一種全自動(dòng)ct圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法。該方法首先利用同一病人的冠狀動(dòng)脈CT造影圖像，分割心臟及主動(dòng)脈區(qū)域，提取冠狀動(dòng)脈中軸線并命名，然后將這些結(jié)果通過圖像配準(zhǔn)映射到普通CT圖像上，生成一個(gè)用于鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域，從而精確定位CT圖像中位于冠狀動(dòng)脈血管壁上的鈣化點(diǎn)。此外，利用冠狀動(dòng)脈中軸線命名結(jié)果，本方法還能區(qū)分屬于不同冠狀動(dòng)脈主要分支的鈣化點(diǎn)。本發(fā)明公開的方法能夠有效提高冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算機(jī)輔助診斷的效率。
【專利說明】一種全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是用于CT圖像的冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)的全自 動(dòng)計(jì)算方面。

【背景技術(shù)】
[0002] 冠心病是威脅人類健康的一種嚴(yán)重疾病，多年來冠心病在國內(nèi)外均位列人類致死 原因的前幾位。位于冠狀動(dòng)脈上的鈣化點(diǎn)是冠心病的一個(gè)重要臨床癥狀，正確識(shí)別鈣化點(diǎn) 及鈣化的嚴(yán)重程度將有助于準(zhǔn)確地進(jìn)行冠心病診斷并制定最終治療方案。根據(jù)國際心血 管 CT 協(xié)會(huì)（Society of Cardiovascular Computed Tomography)提出的心血管 CT 圖像 診斷標(biāo)準(zhǔn)（參見 Raff，G.L.等人發(fā)表的論文"SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary computed tomographic angiography，'，Journal of Cardiovascular Computed Tomography, 3 (2), 122-136 (2009))，臨床上米用不注射造影 劑的CT圖像計(jì)算冠狀動(dòng)脈的AgatstonI丐化分?jǐn)?shù)（Calcium scoring)，用來評(píng)估冠狀動(dòng)脈隹丐 化的嚴(yán)重程度。此外，還應(yīng)該對(duì)位于冠狀動(dòng)脈血管樹四大主要分支（左主支、左前降支、左 旋支和右冠狀動(dòng)脈）及其分支血管上的鈣化點(diǎn)加以區(qū)分，從而分別計(jì)算這些主要分支各自 的血管鈣化分?jǐn)?shù)。目前，臨床上使用的商業(yè)軟件均采用手工選擇的方法來來確定冠狀動(dòng)脈 上鈣化點(diǎn)，并進(jìn)一步計(jì)算鈣化分?jǐn)?shù)，這樣導(dǎo)致醫(yī)生的工作量較大。因此，有必要設(shè)計(jì)相關(guān)的 算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算鈣化分?jǐn)?shù)，以減少醫(yī)生手工操作的工作量。但是，在冠狀動(dòng)脈周圍的組 織內(nèi)，如心腔、主動(dòng)脈等，也會(huì)存在形狀及圖像灰度值近似的鈣化點(diǎn)。
[0003] 如圖1所示，為不加造影劑的CT圖像，其中的亮點(diǎn)分別為主動(dòng)脈鈣化點(diǎn)1和冠狀 動(dòng)脈鈣化點(diǎn)2,可見心臟、冠狀動(dòng)脈及其周圍組織的邊界不夠清晰，并且從已有的相關(guān)算法 結(jié)果表明僅利用CT圖像自動(dòng)確定冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)準(zhǔn)確性較低。此外，由于在CT圖像中無 法提取冠狀動(dòng)脈，對(duì)不同主動(dòng)脈分支上的鈣化點(diǎn)加以區(qū)分也存在較大困難。所以，如何準(zhǔn)確 的識(shí)別冠狀動(dòng)脈上的鈣化點(diǎn)并確定其所屬血管分支成為了自動(dòng)計(jì)算冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)算 法亟需解決的關(guān)鍵問題。
[0004] 近年來，隨著冠狀動(dòng)脈CT造影成像方式的廣泛使用，在利用CT進(jìn)行冠心病篩查 時(shí)，除了采集不注射造影劑的普通CT圖像外，還會(huì)采集空間分辨率更高的冠狀動(dòng)脈CT造影 圖像，如圖2所示。CT造影圖像能夠較為準(zhǔn)確地提供心臟內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)，使得醫(yī)生能夠在利 用CT圖像計(jì)算冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)的同時(shí)，還可以觀察到圖2中的冠狀動(dòng)脈4、心腔及主動(dòng)脈 3的解剖結(jié)構(gòu)。如果能利用冠狀動(dòng)脈CT造影圖像提供的解剖結(jié)構(gòu)信息定位普通CT圖像中 冠狀動(dòng)脈的鈣化點(diǎn)，將能夠解決冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)的定位不精確且無法確定其所屬分支這 兩個(gè)難點(diǎn)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng) 脈鈣化分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法，解決現(xiàn)有的CT圖像中自動(dòng)定位冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)精度較低且無法 確定其所屬分支這兩個(gè)難點(diǎn)問題。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，利用同一病人的CT圖像和注射 造影劑增強(qiáng)的CT造影圖像自動(dòng)分割CT圖像中的冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)，并利用鈣化點(diǎn)分割結(jié)果 計(jì)算鈣化分?jǐn)?shù)，具體包括順序執(zhí)行的以下步驟：
[0008] 步驟（1)、分割CT造影圖像中的主動(dòng)脈及心臟；
[0009] 步驟（2)、提取CT造影圖像中的冠狀動(dòng)脈血管中軸線并對(duì)其進(jìn)行分割；
[0010] 步驟（3)、將同一病人的CT圖像和CT造影圖像進(jìn)行配準(zhǔn)從而獲得形變參數(shù)，然后 利用獲得的形變參數(shù)將步驟（1)和步驟（2)中分割出來的主動(dòng)脈、心臟以及冠狀動(dòng)脈血管 中軸線進(jìn)行形變后映射到CT圖像中，生成用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域；
[0011] 步驟（4)、在用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域內(nèi)獲取冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè) 結(jié)果并計(jì)算冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)。
[0012] 本發(fā)明首先從空間分辨率更高、圖像顯示更為清晰的CT造影圖像入手，將檢測(cè)冠 狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)所涉及到的心臟、主動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈均分割出來，再結(jié)合圖像配準(zhǔn)的方法 將分割出來的心臟、主動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈都映射到最終檢測(cè)冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)的CT圖像上， 使得原本結(jié)構(gòu)不夠清晰的CT圖像可以明顯區(qū)分心臟、主動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈，然后在CT圖像 上僅選擇冠狀動(dòng)脈作為冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域。這樣綜合CT圖像和CT造影圖 像，可以將冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)限定在冠狀動(dòng)脈附近的區(qū)域范圍內(nèi)，提高了冠狀動(dòng)脈鈣化 點(diǎn)分割的準(zhǔn)確率。
[0013] 進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，考慮到由于不同病人的CT造影圖像中心臟和主動(dòng)脈的解 剖形態(tài)存在一定差異，所以為了能夠適應(yīng)這些差異，可以采用基于多模板（Multi-atlas) 圖像配準(zhǔn)的分割算法，分割CT造影圖像中心臟和主動(dòng)脈區(qū)域?；诙嗄０鍒D像配準(zhǔn)的分割 算法，主要是利用專家?guī)熘械膱D像即模板圖像與待分割的圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，然后利用配 準(zhǔn)獲得的空間形變參數(shù)，將模板圖像上由專家標(biāo)記好的心臟及主動(dòng)脈區(qū)域映射到待分割圖 像上，從而獲得待分割圖像中相應(yīng)區(qū)域的分割結(jié)果。因此所述步驟（1)具體包括以下步驟：
[0014] 步驟（11)、將CT造影圖像與專家?guī)熘械腘個(gè)模板圖像分別進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得形 變參數(shù)；這里N的范圍沒有明確規(guī)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可選擇N為6?10較佳，在此范圍內(nèi)工作 量適中且分割的精度滿足要求；
[0015] 步驟（12)、利用步驟（11)獲得的形變參數(shù)，將N個(gè)模板圖像上的心臟和主動(dòng)脈二 者的專家分割結(jié)果形變后都映射到CT造影圖像上；
[0016] 步驟（13)、將步驟（12)所得到的映射后的CT造影圖像上的N個(gè)心臟及主動(dòng)脈的 形變結(jié)果分別各自合并，獲得CT造影圖像中心臟及主動(dòng)脈的最終分割結(jié)果。
[0017] 進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，由于冠狀動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)差異性較大，所以只有對(duì)冠狀動(dòng)脈 血管中軸線進(jìn)行提取，才能準(zhǔn)確定位位于冠狀動(dòng)脈血管壁上的鈣化點(diǎn)，提高鈣化點(diǎn)檢測(cè)的 準(zhǔn)確性。所以所述步驟（2)具體包括以下步驟：
[0018] 步驟（21)、利用冠狀動(dòng)脈血管中軸線提取算法提取CT造影圖像中的冠狀動(dòng)脈血 管中軸線，并利用形態(tài)學(xué)膨脹算子進(jìn)行膨脹獲得冠狀動(dòng)脈區(qū)域的掩膜圖像；
[0019] 步驟（22)、對(duì)步驟（21)獲得的冠狀動(dòng)脈血管中軸線根據(jù)其解剖名稱進(jìn)行命名并 分割成不同的冠狀動(dòng)脈主要分支，然后將掩膜圖像中對(duì)應(yīng)于不同冠狀動(dòng)脈主要分支的區(qū)域 設(shè)為不同數(shù)值。冠狀動(dòng)脈血管樹中的包括左主支、左前降支、左旋支和右冠狀動(dòng)脈四個(gè)主要 分支，將冠狀動(dòng)脈血管樹拆分為四個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)左主支、左前降支，左旋支、右冠狀動(dòng)脈 以及由這些主要血管發(fā)出的分支。對(duì)這四個(gè)部分分別命名為左主支、左前降支、左旋支和右 冠狀動(dòng)脈，這樣能夠區(qū)別出屬于不同冠狀動(dòng)脈主要分支的鈣化點(diǎn)，并進(jìn)一步計(jì)算不同冠狀 動(dòng)脈主要分支的鈣化分?jǐn)?shù)。利用對(duì)掩膜圖像設(shè)置不同的數(shù)值可以較為簡(jiǎn)便直觀地區(qū)分出不 同的區(qū)域。
[0020] 進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，在CT造影圖像中分割了主動(dòng)脈、心臟及冠狀動(dòng)脈之后，需 要將這些結(jié)果映射到CT圖像上，進(jìn)而估計(jì)出CT圖像中用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣 區(qū)域，在選擇用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域時(shí)需要將冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)限定在 冠狀動(dòng)脈周圍，這樣才能夠避免誤檢測(cè)出主動(dòng)脈內(nèi)及非心臟區(qū)域內(nèi)的鈣化點(diǎn)。所以所述步 驟（3)具體包括以下步驟：
[0021] 步驟（31)、將同一病人的CT圖像和CT造影圖像先后采用仿射變換方法和非剛體 配準(zhǔn)方法進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得形變參數(shù)；
[0022] 步驟（32)、利用步驟（31)中獲得的形變參數(shù)，將步驟⑴中獲得的CT造影圖像中 心臟與主動(dòng)脈二者的分割結(jié)果以及步驟（2)中獲得的冠狀動(dòng)脈血管中軸線的分割結(jié)果都 進(jìn)行形變后映射到CT圖像上生成用于鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域

【權(quán)利要求】
1. 一種全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：利用同一病人的CT 圖像和注射造影劑增強(qiáng)的CT造影圖像自動(dòng)分割CT圖像中的冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)，并利用鈣化 點(diǎn)分割結(jié)果計(jì)算鈣化分?jǐn)?shù)，具體包括順序執(zhí)行的以下步驟： 步驟（1)、分割CT造影圖像中的主動(dòng)脈及心臟； 步驟（2)、提取CT造影圖像中的冠狀動(dòng)脈血管中軸線并對(duì)其進(jìn)行分割； 步驟（3)、將同一病人的CT圖像和CT造影圖像進(jìn)行配準(zhǔn)從而獲得形變參數(shù)，然后利用 獲得的形變參數(shù)將步驟（1)和步驟（2)中分割出來的主動(dòng)脈、心臟以及冠狀動(dòng)脈血管中軸 線進(jìn)行形變后映射到CT圖像中，生成用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域； 步驟（4)、在用于冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域內(nèi)獲取冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果 并計(jì)算冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟（1)采用基于多模板圖像配準(zhǔn)的分割算法，具體包括以下步驟： 步驟（11)、將CT造影圖像與專家?guī)熘械腘個(gè)模板圖像分別進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得形變參 數(shù)； 步驟（12)、利用步驟（11)獲得的形變參數(shù)，將N個(gè)參考圖像模板圖像上的心臟和主動(dòng) 脈二者的專家分割結(jié)果形變后都映射到CT造影圖像上； 步驟（13)、將步驟（12)所得到的映射后的CT造影圖像上的N個(gè)心臟及主動(dòng)脈的形變 結(jié)果分別各自合并，獲得CT造影圖像中心臟及主動(dòng)脈的最終分割結(jié)果。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟（2)具體包括以下步驟： 步驟（21)、利用冠狀動(dòng)脈血管中軸線提取算法提取CT造影圖像中的冠狀動(dòng)脈血管中 軸線，并利用形態(tài)學(xué)膨脹算子進(jìn)行膨脹獲得冠狀動(dòng)脈區(qū)域的掩膜圖像； 步驟（22)、對(duì)步驟（21)獲得的冠狀動(dòng)脈血管中軸線根據(jù)其解剖名稱進(jìn)行命名并分割 成不同的冠狀動(dòng)脈主要分支，然后將掩膜圖像中對(duì)應(yīng)于不同冠狀動(dòng)脈主要分支的區(qū)域設(shè)為 不同數(shù)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟（3)具體包括以下步驟： 步驟（31)、將同一病人的CT圖像和CT造影圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得形變參數(shù)； 步驟（32)、利用步驟（31)中獲得的形變參數(shù)，將步驟（1)中獲得的CT造影圖像中心 臟與主動(dòng)脈二者的分割結(jié)果以及步驟（2)中獲得的冠狀動(dòng)脈血管中軸線的分割結(jié)果都進(jìn) 行形變后映射到CT圖像上生成用于鈣化點(diǎn)檢測(cè)的感興趣區(qū)域M Kra = Μη n Mc-Ma，其中Mh、Ma 和M。分別表示形變后的心臟、主動(dòng)脈及冠狀動(dòng)脈的區(qū)域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟（4)具體包括以下步驟： 步驟（41)、首先利用閾值和連通域分析算法，將CT圖像中CT值大于130HU、體積小于 600像素、且位于MKra內(nèi)的像素點(diǎn)篩選出來作為可能的冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)； 步驟（42)、計(jì)算步驟（41)中篩選出的可能的冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)區(qū)域特征，根據(jù)計(jì)算得到 的特征向量，利用分類器對(duì)這些可能的冠狀動(dòng)脈鈣化點(diǎn)進(jìn)行分類，得到最終的鈣化點(diǎn)分割 結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果計(jì)算鈣化分?jǐn)?shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：步 驟（13)中采用多數(shù)投票原則進(jìn)行合并，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都采用統(tǒng)計(jì)該像素點(diǎn)在N個(gè)形變結(jié)果 中被確定為屬于心臟或者是主動(dòng)脈區(qū)域的次數(shù)，選擇次數(shù)大于N/2次所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)樵撓?素點(diǎn)最終所在的區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在 于：所述圖像配準(zhǔn)首先采用仿射變換將圖像初步對(duì)準(zhǔn)，然后利用非剛體配準(zhǔn)將圖像進(jìn)一步 匹配。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的全自動(dòng)CT圖像冠狀動(dòng)脈鈣化分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，其特征在于：所 述形態(tài)學(xué)膨脹算子采用球形膨脹核。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104091346SQ201410356582
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】楊冠羽, 王征, 寧秀芳, 孫巧榆, 舒華忠 申請(qǐng)人:東南大學(xué)