Способ формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров Российский патент 2017 года по МПК G06T5/50 A61B5/00 

Область техники

Изобретение относится к способам формирования изображений, в частности к способам формирования составного параметрического цветного или полутонового изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров для диагностических целей.

Предшествующий уровень техники

Проведение современных высокотехнологичных малоинвазивных медицинских процедур определяет необходимость развития соответствующих методов визуализации состояния внутренних систем пациента, включая систему кровотока, дыхательную, мочеполовую, пищеварительную и другие системы. Особую важность представляет возможность сравнения диагностических данных, полученных до и после проведения терапевтических процедур и/или оперативного вмешательства. Стандартом в этой области исследований является метод рентгенологического исследования при помощи цифровых ангиографических комплексов. Ангиографический комплекс формирует серию кадров с изображением анатомических структур пациента (далее по тексту «несубтракционную серию кадров»). Первые кадры несубтракционной серии кадров формируют до момента ввода рентгеноконтрастного вещества в сосудистую систему пациента. По меньшей мере из одного из первых кадров несубтракционной серии кадров формируют маску, содержащую только фоновое изображение тканей пациента. Затем получают серию ангиографических цифровых субтракционных кадров за счет компенсации движения пациента в области съемки и вычитания маски из каждого кадра несубтракционной серии кадров. Серия ангиографических цифровых субтракционных кадров позволяет визуализировать перемещение рентгеноконтрастного вещества и исключить из области видимости фоновое изображение тканей пациента (изображения костей, мягких тканей и т.д.). Из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров получают параметрическое изображение, в котором информация о протекании какого-либо физиологического процесса закодирована, например, при помощи цвета, штриховки, градаций серого и т.д. При исследованиях сосудистой системы пациента на одном параметрическом изображении отображают «историю» движения рентгеноконтрастного вещества по нескольким кадрам серии ангиографических цифровых субтракционных кадров.

Из уровня техники известен способ формирования составного изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров (RU 2530665, опубл. 10.10.2014). Способ включает получение серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование цветной шкалы, выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование параметрического изображения из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров. При этом способ дополнительно содержит стадию определения переходного момента между первой стадией сердечной деятельности и второй стадией сердечной деятельности, причем первая стадия сердечной деятельности и вторая стадия сердечной деятельности являются одной из артериальной, перфузионной (капиллярной) или венозной стадий кровообращения.

Указанный способ может быть улучшен с тем, чтобы получить единое составное параметрическое изображение для серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, содержащее информацию обо всех фазах кровообращения пациента на одном кадре, а значит увеличить количество диагностической информации, доступной на одном кадре, что, в свою очередь, позволяет улучшить качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Из уровня техники известен способ формирования параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров (US 8180148 В2 G06K 9/00 от 12.05.2012). Способ включает получение серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование цветной шкалы, выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров. Параметрическое изображение формируют из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров за счет того, что для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время появления элемента с заданным значением яркости среди элементов, соответствующих данной позиции на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров. Затем выбирают значение цветной шкалы в соответствии с найденным для данной позиции временем и назначают яркость элемента, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной шкалы. При этом насыщенность цвета каждого пикселя параметрического цветного изображения определяют по величине разброса между максимальным и минимальным значениями для этого элемента изображения.

Указанный способ позволяет отобразить «историю» движения рентгеноконтрастного вещества по сосудистой системе пациента на параметрическом изображении за счет разных оттенков цвета. Однако способ не позволяет получить повторяемость результата кодирования параметрического изображения при повторных съемках участка кровеносной системы, полученных, например, до и после операции. Другой особенностью является то, что на параметрическом изображении в местах наложения проекций различных сосудов информация о частях сосудов в местах наложения оказывается частично потерянной. Кроме того, контрастность изображений артерий и вен на параметрическом изображении оказывается невысокой вследствие совмещения изображений артерий и вен с изображением капиллярной (паренхиматозной) фазы. Все эти особенности приводят к ухудшению качества визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Из уровня техники известен способ формирования параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров (US 8050474 В2 G06K 9/00 от 01.11.2011). Способ включает получение серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование цветной шкалы, выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров. Параметрическое изображение формируют из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров за счет того, что для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время появления элемента с заданным значением яркости среди элементов, соответствующих данной позиции на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров. Затем выбирают значение цветной шкалы в соответствии с найденным для данной позиции временем и назначают яркость элемента, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной шкалы.

Цветную шкалу, определяющую яркость (окраску) элементов параметрического цветного изображения, формируют в цветовом пространстве HSV. При этом яркость (окраску) элемента параметрического цветного изображения определяют по соотношениям

S(x,у)=1,

Здесь Н(х,у), S(x,у), V(x,y) - оттенок, насыщенность и светлота элемента параметрического изображения, расположенного на позиции с координатами (х,у) соответственно,

Т(х,у) - время пиковой яркости элементов, расположенных на позиции с координатами (х,у) на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров,

I(x,y) - яркость элемента изображения, расположенного на позиции с координатами (х,у) на кадре базового набора диагностически значимых субтракционных кадров, соответствующая времени Т(х,у),

Н₀ и H_ƒ - начальный и конечный оттенки цветной шкалы (обычно красный и синий соответственно),

Т₀ и T_ƒ - временные границы базового набора диагностически значимых субтракционных кадров,

I_min и I_max - минимальная и максимальная яркость элементов изображений в базовом наборе диагностически значимых субтракционных кадров.

Таким образом, время достижения пиковой яркости (время максимального почернения для каждого пикселя) ставят в соответствие цвету на параметрическом цветном изображении. Это позволяет отобразить ранние, средние и поздние стадии цикла кровообращения, изображенных на кадрах серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, и показывает «историю» движения рентгеноконтрастного вещества по сосудистой системе пациента.

Указанный метод имеет особенность, а именно отсутствие повторяемости результата кодирования параметрического изображения при повторных съемках участка кровеносной системы, полученных, например, до и после операции. Другой особенностью является то, что на параметрическом цветном изображении в местах наложения проекций различных сосудов информация о частях сосудов в местах наложения оказывается частично потерянной. Кроме того, контрастность изображений артерий и вен на параметрическом изображении оказывается невысокой вследствие совмещения изображений артерий и вен с изображением капиллярной (паренхиматозной) фазы. Все эти особенности приводят к ухудшению качества визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Из уровня техники также известен способ формирования параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, описанный в патентной заявке US 20160022236 А1, опубл. 28.01.2016, который по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому изобретению и может быть принят за прототип. Способ включает получение первой серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками, выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из первой серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, формирование параметрического изображения из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров. Параметрическое изображение формируют за счет того, что для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время появления элемента с заданным значением яркости среди элементов, соответствующих данной позиции на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров. Затем выбирают значение цветной или полутоновой шкалы в соответствии с найденным для данной позиции временем и назначают яркость элемента, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной или полутоновой шкалы. При этом синхронизацию цветной или полутоновой шкалы проводят по референтным временным точкам, полученным на второй серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, изображающей тот же участок кровеносной системы, что и первая серия. Так, например, первая серия ангиографических цифровых субтракционных кадров может быть получена до операции, а вторая серия ангиографических цифровых субтракционных кадров получена после проведения операции.

К особенностям способа можно отнести то, что на параметрическом изображении в местах наложения проекций различных сосудов возникает потеря информации о состоянии перекрывающихся сосудов. Поскольку изображения артерий в проекции на плоскость приемника зачастую накладываются на изображения вен, то при формировании параметрического изображения значения одного и того же элемента изображения для артериальной и венозной фаз «конкурируют» за одну позицию. Это приводит к тому, что на параметрическом изображении в месте наложения изображений артерии и вены сосуд, имеющий меньшую яркость, оказывается визуально разорванным и информация о его возможных деформациях в месте наложения потеряна.

Для диагностики ряда заболеваний изображение сосудов артериальной фазы кровообращения представляет больший интерес, чем изображение сосудов венозной фазы, поэтому для уменьшения дозы облучения пациента оператор нередко прерывает регистрацию (запись) серии, не дожидаясь окончания венозной фазы. В результате серия оказывается «несимметричной» с точки зрения полноты артериальной и венозной фаз. В указанном способе вне зависимости от полноты зарегистрированной (отснятой) венозной фазы средний оттенок цветной шкалы (обычно зеленый цвет) со средним кадром серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, а значит, для каждой следующей серии ангиографических цифровых субтракционных кадров средний цвет цветной шкалы будет соответствовать изображению различных участков кровеносной системы. При этом заявленная синхронизация цветной или полутоновой шкалы не позволяет единым образом синхронизировать окраску параметрических изображений, полученных для разных проекций исследуемого объема, а также при исследовании разных пациентов. Эти факторы затрудняют формирование визуального шаблона для исследований и диагностику различного рода отклонений от нормального цикла кровообращения, а значит, ухудшают качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Еще одной особенностью указанного способа является невысокая контрастность изображений артерий и вен на параметрическом изображении. Эта особенность появляется вследствие того, что изображение наполненных рентгеноконтрастным веществом капилляров, также присутствующее на параметрическом изображении, снижает контрастность изображений артерий и вен, в результате чего границы артерий и вен хуже различимы.

Указанные особенности уменьшают диагностическую ценность параметрического изображения, что, в свою очередь, ухудшает качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров с достижением следующего технического результата, а именно обеспечение возможности получения составного параметрического изображения, в котором улучшено качество визуализации состояния сосудистой системы пациента за счет сохранения повторяемости результата кодирования параметрического изображения, устранения потери информации о сосудах в местах наложения их проекций и увеличения контрастности изображений артерий и вен на составном параметрическом изображении.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, включающем:

получение серии ангиографических цифровых субтракционных кадров,

формирование цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками,

выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров,

формирование параметрического изображения из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров за счет того, что

для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время появления элемента с заданным значением яркости среди элементов, соответствующих данной позиции на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров,

выбирают значение цветной или полутоновой шкалы в соответствии с найденным для данной позиции временем,

назначают яркость элемента, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной или полутоновой шкалы,

согласно настоящему изобретению,

в серии ангиографических цифровых субтракционных кадров выделяют по меньшей мере один дополнительный набор диагностически значимых субтракционных кадров, для каждого из которых формируют параметрическое изображение,

причем референтные временные точки при формировании цветной или полутоновой шкалы выбирают в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента,

а составное параметрическое изображение для серии ангиографических цифровых субтракционных кадров формируют за счет сочетания значений элементов, расположенных на совпадающих позициях в сформированных параметрических изображениях, по заданному правилу.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором каждый набор диагностически значимых субтракционных кадров формируют из кадров, относящихся к изображению одной из фаз физиологического цикла в организме пациента.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором в качестве физиологического цикла используют цикл кровообращения в организме пациента.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором сочетание параметрических изображений в составное параметрическое изображение производят в цветовом пространстве RGB усреднением.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором сочетание параметрических изображений в составное параметрическое изображение производят в цветовом пространстве YUV согласно правилу

где - значение цветовых координат элемента составного параметрического изображения на позиции с координатами (х,у), - значения координат Y, U, V для i-го параметрического изображения, относящихся к позиции изображения с координатами (х,y), N - количество сочетаемых параметрических изображений.

Заявляемое техническое решение благодаря заявляемой совокупности существенных признаков позволяет обеспечить возможность получения составного параметрического изображения, в котором улучшено качество визуализации за счет того, что назначают яркость элемента параметрического изображения в соответствии со значениями цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками, выбранными в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента. В качестве референтной точки используют, например, границы фаз цикла кровообращения в организме пациента, например, момент максимального наполнения капиллярной фазы. Это позволяет получить повторяемость результата кодирования параметрического изображения при исследованиях, которые осуществляют, например, до и после операции, для разных проекций исследуемого объема или разных пациентов. Таким образом, формируют визуальные шаблоны для исследований, что позволяет лучше визуализировать различного рода отклонения от нормального физиологического цикла, например цикла кровообращения. Синхронизация результата кодирования параметрических изображений с фазами физиологических циклов в организме пациента позволяет увеличить контрастность изображений артерий и вен на составном параметрическом изображении. Изображение наполненных рентгеноконтрастным веществом капилляров, снижающее контрастность изображений артерий и вен, подавляют как за счет отбрасывания из параметризации наименее ценных кадров с точки зрения диагностики состояния артерий и вен, так и за счет коррекции яркости элементов параметрического изображения за счет цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с фазами физиологических циклов в организме пациента. Кроме того, благодаря выделению дополнительного набора диагностически значимых субтракционных кадров, формированию параметрического изображения для каждого набора диагностически значимых субтракционных кадров и формированию составного параметрического изображения из отдельных параметрических изображений по заданному правилу сочетания уменьшают потери информации о сосудах в местах наложения их проекций, относящихся к разным фазам физиологического цикла в организме пациента. Это позволяет увеличить количество диагностической информации, доступной на составном параметрическом изображении, а значит, обеспечивает возможность получения составного параметрического изображения, в котором улучшено качество визуализации.

Заявителем проведен патентно-информационный поиск по данной теме, в результате которого заявляемая совокупность существенных признаков не выявлена, что позволяет считать предлагаемое изобретение новым.

Соответствие данного изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень» обосновывается тем, что данное изобретение для специалиста логически не следует из известного уровня техники. Из уровня техники неизвестны способы формирования отдельных параметрических изображений за счет выбора яркости элементов изображения в соответствии со значениями цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками, выбранными в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента. При этом неизвестны способы коррекции яркости в изображении капилляров на параметрическом изображении за счет цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с фазами физиологического цикла в организме пациента. Также неизвестны способы формирования составного параметрического изображения за счет сочетания яркости элементов, расположенных на совпадающих позициях в отдельных параметрических изображениях, например, посредством усреднения.

Подробное описание изобретения

Сущность заявляемого изобретения, возможность его технической реализации и достижение указанного технического результата поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.

Фиг. 1 иллюстрирует вариант исполнения системы для реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует несубтракционную серию кадров.

Фиг. 3 иллюстрирует пример серии ангиографических цифровых субтракционных кадров.

Фиг. 4 иллюстрирует пример цветной шкалы. Здесь i обозначает номер кадра серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, а функции H(i), S(i) и V(i) - зависимости цветности (оттенка), насыщенности и светлоты от номера кадра в серии ангиографических цифровых субтракционных кадров.

Фиг. 5 иллюстрирует принцип формирования параметрического изображения для одного набора диагностически значимых субтракционных кадров. Набор диагностически значимых субтракционных кадров формируют из информационно-значимых с точки зрения диагностики кадров, далее по тексту «набор диагностически значимых субтракционных кадров». Например, к числу диагностически значимых субтракционных кадров могут быть отнесены кадры с изображением рентгеноконтрастного вещества, или кадры артериальной фазы кровообращения и т.д. Здесь i обозначает номер кадра серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, I(x,y)_min - минимальная яркость пикселей, соответствующая максимальной степени наполнения рентгеноконтрастным веществом, среди всех пикселей, соответствующих позиции (х,у), на кадрах набора диагностически значимых субтракционных кадров, T(x,y)_min - время появления пикселя с минимальной яркостью I(x,y)_min среди всех пикселей, соответствующих позиции (х,у) на кадрах диагностически значимого набора субтракционных кадров (время максимального почернения).

Фиг. 6 иллюстрирует пример сформированного составного цветного параметрического изображения.

Последующее описание раскрывает вариант воплощения настоящего способа формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров.

На фиг. 1 показан вариант исполнения системы 1 для регистрации и обработки серии ангиографических цифровых субтракционных кадров. Система 1 включает рентгеновскую установку 2, устройство управления и обработки данных 3, органы управления 4, подвижный рентгенопрозрачный катетеризационный стол 5 и монитор 6. Рентгеновская установка 2 включает стационарную моноплановую ангиографическую систему типа С-дуга 7 с закрепленными на ней рентгеновским излучателем 8 и приемником излучения 9. С-дуга 7 закреплена на моторизированном штативе, позволяющем осуществлять вращение излучателя 8 и приемника 9 вокруг исследуемого объема. В одном из возможных вариантов реализации приемник 9 содержит сцинтилляционный экран (на фигуре не показан), преобразующий рентгеновское излучение в видимое излучение, и матрицу фоточувствительных элементов (на фигуре не показаны). Система может содержать иной набор частей с сохранением функций генерации проникающего излучения, его регистрации в виде серии двумерных изображений внутренних анатомических структур пациента, а также обработки, демонстрации и сохранения полученных изображений.

Для проведения исследований оператор, т.е. клинический персонал в лице, например, рентгенохирурга, посредством манипуляции органами управления 4 включает рентгеновскую установку 2 в режим просвечивания длительностью несколько секунд. В ходе одного сеанса просвечивания устройство управления и обработки данных 3 формирует сигнал включения излучателя 8, который генерирует рентгеновское излучение, проходящее через исследуемый объем анатомических структур пациента. Приемник 9 регистрирует прошедшее излучение и формирует ангиографические цифровые кадры, содержащие двумерное изображение исследуемого объема. Приемник 9 формирует ангиографические цифровые кадры с частотой, заданной устройством управления и обработки данных 3. В ходе того же сеанса просвечивания оператор вводит в сосудистую систему пациента (вручную или посредством инжектора) рентгеноконтрастное вещество. В качестве такого вещества используют растворы на основе йода или бария, называемые положительными (коэффициент поглощения таких веществ выше, чем у тканей тела). На регистрируемом приемником 8 изображении исследуемого объема участки сосудистой системы, содержащие положительное рентгеноконтрастное вещество, имеют меньшую яркость по сравнению с анатомическими структурами пациента. Следует отметить, что настоящий способ обработки применим и для обработки изображений, полученных при исследованиях с отрицательными рентгеноконтрастными веществами, коэффициент поглощения которых ниже, чем у тканей тела. Применение настоящего способа для обработки результатов таких исследований находится в рамках настоящего изобретения и не изменяет его суть. Регистрация изображений анатомических структур до и после момента ввода рентгеноконтрастного вещества может осуществляться в рамках разных сеансов просвечивания, что также не изменяет сути настоящего изобретения.

Из ангиографических цифровых кадров формируют несубтракционную серию кадров 10 (фиг. 2). Затем формируют серию ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 за счет вычитания маски из каждого кадра несубтракционной серии 10 (фиг. 3). Субтракционные кадры полученной серии не содержат изображение анатомических структур пациента (изображений костей, мягких тканей и т.д.), а содержат только изображения участков сосудистой системы, наполненных рентгеноконтрастным веществом. На субтракционных кадрах могут присутствовать артефакты, обусловленные движением пациента во время съемки. Кроме того, на субтракционных кадрах могут присутствовать артефакты, обусловленные физиологическими процессами в организме пациента, такими как дыхание и сердечные сокращения, регистрируемыми, например, при исследовании коронарных сосудов. Устранение подобных артефактов на субтракционных кадрах может быть реализовано посредством известных методов цифровой обработки за счет операций сдвига и поворота маски для совмещения с изображением анатомических структур, изображенных на каждом из последующих кадров несубтракционной серии кадров. Например, по способу, изложенному в описании к Евразийской заявке №201200924 на изобретение «Способ получения субтракционного ангиографического изображения».

Устройство управления и обработки данных 3 в автоматическом режиме или посредством ввода информации от оператора через органы управления 4 выбирает среди кадров серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 кадры, соответствующие референтным временным точкам, связанным с фазами физиологических циклов в организме пациента. К числу референтных точек могут быть отнесены: момент начала артериальной фазы кровообращения 12, момент максимального наполнения капиллярной фазы кровообращения 13, момент окончания венозной фазы 14, момент начала капиллярной фазы 15, момент окончания капиллярной фазы 16 и другие (фиг. 3).

Момент начала артериальной фазы 12 характеризует момент, при котором на кадрах серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 впервые появилось изображение рентгеноконтрастного вещества.

Момент максимального наполнения капиллярной фазы 13 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество преимущественно содержится в капиллярах, питающих ткани тела, и наименьшим образом затрагивает артерии и вены по сравнению с остальными кадрами серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11.

Момент окончания венозной фазы 14 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество покинуло участок сосудистой системы, регистрируемый приемником 9, или совпадает с последним кадром серии, в случае если серия закончилась раньше.

Момент начала капиллярной фазы 15 характеризует момент, когда рентгеноконтрастное вещество уже практически полностью вышло из артерий и преимущественно находится в капиллярах.

Момент окончания капиллярной фазы 16 характеризует момент, когда рентгеноконтрастное вещество еще преимущественно находится в капиллярах, но уже начало проникать в вены.

Кадры, соответствующие референтным точкам 12, 13, 14, 15, 16, могут быть найдены посредством цифровой обработки серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11, за счет информации от вспомогательных систем измерения цикла кровообращения или посредством ввода информации от оператора.

Затем формируют цветную или полутоновую шкалу посредством устройства управления и обработки данных 3. Количество градаций шкалы выбирают в соответствии с количеством кадров серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11, на которых присутствует изображение ренгеноконтрастного вещества. При выборе градаций шкалы могут быть использованы любые визуальные атрибуты, позволяющие проводить их различение при отображении на мониторе 6. Пример формируемой цветной шкалы 17 представлен на фиг. 4 и фиг. 5. Формирование цветной шкалы 17 производят следующим образом. Назначают по меньшей мере три базовых цвета цветной шкалы 17, например первый базовый цвет с координатой Н=0 в цветовом пространстве HSV (красный), второй базовый цвет с координатой Н=120 (зеленый) и третий базовый цвет с координатой H=240 (синий). Получают остальные цвета цветной шкалы 17 интерполяцией. Цветная шкала 17 может быть сформирована в любом из цветовых пространств RGB, HSV, HLS и т.д.

Формирование полутоновой шкалы производят аналогично, только вместо базовых цветов используют базовые градации серого или типы штриховки. Например, для исследований, проводимых с положительным рентгеноконтрастным веществом, первому к третьему базовым визуальным атрибутам присваивают более низкие значения светлоты (яркости). Второму базовому визуальному атрибуты присваивают максимальное значение светлоты (яркости). Получают остальные визуальные атрибуты (градации) полутоновой шкалы интерполяцией.

Базовые цвета, градации серого, типы штриховки далее по тексту «базовые визуальные атрибуты».

Синхронизируют цветную или полутоновую шкалу с референтными временными точками следующим образом. Кадр, соответствующий началу артериальной фазы 12, синхронизируют с первым базовым визуальным атрибутом. Кадр, соответствующий моменту максимального наполнения капиллярной фазы 13 (или наиболее близкий к нему кадр, в случае низкой частоты съемки кадров), синхронизируют со вторым базовым атрибутом. Кадр, соответствующий моменту окончания венозной фазы 14 или последнему кадру серии, синхронизируют с третьим базовым атрибутом. Остальные кадры серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 синхронизируют с остальными визуальными атрибутами цветной или полутоновой шкалы. Такая синхронизация цветной или полутоновой шкалы с референтными временными точками, выбранными в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента, позволяет сохранить повторяемость результата кодирования параметрического изображения вне зависимости от длины серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11, поскольку визуальные атрибуты привязывают не к длительности зарегистрированной серии кадров, а к фазам анатомических процессов в организме пациента (за счет по меньшей мере трех базовых визуальных атрибутов). В данном примере конкретного исполнения визуальные атрибуты цветной или полутоновой шкалы синхронизируют с фазами цикла кровообращения пациента, но для специалиста понятно, что подобный принцип привязки может соотноситься с фазами другого физиологического цикла в организме пациента, например дыхания или сердцебиения. Такая синхронизация позволяет упростить сравнение параметрических изображений, полученных до и после терапевтических мероприятий. Более того, повторяемость результата кодирования параметрического изображения позволяет проводить более качественное сравнение параметрических изображений, полученных для разных проекций одного и того же исследуемого объема при перемещениях С-дуги 7 или рентгенопрозрачного стола 5. Стабильность результата кодирования при формировании параметрических изображений для исследований различных пациентов позволяет более очевидно наблюдать даже незначительные отклонения от нормального цикла кровообращения, что позволяет улучшить качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Затем вводят дополнительные визуальные атрибуты цветной или полутоновой шкалы, которые сопоставляют с точками перегиба 18 для функций Н(i), S(i) и V(i) для цветной шкалы (фиг. 4) и градациями светлоты (яркости) для полутоновой шкалы.

Для цветной шкалы для точек перегиба выбирают, например, цветовые координаты Н=65 (первая цветовая координата первого дополнительного визуального атрибута) и Н=175 (первая цветовая координата второго дополнительного визуального атрибута), соответствующие началу и окончанию зеленой области оттенков в цветовом пространстве HSV. Также для точек перегиба выбирают более низкие значения координат насыщенности S(i) и светлоты V(i) (вторая и третья цветовые координаты дополнительных визуальных атрибутов) по сравнению со значениями тех же координат, сопоставленных с кадрами, соответствующими моментам 12 и 14. Для третьей точки перегиба (третий дополнительный визуальный атрибут) выбирают минимальное значение координат насыщенности S(i) и светлоты V(i).

Для полутоновой шкалы для первой и второй точек перегиба выбирают те же значения светлоты (дополнительные визуальные атрибуты), что и для первого и третьего базовых визуальных атрибутов.

Остальные значения цветной или полутоновой шкалы интерполируют.

Для цветной шкалы дополнительные визуальные атрибуты синхронизируют с референтными временными точками следующим образом. Синхронизируют первый дополнительный визуальный атрибут с кадром, соответствующим моменту начала капиллярной фазы 15 (фиг. 3). Синхронизируют второй дополнительный визуальный атрибут с кадром, соответствующим моменту окончания капиллярной фазы 16 (фиг. 3). Синхронизируют третий дополнительный визуальный атрибут с кадром, соответствующим моменту максимального наполнения капиллярной фазы 13 (фиг. 3). Аналогичным образом дополнительные визуальные атрибуты могут быть синхронизированы, например, с кадром, соответствующим моменту окончания артериальной и началом венозной фаз.

Для полутоновой шкалы дополнительные визуальные атрибуты синхронизируют с парой моментов времени: моментами начала 15 и окончания 16 капиллярной фазы или моментами окончания артериальной и начала венозной фаз.

Таким образом, на цветном параметрическом изображении улучшают визуализацию средних и мелких артерий и вен, за счет того, что сокращают протяженность зеленых оттенков цветной шкалы по сравнению со стандартным распределением оттенков в цветовом пространстве HSV. Благодаря этому увеличивают количество отличимых глазом цветовых градаций, приходящихся на моменты наполнения средних, мелких сосудов и паренхиматозной (капиллярной) фазы, - наиболее интересных с точки зрения диагностики.

Кроме того, на цветном параметрическом изображении улучшают визуализацию сосудов за счет того, что ослабляют яркость зеленых оттенков, которые приходятся на капиллярную фазу. Известно, что человек в силу особенностей цветового зрения лучше воспринимает цвета зеленой области спектра по сравнению с красными или синими оттенками. Коррекция значений насыщенности и светлоты цветной шкалы позволяет уменьшить яркость зеленых оттенков, а значит, улучшить контрастность изображений средних и мелких артерий на фоне заполненных рентгеноконтрастным веществом тканей тела.

Коррекция цветной и полутоновой шкалы за счет изменения светлоты для кадров, приходящихся на капиллярную фазу, позволяет скорректировать на параметрическом изображении яркость облакообразной тени от капилляров, на фоне которой изображение более крупных сосудов оказывается менее контрастным и хуже различимым. Благодаря этому становится возможным включить в параметрическое изображение все кадры серии без потери читаемости сосудов, а значит сохранить максимум диагностической информации. Это позволяет улучшить качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Для интерполяции значений координат оттенка, насыщенности и светлоты цветной или полутоновой шкалы используют любые известные способы интерполяции: интерполяция полиномами, сплайнами, полиномом Эрмитта и т.д.

В случае работы с короткими сериями кадров, для которых съемка была остановлена до момента максимального наполнения капиллярной фазы, конец серии может быть привязан к зеленым оттенкам цветной шкалы.

Для специалиста понятно, что иное распределение визуальных атрибутов или введение дополнительных или других точек синхронизации с референтными временными точками, отличными от указанных, является очевидным развитием настоящего способа и не является отступлением от настоящего изобретения при условии сохранения синхронизации с фазами физиологических циклов пациента.

Затем из кадров серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 выделяют один базовый набор диагностически значимых субтракционных кадров и по меньшей мере один дополнительный набор диагностически значимых субтракционных кадров. Каждый из наборов диагностически значимых субтракционных кадров формируют из кадров, относящихся к изображению по меньшей мере одной из фаз физиологического цикла в организме пациента. Следует отметить, что набор диагностически значимых субтракционных кадров может быть расширен или сужен относительно анатомически строгого определения фазы физиологического цикла в организме пациента, но с сохранением привязки к границам фаз цикла. Например, серию ангиографических цифровых субтракционных кадров 11 разбивают на два набора диагностически значимых субтракционных кадров: базовый набор диагностически значимых субтракционных кадров ограничивают кадром, соответствующим моменту начала артериальной фазы 12, и кадром, предшествующим моменту максимального наполнения капиллярной фазы 13, дополнительный набор диагностически значимых субтракционных кадров ограничивают кадром, соответствующим моменту максимального наполнения капиллярной фазы 13, и кадром, соответствующим моменту окончания венозной фазы 14.

Для базового набора диагностически значимых субтракционных кадров формируют параметрическое изображение. Для каждого дополнительного набора диагностически значимых субтракционных кадров формируют параметрическое изображение по тем же правилам. Для каждой позиции каждого формируемого параметрического изображения определяют минимальную яркость I(x,y)_min (отображающую максимальную степень наполнения рентгеноконтрастным веществом) среди всех пикселей, соответствующих этой позиции на кадрах серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11, принадлежащих одному набору диагностически значимых субтракционных кадров (фиг. 5). Для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время. Т(х,у)_min появления пикселя с минимальным значением яркости I(x,y)_min. Выбирают значение цветной или полутоновой шкалы в соответствии с найденным временем T(x,y)_min. Затем назначают яркость пикселя, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной или полутоновой шкалы (фиг. 5). В случае работы с отрицательными рентгеноконтрастными веществами выбирают кадры с максимальной яркостью в пределах набора диагностически значимых субтракционных кадров. В качестве условия для выбора Т(х,у) могут использоваться другие параметры яркости пикселей, например время достижения определенного процента от экстремального значения или другие.

Таким образом, каждую позицию каждого из формируемых параметрических изображений кодируют в зависимости от значений I(x,y)_min и T(x,y)_min. По яркости I(x,y)_min определяют предварительное значение светлоты для каждой позиции каждого из параметрических изображений. При этом цвет каждого пикселя каждого из формируемых параметрических изображений определяют по времени максимального почернения T(x,y)_min, найденного в пределах одного набора диагностически значимых субтракционных кадров (фиг. 5). Время T(x,y)_min определяет i-й кадр серии, однозначно ассоциированный с цветом [H(x,y),S(x,y),V(x,y)]_i цветной шкалы 17 (фиг. 4 и фиг. 5) или градацией полутоновой шкалы.

Итоговую яркость пикселя цветного параметрического изображения задают цветом, рассчитанным по соотношению:

где х,у - абсцисса и ордината позиции пикселя формируемого цветного параметрического изображения, - оттенок, насыщенность и светлота пикселя параметрического изображения, [H(x,y),S(x,y),V(x,y)]_i - значения (оттенок, насыщенность и светлота) цветной шкалы, соответствующие времени (кадру) T(x,y)_min, - предварительное значение светлоты, связанное с яркостью максимального почернения пикселя I(x,y)_min соотношением

где I_min и I_max - минимальная и максимальная яркость элементов изображений в наборе диагностически значимых субтракционных кадров, I(x,y)_min - яркость элемента изображения, расположенного на позиции с координатами (х,у) на кадре набора диагностически значимых субтракционных кадров и соответствующего времени T(x,y)_min.

Таким образом, время максимального почернения для каждого пикселя ставят в соответствие цвету на каждом из параметрических изображений, отображая ранние, средние и поздние стадии цикла кровообращения, т.е. «историю» движения рентгеноконтрастного вещества по сосудистой системе пациента. При этом насыщенность и светлоту каждого пикселя каждого параметрического изображения корректируют в зависимости от принадлежности пикселя параметрического изображения к изображению фаз физиологических циклов в организме пациента (например, фазам кровообращения). Это позволяет сохранить стабильность результата кодирования вне зависимости от длины серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, положения С-дуги при формировании несубтракционной серии кадров и т.д. Это также позволяет подавить чрезмерно яркие оттенки зеленой области, ассоциированные с моментом максимального наполнения капиллярной фазы (снижающих контрастность средних и мелких артерий и вен), усилить красные и синие оттенки, хуже различимые глазом, увеличить количество градаций цвета, приходящихся на изображение средних и мелких артерий и вен, наиболее интересных с точки зрения диагностики.

При работе с полутоновой шкалой яркость пикселя формируемого параметрического изображения корректируют, например, по соотношению

где - яркость пикселя формируемого полутонового параметрического изображения, V(x,y)_i - светлота полутоновой шкалы, соответствующая времени (кадру) T(x,y)_min, I(х,у)_min - яркость элемента изображения, расположенного на позиции с координатами (х,у) на кадре набора диагностически значимых субтракционных кадров, соответствующего времени T(x,y)_min. Т.е. кадрам капиллярной фазы сопоставлены более высокие значения коэффициента V(x,y)_i. Это позволяет избавиться от облакообразной тени от капилляров, снижающей контрастность артерий и вен на параметрическом изображении.

Эти мероприятия улучшают восприятие цветных и полутоновых параметрических изображений, а следовательно, способствуют получению большего количества диагностической информации из сформированных параметрических изображений, а также из составного параметрического изображения.

Кривые наполнения рентгеноконтрастным веществом I(х,у) могут быть аппроксимированы различными функциями для получения уточненного значения времени максимального почернения Т(х,у). Кроме того, значения функции I(х,у) могут быть дополнительно отфильтрованы известными методами фильтрации сигналов (медианная фильтрация, скользящее среднее и т.д.) для устранения неточности оценки из-за влияния шумов на кадрах серии ангиографических цифровых субтракционных кадров 11.

Параметрические изображения могут быть выведены на монитор 6 после преобразования в поддерживаемое монитором 6 цветовое пространство для демонстрации «истории» движения рентгеноконтрастного вещества в рамках отдельных наборов диагностически значимых субтракционных кадров.

Для выравнивания переходов между цветовыми оттенками для цветного параметрического изображения в канале цветности Н каждого из сформированных параметрических изображений могут быть использованы известные методы фильтрации изображения, например медианная фильтрация, скользящее среднее, гауссово размытие и прочие.

Может проводиться дополнительная фильтрация отдельных параметрических изображений или составного параметрического изображения в пространственной и временной областях.

При необходимости к параметрическим изображениям может быть дополнительно применена гамма-коррекция, с тем чтобы подчеркнуть изображение крупных сосудов и подавить недокорректированные изображения капилляров, артефакты движения и шумы. Такая коррекция может также применяться и к составному параметрическому изображению.

Для получения составного параметрического изображения, отображающего «историю» движения рентгеноконтрастного вещества в рамках всего цикла кровообращения (фиг. 6), производят сочетание отдельных параметрических изображений. Такое сочетание может быть реализовано различными методами. Например, каждое цветное параметрическое изображение пересчитывают в цветовое пространство RGB, а составное параметрического изображение получают усреднением цветовых координат для соответствующих элементов усредняемых параметрических изображений по соотношению

где [R(х,у),G(х,у),В(х,у)]_final - значение цветовых координат элемента составного параметрического изображения на позиции с координатами (x,у), - значение R, G и В координат пикселя в i-м параметрическом изображении, расположенного на позиции с координатами (x,y), N - количество сочетаемых параметрических изображений.

В другом варианте составное параметрическое изображение получают из цветных параметрических изображений путем пересчета параметрических изображений в цветовое пространство YUV и сочетают полученные цветовые координаты параметрических изображений, например, по соотношению

где - значение цветовых координат элемента составного параметрического изображения на позиции с координатами (х,у), , , - значения координат Y, U, V для i-го параметрического изображения, относящихся к позиции изображения с координатами (х,y), N - количество сочетаемых параметрических изображений.

Для получения составного полутонового изображения несколько полутоновых параметрических изображений усредняют.

Для специалиста понятно, что на основании этих методов может быть получен ряд схожих техник с использованием отличных операций, других цветовых пространств, добавлением координаты прозрачности и т.д. Подобные модификации не являются отступлением от настоящего изобретения, если результатом таких преобразований является получение составного параметрического изображения из требуемого числа параметрических изображений с получением эффекта «полупрозрачности» изображений сосудов (фиг. 6). Под «полупрозрачностью» в данном случае следует понимать возможность наблюдения на итоговом составном параметрическом изображении деталей, присутствующих на каждом из сочетаемых параметрических изображений, в том числе в местах «пересечения» изображений сосудов, присутствующих на каждом параметрическом изображении в отдельности или на всех из них. При этом в местах «пересечения» изображений сосудов яркость пересекающихся участков сосудов в месте пересечения не должна совпадать с яркостью смежных с местом «пересечения» участков изображений ни в одном из пересекающихся сосудов (фиг. 6). Это позволяет уменьшить потери информации о сосудах в местах наложения их проекций на составном параметрическом изображении, что, в свою очередь, позволяет сохранить информацию обо всех частях рентгеноконтрастируемых сосудов на всем их протяжении, а значит, улучшить качество визуализации состояния сосудистой системы пациента.

Некоторые способы сочетания параметрических изображений в составное параметрическое изображение могут приводить к изменению оттенков составного параметрического изображения по сравнению с оттенками отдельных параметрических изображений в сопоставимых областях изображения. Так, например, при усреднении отдельных параметрических изображений в цветовом пространстве RGB изображения артерий и вен в местах усреднения с фоном теряют в каждом цветовом канале до 50% от своей яркости в соответствующем параметрическом изображении. Чтобы сохранить возможность сопоставления составного параметрического изображения с составляющими его отдельными параметрическими изображениями, применяют дополнительную коррекцию яркости и контраста составного параметрического изображения. Параметры коррекции назначают априорно в зависимости от выбранного правила сочетания параметрических изображений или получают от оператора посредством манипуляций с органами управления 4 системы 1.

Следует отметить, что в составное параметрическое изображение по усмотрению оператора могут включать не все отдельные параметрические изображения, если диагностическая ценность такого составного параметрического изображения увеличится. Количество параметрических изображений, включаемых в составное параметрическое изображение, может варьироваться оператором посредством манипуляций с органами управления 4 системы 1 или быть задано в компьютерной программе, управляющей системой 1.

Следует отметить, что описанные принципы могут применяться для формирования трехмерных составных параметрических изображений с сохранением заявленного технического результата. Для получения трехмерных параметрических изображений оператор или роботизированный привод (на фигуре 1 не показан) до момента ввода рентгеноконтрастного вещества в сосудистую систему пациента осуществляет вращение С-дуги 7 в заданном угле с заданной скоростью, одновременно регистрируя двумерные проекции с изображением анатомических структур пациента. Длительность вращения и траекторию движения С-дуги 7 определяют в соответствии с протоколом вращения, согласованным с циклом кровообращения пациента. Длительность вращения составляет порядка 5-10 секунд, угол вращения составляет порядка 200°. После окончания регистрации кадров оператор или роботизированный привод по меньшей мере один раз повторяет вращение С-дуги по тому же протоколу, но с введенным в сосудистую систему пациента рентгеноконтрастным веществом. Из кадров, полученных в рамках первого вращения, получают набор масок для вычитания из соответствующих кадров, полученных при повторном вращении(-ях). Из полученных субтракционных кадров формируют серию ангиографических цифровых субтракционных кадров, из которых выбирают по меньшей мере один набор диагностически значимых субтракционных кадров. Формируют соответствующую цветную шкалу, синхронизированную с фазами кровообращения пациента. Затем из набора диагностически значимых субтракционных кадров формируют трехмерное параметрическое изображение при помощи известных методов ангиографической трехмерной реконструкции. Для каждой позиции трехмерного параметрического изображения (вокселя) по временным кривым наполнения рентгеноконтрастным веществом, доступных для набора диагностически значимых субтракционных кадров, определяют время достижения яркостью элемента изображения определенного условия, например, доли от максимального значения, после чего сопоставляют найденное время с цветной шкалой для определения цвета вокселя. Полученное трехмерное параметрическое изображение является искомым составным параметрическим изображением, из которого может быть получено произвольное количество параметрических двумерных проекций для демонстрации.

Составное параметрическое изображение может быть продемонстрировано оператору посредством монитора 6 после преобразования в поддерживаемое им цветовое пространство, сохранено в устройстве управления и обработки данных 3, распечатано на печатающем устройстве (на фигуре 1 не показано) или передано по линиям связи во внешнее устройство хранения данных (на фигуре 1 не показано). Устройство управления и обработки данных 3 может быть реализовано в виде одного или нескольких вычислительных комплексов с достаточной вычислительной мощностью для управления работой системы 1 и осуществления полноценного анализа полученных данных.

Таким образом, совокупность раскрытых в настоящем изобретении признаков позволяет достичь заявленный технический результат, а именно обеспечить возможность получения составного параметрического изображения, в котором улучшено качество визуализации состояния сосудистой системы пациента за счет сохранения повторяемости результата кодирования параметрического изображения, устранения потери информации о сосудах в местах наложения их проекций и увеличения контрастности изображений артерий и вен на составном параметрическом изображении.

Изобретение относится к способам обработки изображений при ангиографическом методе исследования кровеносных сосудов, а именно к способам формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров. В серии ангиографических цифровых субтракционных кадров выделяют наборы диагностически значимых субтракционных кадров. Для каждого набора диагностически значимых субтракционных кадров формируют параметрическое изображение с учетом цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками, выбранными в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента. Составное изображение для серии ангиографических цифровых субтракционных кадров формируют за счет сочетания значений элементов, расположенных на совпадающих позициях в параметрических изображениях. Способ позволяет повысить качество визуализации состояния сосудистой системы пациента за счет сохранения повторяемости результата кодирования параметрического изображения, устранения потери информации о сосудах в местах наложения их проекций и увеличения контрастности изображений артерий и вен на составном параметрическом изображении. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования составного параметрического изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров,

включающий

получение серии ангиографических цифровых субтракционных кадров,

формирование цветной или полутоновой шкалы, синхронизированной с референтными временными точками,

выделение базового набора диагностически значимых субтракционных кадров из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров,

формирование параметрического изображения из базового набора диагностически значимых субтракционных кадров за счет того, что

для каждой позиции формируемого параметрического изображения определяют время появления элемента с заданным значением яркости среди элементов, соответствующих данной позиции на кадрах базового набора диагностически значимых субтракционных кадров,

выбирают значение цветной или полутоновой шкалы в соответствии с найденным для данной позиции временем,

назначают яркость элемента, расположенного на данной позиции формируемого параметрического изображения, в соответствии с выбранным значением цветной или полутоновой шкалы,

отличающийся тем, что

в серии ангиографических цифровых субтракционных кадров выделяют по меньшей мере один дополнительный набор диагностически значимых субтракционных кадров, для каждого из которых формируют параметрическое изображение,

причем референтные временные точки при формировании цветной или полутоновой шкалы выбирают в соответствии с фазами физиологических циклов в организме пациента,

а составное параметрическое изображение для серии ангиографических цифровых субтракционных кадров формируют за счет сочетания значений элементов, расположенных на совпадающих позициях в сформированных параметрических изображениях.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый набор диагностически значимых субтракционных кадров формируют из кадров, относящихся к изображению одной из фаз физиологического цикла в организме пациента.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве физиологического цикла используют цикл кровообращения в организме пациента.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сочетание параметрических изображений в составное параметрическое изображение производят в цветовом пространстве RGB усреднением.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сочетание параметрических изображений в составное параметрическое изображение производят в цветовом пространстве YUV согласно правилу

где - значение цветовых координат элемента составного параметрического изображения на позиции с координатами (x, y), - значения координат Y, U, V для i-го параметрического изображения, относящихся к позиции изображения с координатами (x, y), N - количество сочетаемых параметрических изображений.