（信号与信息处理专业论文）脑血管dsa图像处理技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：脑血管疾病是危害人类生命与健康的常见病和多发病，是引起人类死亡的 主要疾病之一。临床上对脑血管疾病的诊断和血管内介入治疗广泛采用数字减影 血管造影( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y , d s a ) 技术。但d s a 图像是脑血管三 维结构的二维投影，存在血管重叠。三维旋转血管造影可以克服d s a 的局限性， 从一系列旋转采集的d s a 图像重建出血管的三维数据场，采用三维可视化技术显 示出逼真的血管。 国内对血管d s a 三维重建技术的研究起步较晚，和一些发达国家相比存在着 很大差距。已有旋转血管造影机的主要功能仅能为医生提供多角度的血管观察图 像，因此在此基础上实现血管的三维重建，可扩充现有医疗设备的功能。 本文是对脑血管d s a 图像处理技术进行研究，主要是对校基金课题脑血管 d s a 三维重建技术研究中的几何失真校正和三维重建算法进行了研究和论述。 在几何失真方面，使用m a t l a b 对图像数据进行处理与分析。主要内容为图像 控制点检测与局部校正技术实现，其中使用的原理为数学形态学方法、最小二乘 法曲线拟合、非线性多项式的局部校正、后向映射、双线性插值，最后进行了误 差比较与分析。 在d s a 三维锥束重建算法上，使用v c + + 和v t k 对f e l d k a m p 算法进行了实 现。主要内容为中心切片定理、滤波反投影法、扇形束重建的原理介绍，解析 f e l d k a m p 算法的实质和原理，对f e l d k a m p 算法进行修正，对血管投影图像进行处 理，对重建出来的三维数据场进行显示。最后对几种模型进行三维重建，进行了 比较与分析。 经过算法处理，几何失真的非线性多项式局部校正方法对图像的校正结果较 好。三维重建的f e l d k a m p 算法能够完整的将二维的投影数据重建为三维数据场， 成功进行了血管图像的三维重建。论文还对下一步研究工作提出了建议。 关键词：d s a 、局部校正、三维重建算法、f e l d k a m p 算法。 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ec e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s ei sv e r yc o m m o ni no u r1 i v e s ，w h i c hi s f r e q u e n t l yo c c u r r e d ，a n dc a u s e sm u c hd e a t he v e r yy e a r t h ed i g i t a ls u b t r a c t i o n a n g i o g r a p h yi sw i d e l yu s e di nt h et r e a t m e n to ft h ec e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s ea n dt h e i n t e r v e n t i o n a lt h e r a p e u t i cp r o c e d u r e so fi n t r a v a s c u l a ra tac l i n i c h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a ld s ai m a g i n gt e c h n i q u el e a d st ov e s s e l so v e r l a p ，m a n ye f f o r t sh a v eb e e n m a d et od e v e l o p3 dr e c o n s t r u c t i o no fc e r e b r a lb l o o dv e s s e l sf r o ms u b t r a c t e dr o t a t i o n a l a n g i o g r a p h yp r o j e c t i o n s t h i sa r t i c l ei sa b o u tt h er e s e a r c ho ft h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o rt h e c e r e b r o v a s c u l a ri m a g e sb yd i g i t a ls u b t r a c t i o n a n g i o g r a p h y a n di tm a i n l yr e s e a r c ht h e p a r to fg e o m e t r yc o r r e c t i o no fd i s t o r t i o na n dt h et h r