基于圖像處理的腦血管疾病治療效果分析系統(tǒng)

蘭連意，李 波

（唐山學(xué)院 電子信息系，河北 唐山063020）

0 引言

DSA（Digital Subtraction Angiography，數(shù)字減影血管造影）是由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像處理的先進(jìn)的X線診斷技術(shù)［1］，是繼CT之后在X線診斷技術(shù)方面又一重大突破，其特點(diǎn)是圖像清晰，分辨率高，為觀察血管病變、血管狹窄的定位測(cè)量、診斷及介入治療提供真實(shí)的立體圖像，多用于肢體、肝臟、心臟及腦部等血管疾病的診療。

DSA除可顯示血管的形態(tài)學(xué)信息外，還可利用軟件把感興趣區(qū)的視頻信號(hào)檢測(cè)出來(lái)并引入時(shí)間參數(shù)，建立時(shí)間－視頻密度曲線。從此曲線上提取若干反映“功能”的信息參數(shù)，即所謂功能性參數(shù)［2］。雖然DSA相對(duì)于傳統(tǒng)的CT或者磁共振來(lái)說(shuō)是一種更為先進(jìn)的技術(shù)，但是目前的DSA不能得到諸如平均血流通過(guò)時(shí)間（MTT）、峰值時(shí)間（TTP）、峰值強(qiáng)度（PE）等在醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用的功能性參數(shù)［3－4］，因此顯得有些不足。

為了完善DSA治療效果評(píng)價(jià)體系，彌補(bǔ)DSA的不足，我們將利用DSA機(jī)獲取病人治療前后病變部位的視頻，使用微軟公司的DirectShow技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻中幀圖像的提取，利用醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)提取的幀圖像進(jìn)行處理，得到評(píng)價(jià)治療效果的主要技術(shù)指標(biāo)，為分析治療效果提供數(shù)量依據(jù)。

1 相關(guān)技術(shù)

1．1 DirectShow技術(shù)

本系統(tǒng)“獲取圖片”模塊使用微軟DirectShow技術(shù)［5－6］從DSA機(jī)中獲取病人治療前后病變部位的視頻圖片。DirectShow技術(shù)是微軟Windows平臺(tái)下的一個(gè)流媒體架構(gòu)，提供多媒體流高質(zhì)量的捕捉與回放。它支持多種格式，包括高級(jí)流格式（ASF）、運(yùn)動(dòng)圖像專家組（MPEG）、音視頻交錯(cuò)（AVI）、MPEG音頻層－3（MP3）與 WAV聲音文件。它支持從 Windows Driver Model（WDM）或 Video for Windows（VFW）的數(shù)字設(shè)備或類似設(shè)備上捕捉信息。

DirectShow使媒體回放、格式轉(zhuǎn)換與捕捉任務(wù)簡(jiǎn)單化。在DirectShow里有個(gè) Media Detector（MediaDet），利用它，不但可以獲取視頻的格式化信息，而且還能從源文件中抓取視頻流的位圖圖像。可以獲得視頻文件中任一點(diǎn)處的圖像，它返回的圖像一般都是24位RGB格式的。Media Detector使用ImediaDet接口獲取多媒體文件的信息，比如說(shuō)流的數(shù)目、媒體類型、持續(xù)時(shí)間、每個(gè)流的幀速率等等，也包含從視頻流獲取單幀圖像的函數(shù)。

1．2 圖像處理技術(shù)

通過(guò)“獲取圖片”操作之后，視頻被分解為圖片序列，并保存為24位真彩色的位圖（＊．bmp），存放于計(jì)算機(jī)之中。

位圖文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。其中位圖文件頭包含有位圖文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息；位圖信息頭包含位圖的寬度、高度、分辨率等信息；顏色信息則說(shuō)明位圖中的顏色（24位真彩色的位圖無(wú)此部分，其顏色信息保存在位圖數(shù)據(jù)部分）；位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖的每一個(gè)像素值。我們對(duì)位圖圖像的處理就是對(duì)位圖數(shù)據(jù)的操作。

