專利名稱:多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法
技術領域：
本發明屬于醫學成像技術領域：
，具體涉及一種不同成像角度冠脈造影的時間配準方法。
背景技術：
數字減影血管造影(DSADigital Subtraction Angiography)技術在臨床已應用20多年，是心腦血管疾病無創診斷與介入治療手術導航的重要依據。血管造影技術的發展可以從造影圖像中提取出血管重要的量化信息，檢測并量化器官狹窄的程度以及對血管樹進行三維重建。血管的三維重建可以應用于很多方面，例如，它可以被顯示以得到血管拓撲結構的現實表達；除了作顯示用，它還可以計算不可直接由二維造影圖像得到的空間血管參數，還可以估計主要取決于血管的絕對大小、形狀和長度而非百分率器官狹窄的血管動力學參數，這是有很高的診斷重要性的；同時，血管段的三維結構是對冠狀動脈疾病的完整估計的先決條件。當然，只有這些視覺化問題得以成功解決方能最優化地實施導管介入術。
冠狀動脈序列造影圖像的時間配準是單平面成像條件下冠脈三維重建的基礎。傳統的方法利用心電門控實現成像時刻的精確控制。在利用單平面血管造影系統從多個視點采集冠狀動脈造影圖像并進行三維重建時，由于不能同時獲得各視點的圖像，因此必須采取一定的手段尋找各視點對應相同心臟舒張-收縮狀態的圖像，實現時間配準。
目前該問題的解決，多采用心電門控做同步信號，即利用心電門控信號作為獲取造影圖像的觸發信號。如圖1所示，當心電脈沖達到一個峰值，即圖中時間χ為整數時(如圖χ取0或1處)，開始獲取造影圖像，時間χ取小數代表心電脈沖峰值之間的信號(如圖χ取0.5處)。
由于心電門控技術復雜，操作不方便以及需要有經驗的操作人員等缺點，使得很多冠脈造影圖像沒有相應的心電圖，因此，如何解決不同成像角度的時間配準，在所采取的圖像上進行精確三維重建成為一個難題。
發明內容為解決現有心電門控技術復雜，操作不方便的問題，本發明提供了一種多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，在單平面成像系統中，該方法在沒有心電門控的情況下利用對圖像分析，可靠地實現了冠脈造影不同成像角度成像的時刻配準問題。
本發明所述的多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，通過觀察兩個視角下的冠脈造影序列圖像，可以發現它們具有如下特征一個時間序列圖像存在一個平衡位置，在心臟跳動的過程中，血管上的特征點(分叉點或是曲率極值點)將周期性地偏離平衡位置。利用這個特征，可以計算各特征點到各自對應的平衡點的距離之和，分析位置距離曲線，匹配時間序列。其主要步驟為a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個特征點作為計算單元，并分別記錄它們的圖像坐標；c.對于每個造影圖序列，分別計算每個特征點的平均值坐標作為該特征點的平衡點坐標；d.計算每幀造影圖中每個特征點與其平衡點之間的距離和σ；e.選取兩個序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴張最大時刻的對應圖像。
本發明提出了在沒有心電信號的條件下，充分利用冠脈造影圖像本身提供的信息來實現不同視角序列對應幀的時間配準的途徑。計算出的每幀造影圖的特征點與平衡點距離和σ后，選取兩個序列中該值最大的兩幀圖像，這兩幀圖像就是對應的心跳擴張最大時刻的對應圖像。對于每個造影圖序列，σ值的變化是從最大到最小到最大到最小再到最大的過程，也就對應了心臟跳動周期從心跳擴張最大時刻到達平衡點，到心臟收縮最緊張，回到平衡點，然后再到心跳擴張最大這樣的跳動規則。
利用本發明所采用的方法，對采集的圖像進行分析，能夠得到相應的不同心跳周期的冠脈造影圖，為血管的三維重建提供精確的控制，并減少了相應的設備的硬件設施；該方法原理簡單，實現方便，有效地解決了多視點冠脈造影序列影像的時間配準問題。
圖1是心電門控示意圖；圖2是具體實施方式