e ed i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m i nt h ep a r to ft h eg e o m e t r yc o r r e c t i o no f d i s t o r t i o n ，t h ed i s t o r t e d 面dp i c t u r e ，w h i c h w a sc o l l e c t e db yt h ex r a y i m a g ei n t e n s i f i e r , h a sb e e nc o r r e c t e dw i t ht h el o c a l t e c h n i q u ea n ds o m ec o r r e l a t i v em o r p h o l o g i c a lk n o w l e d g e t h e n ，t h e r ea r es e v e r a l c o m p a r eb e t w e e nl o c a la n dg l o b a lt e c h n i q u eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea r i t h m e t i ca n d t h er e s u l t so fc o r r e c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de x c e l l e n c eo ft h o s et w ot e c h n i q u e s h a v eb e e ns u m m a r i z e da sw e l l f i n a l l y , iu s et h el o c a lt e c h n i q u et op r o c e s st h e s i m u l a t i o n 面di m a g e ，a n dc a r r yo nt h eq u a n t i f i c a t i o na n a l y s i s i nt h ep a r to ft h et h r e ed i m e n s i o n a lr e b u i l da l g o r i t h m s ，ih a v ei n t r o d u c e da n d r e a l i z e dt h ef e l d k a m pa l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ef e l d k a m pa l g o r i t h m ，t h ec e n t r a l s l i c et h e o r e m ，t h ef i l t e r e db a c kp r o j e c t i o na n dt h es e c t o rr e b u i l da l g o r i t h ma r e i n t r o d u c e df i r s t l y t h e nih a v ea n a l y z e dt h ef e l d k a m pa l g o r i t h ma n du s ei tt op r o c e s s t h ep r o j e c t i o ni m a g eo fb l o o dv e s s e lw h i c hi sf o r m a t t e do fd i c o m f i n a l l y , ic a r r i e dt h e f e l d k a m pa l g o r i t h mo nt h es p h e r o i dm o d e l ，a n dc o m p a r et h er e s u l tw i t ht h eb l o o d v e s s e li m a g e a f t e rt h ep r o c e s s i n gt h el o c a lt e c h n i q u ec o r r e c t i o nh a sag o o dr e s u l t ，b u ti ti sw o r s e t h a nt h er e s u l tb yg l o b a lt e c h n i q u ei nt h es m o o t h n e s so fi m a g e s t h es u g g e s t i o no ft h e n e x ts t e pi sp r o c e s st h ei m a g e su s i n gt h eb o t hm e t h o d s t h ef e l d k a m pa l g o r i t h m ，w h i c h i st h em a i nt h r e e - d i m e n s i o n a lr e b u i l d a l g o r i t h m ，c