Способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования (варианты) Российский патент 2018 года по МПК G06T5/50 A61B6/03 

Область техники

Изобретение относится к способам обработки изображений при ангиографическом методе исследования кровеносных сосудов, а точнее к способам определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения посредством анализа изображения.

Предшествующий уровень техники

Для диагностики различных заболеваний сосудистой системы пациента зачастую необходимо иметь понимание о временных границах фаз кровообращения, соотношении длительности этих фаз, распределении снабжения кровью тканей организма в разных фазах кровообращения и т.д. Исходными данными для фазового анализа могут служить серии кадров, полученных на рентгенографическом оборудовании. Стандартом в этой области является визуализация сосудистой картины посредством цифрового ангиографического комплекса и ввода в сосудистую систему пациента рентгеноконтрастного вещества. В качестве последнего обычно используют вещества, содержащие йод или барий, называемые положительными (коэффициент поглощения таких веществ выше, чем у тканей тела). На регистрируемом изображении участки сосудистой системы, содержащие рентгеноконтрастное вещество, будут иметь меньшую яркость по сравнению с анатомическими структурами пациента. В ряде случаев визуализация сосудистой системы может проводиться с использованием отрицательных рентгеноконтрастных веществ, коэффициент поглощения которых ниже, чем у тканей тела.

Ангиографический комплекс формирует серию кадров с изображением анатомических структур пациента (далее по тексту «исходная ангиографическая серия кадров»). Первые кадры исходной ангиографической серии кадров формируют до момента ввода рентгеноконтрастного вещества в сосудистую систему пациента. По меньшей мере из одного из первых кадров исходной ангиографической серии кадров формируют маску, содержащую только фоновое изображение тканей пациента. Затем получают субтракционную серию кадров за счет компенсации движения изображения между кадрами исходной ангиографической серии кадров и вычитания маски из каждого кадра исходной ангиографической серии кадров. Субтракционная серия кадров позволяет усилить изображение рентгеноконтрастного вещества за счет исключения фонового изображения тканей пациента (изображения костей, мягких тканей и т.д.).

Выделяют три основные фазы кровообращения - артериальную, капиллярную (паренхиматозную) и венозную. Для визуализации каждой фазы кровообращения обычно требуется несколько кадров одной серии. Конкретное количество кадров, необходимое для визуализации одной фазы, зависит от частоты следования кадров исходной ангиографической серии, объема введенного рентгеноконтрастного вещества, исследуемого участка сосудистой системы и других факторов. Для уменьшения объема вводимого рентгеноконтрастного вещества могут применяться методы совмещения изображений с нескольких кадров субтракционной серии кадров на одном составном изображении. Это позволяет отобразить на одном снимке все сосуды, соответствующие той или иной фазе кровообращения. Такие составные изображения могут отображать более одной фазы кровообращения. Для сохранения диагностической ценности составных снимков применяют различные визуальные атрибуты, например, разные цвета, штриховки и т.д. для различения изображений участков сосудов, наполняемых в рамках разных фаз кровообращения. Эти и другие случаи ангиографических исследований требуют точного определения границ фаз кровообращения и выделения из субтракционной серии кадров наборов кадров, принадлежащих артериальной, капиллярной (паренхиматозной) и/или венозной фазам.

Из уровня техники известен способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования (RU 2530665, опубл. 10.10.2014). Способ включает получение исходной ангиографической серии кадров,

формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров,

определение кадров субтракционной серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении.

При этом определяют переходный момент 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 определять границы фаз кровообращения только на основе анализа изображения сосудистой системы без привлечения вспомогательных систем измерения цикла кровообращения.

Из уровня техники также известен способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования (US 8731262 В2, G06K 9/00 от 20.05.2014), который по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому изобретению по первому варианту исполнения и может быть принят за прототип. Способ включает получение исходной ангиографической серии кадров, формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров, определение кадров субтракционной серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно определение кадра, соответствующего моменту окончания артериальной фазы, кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения, кадра, соответствующего моменту начала венозной фазы, и кадра, соответствующего моменту окончания венозной фазы. При этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения момента окончания артериальной фазы. Минимальная яркость на кадрах субтракционной серии кадров зачастую не совпадает с моментом окончания артериальной фазы. Это связано с тем, что минимальная яркость (максимальная степень почернения) пикселей на кадрах приходится на изображение наиболее крупных артерий, имеющих изгибы в плоскости, перпендикулярной плоскости приемника. При этом заполнение рентгеноконтрастным веществом средних и мелких артерий происходит позже. Определение момента окончания артериальной фазы по минимальной яркости (максимальной степени почернения) пикселей приводит к тому, что некоторые артерии оказываются ошибочно исключенными из набора кадров артериальной фазы, а значит оценка момента окончания артериальной фазы является неточной.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения момента начала венозной фазы. Наиболее темные пиксели в венозной фазе соответствуют наиболее крупным венам, имеющим изгибы, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости приемника (например, верхний сагиттальный синус, сигмовидный синус или пещеристый синус). Однако к моменту наполнения этих вен рентгеноконтрастное вещество успевает выйти из более мелких сосудов венозной фазы. В результате некоторые вены оказываются ошибочно исключенными из кадров венозной фазы, а полученная оценка - неточной.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения момента максимального капиллярного наполнения. Субтракционные артефакты зачастую имеют яркость сопоставимую с яркостью наполненных рентгеноконтрастным веществом сосудов. Наличие таких артефактов приводит к изменению значений гистограммы для изображений на кадрах. В результате, пик зависимости минимальной яркости в кадре от номера кадра, определяющий момент максимального капиллярного наполнения, может смещаться. Также наличие субтракционных артефактов негативно сказывается на отличимости пика от соседних с ним значений. Это приводит к ошибкам в определении момента максимального капиллярного наполнения.