圖像處理包括圖像的顯示、圖像的幾何變換、圖像灰度變換、圖像合成等幾部分。其中，圖像的顯示包含圖像的掃描、移動(dòng)、交叉飛入、圖像漸顯等幾部分；圖像的幾何變換包括圖像的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等方法；圖像灰度變換主要有二值化、灰度直方圖、灰度匹配變換等方法；圖像合成主要有圖像的差影法、邏輯運(yùn)算等方法［7－8］。本系統(tǒng)采用了圖像的顯示函數(shù)、圖像的縮放、灰度直方圖、差影法等幾種技術(shù)。

（1）圖像的顯示函數(shù)：在Visual C＋＋環(huán)境中用于顯示的函數(shù)主要有BitBlt，StretchBli和Stretch DlBits等幾個(gè)。其中StretchDlBits為API函數(shù)。

（2）圖像的縮放：假設(shè)圖像x軸方向縮放比率為k，y軸方向縮放比率為l，那么原圖中點(diǎn)（x0，y0）對(duì)應(yīng)于新圖中的點(diǎn)（x1，y1）為：（x0×k，y0×l），其中，當(dāng)k和l均大于1時(shí)，原圖像被放大；當(dāng)k和l均小于1時(shí)，原圖像被縮小。由于我們通過(guò)“獲取圖片”得到的圖片比較大，為了能夠使治療前后的圖像都能顯示到屏幕上，所以本系統(tǒng)將圖片縮小顯示。

（3）灰度直方圖：它是圖像處理中一種十分重要的圖像分析工具，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。主要用在圖像分割、圖像灰度變換等處理過(guò)程中。從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，它統(tǒng)計(jì)一幅圖像中各個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)或概率；從圖形上來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)二維圖，橫坐標(biāo)表示圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度級(jí)，縱坐標(biāo)為各個(gè)灰度級(jí)上圖像像素點(diǎn)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)或出現(xiàn)概率。由于我們得到的圖片是24位真彩色的，所以圖像的顏色由紅、綠、藍(lán)這3個(gè)原色組成，每種顏色占8位，這樣每個(gè)像素點(diǎn)顏色值（對(duì)于24位真彩色圖即為像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)）共24位，每種顏色共有28＝256個(gè)級(jí)別，那么在我們的直方圖里橫軸坐標(biāo)從0到255，縱坐標(biāo)為各個(gè)灰度級(jí)上圖像像素點(diǎn)出現(xiàn)的概率。

（4）差影法：差影法實(shí)際上是對(duì)圖像進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算的一種不同叫法，代數(shù)運(yùn)算是指對(duì)兩幅輸入圖像進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加、減、乘、除計(jì)算而得到輸出圖像的運(yùn)算。下面給出這4種代數(shù)運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

加運(yùn)算：C（x，y）＝A（x，y）＋B（x，y）；

減運(yùn)算：C（x，y）＝A（x，y）－B（x，y）；

乘運(yùn)算：C（x，y）＝A（x，y）×B（x，y）；

除運(yùn)算：C（x，y）＝A（x，y）÷B（x，y）。

其中，A（x，y）和B（x，y）為輸入圖像，C（x，y）為輸出圖像。

在本系統(tǒng)中，“時(shí)間－密度曲線”部分采用了加運(yùn)算，即將感興趣區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)施行加運(yùn)算，然后求平均值而得。

2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用VC＋＋6．0作為開發(fā)環(huán)境，運(yùn)行于 Windows XP操作系統(tǒng)中，顯示器分辨率要求為1024×768。本系統(tǒng)主要由“獲取圖片”和“分析”兩部分組成，其中“獲取圖片”功能為利用DSA機(jī)獲取的病人治療前后病變部位的視頻，提取出單幀圖片，作為“分析”模塊的輸入；“分析”模塊是一個(gè)重要的組成部分，它將得到的病變部位治療前后的圖片，經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)圖像處理，獲得時(shí)間－密度曲線，在此基礎(chǔ)上得到有關(guān)治療效果的主要技術(shù)指標(biāo)，然后對(duì)治療效果進(jìn)行分析。流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

“獲取圖片”和“分析”模塊的主要效果圖分別如圖2，圖3所示。

圖2 “獲取圖片”效果圖

圖3 “分析”模塊效果圖

3 實(shí)例分析

本病例為右側(cè)椎動(dòng)脈狹窄（入顱段），采集支架介入治療前后供血?jiǎng)用}和動(dòng)脈供血區(qū)的一些血流參數(shù)，用自行開發(fā)的軟件進(jìn)行分析，步驟如下。

3．1 獲取圖片

在“獲取圖片”模塊中，單擊“瀏覽”選擇從DSA機(jī)獲取的病人治療前病變部位的視頻，設(shè)置保存路徑后，點(diǎn)擊“抓取”即可獲得治療前病變部位圖片序列，同理可以獲得治療后病變部位的圖片序列。

3．2 選擇圖片并設(shè)置感興趣區(qū)

在“分析”模塊界面中，“文件一”和“文件二”處分別選取術(shù)前、術(shù)后病變部位圖像序列，設(shè)置工作方式為“同時(shí)顯示”，接下來(lái)選取感興趣區(qū)，在此“區(qū)域選擇”部分設(shè)置為“矩形”，感興趣區(qū)的選擇如圖4所示。

圖4 感興趣區(qū)的選取

3．3 開始分析并得到各種曲線

在以上設(shè)置工作完成后，單擊“開始”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成計(jì)算，得出時(shí)間－密度曲線、曲線斜率、灰度直方圖等，單擊曲線上任意一點(diǎn)將顯示出相關(guān)信息，分別如圖5，圖6所示。

圖5 時(shí)間－密度曲線（分別為左側(cè)和右側(cè)感興趣區(qū)）

3．4 獲取術(shù)前相關(guān)參數(shù)

（1）對(duì)比劑開始出現(xiàn)時(shí)的密度值。左側(cè)為術(shù)前時(shí)間－密度曲線，對(duì)比劑開始出現(xiàn)是在第3幀，其密度值為84．36。

（2）對(duì)比劑時(shí)間－密度曲線的最大值。所得曲線有鋸齒狀改變，主要與對(duì)比劑的層流有關(guān)，但能反映出曲線的走行趨勢(shì)，去掉最高峰值174．07，取172．57為其峰值，出現(xiàn)在第26幀。

圖6 曲線斜率圖（左側(cè)和右側(cè)曲線斜率用不同顏色顯示）

（3）密度值下降一半時(shí)對(duì)應(yīng)的幀數(shù)。從幀數(shù)推測(cè)出密度值下降一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，計(jì)算方法如下：①峰值減去對(duì)比劑出現(xiàn)時(shí)的密度值，172．57－84．36＝88．21，取其一半約44．11。②對(duì)比劑出現(xiàn)時(shí)的密度值加上上面數(shù)值得出曲線下降一半時(shí)的密度值，84．21＋44．11＝128．32。③在時(shí)間－密度曲線上找出與之最接近的數(shù)值為128．21，其對(duì)應(yīng)的幀數(shù)為第32幀。

3．5 獲取術(shù)后相關(guān)參數(shù)

圖5的右側(cè)圖為術(shù)后時(shí)間－密度曲線，各個(gè)參數(shù)求取方法與左側(cè)圖一致，在此只給出結(jié)果：對(duì)比劑開始出現(xiàn)是在第3幀，其密度值為87．93；峰值為184．50，出現(xiàn)在第24幀；密度值下降一半時(shí)對(duì)應(yīng)的幀數(shù)為第28幀。

我們所得到的時(shí)間－密度曲線反映了造影劑在血管內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間依賴性參數(shù)（由于采集視頻的速率一致，因此可以使用幀數(shù)代表時(shí)間），從此曲線上可以提取若干反映“功能”的信息參數(shù)，如達(dá)峰時(shí)間（TTP），對(duì)比劑最大峰值所對(duì)應(yīng)的幀數(shù)減去曲線起始時(shí)對(duì)應(yīng)的幀數(shù)，術(shù)前為23幀，術(shù)后為21幀；平均通過(guò)時(shí)間（MTT），曲線下降一半所對(duì)應(yīng)的幀數(shù)減去曲線起始處對(duì)應(yīng)的幀數(shù)，術(shù)前為29幀，術(shù)后為25幀；最高強(qiáng)化值（PV），時(shí)間－密度由線的最高值，術(shù)前為172．57，術(shù)后為184．50；相對(duì)血流量＝1／平均通過(guò)時(shí)間，術(shù)前為0．03，術(shù)后為0．04；腦血流量（CBF）＝組織時(shí)間－密度曲線的最大斜率（或最大比值）／供血?jiǎng)用}增強(qiáng)的峰值，術(shù)前為0．010 72，術(shù)后為0．011 33。

從上面數(shù)據(jù)可以看出，腦供血?jiǎng)用}狹窄解除后，TTP增大，MTT增大，PV增大約6．20，最大斜率也增大，最重要的是參數(shù)CBF也相應(yīng)增大。結(jié)合臨床，狹窄解除后，動(dòng)脈供血區(qū)域血流量增加，這點(diǎn)從手術(shù)前后的CBF變化可以看出來(lái)，這樣就會(huì)造成TTP，MTT的增加；血流量增加后，腦組織染色深，血流速度增快，與之對(duì)應(yīng)的PV和最大斜率值也增加。上面術(shù)前術(shù)后的觀察參數(shù)數(shù)值的變化都可以從臨床上得到相應(yīng)的解釋。

4 結(jié)論

醫(yī)學(xué)界認(rèn)為，DSA檢查是診斷血管疾病的“金標(biāo)準(zhǔn)”，而功能性參數(shù)的改變則多使用CT或MRI獲取，目前DSA機(jī)的視頻－密度儀可以獲取一些參數(shù)，但是不能得到MTT，TTP，PV等指標(biāo)。本文介紹了利用DSA機(jī)獲取的病人治療前后病變部位的視頻來(lái)提取功能性參數(shù)所使用到的技術(shù)，通過(guò)腦血管疾病實(shí)例（右側(cè)椎動(dòng)脈狹窄）介紹了軟件的操作流程及數(shù)據(jù)的提取方法。由實(shí)例分析可知，利用本系統(tǒng)可以提取治療效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，作為DSA機(jī)的視頻－密度儀的補(bǔ)充，本系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 祁吉，歐陽(yáng)忠南，吳恩惠．DSA 中參數(shù)性成像［J］．國(guó)外醫(yī)學(xué)：臨床放射學(xué)，1987，10（2）：65－73．

［2］ 祁吉，吳恩惠，楊景震，等．DSA中視頻密度－碘濃度相關(guān)關(guān)系——一個(gè)前瞻性的研究［J］．中華放射學(xué)雜志，1989，23（4）：201－207．

［3］ 龍學(xué)穎，吳廷創(chuàng)，曹覺(jué)，等．肝癌介入診療中DSA血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析初步探討［J］．介入放射學(xué)，2012，21（1）：42－45．

［4］ 陳曉明．郭俊淵，高國(guó)棟．原發(fā)性肝癌的參數(shù)性成像研究［J］．中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，1991，7（2）：39－40．

［5］ 陸其明．DirectShow開發(fā)指南［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2003．

［6］ 孟月華，鄧基園．DirectShow技術(shù)的應(yīng)用研究與開發(fā)［J］．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013（6）：196－199．

［7］ 陳兵旗，孫明．Visual C＋＋實(shí)用圖像處理專業(yè)教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：2－40．

［8］ 楊淑瑩．VC＋＋圖像處理程序設(shè)計(jì)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2006．