中所述手動選取的八個特征點示意圖，其中圖2a和圖2b為不同成像角度得到的冠脈造影圖；圖3是兩個圖像序列的縮略圖，其中圖3a代表序列1的縮略圖，圖3b代表序列2的縮略圖；圖4是采用手動描點時兩個序列的特征點與其平衡點之間的距離和σ的柱形結果圖，其中圖4a代表序列1，圖4b代表序列2；圖5是采用模板匹配標注特征點時兩個序列的特征點與其平衡點之間的距離和σ的柱形結果圖，其中圖5a代表序列1，圖5b代表序列2；圖6是兩個不同角度心跳最大擴張時刻的對應圖像，其中是圖6a和圖6b是手動描點時所得到的圖像；圖6c和圖6d是模板匹配標注時所得到的圖像。
具體實施方式下面結合來說明本實施例。
在兩個序列圖像中選取幾十幀圖像進行分析，選取了圖像中血管的N個特征點作為計算單元，并建立圖像時間配準的準則利用所選用的多幀的特征點的坐標均值作為心臟跳動平衡點的坐標，將每一個特征點到其對應平衡點的距離的和作為判斷心跳時刻圖像間相對應的準則。
本實施方式具體包括以下步驟a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；本實施例選取兩個成像角度的造影圖序列，每個序列選用的25幀造影圖，不同序列圖像的縮略圖如附圖3a，3b所示。
b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個特征點作為計算單元，并分別記錄它們的圖像坐標；特征點是最能代表血管運動特征的點，如附圖2a和2b所示冠脈造影圖中我們可以看到，特征比較明顯的點有分叉點和曲率極值最大的點；由于分叉點比較容易得到，因此本實施例每一幀選取8個中軸分叉點作為特征點。
c.對于每個造影圖序列，分別計算每個特征點的平均值坐標作為該特征點的平衡點坐標；x-=1nΣi=1nxi,y-=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表選擇的圖像數，
分別代表平衡點的橫坐標和縱坐標，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點的橫坐標和縱坐標。
d.計算每幀造影圖中每個特征點與其平衡點之間的距離和σ；
σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表選擇的圖像數，σ為特征點到平衡位置的距離和，
分別代表平衡點的橫坐標和縱坐標，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點的橫坐標和縱坐標。
對于每個造影圖序列，按照各幀的先后順序作出每個特征點與其平衡點之間的距離和σ的柱形結果圖，如附圖4a和圖4b所示。從圖中我們可以看出，該值的變化周期大約10幀左右，該距離和σ的變化從最大點(A點)到平衡點(B點)再到極大點(C點)，再從極大點(C點)到平衡點(D點)再到最大點(E點)，該變化周期內兩次經過平衡點，與心臟跳動周期完全相同即心臟跳動從心跳擴張最大時刻到達平衡點，到心臟收縮最緊張，回到平衡點，然后再到心跳擴張最大這樣的跳動規則；該距離和σ值為最大值時的那一幀造影圖就是心臟跳動擴張時刻的成像，每兩個最大值之間的局部極值點(C點)的那一幀造影圖就是心臟收縮最緊張時刻的成像。
e.選取兩個序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴張最大時刻的對應圖像。如圖6所示。
利用本方法所獲得的心跳擴張最大時刻的對應圖像，就可完成血管的三維重建等工作。
通常，我們是采用人工手動描點方法進行每個序列特征點的選取，該方法選點準確，但需要花費較多時間。由于所采集的冠脈造影圖像序列中，灰度變化不明顯，每個分支點的形變不明顯，只是位置發生變化。
因此，本實施方式的更優化的方案可選用影像處理領域中的成熟技術-模板匹配方法來完成上述步驟b中選擇特征點的工作，以提高本方法的實現速度。
首先以每一個點為中心選取窗口，在后續圖像幀中進行匹配；由于序列圖像坐標點的變化不是太明顯，因此在每一幀匹配后用匹配后的模板代替已有的模板。并把匹配后的模板的中心點作為對應的后續幀的特征點。
模板匹配公式為R(i,j)=Σm=1MΣn=1MSi,j(m,n)×T(m.n)(Σm=1MΣn=1M[Si,j(m,n)]2)(Σm=1MΣn=1M[T(m,n)]2)]]>式中R(i，j)為每一點的相關值，M為模板區域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配圖像中第i行、第j列分塊中的象素灰度值。