a nc o m p l e t e l yp r o c e s st h e t w o d i m e n s i o n a lp r o j e c t i o nd a t at ot h et h r e ed i m e n s i o n a ld a t af i e l d b u tb e c a u s eo ft h e e r r o ro ft h ed i c o m i m a g e si nm e a s u r i n gt h er e s u l to ft h eb l o o dv e s s e li m a g e si sn o t v 北京交通大学硕士学位论文 v e r yw e l l t h es u g g e s t i o no ft h en e x ts t e pi st of i n dt h em e a s u r i n ge r r o r , a n dg e taw a y t oc o r r e c ti t ，a n dt h e nr e b u i l dt h ed i c o mi m a g e sa g a i n k e y w o r d s ：d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ；g e o m e t r yc o r r e c t i o no fd i s t o r t i o n ； l o c a lt e c h n i q u e ；t h r e ed i m e n s i o n a lr e b u i l da l g o r i t h m s ；f e l d k a m pa l g o r i t h m ； c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名：磐寄同 签字日期：黼年多月主日签字同期：纱国年石月，日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢敞膏签字嗍螂年名月上同 致谢 本论文的工作是在我的导师赵守国副教授的悉心指导下完成的，赵守国老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 来赵守国老师对我的关心和指导。 黄惠芳老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向黄惠芳老师表示衷心的谢意。 信息科学研究所的阮秋琦教授、刘杰副教授、胡秉谊副教授和诸强副教授等 老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵燕燕、张昭朝、薛虎、张彬等同学对我论 文中的医学图像处理研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢爸妈赵书华、雷圣南，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 引言 1 引言 1 1 数字减影血管造影( d s a ) 技术 1 1 1d s a 技术概述 数字减影血管造影( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ，d s a ) ，又称数字血管成 像( d i g i t a lv a s c u l a ri m a g e ，d v i ) ，属电子计算机数宁图像处理范畴，它是7 0 年 代继c t 后丌发的一种新的x 线成像系统，是常规血管造影术和电子计算机图像 处理技术桐结合的，汜物【lj 。在血管内介入治疗巾，普通瓶管造影图像具自j 很多的解 剖结构信息，例如骨髂、肌肉、血管及含气腔隙等等，彼此相瓦重叠影h 向，若要 想单纯对某+ 结构或组织进行细微观察就较为网难。 d s a 成像的基本原理可以概括为：将x 射线机对准人体需要检测的部位，通 过软导管将x 射线造影剂注射到感兴趣的m 管中，如果在注入造影剂前后分别摄 取这同一部位的x 射线图像，然后利用计算机将这两幅图像相减，就可以消除图 像中相同结构的部分，而突出注入造影剂的血管部分。 幽1 1 最新d s a 设备系统 北京交通人。、产颂卜学 论文 1 1 2 数字减影血管造影系统的工作原理 前面已经提剑，d s a 的基本原理就是将受检部位没有注入造影剂和注入造影 剂后的两幅l f 1 管造影x 线荧光图像，分别经影像增强9 a ，f - i f 削4 ) 。 ；后，再用高分辨率的 电视摄像管扫描，将图像分割成许多的小方格，做成矩阵化，形成【u 小方格中的 像素所组成的视频图像，经对数增幅和模数转换为数7 图像并分别存储起来。然 后利用计算机将这两幅图像相减，就【j j 以消除图像中年h l 叫结构的部分，获得的不同 数值的差值信号，再经对比度增强和数模转换成普通的模拟信号，获得了去除骨 骼、肌肉和其它软组织，只留卜单纯血管影像的减影图像，通过显示器显示汁 来。 _ _ i ! 片造影片 盘耱置! 萨ij鏖誊乎7 # 八! 矗 颈动脉 结聚幽象 图1 2 数字减影m 管造影i 作原理图 l j 常规x 射线血管造影年日比，利用d s a 系统使用造影剂少，造影过程简化， 操作简便，提高了血管的对比度，可以动态观察导管、导丝和造影剂等的行程， 清晰的显示血管本身的形态改变。近2 0 年来，山丁计算机、电视系统、x 线影 像增强器和数字电子储存设备的不断改进，推动了d s a 影像技术的日臻完善，进 而使得d s a 技术广泛心用f - i t 每床诊断的各个领域，冈此关fd s ai 维重建研究 就成为许多学者的科研热，t j 、i 。 引彳 1 1 3 脑血管d s a 应用 脑血| 管病是危害人类乍命与健康的常见病和多发病，具有发病率高、致残率 高、死亡率高和复发率高的特点，足引起人类特别是中老年人致死、致残的主要 疾病之一。由于老年人i1 的彳i 断增加和，| ：活水平的提高，脑f i l 管病的发病率仍在 不断上升并有年轻化的趋势【2j 。 脑血管病是山各种血管源性病冈引起的脑部疾病的总称。血管源性病因很多， i i 要概括为两人类：( 1 ) 心j ：l 管系统和其他系统或器官的病损，祟及脑部血管和 循环功能，如动脉粥样硬化、高血压性动脉改变、心源性栓塞以及炎症感染、血 液病、代谢病、结缔组织病等导致或伴发供应脑部m 管的狭窄、闭塞，使局部缺 向一，或凶血管病损破裂而出血；( 7 ) 颅内血管本身发育异常、创伤、肿瘤，如先 天性颅内动脉瘤、脑动静脉畸形、血管源性或其他颅内肿瘤和颅脑损伤所致。以 第大类病凶更为常见。 由于人脑埘t - 人体生理机制的特殊重要性和脑部骨骼构造对于进行脑血管珍 断和治疗不便，在实际的治疗巾必须尽量使用非介入式的诊断方式给出高质量的 病理情况。而医学数字影像设备就成为了珍断的首选方式，临床上对脑血管疾病 的诊断和血管内介入治疗广泛采用数字减影血管造影技术，将其作为评价脑血管 的“会标准”。当b 超、经颅多普勒超卢和核磁共振血管成像检查怀疑脑血管有狭 窄时，为明确诊断，需进一步行m 管造影。 腑血管瘸的检查：特别是对j 二动脉瘤、动静脉畸形等定性定位诊断，更是最 佳的诊断于段。不但能提供病变的确切部位，而且对病变的范围及严重程度，亦 可清楚地了解，为手术提供较可靠的客观依据。另外，对于缺血性腑血管病，也 有较高的诊断价值。d s a 可清楚地显示动脉管腔狭窄、闭塞、侧支循环建立情况 等，对r 腑m 血、蛛网膜下腔i t 血，r 叮进一步查明导致出血的病冈，如动脉瘤、 血管畸形、海绵状血管瘤等【l j 。 l 溺攀 l 黧蒸缓荔溪蒸戆黧瀚荔霞鎏鬻 黼鬻 北京交通大学硕士学位论文 图1 3 是脑部数字减影血管造影图像，其中，图1 3 - a 为m a s k 图，图1 3 - b 为 造影原像，图1 3 - c 为减影像，图1 3 一d 为对比度增强的图像。在减影像中，由于 对比度大的人体组织，如骨，肌肉，软组织等要被消除，只剩下对比度较小的血 管像，所以有必要增强对比度，以便于观察。图b 为经过造影的血管原像，但识 别困难。在减影血管像图c 上血管依稀可辨，再做对比度增强后的图d 上就可以 清楚地看出血管的状态。在得到增强的减影后，还可以对它做各种图像处理，包 括轮廓增强、缩放、平滑化、特征提取等【l 】。 脑血管病的严重后果是出血和缺血，导致病人残疾和死亡。2 0 世纪8 0 年代由 于d s a 的广泛应用，脑血管病的诊断水平迈上了一个新的台阶，但利用d s a 技术 诊断和治疗脑血管疾病也存在着一些问题，因为用常规d s a 图像显示一个复杂的 三维脑血管解剖，有一定的局限性。脑血管病变的患者在进行d s a 检查时，一般 摄取正侧位，d s a 图像是脑血管三维结构的二维投影，有时会发生病变血管重叠 的现象，医生只能从多个投影图像来评估血管的狭窄几何和空间关系，主观性较 强，不利于诊断和治疗。如果增加造影的角度和次数，不仅延长了时间，而且还 增加了病人和医生所受的x 射线辐射剂量。 三维旋转血管造影( t h r e ed i m e n s i o n a lr o t a t i o n a la n g i o g r a p h y , 3 d r a ) 可以克 服d s a 的局限性。由3 d r a 产生的三维脑血管图像有极高的分辨率，能在任何方向 旋转显示任何角度的结构，可清晰显示脑血管多方位解剖学结构和形态，对病变 的观察更全面、更确切、更客观，这为诊断、治疗规划、治疗带来益处【3 l j 。特别 是在血管内介入治疗过程中，三维血管形态可以给医生提供最佳的观察角度，精 确引导介入材料定位。同时还可以让医生定量分析血管形态，帮助选择合适尺寸 的介入材料。此外，脑血管d s a 三维重建是在一次造影剂注射和x 射线曝光中完成 的，可以最大限度地降低医生和病人所受的x 射线辐射剂量以及降低造影剂对病人 的伤害。在常规d s a 对病变血管显示不理想的情况下，3 d r a 能够提供一幅完整的 动态血管影像，是对常规d s a 的重要补充，对颅内血管病变的诊断和治疗有很大 价值。 1 2d s a 的国内外研究现状 1 2 1d s a 技术发展及研究现状 数字减影血管造影技术( d s a ) 是医学影像学中继x 线c t 之后，电子计算 机与常规x 线血管造影相结合的一项新技术。关于d s a 的发展过程，还需回顾血 管造影技术本身的历史【l 】。 4 引言 1 8 9 5 年1 1 月8 日，伦琴发现了x 射线，几个星期后，两位奥地利医生就进 行了动脉血管造影尝试。1 9 2 3 年，德国医生将造影剂注入血管内，成功利用x 射 线实施了人体四肢动静脉造影。 1 9 6 3 年z i e d e sd e sp l a t n e sb g 首先利用同一患者的脑血管与颅平片( 既负片， 此片的体位、射线方向与造影片相同) 翻印成正片( 作为掩盖片m a s kf i l m ) 互相 重叠，将此重叠的两片覆盖于未感光的x 线胶片上，利用可见光曝光，经冲洗印 成减影片。1 9 7 2 年，c o m d i s 等发明了旋转脑血管造影剂，后来h o f f 等人将其应 用于临床，形成旋转造影。 到了7 0 年代后期，随着计算机技术、电视技术、影像增强技术的发展，美国 的威斯康辛大学的m i s t r e t t a 小组、亚历山大大学的n a d d m a n 小组和西德k e i l k i n d e rk l i n k 医学中心各自独立地对数字减影血管造影术研究，并对这一技术的发 展做出了杰出的贡献；美国威斯康辛大学的m i s t r e t t a 等人采用模拟存储装置，应 用时间和碘剂k 缘能量减影法，可从电视透视影像中分辨出很低的碘剂信号，显 著地提高了造影效果；1 9 7 7 年n u d e l m a n 教授获得了第一张d s a 影像；1 9 7 8 年， 研究者设计了数字式视频图像处理器，用电子扫描将图像以数字形式存储起来【lj 。 1 9 8 0 年2 月威斯康辛大学进行了l o 例病人d s a 检查；1 9 8 0 年1 1 月在北美 放射学会议上展示了三种商用机装置，从此，d s a 设备由美国威斯康辛大学的 m i s 仃e t t a 小组和亚历山大大学的n a d e l m a n 小组首先研制成功并投入临床使用，医 学界寻找侵入性小、简便安全、影像清晰的血管造影方法的愿望终于得以实现。 此后许多国家加强了对d s a 的进一步研究，在机器性能，成像方式、方法和速度， 图像的存取、处理与显示，组织器官的形态和功能的定性定量分析，自动化和智 能化程度等方面取得了明显的进展。1 9 8 1 年布鲁塞尔国际放射学年会上，数字x 线摄影的物理学及临床应用被公认为突破性进展。 国内最早于1 9 8 4 年引进了d s a 设备，并在全国迅速推广，至1 9 8 9 年第五届 全国放射学学术会议上，有1 7 篇文章专门论述d s a ，分析研究的病例达4 3 1 7 例， 内容涉及静脉、动脉和心腔d s a 在大血管、神经、腹部和泌尿系、心脏( 包括先 天性心脏病和冠状动脉等) 、肺动脉和骨骼软组织等各项领域的临床应用研究和经 验总结。 近年来d s a 在心血管造影及介入放射学中的作用越来越受到重视而且对其临 床应用及发展有了新的认识。d s a 宏观的发展趋势是专用化转变，即单向c 型臂 系统用于全身造影与介入放射学，双向c 型臂系统则用于心脏和大血管检查。目 前旋转d s a 成像设备已应用于临床，能使x 线管作旋转运动或多轨迹运动，可实 现三维血管造影的减影影像显示，同时计算机内存储蒙片的方法或程序化步进式 d s a 的实现，改善了以往使用常规步进式d s a 的不足。有效地提高d s a 图像的 5 北京交通人学硕十学位论文 空间分辨率，进一步增强系统的检查效率，提高图像的定量分析能力，是d s a 系 统的主要发展趋势，也是医学影像诊断与治疗的关键所在。 1 2 2 脑血管d s a 三维重建技术的研究现状 近年来，3 d r a 在临床中的应用不断增加，但血管三维重建的准确性、速度以 及设备的稳定性还需要进一步提高。国内对血管d s a 三维重建技术的研究起步较 晚，和一些发达国家相比存在着很大差距。已有旋转血管造影机的主要功能仅能 为医生提供多角度的血管观察图像，因此在此基础上实现血管的三维重建，可扩 充现有医疗设备的功能。 英国伦敦w e s t e r no n t a r i o 大学的f a h r i gr 教授对基于c 型臂的3 d r a 系统进 行了深入的研究【3 】。该技术从一系列旋转采集的d s a 图像重建出血管的三维数据 场，采用三维可视化技术显示出逼真的血管，本论文的很多理论也是基于这些研 究成果。 由于如今d s a 图像采集都需要使用x r i i 影像增强器，图像的几何失真校正算 法存在局部校正技术、全局校正技术和超全局校正技术三种。前两种算法是传统 算法，很多图像处理的研究者对全局校正和局部校正技术都有较深入的研究，得 到了很多成果。 f e l d k a m pl a 等人研究了脑血管三维重建中的锥束重建算法，在滤波反投影法 ( f i l t e r e db a c kp r o j e c t i o n ，f b p ) 中提出了f e l d k a m p 算法【4 】，这是现在常用的算法。 w a n g 5 】等提出一个依靠旋转角度的加权方案来弥补锥角较大时引起的重建质量下 降。v a l t o n 6 】等提出0 【f d k 算法对偏离中心的圆形轨迹进行锥束重建。这都为修正 f e l d k a m p 算法提出了解决方案。 国内现在很多医院都在进行临床实验，利用他们现有的d s a 设备以及p a c s 工作站的功能，将采集到的图像通过网络自动传到a w 工作站，然后选择表面阴 影重建法( s u r f a c es h a d e dd i s p l a y ，s s d ) 和最大密度投影重建法( m a x i m u mi n t e n s i t y p r o j e c t i o n ，m i p ) 实现对d s a 图像的三维重建【7 j ，得到了一些研究实验结果。并 且，有些学者还进行了几何失真校正方面的研究，主要是基于设备给出了图像失 真误差分布的评价。 6 引言 1 3 课题介绍及本论文的主要工作 1 3 1 课题概述 血管的d s a 三维重建实质上是通过不同视角的二维d s a 图像中所对应的灰 度信息恢复出血管三维空间形态的过程，即从锥束投影进行血管的三维重建。脑 血管的重建质量与投影数有关，增加投影数不仅可以提高脑血管的空间分辨率和 形态信息，还可以减少背景赝像，但是需要增加病人接受的辐射剂量。通常采集 4 0 1 5 0 幅d s a 图像重建脑血管的三维形态。 通常，脑血管d s a 三维重建是通过一个装有x 射线管和x 射线影像增强器 ( x r a yi m a g ei n t e n s i f i e r , x r i i ) 的c 型臂系统实现旋转血管造影的。采集两个序列 数据，一个序列作为掩模图像，另一个序列作为造影图像。数据采集完毕后，两 个序列的数据相减产生数字减影图像，通过高速数据线传输到三维工作站进行处 理。基于c 型臂的脑血管d s a 三维重建包括如下关键技术： ( 一) 几何失真校正 基于c 型臂的3 d r a 系统使用x r i i 作为图像检测器，而x r i i 会使获取的投 影图像与真实图像之间存在变形，因此必须对图像的几何失真进行校正。x r i i 引 起的几何失真主要由两部分组成：枕形失真和s 形失真。枕形失真与x r i i 的位置 无关，s 形失真与x r i i 的位置有关，因此必须为x r i i 的每个旋转位置进行失真校 正【3 】。通常枕形失真与s 形失真同时校正。为了获得x r i i 的失真，首先要对一个 放置在x r i i 输入屏表面的直线定标网格( g r i d ) 板重建。然后利用计算机处理定 标g r i d 图像进行校正。 校正一般分为三步：一是检测g r i d 图像上的控制点；二是找到失真图像上的 控制点位置和实际控制点位置之间的映射关系；三是利用这种映射关系将失真图 像变换成校正后的图像。大致分为三种方法：局部校正技术【引、全局校正技术【9 】【1 o 】【1 1 】 和超全局校正技术【1 2 】【1 3 】。 ( 二) 锥束投影几何标定 机架在c 型臂旋转期间存在非理想的运动，这些运动将导致数据采集期间旋 转中心的移动。大部分三维锥束重建算法假设x 射线源和检测器在旋转时遵循一 个理想的圆形轨迹，因此必须对这种非理想运动进行标定，确定每个图像的精确 投影几何( 即三维重建空间中的点在各个投影图像中的准确位置) ，才能产生较好 的三维重建结果【3 l 。在脑血管d s a 三维重建过程中，常利用基于图像的标定系统 获得x 射线投影几何。基于图像的标定方法分为并行标定和预期标定，并行标定 是在病人数据采集期间使用标定物体，而预期标定是在采集前使用标定物体。 7 北京交通人学硕士学位论文 ( 三) 脑血管的三维锥束重建 脑血管三维重建所采用的锥束重建算法主要是采用基于滤波反投影法 ( f i l t e r e db a c kp r o j e c t i o n ，f b p ) 的f e l d k a m p 算法【4 j ，这也是现在常用的一种算法。 由于f e l d k a m p 算法要求采集轨迹为一个完整的圆，是全扫描( f u l l s c a n ) 型， 而临床上c 型臂系统采集轨迹为超过1 8 0 度的半圆弧，是短扫描( s h o r t s c a n ) 型。 此外，由于c 型臂存在非理想运动，系统的中心并不是固定的，光源和检测器中 心的运动轨迹不是平面上的单圆轨迹，因此不能直接应用f d k 算法。现在使用一 个依靠旋转角度的加权方案来弥补锥角较大时引起的重建质量下斟5 1 ，以及a f d k 算法对偏离中心的圆形轨迹进行锥束重建的修正【6 。 ( 4 ) 脑血管三维数据的可视化及去噪 对于脑血管三维数据的可视化，可以使用面绘制、体绘制和最大密度投影 ( m a x i m u mi n t e n s i t yp r o j e c t i o n ，m i p ) 等技术。面绘制是一种在体素空间产生等值 面的方法，等值面通常使用m a t c h i n gc u b e s 算法产生。面绘制的优点是数据量小， 绘制速度快。基于光线投射法的体绘制不需要先作表面或物体的分割就可以直接 观看体图像，保留了绘制图像和体数据之间的关系，但是加大了计算量，比面绘 制慢得多。m i p 是一种简化的体绘制法，输出图像中每一个像素的灰度值为投影 射线上的最大值。体绘制和面绘制对三维形态有比较好的表达，当用交互方式产 生绘制时效果更好。但是体绘制和面绘制需要灰度值的信息，且与用户相关，有 可能使小血管消失或者引入m i p 中不存在的关系。不同的可视化技术可以产生互 补的信息，因此尽可能使用多种可视化技术显示三维血管。 重建出的原始脑血管三维数据集有较高的噪声水平，同时感兴趣区域周围存 在其它背景结构，因此三维数据场的可视化通常不会产生平滑的结果。为了改进 体会制和面绘制的质量，必须在可视化之前对原始数据进行去噪处理，如简单的 均匀滤波、中值滤波等。但是去噪技术对绘制出来的血管形态的定量测量有影响， 因此有必要分析去噪技术对脑血管d s a 三维重建图像中血管形态的定量准确性和 可视化质量的影响【i 引。 引言 图1 4 系统总体设计流样图 北京交通大学硕+ 学位论文 1 3 2 本论文的主要工作 本文主要对课题中的几何失真校正和三维锥束重建部分进行了研究与实验。 在几何失真方面： ( 1 ) 分析了几何失真的产生原因和主要特点，理解图像校正的几项技术特别 是局部校正技术和全局校正技术。 ( 2 ) 使用数学形态学的方法进行失真g r i d 图像控制点的检测。主要包括形态 学的算法使用实现，控制点的显示与存储，使用最d x - 乘法线性插值对未知控制 点进行插值求得坐标。 ( 3 ) 利用已经获取了的控制点信息，对真实的g r i d 图像进行局部校正。主要 包括，建立映射的过程，局部校正的算法实现，校正后图像的存储和修正等。 ( 4 ) 利用已经获取的控制点信息，对真实的g r i d 图像进行全局校正，对全局 校正的结果和局部校正的结果进行了比较。 ( 5 ) 利用局部校正技术进行仿真g r i d 网格的校正与误差比较，对算法的校正 准确性有了一个量化的指标。 在d s a 三维锥束重建算法上面： ( 1 ) 分析了三维锥束重建的步骤和主要方法，介绍了理论的发展和原理，着 重介绍了中心切片定理、滤波反投影法。 ( 2 ) 介绍了滤波反投影法中f e l d k a m p 算法的实质和原理，并对f e l d k a m p 算 法进行了修正。 ( 3 ) 利用f e l d k a m p 算法对血管的d i c o m 格式的投影图像文件进行了处理， 首先格式转换，随后修正图像，最后反投影重建。将重建出来的三维数据场进行 了显示。并对球体模型进行了三维重建，并且将结果与实际血管图像进行了比较。 l o d s ah - 像( f f , jj l 何火真校正 2d s a 图像的几何失真校正 存整个d s a 系统的三维重建中，l i 失真校j f 是第一步，也足必须经过的一 步，山于现在使用的c 型臂x 射线影像放大器产 t - i 扛, j 失真比较大，如彳i 对其进行 校破，不仅在实际的设备使用巾会出现误差和诊断失误，而目在二维重建的整个 课题巾也是商接火系到三维f f i l 管可视化的精确性。所以，无论足在实际使用中还 足在本课题中，都要进行图像几何失真校难。本章卡要论述d s a 图像的几何失真 产生的原因，回顾现有校正方法，在课题的实际工作中找m 一种可行性的方案， 给出校正的依据，并进行一系列的几何校正以及误筹分析，最后得出一定的结论。 图2 1 需要校h 内蚓像以及理想的校正结果 2 1d s a 图像几何失真产生原因及类型 2 1 1 d s a 系统的c 型臂设备结构 d s a 系统的c 型臂设备及成像几何关系如图2 2 所示。射线由发射端以锥束 的形式穿过成像对象，投影在影像增强器上，最后输m 剑监视器【15 1 。 北京交通大学硕士学位论文 图2 2c 型臂3 d r a 系统成像设备结构 在数据采集期间，需采集两个序列数据，每个序列有几十幅图像，大约需要 几秒钟。在每次造影剂注射前，c 型臂围绕病人头部旋转2 0 0 度左右采集一个序列 数据作为掩模图像，然后c 形臂自动回到起始位置，在造影剂注射期间重复前边 的路径采集另一个序列数据作为造影图像。数据采集完毕后，两个序列的数据相 减产生数字减影图像，通过高速数据线传输到三维工作站。 2 1 2 几何失真的种类 基于c 型臂的d s a 系统使用x 射线影像增强器( x r a yi m a g ei n t e n s i f i e r , x r i i ) 作为图像检测器，而有结果表明用x r i i 会使获取的投影图像与真实图像之 间存在变形，因此必须对图像的几何失真进行校正。 造成c 型臂x 光图像几何失真的因素主要有3 个，因而产生了三种失真类型， 分别是：( 1 ) 径向枕形失真( 图2 3 - b ) ：是由x r i i 表面弧度引起的，影像增强器 屏幕的球形表面，使c 型臂发射端发射的x 线偏离预期位置，使物体在图像边缘 比在中心放大明显；( 2 ) s 形弯曲失真( 图2 3 c ) ：地球自身及周围物体磁场，使 c 型臂发射端发射的x 射线电子束发生偏转；( 3 ) 图像偏移：由于图像增强器自 身重量使c 型臂电枢发生偏转，导致图像发生移动。可以说，c 型臂x 光图像失 真是由上述3 种失真形式共同作用而形成的一种复合失真。 