王 力 孟慶民 郭永新 焦 青

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東 泰安 271016；2.泰安市中心醫(yī)院介入放射科，山東 泰安 271000；3.山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)放射學(xué)院，山東 泰安 271016

肝癌是我國(guó)比較常見(jiàn)的一種惡性腫瘤[1]，原發(fā)性肝癌占腫瘤發(fā)病率的第6位，死亡率僅低于胃癌、肺癌。我國(guó)是肝癌的高發(fā)地區(qū)，一半以上的病例出現(xiàn)在我國(guó)[2]。惡性腫瘤造成的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)日益加重，其研究與治療已成為我國(guó)迫切需要解決的問(wèn)題。

數(shù)字減影成像(digital subtraction angiography,DSA)是計(jì)算機(jī)圖像處理與血管造影結(jié)合的產(chǎn)物，是目前臨床廣泛采用的診斷和治療血管類(lèi)疾病的方法和手段之一[3]。由于腫瘤起病隱匿，大部分肝臟腫瘤患者確診時(shí)，已經(jīng)處于中晚期，失去了手術(shù)切除的機(jī)會(huì)[4]。多數(shù)年齡較大的肝臟腫瘤患者，同時(shí)患有其他的疾病，如心臟病、糖尿病等，難以耐受放療和化療，而腫瘤的介入治療具有創(chuàng)傷輕微、見(jiàn)效快等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為中晚肝臟腫瘤的首選治療方法[5]。肝癌腫瘤的介入治療是通過(guò)體內(nèi)的血管，如：股動(dòng)脈，將導(dǎo)管直接延伸到腫瘤血管內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)管注射化療藥物并用栓塞劑將供應(yīng)腫瘤的血管栓塞，致使腫瘤缺血壞死，達(dá)到治療的目的。所以準(zhǔn)確地分辨出肝臟腫瘤的供血血管，是確保腫瘤手術(shù)的前提。通過(guò)提取的肝臟腫瘤供血血管，可以為栓塞治療提供目標(biāo)血管，也可以避免漏栓、誤栓。術(shù)后也可以根據(jù)肝臟腫瘤的供血血管，檢查目標(biāo)血管的栓塞情況，如栓塞是否完善，是否有殘留的血管未栓塞，這可以使治療更完善，同時(shí)也減少了造影的次數(shù)、造影劑的用量和病人治療的副作用，使治療更準(zhǔn)確、方便。對(duì)肝臟腫瘤的治療具有重要的指導(dǎo)意義。

該研究基于臨床實(shí)踐需要，在Windows7環(huán)境下，以MATLAB為平臺(tái)，對(duì)DSA圖像進(jìn)行高斯濾波、均衡化、圖像增強(qiáng)等處理，實(shí)現(xiàn)了DSA圖像肝臟腫瘤的供血血管圖像的提取。

1 資料與方法

1.1 提取肝臟腫瘤血管圖像

1.1.1DSA圖像平滑

DSA圖像在獲取和信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)受到噪聲的干擾，從而降低DSA圖像的質(zhì)量，這對(duì)圖像處理產(chǎn)生不利的影響。通常采用平滑技術(shù)對(duì)DSA圖像進(jìn)行處理，以消除圖像的噪聲[6]。高斯濾波廣泛應(yīng)用在圖像處理中，針對(duì)于圖像中的高斯噪聲，具有很好的抑制作用，對(duì)于圖像矩陣中的每一個(gè)像素，都是模板的像素值與本身的像素值平均后得到[7]。設(shè)置高斯濾波的模板，然后用這個(gè)模板遍歷圖像矩陣中的元素，使用相鄰區(qū)域的值取代中心位置的值。使用高斯函數(shù)做平滑濾波器[8]，表達(dá)式如下：

(1)

其中式(1)中的x、y是矩陣的坐標(biāo)，H是模板的系數(shù)，圖像矩陣的每一個(gè)值，都是由選取的模板尺寸，加權(quán)平均后取代。是DSA圖像像素的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差表示數(shù)據(jù)的離散程度，如果較小，圖像的平滑效果差；反之，圖像的平滑效果比較好。類(lèi)似于均值模板，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)σ，可以在對(duì)抑制噪聲和圖像模糊之間綜合考慮，以達(dá)到最好效果。

1.1.2DSA圖像增強(qiáng)

直方圖均衡化在圖像處理中是比較常用的增強(qiáng)方法，適用于圖像對(duì)比度變化范圍比較小的情況，通過(guò)改變DSA的直方圖，到達(dá)灰度值被改變的目的[9]。由于原始圖像像素的分布變化不大，對(duì)比度不強(qiáng)，所以呈現(xiàn)出的圖像不夠清晰。圖像經(jīng)直方圖均衡化處理，可以使矩陣的元素值大小差別不大，而不同區(qū)域圖像的像素會(huì)有一定的差別，使呈現(xiàn)出的圖像給人的視覺(jué)比較清晰[10]。雖然在運(yùn)用中，這種方法很少能夠完全做到均勻的直方圖，但經(jīng)過(guò)處理后，可以使血管的對(duì)比度明顯增強(qiáng)。直方圖均衡化[11]的函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

