出优化的减影图像S。
图3至图8显示了DSA减影图像，通过所述减影图像可以说明根据本发明的优化方法的优点。图3至图8分别显示猪肝脏在呼吸运动时的减影图像。图3显示了经过简单的掩膜平均处理的减影图像，由此尤其可以在低剂量数据集中实现良好的噪声水平。然而，尤其是在图像的上部分中可以识别出较强的运动伪影。
在图4中显示了减影图像，在所述减影图像中，掩膜图像已经根据灌注图像的运动阶段被调整(或者说适配)。因此实现了改善的运动伪影减少，但在低剂量数据集中也产生了更高的噪声。
在图5中显示了经过按照本发明地优化的掩膜加权的减影图像。通过这种权重优化，可以既实现运动伪影减少也实现降噪的优点。
图6至图8显示了兔头区段在辐射剂量较低时的DSA减影图像。在此，图6也显示了经过简单的掩膜平均处理的减影图像，以降低噪声水平。
图7显示了经过根据相应运动状态地调整掩膜的减影图像。在此，又可以看到相对于图6更高的噪声。最后，图8显示了经过对多个掩膜图像的优化的加权的减影图像。在此，在实现改善的运动伪影减少的情况下也相对于图7降低了噪声水平。
因此，以上的实施例提出了一种方法，所述方法通过针对每个灌注图像和针对优化的灌注图像解决具有附加条件的优化问题来计算掩膜图像的优化的加权平均。由此可以实现运动伪影减少和降噪的改善的组合。
Claims (10)
1.一种产生用于数字减影血管造影的减影图像(S)的方法，其特征在于
-在将造影剂添加到对象(2)中之前获取(S1)对象(2)的多个掩膜图像，
-在将造影剂添加到所述对象(2)中之后获取(S2)所述对象(2)的影像，
-由所述多个掩膜图像形成(S3)第一总和图像，方式为将所述多个掩膜图像分别乘以各自的权重并且相加，其中，
-通过优化方法自动地确定(S5、S6)针对所述多个掩膜图像中的每个掩膜图像的所述各自的权重，并且
-通过从所述影像中减去所述总和图像求得(S4)所述减影图像。
2.按权利要求1所述的方法，其中，针对所述影像，在添加造影剂之后获取所述对象的唯一的原始图像。
3.按权利要求1所述的方法，其中，针对所述影像，在添加造影剂之后获取所述对象的多个原始图像，并且由所述多个原始图像获取第二总和图像，方式为将所述多个原始图像分别乘以各自的权重并且相加，其中，通过优化方法自动地确定针对所述多个原始图像的所述各自的权重。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其中，在所述优化方法中，搜索所有掩膜图像的满足关于减影图像的质量标准的凸组合。
5.按权利要求4所述的方法，其中，所述质量标准在于达到质量度量的极限值或者预设值。
6.按权利要求5所述的方法，其中，所述质量度量是能量、总变分或者Softplus函数。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其中，所述对象在获取(S1)所述掩膜图像时运动并且所述第一总和图像是两个在时间上依次相续的掩膜图像的内插的掩膜图像。
8.一种产生用于数字减影血管造影的减影图像的设备(1)，其特征在于
-图像获取装置(3、4)，所述图像获取装置用于在将造影剂添加到对象(2)中之前获取(S1)对象(2)的多个掩膜图像并且用于在将造影剂添加到所述对象(2)中之后获取(S2)所述对象(2)的影像，和
-计算装置(5)，所述计算装置用于由所述多个掩膜图像形成(S3)第一总和图像，方式为将所述多个掩膜图像分别乘以各自的权重并且相加，其中，针对所述多个掩膜图像中的每个掩膜图像的所述各自的权重通过优化方法自动地确定(S5、S6)，并且所述计算装置用于通过从所述影像中减去所述总和图像求得(S4)所述减影图像。
9.一种计算机程序，所述计算机程序能够直接装载到按权利要求8所述的设备(1)的存储器中，所述计算机程序具有程序指令，以便当在所述设备(1)中执行所述程序时，执行按权利要求1至7之一所述的方法的步骤。
10.一种电子可读的数据载体，具有存储在所述数据载体上的电子可读的控制信息，所述控制信息包括至少一个按权利要求9所述的计算机程序并且设计为，使得当在按权利要求8所述的设备(1)的控制装置中使用所述数据载体时，所述控制信息执行按权利要求1至7之一所述的方法。
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