冠脈造影圖像血管增強及減影的優(yōu)化方法

宗嬌嬌，張?zhí)煨?/p>

1. 武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 華中科技大學(xué)圖像處理與人工智能研究所，湖北 武漢 430074

陣發(fā)性心血管疾病是對人類健康的主要威脅，僅次于癌癥［1］。X 射線成像技術(shù)是檢測和診斷心血管疾病的金標(biāo)準(zhǔn)［2］。從醫(yī)學(xué)X 射線冠脈血管造影圖像中提取完整的冠脈血管對心血管疾病的醫(yī)學(xué)診斷有重要的意義。其中，數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）是一種在診斷和治療中廣泛應(yīng)用的血管解剖可視化技術(shù)［3］。在DSA 中，當(dāng)造影劑還未注入血管時，X 射線透過人體后在成像設(shè)備數(shù)字化處理后得到圖像［4］。此時，造影圖中還未顯現(xiàn)出血管，只有導(dǎo)管、肌肉軟組織、骨骼以及其他人體組織信息，這些造影圖即蒙片。當(dāng)造影劑緩慢地注入到血管中，X 射線照射到充盈著造影劑的血管時，射線通量強度急劇衰減，隨著造影劑的不斷注入，造影圖中逐漸顯現(xiàn)出血管，此造影圖像為活片［5］。理想情況下，存在血管的活片與沒有血管的蒙片相減可獲得血管的顯影。但實際由于心臟的搏動，患者呼吸造成的器官運動，甚至造影平臺的輕微移動都直接影響著減影的結(jié)果。為此不少學(xué)者進行了相關(guān)研究。2018 年，Kulpe［6］使用K 邊緣減影成像（K-edge subtraction，KES）來消除圖像減影殘留的偽影。但是KES 需要大劑量的X 射線照射，所以并不利于現(xiàn)實應(yīng)用。2019 年，Mizukuchi［7］通過同時收集心電圖（electrocardiograph，ECG）波形和血管造影術(shù)，可以自動選擇處于同一心臟周期相位的蒙片和活片。但是需要患者長時間屏氣，缺乏人性化。為此本文提出了一種冠脈造影圖像血管增強以及減影優(yōu)化的方法。

1 減影圖像的獲得

在冠脈造影圖像的拍攝過程中，患者的心跳、呼吸和身體的位移都被包含在序列圖像中。受這些運動的影響，人體內(nèi)部的冠脈血管、骨骼、以及其他軟組織都會產(chǎn)生運動。這些運動造成血管造影圖像背景的變化，對減影結(jié)果產(chǎn)生了影響［8］。

一般情況下，一個冠脈血管造影序列會持續(xù)6 s 左右，不會超過10 s。成人正常的心跳在60～100 次/min［9］。所以一個造影序列中會包含多個心臟周期。造影過程中不要求患者屏氣，因此存在呼吸運動，且呼吸的周期比較長。平移是由于患者不自主的位移和拍攝設(shè)備的移動產(chǎn)生，不可避免且不具有周期性。根據(jù)以上特征，混合運動可以分解為心臟運動和呼吸運動以及身體位移［10］。所以跟蹤序列圖像中的特征點可以得到混合運動曲線，對混合運動進行分解可以得到心臟運動、呼吸運動以及身體位移曲線［11］。針對曲線的規(guī)律，找到時相相同即背景狀態(tài)最為相似的一組活片與蒙片進行減影，可取得較為優(yōu)質(zhì)的初步血管減影，但是仍然存在減影結(jié)果不完整及存在大量噪聲的問題。

2 血管增強及減影優(yōu)化

針對于上述初步減影結(jié)果的不理想情況，本文提出一種有效的血管增強及減影優(yōu)化方法。造影圖像中的細長血管未被檢測提取的原因主要有兩個：一是目標(biāo)血管灰度值與背景接近，區(qū)別不明顯［12］，不易被分割提??；二是血管與造影劑導(dǎo)管交叉，部分血管被遮擋，導(dǎo)致提取不完整。如果直接對該血管進行檢測提取勢必會把導(dǎo)管一起提取出來，但導(dǎo)管并不是所需要提取的目標(biāo)。所以要提取血管就需要血管與干擾背景的灰度差足夠大。如果可以把干擾導(dǎo)管的灰度值增大，血管的灰度值減小，可以完成血管提取。為此采用了一種基于區(qū)域生長的血管增強方法，實驗過程如圖1 所示。

圖1 血管增強流程圖Fig.1 Flowchart of vascular enhancement method

根據(jù)X 射線造影圖像的成像特點，由疊加原理可知，導(dǎo)管和血管交叉的區(qū)域的灰度值比其他區(qū)域要低，也就是包含灰度值最小的像素點?；谶@一先驗知識，在目標(biāo)區(qū)域截取、傅里葉高通濾波等圖像預(yù)處理之后，進行自適應(yīng)直方圖均衡化［13］。對所得圖像選取灰度值最小的像素點作為種子點進行特定元素的區(qū)域生長［14］。對生長區(qū)域進行形態(tài)學(xué)處理，形成連通域［15］。此連通區(qū)域即為血管被導(dǎo)管遮蓋的部分。通常利用元素D 進行形態(tài)學(xué)處理使得生長的區(qū)域更加飽滿連通。元素D 的表達式如式（1）所示。

建立包含此連通域的最小矩形a（X，Y，Xlength，Ylength），并向垂直X、Y 軸的方向擴大適當(dāng)?shù)姆秶?，形成擴展矩形1（X+n1，Y+n2，Xlength+n3，Ylength+n4）。n1，n2，n3，n4根據(jù)連通域和血管的位置關(guān)系進行調(diào)整。之后保留擴展矩形1 的情況下，再次創(chuàng)建擴展矩形2。根據(jù)遮擋血管的導(dǎo)管的位置，對擴展矩形2 進行相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，使之完全覆蓋導(dǎo)管。將1 和2 兩個擴展矩形合并成為1 個多邊圖形，此多邊圖形覆蓋的區(qū)域記為e。

則需要增大灰度值的范圍S 表達式如公式（2）所示。需要降低灰度值的區(qū)域為a。

對處理圖像I 進行灰度值加權(quán)處理后所得增強圖像F 的公式如式（3）所示。

其中，ω1為需要降低灰度值區(qū)域的加權(quán)參數(shù)，ω2為需要增大灰度值的區(qū)域的加權(quán)參數(shù)。

通過灰度值的加權(quán)調(diào)整，擴大灰度差，使血管的被遮擋部分更加突出，從而便于分割提取。此時血管與交叉的導(dǎo)管已經(jīng)有明顯灰度差，實現(xiàn)了血管的增強。達到分割條件后，對該部分圖像進行閾值分割，最后進行連通域檢測，得到血管。

為了進一步優(yōu)化減影效果，在得到血管增強圖像后，可以對該圖像進行底帽變換，再次增強血管。底帽變換操作，可以突出比背景區(qū)域更暗的目標(biāo)導(dǎo)管區(qū)域［16］。底帽操作是結(jié)構(gòu)元b 對圖像f閉操作的結(jié)果與原圖像f 之差。數(shù)學(xué)表達式如式（4）所示。

將該增強活片與蒙片相減，得到血管的顯影圖像。對顯影圖像進一步優(yōu)化去噪。流程圖如圖2 所示。線性灰度變換是為了增強目標(biāo)血管，減弱背景雜質(zhì)。中值濾波則可以濾除噪聲。

圖2 冠脈血管造影圖像減影優(yōu)化流程圖Fig.2 Flowchart of subtraction optimization of coronary angiography image

3 實驗部分

基于利用時空約束得到的結(jié)論，本實驗選取的處理圖像為序列圖像中匹配到的一組蒙片與活片，如圖3（a）和圖3（b）所示。利用時空特性減影得到的血管顯影圖像如圖3（c）所示。由圖3（c）可以看出大部分冠脈血管被提取了出來。但是血管右邊存在大量噪聲。重點問題是血管主干上方有兩根細長的血管并未很清晰的顯影，如圖3（d）中箭頭所指。因此這只能作為初步的減影結(jié)果。

圖3 減影圖：（a）蒙片，（b）活片，（c）血管顯影圖，（d）顯影結(jié)果缺失的血管Fig.3 Images of subtraction：（a）mask，（b）livefilm，（c）angiography image，（d）missing blood vessels of subtraction

本文以右邊血管為例說明提出的血管增強方法。如圖4（a）中的黑框為血管和導(dǎo)管的交叉部分，即血管被遮擋部分。放大后如圖4（b）所示。由圖4（b）可以看出，截取的該部分圖像的導(dǎo)管的灰度值比血管的灰度值要小，且血管的灰度值與背景很接近。

圖4 被導(dǎo)管遮擋的血管：（a）血管被遮擋部分，（b）放大的被遮擋部分Fig.4 Images of vessels occluded by catheter：（a）occluded part of blood vessel，（b）enlarged image of occluded part of blood vessel

基于X 射線成像原理及疊加原理，選取的種子點如圖5（a）所示。利用區(qū)域生長及膨脹腐蝕的形態(tài)學(xué)處理，得到連通域圖5（b）。之后進行區(qū)域擴展，形成可覆蓋導(dǎo)管的區(qū)域，如圖5（c）所示。對連通域和覆蓋導(dǎo)管區(qū)域的灰度值分別加權(quán)處理，形成灰度差，如圖5（d）所示。

圖5 血管和導(dǎo)管的灰度區(qū)分過程：（a）種子點，（b）連通域，（c）灰度值增大的區(qū)域，（d）灰度差擴大圖像Fig.5 Gray-scale differentiation of blood vessels and catheter：（a）seed points，（b）connected domain，（c）area with increased gray，（d）gray-scale difference enlargement

獲得了血管增強圖像之后，為了使減影更加清晰，可以對圖像進行底帽變換，得到進一步的增強的圖像。如6（a）所示。將原圖減去此增強圖像可以得到增強的血管顯影圖，如圖6（b）所示?？梢钥吹剑曳种а鼙怀晒μ崛?。但同時觀察到圖像右半部分依然存在噪聲，且血管并不明顯。

圖6 實驗結(jié)果：（a）單根血管增強圖像，（b）血管增強減影圖像，（c）最終減影優(yōu)化結(jié)果，（d）傳統(tǒng)減影結(jié)果Fig.6 Experiment results：（a）single vessel enhanced im‐age，（b）subtraction of vascular enhancement，（c）final result of subtraction and optimization，（d）result of traditional subtraction method

對圖6（b）進行線性灰度變換與中值濾波可以得到優(yōu)化的減影結(jié)果。圖6（c）為本方法獲得的減影結(jié)果?？梢悦黠@看出血管比沒有優(yōu)化之前要更加清晰并且更加完整。圖6（d）為采取全局底帽變換與灰度線性變換增強的減影結(jié)果實驗圖，可以很直觀地觀察到圖像中上方兩根細長的血管未被檢測出來，即血管提取不完整，并且含有偽影，不清晰。

4 結(jié) 論

X 射線造影由于低劑量、短時長等優(yōu)點一直是診斷的重要輔助工具。造影圖像也是醫(yī)學(xué)圖像里不可或缺的一部分。上述血管增強及減影優(yōu)化的方法可以有效應(yīng)用于X 射線造影序列圖像減影。對比傳統(tǒng)減影方法，本實驗中的區(qū)域生長及灰度加權(quán)模型具有多參數(shù)調(diào)控、靈活可變的特點，通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以去除多種情況的遮擋，具有很強的操控性和便捷性。同時本方法還可以應(yīng)用于去除造影劑污染，為減影提供了新思路。但同時由于針對性較強，對于不同的遮擋情況需要調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，所以本方法不適用于處理大量圖像。這也是以后實驗改進的方向。