1.3 獲得與腫瘤相連的血管圖像

對(duì)于高斯濾波的模板，如果選取的模板比較大，那么模糊半徑越大，圖像就越模糊，從數(shù)值角度看，就是數(shù)值越平滑，這將導(dǎo)致圖像的總體灰度分布特征損失一部分[13]。利用這一特點(diǎn)，我們選取比較大的濾波模板，使DSA圖像中肝臟血管的末端與背景相似，利用2次提取的肝臟血管圖像差異，得到腫瘤的供血血管圖像。由于模板尺寸比較大，使濾波處理后的圖像的灰度值與原始圖像的灰度值越接近，為了使提取的2幅肝臟血管圖像的灰度值接近，需要人為設(shè)置參數(shù)調(diào)整圖像的灰度[14]。

1.4 栓塞檢測(cè)

為了檢查目標(biāo)血管的栓塞情況，評(píng)價(jià)治療效果。需要通過(guò)圖像的處理，將治療前的肝臟血管圖像與治療后的肝臟血管圖像相減。得到的圖像如果顯示腫瘤與腫瘤供血的部分血管，則證明腫瘤的供血血管已被栓塞，否則栓塞手術(shù)失敗[15]。

2 結(jié) 果

2.1 肝臟腫瘤血管圖像的平滑與增強(qiáng)

將DSA圖像，讀入MATLAB平臺(tái)中，分別對(duì)DSA原始圖像和背景圖像，使用rgb2gray函數(shù)將DSA圖像轉(zhuǎn)化灰度圖像，將灰度化處理后的原始圖像與背景圖像相減，得到了腫瘤血管圖像(圖1C)，然后使用imfilterl函數(shù)和fspeciar函數(shù)對(duì)腫瘤血管圖像進(jìn)行高斯濾波(圖1D)，且濾波的尺寸為[2,2]，通過(guò)高斯濾波平滑處理，即減弱了DSA圖像的噪聲，又保留了圖像的總體灰度分布特征。

在MATLAB中分別采用histeq函數(shù)、fspecial函數(shù)及imfilter函數(shù)，對(duì)灰度化處理后的腫瘤血管圖像(圖1D)進(jìn)行均衡化處理，并增大肝臟血管邊緣對(duì)比度(圖1E)。然后使用imfilterl函數(shù)和fspeciar函數(shù)對(duì)均衡化后的圖像進(jìn)行高斯濾波(圖1F)，且濾波的尺寸為[1500,1500].由于濾波的尺寸比較大，使處理后的圖像，與背景圖像相似。將均衡化后的圖像與均衡化后的背景圖像，兩個(gè)圖像矩陣相減，得到腫瘤血管圖像(圖1G)。

A.原始DSA圖像;B.背景圖像;C.血管腫瘤圖像;D.高斯濾波處理后的圖像;E.均衡化后的圖像;F.均衡化后的背景圖像;G.血管腫瘤圖像。

2.2 提取腫瘤圖像

為了得到肝臟的血管圖像，需要將腫瘤血管圖像(圖1G)中的腫瘤區(qū)域去除。選取原始腫瘤圖像(圖2A)與腫瘤背景圖像(圖2B),在MATLAB平臺(tái)上分別使用rgb2gray函數(shù)灰度化處理，將處理后的兩個(gè)圖像相減，得到腫瘤圖像(圖2C)。然后使用imfilterl函數(shù)和fspeciar函數(shù)對(duì)腫瘤圖像進(jìn)行高斯濾波(圖2D)，且濾波的尺寸為[2,2]，減弱腫瘤圖像中的噪聲。分別采用histeq函數(shù)、fspecial函數(shù)及imfilter函數(shù)，對(duì)平滑后的腫瘤圖像(圖2D)進(jìn)行均衡化處理(圖2E)。然后使用imfilterl函數(shù)和fspeciar函數(shù)對(duì)均衡化后的圖像進(jìn)行高斯濾波(圖2F)，且濾波的尺寸為[1500,1500]，由于濾波的尺寸比較大，使處理后的圖像，與背景圖像相似[12]。將均衡化后的圖像與均衡化后的背景圖像，兩個(gè)圖像矩陣相減，得到腫瘤圖像(圖2G)。將腫瘤血管圖像(圖1G)與腫瘤圖像(圖2G)相減,得到肝臟血管圖像(圖2H)。

A.原始DSA圖像；B.背景圖像;C.腫瘤圖像;D.高斯濾波處理后的圖像;E.均衡化后的圖像;F.均衡化后的背景圖像;G.腫瘤圖像;H.肝臟血管圖像。

2.3 獲得與腫瘤相連的血管圖像

在MATLAB中，對(duì)經(jīng)過(guò)高斯濾波處理后的腫瘤血管圖像(圖1D),再次使用高斯濾波平滑處理，且選取的濾波模板為[15,15]，圖像(圖3A)較為模糊，提取的肝臟血管信息較少。對(duì)此圖像選取濾波的尺寸為[1500,1500]的模板，進(jìn)行濾波處理，得到部分肝臟血管圖像的背景圖像(圖3B)。將均衡化處理后的肝臟血管圖像與均衡化處理后的背景圖像相減，得到部分肝臟血管圖像(圖3C)。使用histeq函數(shù)、fspecial函數(shù)及imfilter函數(shù)，對(duì)部分肝臟血管圖像進(jìn)行均衡化處理(圖2D)，使圖像對(duì)比度增強(qiáng)，對(duì)部分肝臟血管圖像選取濾波尺寸為[200,200]高斯濾波充當(dāng)背景(圖3E)。將均衡化處理后的部分肝臟血管圖像與均衡化后的部分血管圖像背景相減，得到部分肝臟血管圖像(圖3F)，由于2次濾波且第2次模板尺寸比較大，致使圖像與原圖像背景灰度范圍接近。為保持肝臟血管圖像(圖2H)與部分肝臟血管圖像(圖3F)像素值保持接近，人為調(diào)高部分肝臟血管的像素值(圖3G)。將像素值增大后的部分肝臟血管圖像與肝臟血管圖像相減，得到腫瘤的供血血管圖像(圖3H)。臨床醫(yī)生根據(jù)此目標(biāo)血管，進(jìn)行腫瘤栓塞治療。

A.均衡化處理后的肝臟血管；B.均衡化處理后的背景圖像；C.肝臟血管圖像；D.均衡化處理后的部分肝臟血管圖像；E.均衡化后的部分血管圖像背景；F.部分肝臟血管圖像；G.像素增大后的血管圖像；H.腫瘤供血血管圖像。

2.4 栓塞檢測(cè)

在MATLAB平臺(tái)上，對(duì)治療后的圖像與治療后的背景圖像，分別使用rgb2gray函數(shù)灰度化處理，然后將處理后的兩個(gè)圖像相減，得到治療后的肝臟血管圖像(圖4C)。然后對(duì)此圖像進(jìn)行高斯濾波(圖4D)，且濾波的尺寸為[2,2]，減弱圖像中的噪聲。然后對(duì)平滑后的圖像進(jìn)行均衡化處理(圖4E)。再使用imfilterl函數(shù)和fspeciar函數(shù)對(duì)均衡化后的圖像進(jìn)行高斯濾波(圖4F)，且濾波的尺寸為[1500,1500]充當(dāng)背景圖像。將增強(qiáng)后的肝臟血管圖像與背景圖像，矩陣相減，得到處理后的血管圖像(圖4G)。受治療前后身體移動(dòng)和放射體位的變化，使治療前后的肝臟血管圖像發(fā)生了一定程度的變化。需要將治療前后的肝臟血管圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算偏移誤差，對(duì)偏移進(jìn)行校正，然后相減得到栓塞部分的圖像(圖4H)。根據(jù)栓塞圖像，給醫(yī)生的治療效果提供評(píng)價(jià)依據(jù)。

3 討 論

該研究在MATLAB平臺(tái)下，通過(guò)對(duì)DSA腫瘤圖像、腫瘤血管及治療后的肝臟血管圖像進(jìn)行灰度化、高斯平滑、直方圖均衡化等處理，提取肝臟腫瘤的供血血管和栓塞部分的圖像，從而為栓塞治療提供目標(biāo)血管。本研究具有圖像處理精確度高、方法簡(jiǎn)單而高效以及方法自動(dòng)化程度高、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。

該研究利用濾波尺寸不同的模板對(duì)肝臟血管圖像進(jìn)行處理，使兩幅處理后的圖像具有不同的圖像特征，從而利用兩幅血管圖像的差異，實(shí)現(xiàn)肝臟腫瘤血管圖像的提取。使用高斯濾波和直方圖增強(qiáng)的方法對(duì)DSA圖像進(jìn)行處理，使得處理后的肝臟血管圖像適合人眼的視覺(jué)、消除了圖像的干擾且保護(hù)了血管邊緣。方法自動(dòng)化程度高，用戶(hù)只需讀入DSA圖像，平臺(tái)就會(huì)將處理后的圖像、肝臟腫瘤供血血管、栓塞部分圖像予以自動(dòng)顯示。方法易于擴(kuò)展，將方法代碼在MATLAB上生成文件包，并與java web相融合，可簡(jiǎn)單高效地運(yùn)行于醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)圖像系統(tǒng)。

A.治療后的原始圖；B.治療后的背景圖像；C.治療后肝臟血管圖像；D.去燥后的肝臟血管圖像；E.圖像增強(qiáng)后的肝臟血管圖像；F.高斯濾波處理后的背景圖像；G.血管圖像；H.栓塞部分圖像。

該研究可對(duì)肝臟腫瘤血管圖像進(jìn)行自動(dòng)處理，提取腫瘤的供血血管和栓塞部分圖像。這些信息均豐富了醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，可為臨床醫(yī)生肝臟腫瘤栓塞提供參考。另外該研究可供一線臨床科研人員分析肝臟腫瘤DSA臨床數(shù)據(jù)，也可以作為教學(xué)工具為學(xué)生展示DSA相關(guān)信息，界面友好，操作方便，具有一定的實(shí)用價(jià)值。