為了減少匹配時間，本實施例采用基于先驗知識的匹配方法，即每一個特征點的位置在一定的范圍內變化。對于每個特征點，連續的兩幀的圖像特征點的位置和形變變化不明顯，連續兩幀的特征點的變化在20個象素之間，因此我們選用的窗口為50×50象素，并使得他們在特征點100×100的范圍內尋找匹配點，并把匹配后的模板的中心點作為后續幀對應的匹配點。這樣明顯減少了匹配時間。第一個序列的圖像進行匹配的時間僅為267.76秒。第二個序列圖像進行匹配的時間僅為170.45秒。根據模板匹配結果作出每個特征點與其平衡點之間的距離和σ的柱形結果圖，如附圖5a和圖5b所示。
權利要求
1.多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，其特征在于它按照下述步驟進行a.從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；b.在步驟a中所選的造影圖序列中選擇N個特征點作為計算單元，并分別記錄它們的圖像坐標；c.對于每個造影圖序列，分別計算每個特征點的平均值坐標作為該特征點的平衡點坐標，x‾=1nΣi=1nxi,]]>y‾=1nΣi=1nyi]]>上式中n代表選擇的圖像數，
分別代表平衡點的橫坐標和縱坐標，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點的橫坐標和縱坐標；d.計算每幀造影圖中每個特征點與其平衡點之間的距離和σ，σ=Σi=1n(x--xi)2+Σi=1n(y--yi)2,]]>上式中n代表選擇的圖像數，σ為特征點到平衡位置的距離和，
分別代表平衡點的橫坐標和縱坐標，xi，yi分別為每一幀圖像中的特征點的橫坐標和縱坐標；e.選取兩個序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴張最大時刻的對應圖像。
2.根據權利要求
1所述的多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，其特征在于選取能代表血管運動特征的點作為所述特征點。
3.根據權利要求
2所述的多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，其特征在于所述特征點可選擇血管的中軸分叉點或者血管曲率極值最大的點。
4.根據權利要求
1、2或3所述的多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，其特征在于所述步驟b利用模板匹配方法，按照下述步驟進行b-1.在該造影圖序列中第一幀造影圖中選擇特征點；b-2.以每一個點為中心選取窗口，在第二幀圖像中進行匹配并用匹配后的模板代替已有的模板；b-3.對應后續幀，將匹配后的模板的中心點作為該幀的特征點。模板匹配公式為R(i,j)=Σm=1MΣn=1MSi,j(m,n)×T(m,n)(Σm=1MΣn=1M[Si,j(m,n)]2)(Σm=1MΣn=1M[T(m,n)]2)]]>上式中R(i，j)為每一點的相關值，M為模板區域的大小，T代表模板中的象素灰度值，Si，j代表待匹配圖像中第i行、第j列分塊中的象素灰度值。
專利摘要
多視點冠脈造影序列影像的時間配準方法，屬于醫學成像技術領域：
。為解決現有心電門控技術復雜，操作不方便的問題，本發明的主要步驟為從不同的成像角度選取成像清晰的造影圖序列；在所選的造影圖序列中選擇N個特征點作為計算單元，并分別記錄它們的圖像坐標；對于每個造影圖序列，分別計算每個特征點的平均值坐標作為該特征點的平衡點坐標；計算每幀造影圖中每個特征點與其平衡點之間的距離和σ；選取兩個序列中的距離和σ值最大的兩幀造影圖，即為不同的成像角度的造影圖序列中心跳擴張最大時刻的對應圖像。本發明所述方法對采集的圖像進行分析，能夠得到相應的不同心跳周期的冠脈造影圖，為血管的三維重建提供精確的控制，并減少了相應的設備的硬件設施。
文檔編號A61B8/00GK1994228SQ200610125571
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月25日
發明者桑農, 張天序, 鐘勝, 胡靜, 王國棟, 張真 申請人:華中科技大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan