1、冠脉造影图像血管增强新方法研究中国医学影像技术 2007 宥三蔓卷箍塑!曼兰:!:!:?129?StudyonnewapproachtoenhancecoronaryarteryinangiogramsLILi,LIUYue.,WANGYongtian,ZHOUShou-jun(DepartmentofOpto-electronicEngineering,SchoolofInformationScienceandTechnologyBeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)AbstractObjectiveAnewapproachtoen
2、hancethecoronaryarteryintheangiogramsisputforward.MethodsThecharacteristiesofcoronaryarteryangiogramwereanalyzed.Theproposedapproachcombinedthevirtueofsecondorderlocalstructureofanimage(Hessian)andmultistagefilteringforthepurposeofvesselenhancementandconstructsanewvesselcharacteristicfunctiontOjudge
3、thevesselinangiograms.ResultsTheexperimentalresultonclinicalXRAprovedtherobustnessoftheproposedapproachonenhancingcoronaryarteryandtheadvantageoflowtimeconsumption.ConclusionThismethodisvaluableinclinicaldiagnosis.Keywords3Coronaryangiography;Hessianmatrix;Vesselenhancement冠脉造影图像血管增强新方法研究李丽,刘越,王涌天,周
4、寿军(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系,北京 100081)摘要目的提出一种更加有效的血管增强方法.方法分析冠脉 x 射线造影(XRA)图像特点,采用一个新颖函数来判别血管,结合 Hessian 矩阵和多尺度滤波对血管进行增强.结果采用该方法增强临床获取的冠脉 X 射线造影图像具有较强的鲁棒性和较快的计算速度.结论本文提出的增强方法具有较高的临床应用价值.关键词 冠状血管造影术 ;Hessian 矩阵;血管增强中图分类号TP391.41文献标识码A 文章编号10033289(2007)01-0129-04冠状动脉(简称冠脉) 是从心脏发出的大动脉的第一对分支动脉,分为左右两支,在心外膜表
5、面行走并分出许多小分支进入心肌,然后形成丰富的毛细血管供应心肌血液.据世界卫生组织调查,心血管疾病仍是发达国家疾病死亡的主要原因之一,预计到 2008 年心血管疾病将成为世界排名第一的重要疾病,而冠状动脉粥样硬化是造成心脏受损和心肌梗死的主要原因,因此准确诊断并对其进行正确的定位和量化十分关键.对冠脉的临床检查通常不进行造影前后的减影处理,而是直接利用造影图像观察和诊断心脏疾病.由于存在造影剂分布不均,衰减以及 X 射线曝光不均等复杂情况,由相关设备直接获取的造影图像经常不能清晰地显示血管树的局部和全局结构,从而影响了诊断的准确性.为了提高诊断的水平,研究如何从 XRA 中将冠脉结构突出显示出
6、来非常必要,同时血管增强也是血管分割,测量和三维可视化的重要前提.基金项目 本研究得到国家重点基础研究发展规划项目(973 项目)(2003cB7161O5)的资助.作者筒介 李丽 (1981 一),女,河南人,在读硕士.研究方向: 医学图像处理.E-mail:lldeemail163.corn通讯作者 刘越 ,北京理工大学光电工程系 421 教研室,100081.Email:liuyuebit.edu.ca收穑日期20060516 修回日期2006 1218目前国内外许多知名的研究机构都在从事这一方面的研究工作,在已有的增强算法中 Chen2 和 Du3 提出的方法是采用单一尺度在一系列方向
7、上应用非线性有限微分算子,而OrkiszEsJ 提出的方法是沿血管方向进行中值滤波.但是这些方法只进行了单一尺度的操作,无法适应较大的尺度变化,因此,上述方法无法应用于较大尺度范围的血管增强,同时在处理各向异性噪声时这些方法往往需要对数据重新进行采样,费时费力.为此 Frangi6 提出了单尺度血管相似性函数和多尺度相似性测度并已应用于文献,但由于很难建立函数中涉及的比例因子 p.和 p 适当的选择依据,因此无法对后续结果进行准确评价.表 1 基于 Hessian 矩阵特征值的血管判据注:Ht 高,L:低N:噪声+/一 t 特征值的符号特征值大小 tIll21.l30 中国医学影像挂术 200
8、7 年第 23 卷第 1 期 ChinJMImagingrechn.,2?Vol2l;lNo本文在研究程状动脉特点厦:述几种增强方法的基础上.提出了集 Hessian 矩阵,血管相似性函数,多 R 度相似性测度于一体的血管增强方法.车文所构造的新颖的 ll 管相似州!函数 .既解决了文献方法中 R 度囤子难以确立的难题.叉取得了很好的增强效果.同时该算法改善了计算速度这对于计算饥辅助诊断具有非常重要的意置.实验结果证硐了本文所提出的算法的有效性1 算法原理空间一点是否属于血管.需从分析 2D 图像,在该点的局部特性开始,图像在点邻域内的泰勒扩展式可以表示为:Ix.一 e3a-)I()一 r 可
9、 f()rH(.)盐(1)其中可代表梯度矢量,H 表示 Hessian 矩阵(由图像 J 的二阶偏导数构成)一单尺度条件下(一 1,一)Hess1anm阵的三维空间形式为:一ItjH 一,j(2 】,对于二维图像Hessian 矩阵由式(2) 等号右侧矩阵中左上角的 22 实对称矩阵表示.因此县有两个实特征值和 k;其中绝对值较大的特征值对应的特征矢量代表曲率最大的方向(与血管走向垂直);相反.绝对值较小的特征值对应的特征矢量代表点“曲率最小的方向(血管的真实走向)在给定 R 度条件下.式(1)巾国像的二阶偏导数可通过计算其二阶空间插值滤渡器 h(.)的卷积得到,如式(3)(4)所示:h(a-
10、.Y.)一 c1/2】exp(0r 一 2)(3)(,y.)一(.Y.)x,(j,)(4jFrangi 在文献 中提出的基于 HessEan 矩阵特征直的判据如表 1 所示 MarcSehrijver 在文献中给出的尺度血管相似性函数的构造为:.0.0V一exp风嘲 :)1 一唧(5 鹕:)|)(5】其中 R 一【也 I1.S 一.+:(S 代表曲率的删度).0f,Y;)L(0 代表卡 H 似牲最小.1 代表相似性最大).和岛分别是影响.和 s 的比耐困子.由于很难建立适当的岛 ,岛的选择依据.因此无法对后续结果进行准确评价.在目标亮度商,背景亮度低的前提下.丰文提出了一种如式(6)所示的新颖
11、的血管相似性函数:.1ogl+1)0 且 IAI10 其他(6)其中.为图像中点.(,Y) 处 Hessian 矩阵的两个特征值.且满足 lit.(.Y】I(T,)Iz(.,)函数值的大小就决定 r 像素点 z(,)属于血管 Ji 点的可能-眭的大小.z(.)的值越大像素点属于血管点的可能性越大通过对拯幅图像上的每个像素应用血管相似性函数 z(n,)就可得到辅出图像 ljl】增强后的图像对数变换是空间域图像增强方法中最基本的变换之一.岂可使窄带低肌度输人图像值映射为宽带输出值.其重要特征在于可以在很大程度上压缩图像像素值的动态范围.计算机处理图像时图像显示系统通常不能如变显示大范围的强度值.从
12、而导致纲节的丢失.对数变换可以避免这种损失使图像信邑尽可能的显示来考虑到 函数计算结果的分布特点以及在噪声影响下局部级差有时很太【对数变换可以减少局部级差过太的可能.并使得数据的高低值的级差减小),我们决定采用上述函数作为血管相似判别函数利用上述血营特征函数分离血瞥的过程如 l 斟 I 昕示:由于冠脉血管具有一定的宽度,在单尺度条件下不可能所有像索均满足式(6)所采用的特征值判姑.导致血管增强教果并不足根理想,不利于后续作的进行为了解决这一问题.需要在多尺度条件下计算 z(,Y). 井将各尺度的汁算结果融台到一个判别函数中,琦了适应多尺度的变化厦的取值特点,我们对血管相似性幽数的定义城电进行了
13、相应的调整.为此建立了如成(7)所示多凡度手 H 似性测度 .().以及如式(8)所示的最佳判别函数 fr.):,【0g(l()+1)JI(0 且 l()l41 啄(l0 其他囤 I 利用血管相似性函散 z(r,.1)抒离血管的过程 A.(x,】 】;B.c(x.y)I+“中国医带髟缘技术 2-07 年第 23 卷第 1 斯 r-!E!型!10:.-圈国l 围 4 吐用 Frar.gi 的方磕增强的被果(A,【)和车文方洼增强的敏果 rB,D)对匕实验 2:将本文提出的方法与 Frangi 提出的方法进行比较:首先采用 Frangi 提出的方法对图像进行运算(所选尺度范围相司),由于和.:确定
14、.根据其原理选取了儿组参数进行破验.结果如圈 3 所示:.,墨的取值严重影响增强效果 .并且很难找到台适的依据来确定 0,日.的取值采用本文的方法对相同图像在相同的凡度范围内进行增强.井将埘次增强的效果进行比较.结果如图 4 所示:本文提出的算法对血管增强及背景结掏抑制的效果相当好.无需考虑过多不确定参数且效果稳定.由于血管判别函数得到简化-运算速度也有所提高( 表 2)由表 2 可看出对于血管网络比较简单的圈像两种方法所用时间相差小大.但对于血管阿络比较复杂的图像辛=文提出的方眭可大大的降低运算时间.进有利于辅助诊断实时性能的提高表 2 不同增强方法所耗时间比较?132?中国医学影像技术 2
15、007 年第 23 卷第 1 期 ChinJMedImagingTechnol,2007Vol23,No13 讨论本文从 Hessian 矩阵出发,提出了新颖的血管相似性函数,并在此基础上发展出一种多尺度血管网络增强算法.尺度范围的选择结合了冠脉血管特点,对临床获取的冠脉造影图像增强效果较好,具有较大的实用价值.由于本文的算法是针对冠脉造影图像中血管增强提出的,在血管得到增强后就可以采取恰当的分割算法提取血管网络,之后可以进一步的提取血管中心线,为三维重建和运动估计打下坚实基础,这非常有利于冠脉疾病计算机辅助诊断技术的发展.(致谢:感谢水浩淼,李颖超及杨健在模型构建中给予的帮助,感谢北京朝阳医
16、院的李延辉医生提供了实验中所使用的图像.)参考文献E1BlondelC,MalandainG,VaillantR,eta1.ReconstructionofcoronaryarteriesfromonerotationalXrayprojectionsequence.InstitutNationalDeRechercheEnInformatiqueEtEnAutomatique,2004.E2ChenH.HaleJ.AnalgorithmforMRangiographyimageenhancementD.MRM,1995,33(4):53440.3DuYP,ParkerDL.Vesselenh
17、ancementfilteringinthree-dimensionalMRangiography 叨.JMRI,1995,5(3):353359.E4DuYP.ParkerDL.Vesselenhancementfilteringinthree-dimensiona1MRangiogramsusinglongrangesignalcorrelation 叫.JMRI.1997.7(2):447450.EsOrkiszMM.ImprovedvesselvisualizationinMRangiographybynonlinearanisotropicfilteringD.MRM,1997,37
18、(6):914918.E6FrangiAF,NiessenWJ,VinckenKL,eta1.Multiscalevesselenhancementfiltering 口.LectureNotesinComputerScience,1998,1496:130137.ETSehrijverM,SlumpCH.AutomaticsegmentationofthecoronaryarterytreeinangiographicprojectionsC.ProceedingsofProRISC,2002,2829.E8HladuvkaJ,GrollerE.Exploitingeigenvaluesof
19、thehessianmatrixforvolumedecimationc.9thInternationalConferenceinCentralEuropeonComputerGraphics,Visualization,andCornputerVision(WSCG2001),2001,124129.9FrangiAF,NiessenWJ,HoogeveenRM,eta1.ModelBasedquantitationof3-DmagneticresonanceangiographicimagesJ.IEEETransMedImaging,1999.(18)10:946956.欢迎订阅 200
20、7 年中国组织工程研究与临床康复(原中国临床康复) 杂志本刊 2007 年更名,但仍是美国化学文摘(CA),荷兰医学文摘库/医学文摘(EM),俄罗斯 文摘杂志(p), 波兰哥伯尼索引(Ic), 中国科技论文统计源期刊,中国中文(临床医学类)核心期刊,中国高影响力医学期刊论文计量报告(第 1 版)收录期刊,中国科技核心期刊,中国科技期刊精品数据库等收录期刊.更名是为了更快的实现国际化的目标.国内订阅邮发代号:8-584;12 元/册.本刊 2005 年所发表的文章,被美国化学文摘单篇收录率50.因此,作者在本刊发稿可有较大机会实现单篇文章被国际数据库收录的愿望,不仅体现了该篇稿件的学术价值,同时
21、在作者晋升,评聘,课题评奖中会起到重要的作用.为进一步提高学术质量,2007 年本刊对发稿重点提出新的要求:在生物材料研究方面重点突出:组织工程支架材料,组织工程材料学特征及人工器官和医学植入体的材料学与人体生物相容性等问题;在组织构建研究方面重点突出;各组织器官构建,组织工程生物活性因子,组织工程分子生物学,组织工程实验技术方法等;在种子细胞研究方面重点突出:干细胞生物学特征,干细胞移植,干细胞因子,干细胞实验技术方法,干细胞临床应用相关基础实验;在器官移植研究方面重点突出:大器官移植,组织移植,细胞移植,并关注异种异体移植及医学植入体植入,人工器官植入的研究进展;在康复工程研究方面重点突出
22、:康复工程理论,康复工程临床应用,生物医学工程学 ,生物医学电子学,生物医学光子学,生物医学成像及图像处理,计算机及脑的生物信息处理及组织器官生物力学及三维有限元分析;在临床康复研究方面重点突出:康复预防,康复技术,心理康复,运动医学,康复评估,康复理论.欢迎上述研究的英文稿件和应用中医药方法研究的相关稿件投稿.本刊出版周期:一般稿件修回后 6 个月出版,“绿色特快通道“承诺修回稿件 3 个月内出版.地址:辽宁省沈阳 1200 邮政信箱邮编:110004联系电话:02423389106;O2423384352 传真:02423381085咨询 E-mail:CRTEI投稿 E-mail:;更多信息详见:
