（生物医学工程专业论文）基于组合不变量配准的数字减影技术.pdf

浙凡学丁学坝l 学位论文 a b s t r a c t w i t ht 1 1 ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n i q u ed i a 印o s t i ct e c h n i q u ei n m e d i c i n ci sa l s om a k i n gg r e a tp r o g r e s s a tt h es a m et i m e ，m e d i c a li m a g e sa r e g r a d u a l l yi nd 画t a l i z a t i o n ，a m o n gt h e s e ，d i g i t a l s u b t r a c t i o na 1 1 9 i o g r a p h yi st h e o u t c o m eo f t h ed i 譬i t a l i z a t i o n d s ab r i n go f r t h ev i s u a l i z a “o no f v e s s e l s ，a n dm a k et h e d i a 2 n o s i so fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sm u c hm o r cc o n v e n i e n t ，m n h e 呻o r e ，i th a s b e c a m et h e “l ds t a n d a r d ”f o rd e t e c t i o no fv a s c u l a ra n o m a l i e s o m e r w i s e ，d s a i m a g e sa l w a y sr e d u c et h ed i a g n o s “cv a l u eb e c a u s eo fd e g r a d a t i o n f o re x a m p l e ， n o i s e ，m o “o na n i f a c t ，u n d e r e x p o s u r eo ro v c r e x p o s u r e ，e s p e c i a l l y s u b t r a c t e di m a g e h a v em o t i o na n i f 如t sb e c a u s em a s ka n dc o n t r a s ti m a g ew e r en o tp r 叩e r l ya l i 印e d c a u s e db vp a “e n tm o t i o n t h e s es u 哳a c t e di m a g e sw h i c hh a v em 出m o t 沁na r t i f a c t s c a nm a k ed i a g l l o s i sm o r ed i m c u l t ，s oj t sv e r yc r i t i c a l t og e tm eq u a l m e ds u b t i t c d i m a g e s b yu s i n gi m a g ep r o c e s s i n g 似：l u l i q u e s t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h i s q u e s t i o n 1 n 伽sp a p e r ，矗t s t l yd i s c u s s e dt h et e c h n i q u eo fd i 百t a ls u b t r a c t i o n 孤酉o g r a p h ya n d c o m p a r e dt 、v os u b t r a c t i n gw a yi nd s a ，t h a ti sd i r e c t s u b t r a c t i o na n dl o g 撕t l l | n i c s u b t r a c t l o n t h e nt h ea u t h o rt o l du sw h e r et h en o i s ec o m ef r o ma n dt h ew a yt os 0 1 v e t h i sp r o b l e m ，t h em o s ti m p o n a n ts 0 1 u t i o ni sb yc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g t h en o i s e o fd s a i m a g e si sm a i n l yc a u s e db yp a l i e n tm o t i o n ，s oh o w t og c t 订do f ft h em o t i o n a r 【i f 砬t sb yi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e si st h ek e yp r o b l e m ，m a ti sc o r r e c t i o no f m o t i o na r t i f a c t s n o wt h em a i n l vt w ow a y sf o rc o e c t i o no fm o t i o na r t i f k t sa r c o p t i c n o wt e c h n i q u ea n dt e m p l a t em a t c h i n gt e c h n i q u e ，i nd s at e m p l a t em a t c h i n g t c c l l l l i q u ei sm o s t l yu s e d i nc h a p t e rt l l r e e t h et e m p l a t em a t c h i n gt e c h i l i q u ew a s d i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e rf o u r ，t h ea u t h o ra d o p t e da 1 1i n v a r i 柚ta p p r o a c hf o ri m a g er e g i s t r a t i o ni n d i g i t a ls u b t m c t i o na n g i o 矿a p h yw h i c hi s ak i n do ft e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h r n i t 厅r s tg o tt h ee d g eo ft h ec o n 仃a s ti m a g ea n de x 仃a c t e dp o t e n t i a la n i f a c tr e g i o n sb y m e a n so ft h r e s h o l d ，f m mt h i ss e l e c tc o n t r o lp o i n t sa u t o m a t i c a l l yt h e nu s e dt h e c o m b i n e di n v a r i a n t st om e a s l l r et h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h em a s ki m a g ea n dt h e c o n t r a s ti m a g e a tl a s t ，u s e dt h et p si n t e r p o l a t i o nf o rt h ec o n 仃i ) lp o i m sa n dt h e b i l i n e a ri n t e r p o l a t i o nf o rt h eo m e rp o i n t si nt h em a s ki m a g e t h ec o n “丑s ti m a g e s u b t r a c t e dt h ea l i g n e dm a s ki m a g ec a l lg e tt h ed s as u b t r a c t i o ni m a g e f o rt h eg r a y 1 0 s ej nt h i ss u b t r a c t i o n ，w es h o u l da d j u s tt h e 孕a y1 e v e lo ft h es u b t r a c t e di m a g e a c c o r d i n gt o i t so w nc h a r a c t e r i s t i c ，t h ea u t h o rf i r s tu s e dt 1 1 el i n e a r 乒a ya d j u s t m e n tt o m a k et h ei m a g eg r a yl e v e lt ot h ei d e a l r a n g e ；t h e nu s e dt h ea p p o i m e dh i s t o g r a mt o m a k et h ei m a g em o r esa t i s f a c t o r y ；1 a s tu s e dt h en l t e rt or e d u c et h en o i s ea 1 1 de “h a n c e t h ec l a r i t yo fv e s s e l s a f t e rt h e s ep r o c e s s i n t h en o i s ew a s m u c hm o r cr e d u c e da n d t h ev e s s e l sw e r ec l e a r e r ，w h i c hc a ns a “s f yt h ec l i n i c a ld i a g n o s i s k e yw o r d s ：d i g i t a l s u b t r a c t i o n a n g i o g r 印h “d s a ) ； c o m b i n e di n v a r i a l l t s f o r r e g i s t r a t i o n ；t e m p l a t em a t c h i n gt e c h n i q u e ； d s a i m a g ee n h a n c e m e n t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：圣金猃日期：盔踅6 ：至：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一邋新签名弹吼一7 均人学i 学地1 学位论殳 1 1 引言 第一章绪论 x 线是电磁辐射的一种形式，由于它穿过人体时，体内组织、脏器、骨骼 等对x 射线的吸收有很大的差异，因而利用x 射线透视人体，特别适宜作为人 体彤态性病变的诊断。传统的x 线机的图像是通过x 光胶片、荧光屏或影像增 强器以及电视系统输出，这样的图像属于模拟图像。随着计算机技术的发展，八、 九i 年代出现的x 线数字成像是一项崭新的医学影像技术，被称为x 线技术的 又一次革命。 从x 线成像原理和方式来看，大致可分为3 种：( 1 ) 影像增强数字化x 线成 像，( 2 ) 计算机x 线摄影( c o m p u t e dr a d i o g r 印h y ，c r ) ，( 3 ) 直接数字化x 线摄影 ( d i 出a lr a d i o g r 印h y ，d r ) 。影像增强数字化x 线成像系统一般是由影像增强器、 摄像管或电荷耦合器件、模数转换器件、计算机等组成。它由影像增强器将作为 信息载体的x 线转换为可见光，再由摄像管转换为视频信号，再由模数转换器 转换为数字化矩阵图像。计算机x 线摄影系统将通过被检者的x 线信息记录在 一种可以反复使用的i p 成像板( h n a g j n gp 1 a t e ) 上，再由激光对p 板进行扫描， 储存在口板上的信息被释放出来，并经过a d 转换成数字信息。 直接数字化x 线摄影是通过平板检测器( f l a tp a n e ld e t e c t o r ，f p d ) 技术将x 光影像自接转化为数字化影像。这项技术近年刚刚投入使用，9 7 年s t e r l i n g 公 司展示了其基于非晶硒检测器的直接数字x 线系统；9 8 年，g e 、p h i l i p s 等公司 推出了基于非晶硒、非晶硅数字式x 线探测器的d r 产品，有的已成功应用于 临床。目前此项技术还在进一步研究开发中。从它的应用来讲，分为d r 、d f ( d 西t a lf 1 u m s c o py 数字透视) 、d s a ( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o 伊a p h y ，数字减 影f f f i 管造影) 。由于d s a 能够显示清晰的血管及运动的心脏和冠状动脉的造影 像，因而不仪成为重要的诊断手段，也是介入治疗的重要技术手段。d r 和d f 是近年束发展起来的新技术，山于d r 可以降低x 线辐射、缩短检查时间，进 ，j 图像后处理，提高诊断性能，还可以进行数字存储和通信，因而受到世界各国 1 2 数字减影血管造影技术 数字减影血管造影是一项医学影像新技术。在普通的x 光图像中，由于血 管与其它周围组织的对比度非常小，血管难以清晰见到，在d s a ( 数字减影血 管造影技术) 中利用介入插管技术，对人体的检查部位，在高压注射器的配合下， 分别获取注入造影剂前后的x 线图像，造影前的图像为蒙片( m a s ki m a g e ) 或 基像，广义地说，基像不一定是造影前的图像，基像是要从其他图像中减去的 基准图像，所以造影中的任一图像都可以成为基像；造影后的图像为造影片或活 片( l i v ei m a g e ) ，然后将这两图相减，得到减影后的图像，就是血管的减影像。 如图11 所示，由此可以消除周围其它组织影像的干扰，本质上说d s a 技术 是一种数字图像增强技术。数字减影技术的根本目的是为了能够更清晰地分辨人 体内的血管组织，并不只追求消除人体背景组织，把背景减去只不过是人们在追 求血管清晰度过程中的一种手段。因此，数字减影处理的注意力应集中在如何更 清晰地表现血管、反映血管，以便于医生的诊断。 蒙片活片减影图 图i ld s a 示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i co f d s a 1 2 1d s a 的工作原理 d s a 是d r 的一个组成部分。d r 先将人体需要检查部位在影像增强器的 荧屏卜成像，再用岛分辨率摄像管对影像增强器上的图像采用行序列扫描，把所 仃的连续视频信号转为删断的各自独立的信息，把影像增强器上的图像分割成 一定数量的小方块像素，最后经模数转换器转化为数字图像，并按序列排列 成j ：郇乍，这样就得到数字化图像。如图1 2 为x 线图像的数字化过程。国际 上比较流行的d s a 技术是对二维x 光影像序列进行时问减影，即病人在检查台上 接受两次x 光机的照射，第一次是未注射造影剂时拍摄的一系列蒙片图像 ( t s k ln gi m a g e s ) ，第一二次是注入造影剂后相i 司位置的一系列活片图像序列 ( c o n t r a s tm a g e s ) ，这两组帧数相同的序列图像再经过d s a 处理得到清晰的血 管减影图像。然而由于蒙片系列和活片序列在不同时刻拍摄，很难让病人在此工 程巾保持绝对静止，其次设备也存在机械误差，两次拍摄时对应的位置也会存在 微小误差，因此需要对蒙片进行配准。 1369 o1042 l5 84 80 521 134o5 65 oo o026 8ooo0 o oo 8o800o o005740oo o 003530oo o0o463o00 oo7 2o85 6o 00543 7 681 原始x 线图图像象素化图像数字化 图1 2 象素数字化过程 f i 9 1 2p r o c e s s i n go f p i x e ld i g i t a l i z a t i o n 1 2 2d s a 在临床的应用 d s a 丰要用于介入放射治疗。由于d s a 造影剂用量小、浓度低、实时显像、 可反复重放，另外还有路图技术，方便选择性和超选择性插管，节省了常规造影 需要洗胶片的时间，减少导管在动脉的停留，缩短介八性操作的时间，减少并发 症，所以d s a 广泛应用于经皮腔内血管成形术、经导管药物灌注治疗、经导管 栓塞治疗等介入放射学。数字减影血管造影在临床 ：有广泛的应用”“1 ，主 要如下： d s a 能显示大脑前动脉，中动脉和后动脉的形态，对脑实质的染色，浅静 脉、深，挣脉和静脉窦的进行显示，n 此对颅脑占位性病变、动静脉畸形、脑静脉 口j 摩等可提供诊断性依据，还可以提供脑血液动力学方面的信息。尤其对脑膜瘤 和动静脉畸形可以显示供血动脉。 d s a 可以清晰显示椎动脉、颈总动脉、颈内、颈外动脉及其分叉部分的形 念。埘狭窄、闭塞、一动脉粥样硬化斑块及溃疡提供诊断依据。 由于目前d s a 的帧率已达5 0 帧秒，可用于对先天性心脏病、瓣膜病、心肌 病、冠心病的诊断。根据临床实践证明对房缺、室缺、肺动脉瓣狭窄或关闭不全、 导管未闭、三尖瓣下移畸形、右室异常肌束、法乐四联症、大动脉转位、右室双 出口等均可提供诊断依据。心脏采用d s a 诊断优点在于造影剂浓度低，用量少， i q 减少坩心肌的损伤：右心造影同时可观察左心情况及左心向右心分流情况，左 室造影可以用于测定室壁运动、左室射血分数等。 d s a 还i 叮以清晰显示肺血管的形态可用于肺动脉发育不良、肺动脉狭窄、 肺动脉三级分支以上的梗塞、肺动静脉畸形等诊断。支气管动脉d s a 可用于肺 癌的诊断，并能显示肿瘤供血动脉、肿瘤染色和纵隔转移，为手术提供依据。 另外，d s a 能清晰显示肾动脉主干及肾外分支、肾实质期、肿瘤染色和肿瘤 血管，可用于对高血压病因诊断及血管型肾肿瘤的筛选渗断，还可以用于肾移植 前供肾和受肾者血管情况的评价，l 肾移植后对移植肾的血液运行情况观察。 1 3d s a 技术的研究状况 1 3 1d s a 的研究背景 1 8 9 5 年1 1 月8 日，r o n t g e n 发现了x 射线。不久后，h a s c h e k 和l i n d e n t i a l 就在，1 体七进行了手的动脉血管造影的实验研究。1 9 2 3 年b e r b e r i c h 和h i r s h 首 次在人体上做了血管造影检查。1 9 3 1 年f o r s m 釉报告了心脏的x 线造影。3 0 年代中期，一些学者报告了经腰部穿刺施行主动脉、颈动脉及周围血管的造影方 法。5 0 年代初期，s e l d i n 2 e r 对动脉插管的方法有所改进。近年来，选择性动脉 造影得到了广泛的应用，血管造影的设备和技术也不断完善“1 。 但是传统方法存在曲个问题：其一，传统的动脉血管造影是一种侵入性的方 海人学1 。学坝f 学位论迁 法，需要切丌皮肤捅入导悖，这有可能导致局部并发症，导管插入时还l 叮能损伤 动脉内麒，引起血卡 = ：形成和堵塞。高浓度的造影荆进入供应脊髓的动脉严重者 i j 能造成截瘫。其一，由于需要检查部位的各种组织，如肌肉、骨骼、脏器等相 瓦重叠，特别足身体较厚，骨骼结构较多、较为复杂的部位，如头颈部、胸部、 脊杠和骨衙等处，使得血管难以辨认，因而给临床渗断带来困难，极大地影响了 诊断的准确性性。此外，传统的血管造影要消耗大量的x 光胶片，检查费用昂 贵也小利于保存。总之，传统的血管造影是一种操作繁琐，耗时长，对患者带来 定损伤，费用昂贵的检查方法。因此寻找一种操作简便，对病人比较安全。影 像更为清晰有利于医生诊断的血管造影方法，这一直时医学界多年来努力寻找的 目标，也是发明d s a 的最初动机。 1 3 2d s a 的研究意义 数字减影技术主要用于心、大血管的检查，能够提供给医生清晰的血管图 像，从而对心血管病故做出正确的诊断。同时d s a 技术还被广泛应用于介入放 射治疗，并为介入放射学发展提供广阔的前景“1 。 为了减少传统血管造影的侵入性和降低并发症的发生率，c a s t e l l a n o s 、r o b b 及s t e i n b e r g 分别于1 9 3 7 和1 9 3 9 年报告了静脉注入造影剂进行心脏和动脉血管 造影的方法。与经动脉穿刺插管比较起来侵入性小，操作简单。但是由于造影剂 很快被i f l 液稀释，即使从两侧肘静脉或股静脉快速同时注入很大剂量的造影剂， 所获得的血管图像对比度仍然比较差，很难满足l 临床诊断的要求。所以为了获得 更为清楚的血管图像，设想去除与血管重叠的背景影像，这种方法称之为减影。 早在1 9 3 4 午，z i e d e sd e sp l a i l t e s 就已经报告过胶片减影法。这种方法要消耗大 量胶片，操作复杂，因而没有得到广泛的应用。 随着电视技术的发展，出现了电子减影法。在电视系统中，可以轻易而举将 影像黑白互转，因而也能利用电视系统进行影像的加减处理和存储。 数字减影血管造影技术是在模拟影像减影的基础上发展起来的。s a s h i n 在 6 0 年代就对x 线图像的模拟磁盘存储做了研究。7 0 年代以前，在模拟磁盘或磁 带卜存储未经计算机处理的视频图像信息，并进行减影的技术已经有了普遍的应 川这些方法对经动脉插管注入造影剂的血管造影较为有效，但是对于经静脉注 射造影剂的动f l 永j l j = 造影还小够灵敏。 近年求，r 电视技术、影像增强装置、数字电子学、计算机技术和图像处 理技术的发展，从而引入一项新的技术数字减影血管造影。这种方法是将透 射人体后形成的x 射线视频影像转换为每个象素的数字值，由计算机将数字影 像进行存储、加f 等各利t 处理。这种方法可以消除背景图像，大大提高了密度探 测额灵敏度。即使血管造影剂的浓度很低也能清晰地显示血管的影像。因此， d s a 技术地出现使得m 管造影技术有了重大突破，造影变得侵入性小，操作简 便，影像清晰，更为适合临床广泛使用 1 3 3d s a 技术的研究现状 d s a 技术的关键步骤之一是蒙片的配准( r e g i s t r a t i o n ) ，即在确保配准精度的 基础上，如何提高配准效率。因此，精度与效率是两大改良方向。 y a n a 2 i s a w a ”1 提出了局部配准和亚象素精度下的配准概念。在配准的优化 过程中，可以采用d e j o n g 鸭1 提出的遗传逼近( g c n e t i ca p p r o a c h ，g a ) 算法， k i r k p a t r i c k 提出的模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，s a ) 算法，这些算法可以有 效地降低配准时所搜索的空间。m a n d a v a 在g a 和s a 的基础上提出了对搜 索空间进行自适应尺度缩放，从而进一步降低计算的复杂度。v a s s i l i o s 1 提出 了将三维线性最小均方预测( 3 dl sp r e d i c t i o n ) 技术应用于d s a 矫正的思想。 d w r o “2 提出了计算合成的蒙片来解决由于人体运动带来的伪影，如呼吸，心 脏跳动等，就是从一个完整的心动周期中提取出蒙片间的差异，然后与相同的活 片周期相减，所以减影实际是一个两次相减过程，但是并不能解决由于病人运动 带束的伪影。 l v t r a n 1 提出了柔性蒙片的减影方法( f 1 e x i b l e m a s ks u b t r a c t i o n ) ，其目的 是减少山于物体的移动带来的变形和背景灰度变化带来的伪影。该方法在配准前 先将血管区域在搜索范围内排除，以防止血管的干扰，在配准的最后阶段进行背 景灰度的校准和旋转配准，这些虽然能够大大提高配准的效果，但是计算时间也 随之增加。 b a n i - h a s h e m i 4 1 在此基础上提出利用旋转序列第三维e 进行序列矫正的思 想，_ = 申请专利。这种方法在活片和蒙片序列各象素之间建立空间映射矩阵，通 过r 移、旋转、伸缩束进行矫l f 。但是由于序列每帧图像象素众多，加上序列帧 数也较多因此需要处理庞大的数据大大降低了实用性。 国内的研究从9 0 年代后期丌始，主要的方向是算法的优化。江林华等卯 提出了媾于对数非线性映射的方法。周宗恒等对基于图像特征配准的算法进行了 修n ：。纪震等“”提出了多分辨率的数字减影方法。这些方法都只是对算法某一 方由】进行了改善，并未涉及综合评价系数及实用性。为了提高d s a 技术的实用 性，t a l u k d a r 1 提出自动变形配准方法( a u t o w a r p i n gr e 百s t r a t i o n ) 。e m ：1 8 也提 出了利用三角网格( t r i a n g l l l a r 鲥d ) 控制点的快速d s a 矫正方法，这一方法基于 模板匹配原理，利用e h d ( e n e r g yo f h i s t o 目a mo f d i 腩r e n c e ) 为相似性准则，具 有较好的减影质量及较快的处理速度，另外，y b e n t o u “9 等提出利用组合不变 量( c o m b i n e di n v a r i a n t s ) 作为相似度测量的准则，再利用样条薄板( t h i np l a t e s p l i n e ，t p s ) 插值，也可快速矫f 运动伪影，综合来说，这是目前较好的方法。 1 4 本文的研究内容及意义 国外大的医疗设备生产厂商生产的数字减影血管造影设备从数字减影设备 的设计到生产都是整体的，从x 射线机到数字减影数字图像处理系统都由同一 公司提供，并且所提供设备的各部分之间是预先经过同一规划和设计考虑的，图 像质量很好，但是价格太昂贵，对于国内大多数中小医院来说难以承受。但是国 内医院有广泛的需求，因此可以利用己有的x 线机设备加装数字减影血管造影 系统，这样充分利用了资源、投资小，但可以获得广泛的临床应用。同时，目前 大部分的数字减影设备对于减影的核一心算法都是基于硬件的实现，因为硬件运算 速度较快，系统也更加稳定，但是相对于用软件实现价格更贵，并且，当新技术 出现时，不能直接对现有的硬件和算法进行改进，只能更换新的硬件，这样无疑 会增加成本。随着计算机技术的4 i 断发展，当今用软件来处理的速度已经得到大 幅度的提升，已经能够接近或达到硬件的处理速度，这样使用软件实现减影成为 丁能。使用软件价格相对便宜，尤其具有灵活性，便于升级和进行二次开发，更 有利 二和现有的设备相结合。 水谋题主要是对数字减影血管造影的核心算法进行研究并编程加以实现。使 之可以运用到改造现有x 线机为数字减影血管造影的 程中去。本文运用了一 = 【| l 艇r 组合4 j 变蛀为相似度测量准则的配准算法来实现对蒙片的配准，达到消除 运动伪影的作用，并且用配准后的蒙片和活片进行直接减影和对数减影得到减影 后的图像，最后再对减影后的图像进一步后处理达到医生诊断的要求。实践证明 本算法具有较快的速度和较好的减影结果。尤其此算法更加注重速度方面的提 升，区别于一般的模板匹配算法，这也是系统改造所需要的。 1 5 论文结构安排及课题来源 本文在分析和讨论传统的x 线减影方法基础上着重研究了基于组合不变 量的减影算法。论文主要包括一下几个部分： 1 ) 第二章数字减影血管造影技术。首先介绍d s a 系统构成以及图像处理的核 心部分，然后具体介绍d s a 减影的方法并比较各种方法，并比较对数减影 和直接减影，最后总结这一章的内容。 2 ) 第三章d s a 运动矫正技术。先介绍d s a 图像噪声的来源以及噪声解决的方 案，引出运动矫j f 技术，接着再详细介绍用于d s a 的运动矫正技术的最主 要方法模板匹配算法，分析各种具体模板匹配算法，并小结，引出本文 将要重点介绍一种模板匹配算法，即基于组合不变量配准的减影算法。 3 ) 第四章基于组合不变量配准的减影技术。首先介绍基于组合不变量配准的减 影算法的思路并与模板匹配的其他算法比较，然后论述算法实现的步骤和程 序流程，再分析实验的结果，讨论算法的优缺点。 4 ) 第五章d s a 图像灰度校正与增强。减影后的图像灰度被大大减弱，所以需 要对其进行灰度调整和增强处理，这一章主要介绍灰度调整和增强的几种常 见手段：线性调整、非线性调整、滤波等。最后总结各种方法的特点。 5 ) 第六章总结与展望。回顾本文的内容，再展望其发展的前景。 本课题是上海科委重点项目“多功能数字化x 光机”的核心项目之一，其 相关软件已交付相关公司使用。 第二章数字减影血管造影技术 数字减影【f l 管造影系统山x 光机部分、控制部分、图像处理部分和外设等 邦分组成其中图像处理部分是最重要的部分之一，也是本文讨论的重点。d s a 的图像处理包括蒙片和活片的配准、减影以及减影图像的后处理等，其中减影的 方法主要有两种：直接减影和对数减影，本章对两种减影方法用实例进行了比较。 2 1d s a 系统的组成 数字减影血管造影系统如图2 一l 所示，可以看出d s a 系统包括以下几个部 分：x 光机，数字减影接口，计算机图像处理系统，控制系统和显示、存储等外 发部分。 图2 1 ：数字减影n 管造影系统 f i 9 2 - 1 ：d 珥i a ls u b t r a c t i o na i l g i o g r a p h ys y s t e m 首先由x 光球管产生x 射线，穿过人体需要检查的部位到达x 射线拾取器， 生成x 线图像流，再由图像减影血管造影接口对x 线图像流进行采样及a d 转换， 形成数字化的x 线图像序列。计算机图像图像处理部分对数字化的x 线图像序列 进行实时减影或后处理，最终得到数字减影结果图像序列。同时控制系统部分可 以通过控制接口获取x 光机的状态，设置x 光机的工作参数，配置最佳曝光条件 并控制造影荆的剂量和注入时间，最后还有结果图像序列的显示。 如图22 ，为一个实际巾的d s a 系统框图，从图中可见，实际的d s a 系 统包括以下儿个部分：( 1 ) 射线质量稳定的x 线机部分；( 2 ) x 线成像到视频信 号到数宁信号的幽像临测器部分；( 3 ) 计算机数字图像处理部分：( 4 ) 计算机对 淘人学r 学埘! i 学位论正 系统辞部分及外设的控制接口部分；( 5 ) 图像显示、存储、拷贝等外没部分。其 r f 高j l 二发，l 器具自连续和脉冲透视多档选择数据采集实行智能化管理，微机控 制，根据成像区衰减状态自动调整曝光参数，使x 线管保持最佳负荷状态。常规 x 线管为玻璃壳，现在改用金属陶瓷外壳，不但可以提高散热率，还可以吸收由 于灯丝靶面气化成的粒子，提高影像质量和x 线管寿命。关于图像的记录与传输 部足采用无胶片的数字化方式，节约了空间，减少了费用，并可长期保存。 幽2 2 实际的d s a 系统框图 f i 9 2 - 2a r e a ld s as y s t e m 在x 射线稳定及造影剂浓度不变的情况下，获取图像的清晰度与x 射线量成 正比，即x 射线剂量越大，图像越清晰，信噪比越高。但是如果x 射线剂量过大 会出现图像饱和，不能形成有用影像。所以x 光机和数字减影各部分之间保持统 一状态配置、信号反馈及时序动作同步。一个完善的控制系统和接口应该l 叮以读 淘j 、学l 学帧i ：学位论文 耿x 光机的状态参数，设置x 光机的各种参数，配置光圈以获得最佳曝光条件。 光机的曝光方式也会影像d s a 图像的质量。它的曝光方式有：脉冲式、连 续式和透视采样。脉冲曝光方式成像时，x 光管及高压发生器只在图像采集的时 削发射x ) 匕，其它时间处于休息状态，这样可以多次曝光也不必担心过载，并且 射线利玎率大大增加，减少了病人的照射。实践证明脉冲曝光方式是d s a 成像的 最佳曝光方式。连续曝光方式x 光管及高压发生器一直处于工作状态，受功率限 制，每张图像的射线量较低，射线利用率不高，同时病人受辐射也较多，另一方 _ 曲容易产生过载，实践中连续曝光方式采集的图像质量低，但是基本可以满足临 床的需要。最后种透视采样类似与连续曝光方式，但是x 线剂量较低，所以图 像质量也较差，不能形成有意义的诊断图像。 2 2 图像处理系统 数字减影血管造影的图像处理系统是整个d s a 系统的核心。从采集卡或图像 数据库中获得x 线图像序列后，根据实际需要对之进行各项处理，包括配准、减 影和后处理等等，如图2 3 所示，x 线图像序列经过降噪和配准，再减影以及选 择性的后处理，最后量化输出d s a 图像序列 x 酬像序矾 目日 图2 3 数字减影血管造影图像处理系统 f 1 9 2 3d s ai m a g ep m c e s s i n gs y s t e m 2 2 1x 图像序列的形成 x 线穿过人体某一部位后，到达荧光屏的x 线量不同，形成亮度不同的x 线 影像，经影像增强器增强，并为其内的电视摄像管采集时所获得的电子波束即转 化为一系列不同电压、不同强度的信号视屏信号( v i d e os i g n a l s ) 。显示在视 频监砚屏l ：、不同灰阶度的影像则称为视频影像( v i d e 。i m a g e ) 。经对数增幅处 理后税频影像仍属模拟像( a n a l o gi m a g e ) 。模数转换器( a d n v e r t e r ) 的 渤人学1 1 f i ! ；| 学位论文 作h j ，足将l 乜训摄像管采集到的视屏信号( 电压数值) 转换为二元值( 二进化的 数) ，冉经汁算机进行运算处理，转换为一组不同的像素值( p ix e l ) ，再将这些 视频影像变成数字影像序列( d i g i t a li m a g e ) 即成为输入的x 线图像序列。 2 2 2 减影图像的预处理 减影自0 的x 线图像序列中包含活片和蒙片，由于在采样中产生很多噪声，如 果不进行降噪和对蒙片的配准将会极大地影响减影后的图像效果。通常采用的降 噪方法有甲滑、自适应滤波、阈值降噪等，并且在图像采集过程中通过选择恰当 的时机，以及控制病人当时的状态也会有效地降低图像的噪声，但是这些都不能 根本地去除噪声，最关键的是对蒙片的配准，才能消除病人运动产生的伪影，有 效提高减影后图像的质量。 2 2 3d s a 减影图像的后处理 d s a 成像技术比常规血管造影之另一优点是：在获得减影像后，还可通过 计算机检索，将存储的数字减影像调出重显于电视监视屏上，并利用d s a 系统 的各种后处理功能进行后处理，以获得最满意的影像或某些特殊要求。 常用的成像后的后处理技术有：再次减影处理、图像对比度增强处理、 g a r n m a 补偿和反转对数处理、空问滤过处理、再配准和水平补偿处理、浓度测 量和时问浓度曲线测定、点距测量、放大和消隐处理。 2 2 4 减影像的显示和存储 数字减影像再经数模转换器( d a c o n v e r t e r ) 处理后既可转换为模拟图像， 并以不同厌阶度的影像显示于电视监视屏上。减影的过程是由计算机瞬间完成 的，当造影剂在血管内移动的同时，陆续输入计算机的造影像瞬间与蒙片自行顺 次减影井形成一系列减影像，从而可实时观察到其动态，即实时显像。电视监视 器 二显示的减影像经后处理后，可摄取在胶片上永久保存，也可将未经数模转换 的数字减影像输入磁盘或磁带记录存档作永久存储。 2 3 造影方法与选择 2 3 1 血管造影方法 d s a 最初的动机是试图通过安全易行、损伤小的静脉穿刺插管途径来显示动 脉，并逐步取代常觇血管造影。故多年来从技术上着眼于充分利用计算机及现 代电子学的成就，提高图像信息检测能力，改善信噪比：从i 临床上着眼于在不增 加其至减少造影剂用量的同时，提高感兴趣区的碘浓度，增加可检测的信息量。 但后者的代价是越柬越多地采用损伤相对稍大的动脉穿刺插管方法。 静脉法d s a ( i n t r a v e n o u sd s a ， i vd s a ) “”凡经静脉途径置入导管或套 管针注射造影剂行d s a 检查者，皆称之为i vd s a 。如将导管尖端或套管针置于 外周浅静脉( 外周法) 、或将导管尖端置于上腔静脉或右心房( 中心法) 注射造 影剂行d s a 并显示动脉者，称之为非选择性i vd s a ，又称为再循环法。如将导 管尖端置丁= 或邻近于受检静脉或心腔注射造影剂者，称之为选择性i vd s a 。 非选择性l vd s a ：外周法或中心法，都属d s a 最初采用“经静脉注射造影剂来 显示动脉的再循环法”。由于前者的缺点较多，现已很少应用，而中心法主要用 于主动脉及其主干病变行i ad s a 有困难的病例，如大动脉炎、主动脉缩窄症等。 选择性i vd s a ：经静脉穿刺插管，将导管尖端置于靶静脉、心腔或其静脉血 流回路之邻近部位进行d s a 。临床上常用于上、下腔静脉疾病和累及右心、肺 动脉、肺静脉的先天性心血管畸形的诊断。如房间隔缺损、法乐氏四联症、肺动 脉狭窄、肺静脉畸形引流、肿瘤所致的腔静脉狭窄或受侵犯、布一查综合征和肾 静脉血栓形成等。笔者还观察到：大动脉炎或栓塞所致的腹主动脉明显狭窄或闭 塞等病例，采用选择性i vd s a 渗断更有其优越性。 动脉法d s a ( i n t r a a r l e r i a ld s a ，i ad s a ) ”1 穿刺途径：有经股动脉、 肱动脉及腋动脉穿刺等途径，在特殊情况下还有经颈动脉和锁骨下动脉穿刺途 径。造影方法：采用s e l d in g e r 法，将导管尖端置于主动脉受选部位近端2 c m 处造影者，称为非选择性i ad s a ；如将导管尖端深入到靶动脉主干或其分支( 如 肝总动脉或肝固有动脉) 者，称为选择性i ad s a 或超选择性i ad s a 。临床应 用：j r 选择性i ad s a 多用于主动脉或其主干病变的诊断，如动脉导管未闭、主 肿动脉间隔缺损、l 肾动脉狭窄以及心脏病变，如左向右分流的室问隔缺损、主动 海人学1 学坝| 学位论丈 脉瓣和。尖瓣病变及永存共同动脉丁等。选择性i ad s 则被广泛应用于脏器的 符种病变和累及左心、冠状动脉的病变诊断，如呼吸、消化、神经、泌尿生殖及 钳骼系统等的肿痛和其他疾病的珍断。 2 3 2d s a 各种造影方法的选择原则 为减少损伤和简便节时起见，对于主动脉或其主干病变的诊断可首选非选择 性l vd s a ，必要时，再行非选择性i ad s a 。但对老年人或和心功能低下者，则 应首选非选择性i ad s 胪“。 上、f 腔静脉疾病和累及右心、肺动脉、肺静脉的先天性的单发、复合或复 杂的心血管畸形首选选择性i vd s a 。 造影前估计非选择性i vd s a 无法显示或不能清晰显示的主动脉或其主干病 变，如动脉导管未闭、主肺动脉f 自j 隔缺损、肾动脉分支狭窄等应首选非选择性 i ad s a 。某些老年患者( 多有动脉硬化所致的血管迂曲) 和多次行灌注化疗的患 者( 多伴有侧支形成) ，先行探查性非选择性i ad s a 往往有助于选择性i ad s a 的插管。 各脏器的病变和累及右心、冠状动脉的病变可首选选择性i ad s a 。在心脏 大血管先天性畸形的d s a 诊断中，还应注意以下几点：应根据受选患者的血流 动j 学变化进行选择。如肺动脉导管未闭伴明显的肺动脉高压( 出现右向左分流) 时，应首选选择性i vd s a 。某些复合或复杂畸形，如动脉导管未闭合并肺动 脉缺陷，仅用一种d s a 方法检查常不能明确显示其全部解剖畸形和血流动力学变 化，必须再行i ad s a 或i vd s a 。不论采用i ad s a 或i vd s a ，为能清晰显示 解剖畸形，应尽量将导管尖端置于有利于造影剂流向病变区域的位罱。如无明显 肺动脉高压的房间隔缺损，行选择性i vd s a 时，将导管尖端穿过缺损房间隔置 入 ：房或肺静脉造影远比在右房造影为佳。 术盼详细分析病史与各项检查资料、亲自检查患者并了解诊断要求，再针对 不同的病例、不同的受检部位或血管慎重选择最适宜的造影方法是非常重要的。 凼d s a 方法选择不当可导致不满意的造影结果或误、漏诊。 洒j i 学i 学l 学位论艾 2 4 数字减影及其类型 2 4 1x 线成像原理 x 射线图像每个点得灰度值由到达x 射线探测器得x 射线粒子得能量密度通 量砂( r ) 决定”。( x ) 由在投射路径上的所有粒予组成，它可由( 2 一1 ) 表示 砂“) = r 5 ( 五e 弦。“5 把 ( 2 一1 ) 其中，e 表示能量，s ( x ，e ) 表示在探测器矩阵x 位置处，对应x 射线发射源 发出的x 射线粒子的能量谱密度。积分l ( t e ) 可 l ( x ，e ) = f ( ( 善) ，e ) d 善由公式( 2 2 ) 表示 五： o ，1 _ + r 3 ， 0 ，1 r ( 2 2 ) 其中