Из уровня техники известен способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического) исследования по названному патенту (US 8731262 В2, G06K 9/00 от 20.05.2014), который по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому изобретению по второму варианту исполнения и может быть принят за прототип. Способ включает получение исходной ангиографической серии кадров, формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров, определение для каждого кадра субтракционной серии кадров минимальной яркости пикселей на кадре, на основании которой определяют кадры субтракционной серии кадров, соответствующие границам фаз кровообращения, а именно определяют кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, и кадр, соответствующий моменту начала артериальной фазы. При этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения момента максимального капиллярного наполнения. При наличии субтракционных артефактов на кадрах субтракционной серии кадров пик зависимости минимальной яркости в кадре от номера кадра, определяющий момент максимального капиллярного наполнения, может смещаться и становится хуже отличим от соседних с ним значений. Это приводит к ошибкам в определении момента максимального капиллярного наполнения.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения момента начала артериальной фазы кровообращения. Способ имеет высокую чувствительность к субтракционным артефактам и шумам. Яркость субтракционных артефактов зачастую оказывается ниже яркости пикселей на кадрах субтракционной серии кадров, полученных до момента ввода рентгеноконтрастного вещества в сосудистую систему пациента. Это приводит к ложному детектированию указанных артефактов в качестве первых изображений сосудистой системы, наполняемой рентгеноконтрастным веществом, а значит к ошибочному определению момента начала артериальной фазы кровообращения.

Из уровня техники известен способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования по названному патенту (US 8731262 B2, G06K 9/00 от 20.05.2014), который по совокупности признаков и достигаемому результату является наиболее близким к заявляемому изобретению по третьему варианту исполнения и может быть принят за прототип. Способ включает получение исходной ангиографической серии кадров, определение кадров исходной ангиографической серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно определение кадра, соответствующего моменту начала артериальной фазы, и кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения. При этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении.

Указанный способ может быть улучшен в части увеличения точности определения моментов максимального капиллярного наполнения и начала артериальной фазы кровообращения. Анализируемые кадры в указанном способе несвободны от субтракционных артефактов. Наличие таких:..... артефактов приводит к изменению значений гистограммы для анализируемых изображений, что приводит к ошибкам в определении кадров, соответствующих границам фаз кровообращения.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения по первому варианту исполнения является разработка нового способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, а именно определение кадров, соответствующих моментам окончания артериальной фазы, максимального капиллярного наполнения, начала венозной фазы и окончания венозной фазы, посредством анализа изображений на кадрах субтракционной серии кадров.

Задачей настоящего изобретения по второму варианту исполнения является разработка нового способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, а именно определение кадров, соответствующих моментам максимального капиллярного наполнения, начала артериальной фазы, посредством анализа изображений на кадрах субтракционной серии кадров.

Задачей настоящего изобретения по третьему варианту исполнения является разработка нового способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, а именно определение кадров, соответствующих моментам максимального капиллярного наполнения, начала артериальной фазы, посредством анализа изображений на кадрах исходной ангиографической серии кадров.

Техническим результатом заявляемого изобретения для всех вариантов является увеличение точности определения границ фаз кровообращения.

Указанный технический результат в первом варианте способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающего

получение исходной ангиографической серии кадров,

формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров,

определение кадров субтракционной серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно

определение кадра, соответствующего моменту окончания артериальной фазы, кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения, кадра, соответствующего моменту начала венозной фазы, и кадра, соответствующего моменту окончания венозной фазы,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

достигается тем, что

к каждому кадру субтракционной серии кадров применяют ориентационно-чувствительный фильтр по меньшей мере одной конфигурации,

рассчитывают энергию отклика изображения в каждом кадре субтракционной серии кадров на ориентационно-чувствительный фильтр,

кадр, соответствующий моменту окончания артериальной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика среди кадров субтракционной серии кадров,

кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента окончания артериальной фазы,

кадр, соответствующий моменту начала венозной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика, полученному после момента максимального капиллярного наполнения,

кадр, соответствующий моменту окончания венозной фазы, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента начала венозной фазы.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором в качестве ориентационно-чувствительного фильтра используют фильтр Габора.

