動(dòng)態(tài)DSA軟件系統(tǒng)研制.pdf

1、本文旨在研制基于平板探測(cè)器的動(dòng)態(tài)DSA(數(shù)字減影血管造影術(shù))軟件系統(tǒng),及X線人體自動(dòng)融合拼接組件。DSA是顯示血管的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),在血管病的診斷及介入治療中具有重要意義；X線人體自動(dòng)拼接主要應(yīng)用于骨科矯形診療,對(duì)于提高骨科醫(yī)生的工作效率有重要作用。本文對(duì)其中核心技術(shù)進(jìn)行深入研究,并針對(duì)性地提出解決方案,最后開(kāi)發(fā)出商業(yè)化的產(chǎn)品。 DSA軟件系統(tǒng)從整體來(lái)看,有實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性及可配置性三大需求。大數(shù)據(jù)量的基于平板探測(cè)器的圖像序列對(duì)DSA軟

2、件系統(tǒng)提出了很高的實(shí)時(shí)性需求,文中采用了動(dòng)態(tài)查找表技術(shù),此查找表能自適應(yīng)圖像位數(shù)動(dòng)態(tài)生成,通過(guò)查找表,把復(fù)雜的對(duì)數(shù)減影,浮點(diǎn)減影系數(shù)灰度映射數(shù)學(xué)運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)化為三次下標(biāo)索引及-次減法,顯著地提高了數(shù)寧減影速度。另外由于DSA系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用于介入手術(shù),需要系統(tǒng)有極高的容錯(cuò)性,但是圖像數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中因電磁干擾可能受到損壞,若采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式來(lái)滿足系統(tǒng)容錯(cuò)性需求,會(huì)以犧牲軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià),我們采用了冗余下標(biāo)映射技術(shù),這樣DSA系統(tǒng)不需

3、要任何數(shù)據(jù)校驗(yàn)便可容錯(cuò),且損壞的數(shù)據(jù)會(huì)合理地映射為灰度級(jí)的上限或下限。最后,由于圖像的顯示效果是一個(gè)相對(duì)主觀的概念,另一方面不同的DSA硬件系統(tǒng)成像有一定差異,因此減影圖像的對(duì)比度及背景灰度級(jí)應(yīng)該需要可配置的,這樣DSA軟件系統(tǒng)才有較大的柔性,為此,我們?cè)贒SA的核心組件上設(shè)計(jì)了減影圖像配置接口,可以根據(jù)用戶需求方便配置查找表的特性參數(shù),并自動(dòng)保存這些配置參數(shù)。 由于病人運(yùn)動(dòng)會(huì)造成減影圖像中出現(xiàn)偽影,而降低DSA的診斷價(jià)值。但是

4、這種運(yùn)動(dòng)并非簡(jiǎn)單的平移,而是復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移的組合,對(duì)此,提出了基于仿射變換模型的DSA自動(dòng)配準(zhǔn)算法來(lái)消除運(yùn)動(dòng)偽影,其主要包含特征提取,特征匹配,變換模型參數(shù)最優(yōu)化求解及圖像變形等過(guò)程。針對(duì)X線透視圖像特性,利用改進(jìn)的Harris算子提取視覺(jué)特征點(diǎn)；由于造影劑的注入,使得蒙片和對(duì)比片在充滿造影劑的部位,圖像存在顯著差異,采用了基于灰度差分直方圖能量最大匹配準(zhǔn)則的模板匹配算法來(lái)進(jìn)行特征匹配,進(jìn)而得到特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量；利用得到的稀疏運(yùn)動(dòng)矢量

5、,采用了SVD(奇異值分解)方法獲得了仿射變換模型最小二乘意義下的最優(yōu)參數(shù)解；最后在確定的變換模型基礎(chǔ)上,兼顧到圖像質(zhì)量及效率,采用了雙線性插值方法對(duì)圖像進(jìn)行再采樣圖像變形以完成圖像配準(zhǔn)過(guò)程。血管增強(qiáng)可以作為更高級(jí)的血管識(shí)別分割的預(yù)處理環(huán)節(jié),具有重要的醫(yī)療價(jià)值,是DSA軟件系統(tǒng)的另一個(gè)難點(diǎn)技術(shù)。文中提出了基于Hessian矩陣的多尺度血管增強(qiáng)算法。由于血管在圖像中表現(xiàn)為條狀物,該算法通過(guò)Hessian矩陣特征值分析來(lái)檢測(cè)圖像局部的條狀結(jié)

6、構(gòu),我們?cè)O(shè)計(jì)了多尺度的血管增強(qiáng)濾波器,對(duì)不同尺度的血管有最大的濾波響應(yīng),對(duì)濾波系數(shù)圖像化顯示可得到血管增強(qiáng)影像。對(duì)各尺度濾波器的合理規(guī)范化可使得各尺度濾波響應(yīng)有可比性；引入邊緣指示因子可以改善增強(qiáng)的效果；而對(duì)二階高斯偏導(dǎo)卷積核采用積分法數(shù)字化的方法可以使得濾波更精確。 對(duì)于X線透視人體拼接技術(shù)的研究是本課題另一方面的主要研究?jī)?nèi)容。而由于X線攝影系統(tǒng)中成像器件尺寸有限,我們只能對(duì)有較大尺寸的對(duì)象分成幾次拍攝成像,后處理中把多個(gè)圖像

7、拼接成一個(gè)完整的無(wú)縫連接影像對(duì)于骨科矯形測(cè)量等具有重要意義。為了兼顧圖像拼接的實(shí)時(shí)性需求及拼接圖像質(zhì)量,文中提出了多尺度灰度融合的自動(dòng)拼接算法,主要包含人體部位識(shí)別、多尺度平移估計(jì)及灰度融合拼接等過(guò)程。首先根據(jù)X線透視圖像特性及人體不同部位組織對(duì)X線的吸收規(guī)律,進(jìn)行圖像部位識(shí)別,進(jìn)而自動(dòng)提取出合理的特征塊及搜索區(qū)域進(jìn)行特征匹配；然后對(duì)圖像進(jìn)行多分辨率分解,在大尺度下得到粗略的平移估計(jì),然后以此確定在更小尺度下的估計(jì)范圍并通過(guò)梯度域特征匹