a ) 无失真b ) 枕形失真c ) s 形失真 图2 3c 型臂x 光失真的主要类型 对常规c 型臂设备来说，最主要的失真是径向枕形失真，其大小是固定不变 d s a 图像的儿何失真校正 的。此外，当c 型臂位于不同方向及位置时，会产生不同大小的s 形弯曲失真； 当c 型臂在不同的方向时会产生不同大小的图像偏移。图像偏移的结果会对图像 的枕形失真与s 形失真大小产生影像，因此，复合失真的大小会随着c 型臂的方 向和位置的变化而发生一定的变化。为了分析这种影像的大小及其对外科的影响， 有必要分析并校正这种复合失真。 由于图像偏移是由c 型臂的自身物理力学有关，通过外部校准可以解决，故 失真图像的计算机校正主要是对枕形失真和s 形失真进行校正。 枕形失真与x r i i 的位置无关，s 形失真与x r i i 的位置有关，因此必须为 x r i i 的每个旋转位置进行失真校正。通常枕形失真与s 形失真同时校正。为了获 得x r i i 的失真，首先要对一个放置在x r i i 输入屏表面的直线定标网格( 鲥d ) 板重建。网格板固定在x r i i 上，c 型臂旋转2 0 0 度的过程中，每间隔两度即对网 格成像一次，并由x r i i 获取其图像。由于网格板由金属丝，透明的小洞或者小的 不透明物体组成，它们可以在图像中形成许多控制点( 即网格线的交点) ，但是控 制点的位置存在失真，图像中的每个控制点都与实际网格的一个已知位置相对应， 利用这个特点，就可以对失真的网格图像进行校正。这里主要讨论的是对x r i i 获 得的第一幅图像进行几何失真校正的过程。 2 2 几何失真校正技术 d s a 图像的几何失真校正一般分为三步：首先是检测失真鲥d 图像上的控制 点，也就是网格线的交点坐标；第二是找到失真图像上的控制点位置和实际控制 点位置之间的映射关系，映射关系随后利用已经建立好的映射关系完成由控制点 的失真坐标到正确坐标的转换；三是对校正后的图像进行灰度插值。其中求解映 射关系一步是区别各种校正方法的关键。校正图像的几何失真大致有三种技术： 局部校正技术、全局校正技术和超全局校正技术。下面分别加以介绍。 2 2 i 局部校正技术 局部校正技术就是根据图像的局部特征对其进行校正的技术，在实际的算法 中，首先将一幅图像分为不同的区域( 图2 4 ) ，利用不同区域所具有的不同图像 特征，分别使用不同的公式和计算对图像进行处理，最后将所有的区域处理的结 果在放在一起，形成对整幅图像的处理结果。 在使用局部校正技术对d s a 的酣d 图像处理的过程中，首先根据网格线 ( 2 9 x 2 9 ) 将一幅完整的g r i d 图像分成许多小块，随后对于每一个小块的局部区域 1 3 匕京交通人”t - 倾p 学何c = 仑文 寻找失真校i 卜方程，这也就是这块区：域的图像特征信息，而求解方程的末知失 真系数很容易通过求解一个或者四个顶点的一对方程获得。w a n g 5 等将失真图像 分成多个四边形小区域，并假设这些四边形相对j 二图像的失真足够小，使用一对 非线性多项式方年翟将每个失真区域独立地影射到王咀想图像f ：。方干罕中包括横坐标 和纵坐标的乘积项。将四边形的l j u 个顶点带入方程，可以唯一地求解8 个未知系 数， 吁利， j 这些系数将这个叫边形【x 域中所有的像素点进行变换，从而完成对这 个区域的变换。最后将每个l q 边形区域的变换结果结合起来，就形成了对整幅 g r i d 图像的局部校i f 处理。 b d h2 4 对幽像进行j 口j 部校止自订的分击0 示意 局部校f t - 技术所使用的校化方程，在数学l ：容易应用，利用计算机求解也很 快捷。然而如果想要局部校i f 的每个区域的校l f 方程更准确的反映i 一域内的图像 特征情况，就嘤使局部分割的区域尽j 能得小，从而使得校正更加准确。这样一 副完整的图像就必须要被分成很多j 、区域，这必然增加了存储校j 卜系数的计算机 存储空川1 1 ，对计算机处理速度柏- 艮火的影响。此外，凶为不i r j 的区域使用不同的 方程，局部校j 卜后形成的整幅图像在局部区域附近的边缘会产生中断。另外，凶 为误差不能被- 半均化，刈。检测到的控制点有很高的要求，如果一个控制点的坐标 不准确或者有波动，会在很大程度上影响相邻区域的校正准确性，从而很有可能 影响整幅图像的校正质量，所以在局部校正的过程中，控制点的检测是第一位的， 也是成败的关键。 在本文。卜t 要使用局部校正技术对g r i d 图像进行处理，还会对局部校正技术 进行仿真网格的校j 卜，以便进 r 校正的准确性评估。 2 2 2 全局校正技术 全局校l f 技术通常足利l j 商阶多项武将整个失真图像映射到理想图像一f ：。和 局部校i t d , 样，全局校卜采用的是一整幅图像的特征信息，首先司样也是年l jj 1 d s a 图像的几何失真校正 一些控制点的坐标建立映射关系即高阶多项式，随后求解这些高阶多项式的未知 数，最后根据这个高阶多项式对一整幅图像进行处理，得到结果。全局校正技术 可以采用不同类型的高阶多项式，相应校正的准确性也不同。一般控制点的数目 要比多项式的系数多，所以要利用均方误差最小的优化方法来求得未知系数。 在某种意义上说，全局校正技术克服了局部技术的缺点，