基于Hessian矩阵的冠状动脉中心线的跟踪算法许燕

ISSN 1000-0054CN 11-2223/N

清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2007年第47卷第6期

2007,V o l.47,N o.634/36

889-892

基于Hessian 矩阵的冠状动脉中心线的跟踪算法

许　燕1

,　胡广书1

,　商丽华2

,　耿进朝

2

(1.清华大学生物医学工程系,北京100084;2.清华大学第一附属医院,北京100016)

收稿日期:2006-06-12

基金项目:裕元医学科学研究基金资助项目

作者简介:许燕(1980—),女(汉),浙江,博士研究生。通讯联系人:胡广书,教授,E -mail :hgs -d ea @ts inghu a .edu .cn

摘　要:冠状动脉血管造影对医生临床诊断心血管疾病非常有帮助。在冠状动脉造影图像上对冠脉中心线的正确提取是冠脉边缘定位和三维重建的基础。该文提出的中心线提取方法是对经典Sun 算法的改进,此方法结合了Hessian 矩阵特征向量和Canny 算子来进行准确提取。实验结果表明:结合Hessian 矩阵特征向量的方向,较好地解决了冠脉造影图像中冠脉曲率变化剧烈而跟踪不准确的情况;结合Can-ny 算子的半径计算,较好地解决了冠脉造影图像中冠脉重叠和交叉出现时错误跟踪的情况。与经典Sun 算法相比,本方法有很好的鲁棒性和较高的准确性。

关键词:图像分析;冠状动脉;中心线;Hessian 矩阵;特征

向量

中图分类号:T N 911.73

文献标识码:A

文章编号:1000-0054(2007)06-0889-04

Adaptive tracking extraction of vessel centerlines in coronary arteriograms

using Hessian matrix

XU Yan 1,HU G uangshu 1,SHA NG Lih ua 2,G ENG Jinzh ao 2(1.Department of Biomedical Engineering ,T s inghua University ,

Beij ing 100084,China ;

2.The No .1Hospital Attached to Tsinghua University ,

Beij ing 100016,China )

Abstract :A method for accurate ex tr action of the coronar y arter ial centerline was pres ented for au tom ated positioning of th e coronary ves sel border s and 3-D reconstruction to aid clin ical diagnoses of cardiovas cular d iseases.T he meth od is an improvement of the Sun ar ith metic.Th e m ethod implemen ts an accu rate ex traction using Hes sian matrix eigenvectors and the C ann y operator.The tes t results s how that the determination of the centerline point directions by th e Hess ian matrix eigenvector resolves tr acking inaccur acies resulting from ab rupt changes of the arterial curvatu re.

T he

calculation of th e artery radiu s by th e Canny operator r esolves inter ruptions of the tr acking res ulting from the s uper pos ition and overlappin g of the coronary artery.

T he m ethod has better

robus tn es s and accu racy than the Sun algorithm.

Key words :image analysis ;coronar y artery;center line;Hess ian

matrix;eigenvector

冠状动脉血管造影可以辅助医生准确诊断心血管疾病。人们利用冠状动脉造影图像提出了自动、半自动的方法来估计和寻找血管的几何参数。血管的

中心线用于计算边缘的梯度,寻找边界的位置,测量血管的直径和计算狭窄处的对称性。在整个冠脉树的三维重建中,冠脉段的重建也是以中心线为重建

的中心轴,是三维重建的关键[1]

。中心线的跟踪是冠脉造影定量分析中的一个重要步骤。

中心线跟踪方法大致分为3类。

第1类是基于递归连续的血管跟踪方法,此类方法涉及到了血管位置、曲率、直径和灰度值的信息。Sun 算法[2]

就是其中的代表。在文[3]中,利用同伦(hom otopy)修改和Watershed 变换提取每一段冠脉的骨架和边缘。第2类方法是基于活动轮廓模型的方法。此类方法适合连续帧的跟踪分析。第1帧先手动地识别中心线,活动轮廓模型则完成后续帧的中心线获取。第3类方法是基于3-D 提取的方法。文[4]基于最小邻域变化提取了3-D 骨架线和中心线,骨架线描述成连续的中心线,通过交换、平滑和连接的操作,获得中心线。由于冠脉造影图像质量较差,血管的几何结构复杂,现存的方法很少能准确地提取血管中心线。

本文提出了一种提取冠脉段中心线的方法,引入Hessian 矩阵的特征值所对应的特征向量和Can-ny 算子,对经典的Sun 算法进行改进。

1　经典Sun 算法

1989年,Sun 基于血管位置、曲率、直径和灰度值的信息,提出了利用递归连续跟踪法来提取冠脉中心线的方案。具体步骤见文[2]。