Указанный технический результат во втором варианте способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающего

получение исходной ангиографической серии кадров,

формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров,

определение для каждого кадра субтракционной серии кадров минимальной яркости пикселей на кадре, на основании которой

определяют кадры субтракционной серии кадров, соответствующие границам фаз кровообращения, а именно определяют кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, и кадр, соответствующий моменту начала артериальной фазы,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

достигается тем, что

для каждого кадра субтракционной серии кадров дополнительно определяют количество пикселей в изображении сосудов,

для каждого кадра субтракционной серии кадров находят произведение количества пикселей в изображении сосудов и минимальной яркости пикселей на кадре,

кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по максимальному значению полученного произведения среди кадров субтракционной серии кадров,

для каждых двух соседних кадров субтракционной серии кадров определяют величину разницы между соответствующими значениями полученного произведения,

в качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают кадр, для которого значение полученной разницы превышает заданный порог.

Указанный технический результат в третьем варианте способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающего

получение исходной ангиографической серии кадров,

определение кадров исходной ангиографической серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно определение кадра, соответствующего моменту начала артериальной фазы, и кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

достигается тем, что

для каждого кадра исходной ангиографической серии кадров выделяют изображение, соответствующее области интереса, для элементов которого определяют заданную характеристику яркости,

в качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают первый кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения изменилось на заданную величину по сравнению со значением той же характеристики яркости для выделенного изображения на предшествующем кадре,

в качестве кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения, выбирают кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения максимально отличается от значения той же характеристики яркости для выделенного изображения на первом кадре исходной ангиографической серии.

Может быть выполнен вариант реализации вышеописанного способа формирования составного изображения из серии ангиографических цифровых субтракционных кадров, в котором в качестве заданной характеристики яркости для выделенного изображения, соответствующего области интереса, используют среднюю яркость названного изображения.

Подробное описание изобретения

Сущность заявляемого изобретения и возможность его практической реализации поясняются приведенным ниже описанием и чертежами.

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

Фиг. 2 иллюстрирует исходную ангиографическую серию кадров.

Фиг. 3 иллюстрирует пример субтракционной серии кадров.

Фиг. 4 иллюстрирует примеры субтракционных артефактов, возникающих из-за рефлекторных движений пациента во время съемки.

Фиг. 5 представляет пояснение к вариантам заявляемого способа. На графике а) изображена зависимость минимальной яркости в кадре субтракционной серии кадров от номера кадра. На графике б) изображена зависимость энергии отклика изображения на кадрах субтракционной серии кадров на ориентационно-чувствительный фильтр от номера кадра. К ориентационно-чувствительным фильтрам относят двумерные фильтры для распознавания текстуры изображения. К числу таких фильтров можно отнести фильтры на основе Фурье-преобразования, вейвлет-анализа, фильтры независимого анализа компонент, фильтры Габора и т.д. На графике в) изображена зависимость произведения минимальной яркости пикселей на сумму пикселей в изображении сосудов для кадров субтракционной серии кадров от номера кадра.

Фиг. 6 представляет пояснение к вариантам заявляемого способа. На графике а) изображена зависимость минимальной яркости в кадре субтракционной серии кадров от номера кадра. На графике б) изображена зависимость энергии отклика изображения на кадрах субтракционной серии кадров на ориентационно-чувствительный фильтр от номера кадра. На графике в) изображена зависимость произведения минимальной яркости пикселей на сумму пикселей в изображении сосудов для кадров субтракционной серии кадров от номера кадра. На графике г) изображена зависимость средней яркости в области интереса на кадрах исходной ангиографической серии кадров от номера кадра.

Фиг. 7 иллюстрирует пример составного изображения, сформированного из изображений нескольких фаз кровообращения.

Последующее описание раскрывает варианты воплощения настоящего способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования.

На фиг. 1 показан вариант исполнения системы 1 для регистрации и обработки исходной серии ангиографических 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 рентгеновского излучателя 8 и приемника излучения 9 вокруг исследуемого объема. В одном из возможных вариантов реализации приемник излучения 9 содержит сцинтилляционный экран (не показан), преобразующий рентгеновское излучение в видимое излучение, и матрицу фоточувствительных элементов (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 полученного изображения.

Для проведения исследований оператор, т.е. клинический персонал в лице, например, рентгенохирурга, посредством манипуляции органами управления 4 включает рентгеновскую установку 2 на 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 излучения 9 регистрирует прошедшее излучение и формирует ангиографический кадр, содержащий двумерное изображение исследуемого объема. Приемник 9 формирует ангиографические 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. На регистрируемом приемником излучения 9 изображении исследуемого объема участки сосудистой системы, содержащие положительное рентгеноконтрастное вещество, имеют меньшую яркость по сравнению с анатомическими структурами пациента. Для исследований, проводимых с отрицательными рентгеноконтрастными веществами участки, содержащие рентгеноконтрастное вещество, будут иметь большую яркость по сравнению с анатомическими структурами пациента.

Устройство управления и обработки данных 3 фиксирует каждый кадр, формируемый приемником излучения 9. Из полученных кадров формируют исходную серию ангиографических кадров 10 (фиг. 2). Формирование исходной серии ангиографических кадров 10 может быть синхронизировано или не синхронизировано с сигналами ЭКГ и респираторными сигналами. Таким образом, получают исходную ангиографическую серию кадров, содержащую изображение сосудистой системы пациента до, во время и после момента ввода в нее рентгеноконтрастного вещества.

Кадры, соответствующих границам фаз кровообращения, могут быть выделены из исходной ангиографической серии кадров 10 различными способами. Например, в одном варианте исполнения настоящего изобретения определение кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, осуществляют по исходной ангиографической серии кадров 10. В других вариантах определение кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, производят путем обработки субтракционной серии кадров 11 (фиг. 3).

Для получения субтракционной серии кадров 11 (фиг. 3) устройство управления и обработки данных 3 производит формирование маски. Маску формируют по меньшей мере из одного кадра исходной ангиографической серии кадров 10, зафиксированных до момента ввода рентгеноконтрастного вещества. Для каждого кадра исходной ангиографической серии кадров производят компенсацию движения изображения между кадрами исходной ангиографической серии кадров и маской. Формируют субтракционную серию кадров 11 (фиг. 3) за счет вычитания маски из каждого кадра исходной ангиографической серии кадров 10. На кадрах субтракционной серии кадров 11 могут присутствовать субтракционные артефакты, обусловленные недостаточной компенсацией движения пациента во время съемки. Кроме того, на кадрах субтракционной серии кадров 11 могут присутствовать артефакты, обусловленные физиологическими процессами в организме пациента, такими как дыхание и сердечные сокращения, регистрируемыми, например, при ангиографическом исследовании коронарных сосудов. Устранение субтракционных артефактов может быть реализовано посредством известных методов цифровой обработки за счет операций сдвига и поворота маски для совмещения с изображением анатомических структур на кадрах исходной ангиографической серии кадров 10, например, по способу, изложенному в описании к Евразийской заявке №201200924 на изобретение «Способ получения субтракционного ангиографического изображения».

В некоторых случаях артефакты движения не удается скомпенсировать полностью. На кадрах субтракционной серии кадров 11 могут присутствовать субтракционные артефакты 12 (фиг. 4), связанные с рефлекторными движениями пациента (дыхание, глотание, движение глазных яблок), движением его внутренних органов (сердцебиение, расширение легких и т.д.) и другие. Наличие указанных артефактов, а также шумов изображения может привести к ошибочным результатам определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при оценке исключительно по минимальной яркости изображения (фиг. 5а и 6а). К границам фаз кровообращения относят момент начала артериальной фазы 13, момент окончания артериальной фазы 14, момент начала капиллярной фазы 15, момент максимального капиллярного наполнения 16, момент окончания капиллярной фазы 17, момент начала венозной фазы 18, момент окончания венозной фазы 19. Так на фигурах 5 и 6 видно, что наличие субтракционных артефактов 12 приводит к ошибкам определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, например к ошибочному определению момента начала артериальной фазы 13, неточному определению момента окончания артериальной фазы 14, «размыванию» пика, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, к неточному определению момента начала венозной фазы 18.

Момент начала артериальной фазы 13 характеризует момент, при котором на кадрах субтракционной серии кадров 11 впервые появилось изображение рентгеноконтрастного вещества (фиг. 3).

Момент окончания артериальной фазы 14 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество начинает заполнение капилляров, но, по большей части, находится в артериях (фиг. 3).

Момент начала капиллярной фазы 15 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество, по большей части, вышло из артерий и преимущественно находится в капиллярах (фиг. 3).

Момент максимального капиллярного наполнения 16 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 субтракционной серии кадров 11 (фиг. 3).

Момент окончания капиллярной фазы 17 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество начинает заполнять вены, но преимущественно содержится в капиллярах (фиг. 3).

Момент начала венозной фазы 18 характеризует момент, при котором рентгеноконтрастное вещество по большей части вышло из капилляров и преимущественно находится в венах (фиг. 3).

Момент окончания венозной фазы 19 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 (фиг. 3).

Субтракционные артефакты 12 могут иметь яркость сопоставимую с яркостью рентгеноконтрастного вещества, что может приводить к ошибкам определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а следовательно, к включению ложных кадров в наборы кадров различных фаз. Это, в свою очередь, может привести, например, к ошибочному назначению визуальных атрибутов при формировании составного изображения, что, в конечном счете, может привести к затруднению диагностики состояния пациента.

Один из вариантов способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования состоит в следующем.

В способе определяют кадры, соответствующие моментам окончания артериальной фазы 14, максимального капиллярного наполнения 16, начала венозной фазы 18 и окончания венозной фазы 19. Для этого к каждому кадру субтракционной серии кадров 11 применяют ориентационно-чувствительный фильтр по меньшей мере одной конфигурации. Например, в качестве ориентационно-чувствительного фильтра используют двумерный фильтр Габора. Конфигурация двумерного фильтра Габора размером k×k определяется ориентацией ϕ, радиальной частотой ω. Импульсная характеристика g такого фильтра определяется в виде гармонической функции, помноженной на гауссиан, и может быть записана в виде

,

где a=xcosϕ+ysinϕ, b=-xsinϕ+ycosϕ,

σ - стандартное отклонение Гауссового ядра, определяющее амплитуду импульсной характеристики, например, σ=k/9,

с - константа.

Рассчитывают энергию отклика изображения в каждом кадре субтракционной серии кадров 11 на ориентационно-чувствительный фильтр каждой конфигурации, например, по выражению

,

где - результат свертки изображения j-го кадра с фильтром k-й конфигурации, - действительная часть результата свертки изображения с фильтром, - мнимая часть результата свертки изображения с фильтром. Сочетают результаты расчета энергии отклика изображения на ориентационно-чувствительный фильтр разных конфигураций, например, посредством перемножения функции энергии отклика в каждом кадре, полученной для фильтра в различных конфигурациях.

Для ускорения вычислений используют несколько доминантных конфигураций ориентационно-чувствительного фильтра, априорно подобранных для анализа соответствующих участков сосудистой системы пациента в различных проекциях.

Кадр, соответствующий моменту окончания артериальной фазы 14, определяют по первому максимуму энергии отклика среди кадров субтракционной серии кадров 11 (фиг. 5б и 6б). В этот момент изображения сосудов имеют ярко выраженную ориентацию в нескольких доминантных направлениях, определяемых анатомией тела пациента и расположением С-дуги 7 относительно исследуемого объема.

Кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения 16, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента окончания артериальной фазы 14 (фиг. 5б и 6б). По мере вымывания рентгеноконтрастного вещества из артерий в капилляры энергия отклика ориентационно-чувствительного фильтра спадает. Это связано с тем, что, с одной стороны, яркость изображения на кадре, соответствующем моменту максимального капиллярного наполнения 16, соответствует наименьшей яркости изображения среди кадров субтракционной серии кадров 11, следующих после момента окончания артериальной фазы 14. С другой стороны, в изображении, соответствующем моменту максимального капиллярного наполнения 16, нельзя выявить преимущественную ориентацию ни в одном из направлений. Следовательно, в момент максимального капиллярного наполнения 16 энергия отклика ориентационно-чувствительного фильтра будет минимальной (фиг. 5 и фиг. 6) для кадров, следующих после момента окончания артериальной фазы 14.

Кадр, соответствующий моменту начала венозной фазы 18, определяют по первому максимуму энергии отклика, полученному после момента максимального капиллярного наполнения 16 (фиг. 5б и фиг. 6б). По мере вымывания рентгеноконтрастного вещества из капилляров в вены происходит увеличение энергии отклика ориентационно-чувствительного фильтра для кадров субтракционной серии кадров 11. Это связано с тем, что вены, так же как и артерии, имеют выраженную ориентацию в нескольких основных направлениях, обусловленных анатомией пациента и проекцией анатомических структур на плоскость приемника 9. Поэтому при выходе рентгеноконтрастного вещества в вены энергия отклика проходит через максимум.

Кадр, соответствующий моменту окончания венозной фазы 19, определяют по минимуму энергий отклика, полученному после момента начала венозной фазы 18.

Дополнительно могут быть определены кадры, соответствующие моменту начала капиллярной фазы 15 и моменту окончания капиллярной фазы 17. Один из кадров, предшествующий моменту максимального капиллярного наполнения 16, энергия отклика для которого отличается от энергии отклика для кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту начала капиллярной фазы 15. Один из кадров, следующий после момента максимального капиллярного наполнения 16, энергия отклика для которого отличается от энергии отклика для кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту окончания капиллярной фазы 17.

Кадры, соответствующие границам фаз кровообращения, могут быть определены на основе интерполированной функции зависимости энергии отклика от номера кадра. Кроме того, функция зависимости энергии отклика от номера кадра может быть сглажена любым известным фильтром сглаживания, например, скользящим средним, медианой и т.д., причем размер ядра фильтра может варьироваться с учетом частоты съемки кадров.

Следует отметить, что определение кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, только по минимальной яркости пикселей изображения (максимальному почернению в кадре) без учета ориентации изображения может привести к ошибочным результатам (фиг. 5а и 6а). Наиболее темные пиксели как в артериальной, так и в венозной фазах соответствуют наиболее крупным сосудам, а также сосудам, имеющим изгибы в плоскости, перпендикулярной плоскости приемника излучения 9. Однако к моменту наполнения таких сосудов рентгеноконтрастное вещество зачастую либо еще не успевает достичь средних и мелких сосудов в артериальной фазе, либо уже покинуло средние и мелкие вены. Учет преимущественной ориентации изображения посредством определения энергии отклика изображения (фиг. 5б и 6б) на ориентационно-чувствительный фильтр позволяет получить более корректную оценку, а значит увеличить точность определения кадров, соответствующих границам фаз.

Другой способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования состоит в следующем.

Для каждого кадра субтракционной серии кадров 11 определяют количество пикселей в изображении сосудов. Для этого на этапе обучения устройства управления и обработки данных 3 на основе анализа яркости в наборе обучающих изображений определяют яркость центра кластера фона и центра кластера сосудов. На этапе разделения фаз кровообращения по субтракционной серии кадров 11 для каждого пикселя на кадре находят разницу между яркостью пикселя на кадре и яркостью центра каждого кластера. Пиксель относят к тому из двух кластеров, величина разницы до центра которого является наименьшей. Из пикселей, отнесенных к кластеру сосудов, получают изображение сосудов. Изображение сосудов может быть получено альтернативным методом по одному из известных способов сегментации изображений сосудов. Затем определяют количество пикселей в изображении сосудов. Для каждого кадра субтракционной серии кадров определяют минимальную яркость пикселей на кадре. Находят произведение количества пикселей в изображении сосудов и минимальной яркости пикселей на кадре (далее по тексту «ключевое произведение»).

Кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения 16, определяют по максимальному значению ключевого произведения среди кадров субтракционной серии кадров 11 (фиг. 5в и 6в).

Кадр, соответствующий моменту начала артериальной фазы 13, определяют следующим образом. Для каждых двух соседних кадров субтракционной серии кадров 11 вычисляют величину разницы между соответствующими им значениями ключевого произведения. Нормируют полученное значение на максимальное значение ключевого произведения для кадров субтракционной серии кадров 11. В качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы 13 выбирают кадр, для которого значение нормированной разницы превышает заданный порог (например, 2%).

Дополнительно могут быть определены кадры, соответствующие моменту начала капиллярной фазы 15 и моменту окончания капиллярной фазы 17. Один из кадров, предшествующий моменту максимального капиллярного наполнения 16, значение ключевого произведения для которого отличается от значения ключевого произведения, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту начала капиллярной фазы 15. Один из кадров, следующий после момента максимального капиллярного наполнения 16, значение ключевого произведения для которого отличается от значения ключевого произведения для кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту окончания капиллярной фазы 17.

Для увеличения точности определения границ фаз кровообращения любая из трех функций - зависимость количества пикселей в изображении сосудов от номера кадра, зависимость минимальной яркости пикселей на кадре от номера кадра и зависимость ключевого произведения от номера кадра - может быть сглажена одним из известных фильтров сглаживания, например скользящим средним, медианным фильтром и т.д., с учетом частоты съемки кадров.

В этом варианте реализации способа определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования увеличение точности получают за счет того, что дополняют информацию о минимальной яркости пикселей в кадрах субтракционной серии кадров 11 информацией о количестве пикселей в изображении сосудов. Полученная оценка оказывается более устойчивой к субтракционным артефактам 12 (фиг. 5а и 5в, 6а и 6в), поскольку пик функции ключевого произведения, определяющий момент максимального капиллярного наполнения, зависит, главным образом, от количества пикселей в изображении сосудов, а значит мало подвержен смещениям из-за присутствия субтракционных артефактов на кадре. Кроме того, пик функции ключевого произведения ярко выражен и хорошо отличим от соседних с ним значений, что также увеличивает вероятность правильного определения момента максимального капиллярного наполнения.

Другой способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования состоит в следующем.

Определяют область интереса на каждом кадре исходной ангиографической серии кадров 10. Под областью интереса понимают такую часть кадра, в которой присутствует изображение только проекций органов пациента. В область интереса не включают изображение проекций частей цифрового ангиографического комплекса (например, глубинной диафрагмы - «коллиматора») и свободных частей кадра (так называемого «воздуха»). Изображение, соответствующее области интереса, может быть выделено для каждого кадра исходной ангиографической серии кадров 10 за счет определения пикселей на кадре, значение яркости которых находится в пределах допустимых значений. Например, в изображение, соответствующее области интереса, включают все пиксели на кадре за исключением тех пикселей, яркость которых находится в пределах двухпроцентного отклонения от максимального значения яркости пикселей на кадре. Пиксели с максимальной яркостью обычно соответствуют изображению «воздуха», которое оказывается нестабильным по яркости и может привести к ошибкам определения фаз кровообращения. Изображение, соответствующее области интереса, может быть найдено другими известными методами, посредством анализа изображения на кадре, например, обученной нейронной сетью по способу, изложенному в описании к патенту RU 2431196 C1 на изобретение «Способ определения уровня яркости в зоне интереса цифрового медицинского рентгеновского изображения».

Для элементов изображения, соответствующего области интереса, на каждом кадре исходной ангиографической серии кадров 10 определяют заданную характеристику яркости, например среднюю яркость названных элементов. В качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы 13, выбирают первый кадр, для которого средняя яркость для изображения, соответствующего области интереса, уменьшилась на заданную величину (например, 0.2%) по сравнению со средней яркостью для изображения, соответствующего области интереса, на предшествующем кадре. Ввод рентгеноконтрастного вещества в сосудистую систему пациента вызывает резкое изменение средней яркости изображения, соответствующего области интереса, на кадре исходной ангиографической серии кадров 10. При этом движение пациента может изменить конфигурацию области интереса на кадре, но не меняет среднюю яркость изображения, соответствующего области интереса. Исходная ангиографическая серия кадров 10 свободна от субтракционных артефактов 12, благодаря чему момент начала артериальной фазы 13 можно устойчиво детектировать даже на сериях с рефлекторными движениями пациента.

В качестве кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, выбирают кадр, для которого средняя яркость изображения, соответствующего области интереса, максимально отличается от значения средней яркости изображения, соответствующего области интереса, на первом кадре исходной ангиографической серии 10 (фиг. 6г). Изображение наполненных рентгеноконтрастным веществом капилляров в момент максимального капиллярного наполнения 16 занимает наибольшую площадь на кадре исходной ангиографической серии кадров 10 по сравнению с кадрами, соответствующими другим фазам цикла кровообращения. В результате средняя яркость изображения, соответствующего области интереса, на кадрах исходной ангиографической серии кадров 10 наибольшим образом искажена в момент максимального наполнения 16 (фиг. 6г). При этом исходная ангиографическая серия кадров 10 свободна от субтракционных артефактов, что позволяет увеличить точность оценки при наличии рефлекторных движений пациента во время съемки.

Дополнительно могут быть определены кадры, соответствующие моменту начала капиллярной фазы 15 и моменту окончания капиллярной фазы 17. Один из кадров, предшествующий моменту максимального капиллярного наполнения 16, средняя яркость изображения в области интереса для которого отличается от средней яркости изображения в области интереса для кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту начала капиллярной фазы 15. Один из кадров, следующий после момента максимального капиллярного наполнения 16, средняя яркость изображения в области интереса для которого отличается от средней яркости изображения в области интереса для кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения 16, не более чем на заданную величину, назначают кадром, соответствующим моменту окончания капиллярной фазы 17.

Следует отметить, что вместо средней яркости могут быть использованы иные статистические параметры яркости изображения на кадре.

Для определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования может быть получен ряд схожих техник с использованием сочетания вариантов реализации настоящего изобретения. Так кадры, соответствующие моментам начала артериальной фазы 13 и максимального капиллярного наполнения 16, могут быть определены посредством вычисления ключевого произведения для кадров субтракционной серии кадров 11. Кадры, соответствующие моментам окончания артериальной фазы 14 и начала венозной фазы 18, могут быть найдены с использованием энергии отклика кадров субтракционной серии кадров 11 на ориентационно-чувствительный фильтр определенной конфигурации и т.д.

Изображение на кадрах исходной ангиографической серии кадров 10 и субтракционной серии кадров 11, так же, как и анализируемые функции, получаемые на их основе, могут быть сглажены известными способами фильтрации в пространственной и временной областях.

Используемые для определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, экстремальные значения анализируемых функций, также как и применяемые пороговые значения, могут быть заменены на значения, отличные от значений, упомянутых в описании к настоящему изобретению. Так вместо экстремального значения может быть использовано значение, равное определенной доле от экстремального значения. Экстремальное значение анализируемой функции может быть получено как экстремум среди нескольких последовательных значений анализируемой функции.

Найденные кадры, соответствующие границам фаз кровообращения, могут быть использованы для определения наборов кадров субтракционной серии кадров 11, соответствующих различным фазам кровообращения, и получения составных изображений для каждой из фаз. Это позволяет, например, получить экономию рентгеноконтрастного вещества без потери в информативности изображения сосудистой системы. Составные изображения для каждой фазы кровообращения могут быть объединены в одно составное изображение для субтракционной серии кадров 11 (фиг. 7). Для сохранения диагностической ценности составных изображений применяют различные визуальные атрибуты, например разные цвета, штриховки и т.д. Это позволяет идентифицировать отдельные фазы кровообращения на составном изображении, а значит различать изображения участков сосудов, наполняемых в рамках различных фаз кровообращения.

Таким образом, заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков в каждом из трех вариантов исполнения позволяет достичь технический результат, а именно увеличение точности определения границ фаз кровообращения.

Изобретение относится к способам обработки изображений при ангиографическом методе исследования кровеносных сосудов. Способ содержит этапы, на которых выполняют получение исходной ангиографической серии кадров, формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров, определение кадров субтракционной серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения. Определение кадра, соответствующего моменту окончания артериальной фазы, максимального капиллярного наполнения, начала венозной фазы, окончания венозной фазы, при этом генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении. К каждому кадру субтракционной серии кадров применяют ориентационно-чувствительный фильтр по меньшей мере одной конфигурации, рассчитывают энергию отклика изображения в каждом кадре субтракционной серии кадров на ориентационно-чувствительный фильтр, кадр, соответствующий моменту окончания артериальной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика среди кадров субтракционной серии кадров, кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента окончания артериальной фазы, кадр, соответствующий моменту начала венозной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика, полученному после момента максимального капиллярного наполнения, кадр, соответствующий моменту окончания венозной фазы, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента начала венозной фазы. Также способ содержит этапы, содержащие получение исходной ангиографической серии кадров, формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров, определение для каждого кадра субтракционной серии кадров минимальной яркости пикселей на кадре, на основании которой определяют кадры субтракционной серии кадров, соответствующие границам фаз кровообращения, а именно определяют кадр максимального капиллярного наполнения, начала артериальной фазы, при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении. Для каждого кадра субтракционной серии кадров дополнительно определяют количество пикселей в изображении сосудов. Для каждого кадра субтракционной серии кадров находят произведение количества пикселей в изображении сосудов и минимальной яркости пикселей на кадре, кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по максимальному значению полученного произведения среди кадров субтракционной серии кадров, для каждых двух соседних кадров субтракционной серии кадров определяют величину разницы между соответствующими значениями полученного произведения, в качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают кадр, для которого значение полученной разницы превышает заданный порог. Способ также содержит этапы, включающие получение исходной ангиографической серии кадров, определение кадров исходной ангиографической серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно определение кадра начала артериальной фазы, и максимального капиллярного наполнения, при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении, для каждого кадра исходной ангиографической серии кадров выделяют изображение, соответствующее области интереса, для элементов которого определяют заданную характеристику яркости. В качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают первый кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения изменилось на заданную величину по сравнению со значением той же характеристики яркости для выделенного изображения на предшествующем кадре, в качестве кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения, выбирают кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения максимально отличается от значения той же характеристики яркости для выделенного изображения на первом кадре исходной ангиографической серии. Изобретение обеспечивает увеличение точности определения границ фаз кровообращения. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающий

получение исходной ангиографической серии кадров,

формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров,

определение кадров субтракционной серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно

определение кадра, соответствующего моменту окончания артериальной фазы; кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения; кадра, соответствующего моменту начала венозной фазы; и кадра, соответствующего моменту окончания венозной фазы,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

отличающийся тем, что

к каждому кадру субтракционной серии кадров применяют ориентационно-чувствительный фильтр по меньшей мере одной конфигурации,

рассчитывают энергию отклика изображения в каждом кадре субтракционной серии кадров на ориентационно-чувствительный фильтр,

кадр, соответствующий моменту окончания артериальной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика среди кадров субтракционной серии кадров,

кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента окончания артериальной фазы,

кадр, соответствующий моменту начала венозной фазы, определяют по первому максимуму энергии отклика, полученному после момента максимального капиллярного наполнения,

кадр, соответствующий моменту окончания венозной фазы, определяют по минимуму энергии отклика, полученному после момента начала венозной фазы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ориентационно-чувствительного фильтра используют фильтр Габора.

3. Способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающий

получение исходной ангиографической серии кадров,

формирование субтракционной серии кадров из исходной ангиографической серии кадров,

определение для каждого кадра субтракционной серии кадров минимальной яркости пикселей на кадре, на основании которой

определяют кадры субтракционной серии кадров, соответствующие границам фаз кровообращения, а именно определяют кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, и кадр, соответствующий моменту начала артериальной фазы,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

отличающийся тем, что

для каждого кадра субтракционной серии кадров дополнительно определяют количество пикселей в изображении сосудов,

для каждого кадра субтракционной серии кадров находят произведение количества пикселей в изображении сосудов и минимальной яркости пикселей на кадре,

кадр, соответствующий моменту максимального капиллярного наполнения, определяют по максимальному значению полученного произведения среди кадров субтракционной серии кадров,

для каждых двух соседних кадров субтракционной серии кадров определяют величину разницы между соответствующими значениями полученного произведения,

в качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают кадр, для которого значение полученной разницы превышает заданный порог.

4. Способ определения кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, при проведении ангиографического исследования, включающий

получение исходной ангиографической серии кадров,

определение кадров исходной ангиографической серии кадров, соответствующих границам фаз кровообращения, а именно определение кадра, соответствующего моменту начала артериальной фазы, и кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения,

при этом по меньшей мере для одной фазы кровообращения генерируют составное изображение и расставляют визуальные атрибуты для идентификации отдельных фаз кровообращения на составном изображении,

отличающийся тем, что

для каждого кадра исходной ангиографической серии кадров выделяют изображение, соответствующее области интереса, для элементов которого определяют заданную характеристику яркости,

в качестве кадра, соответствующего началу артериальной фазы, выбирают первый кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения изменилось на заданную величину по сравнению со значением той же характеристики яркости для выделенного изображения на предшествующем кадре,

в качестве кадра, соответствующего моменту максимального капиллярного наполнения, выбирают кадр, для которого значение заданной характеристики яркости для выделенного изображения максимально отличается от значения той же характеристики яркости для выделенного изображения на первом кадре исходной ангиографической серии.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве заданной характеристики яркости для выделенного изображения, соответствующего области интереса, используют среднюю яркость названного изображения.