一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法技术

本发明专利技术公开了一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法，该方法首先计算血管内超声图像序列中各帧图像Zernike矩，针对于每帧图像，将其与后一帧图像Zernike矩的欧式距离作为每帧图像的距离特征值，根据每帧图像的距离特征值构造一维距离特征函数；通过一维距离特征函数频域空间获取到检查对象的心率，然后根据图像采集速率、检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围；同时通过一维指数滤波器对每帧图像的距离特征值进行增强处理，得到每帧图像增强的距离特征值；根据所有帧图像增强的一维距离特征值，通过关键帧搜索范围搜索出构成全局最短路径的各帧图像，作为关键帧，本发明专利技术方法能够快速、准确、有效地提取出关键帧。

【技术实现步骤摘要】
一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法
本专利技术涉及图像处理技术，特别涉及一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法。
技术介绍
血管内超声(IntravascularUltrasound，IVUS)作为临床上诊断血管内病变的“金标准”之一，是进行微创介入治疗的重要检查手段。检查过程中是将微型化的超声探头经导管技术进入血管腔内，显示血管横截面图像。临床采用的超声导管回撤速率是0.5mm/s，采集速率为30帧/s，检查一段长约15mm的血管回撤一次可采集900帧图像，不仅图像数据量大，而且相邻帧之间的关联性高，处理起来耗时、繁琐和效率低下。关键帧是记录血管内有重大形态改变位置的帧，具有很强代表性且数量较总帧数少很多。所以对后期的图像分析以及临床诊断有很大帮助。一般提取血管内超声图像关键帧采用ECG门控和图像门控技术，前者是利用ECG采集装置在介入采集图像过程中，在每个心动周期的同一时相(一般为R波)采集关键帧。但临床设备缺少ECG门控图像采集装置以及延长介入时间限制了此方面的应用；后者图像门控技术弥补了ECG门控的不足，采用后处理的方式，代表性方法是O'MalleySMn,CarlierSG,NaghaviM,etal.Image-basedframegatingofIVUSpullbacks:Asurrogateforecg[C]//Acoustics,SpeechandSignalProcessing,2007.ICASSP2007.IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2007,1:I-433-I-436(基于图像门控的IVUS回撤：心电门控的替代法)，基本原理是通过计算图像灰度特征的归一化相关系数，作为各帧图像之间相似度的衡量，构建图像序列的差异矩阵，通过分析差异矩阵的周期性结构寻找心动周期中心脏舒张末期采集的一帧图像作为关键帧，组成门控序列。但这种方法计算复杂，将帧之间的均方误差作为相似性匹配准则，对心率变化较大的IVUS序列，受运动的干扰较大，提取的关键帧结果不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法，该方法对于心脏运动具有很强的鲁棒性，能够快速、准确而有效地提取出将血管内超声图像序列中的关键帧。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法，步骤如下：S1、采集血管内超声图像序列，并且计算出血管内超声图像序列中各帧图像的Zernike矩；S2、针对于每帧图像，计算出其与后一帧图像Zernike矩的欧式距离，将上述计算得到的欧式距离作为每帧图像的距离特征值，然后根据每帧图像的距离特征值构造得到血管内超声图像序列的一维距离特征函数；S3、将血管内超声图像序列的一维距离特征函数傅里叶变换到频域空间上，通过该频域空间获取到血管内超声图像序列对应检查对象的心率；根据图像采集速率、血管内超声图像序列对应检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围；同时构造一维指数滤波器，通过一维指数滤波器针对步骤S2中构造得到每帧图像的距离特征值进行增强处理，得到每帧图像增强的一维距离特征值；S4、根据步骤S3中获取到的血管内超声图像序列中所有帧图像增强的一维距离特征值，通过关键帧搜索范围搜索出构成全局最短路径的各帧图像，作为关键帧。优选的，血管内超声图像序列中各帧图像的Zernike矩计算过程如下：针对于血管内超声图像序列中大小为N×N的各帧图像，得到其Zernike矩的实部和虚部分别如下：其中其中Rnm(ρ)表示各帧图像中像素点(x,y)处的径向多项式，n和m为正交多项式的阶数，n是非负整数，n-|m|是偶数，并且n≥|m|，s为阶数变量；Ci为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的实部，Si为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的虚部；其中x和y分别表示各帧图像中像素点的横坐标和纵坐标；fi(r,σ)是血管内超声图像序列中第i帧图像中极坐标为(r,σ)处像素点对应的灰度值；其中上述公式中r和σ为引入的两个参数，定义r＝max(|x|,|y|)；当|x|＝r，则当|y|＝r，则通过参数r和σ获取到像素点(x,y)对应的极坐标(ρ,θ)为：ρ＝2r/N,θ＝πσ(4r)。优选的，步骤S2中每帧图像的距离特征值d(i)为：其中d(i)为血管内超声图像序列中第i帧图像的距离特征值，l表示步骤S1中采集的血管内超声图像序列的长度，即血管内超声图像序列中帧的总数；Ci为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的实部，Ci+1为血管内超声图像序列中第i+1帧图像的Zernike矩的实部，Si为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的虚部，Si+1为血管内超声图像序列中第i+1帧图像的Zernike矩的虚部。优选的，步骤S3中通过频域空间获取到血管内超声图像序列对应检查对象的心率的具体方式为：在频域空间中找到频谱峰值，将该频谱峰值对应的频率值作为血管内超声图像序列对应检查对象的心率。优选的，步骤S3中根据图像采集速率、血管内超声图像序列对应检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围为：L0＝(60×R)/R0；L1＝(60×R)/R1；L2＝(60×R)/R2；其中△为关键帧搜索范围，R为图像采集速率，R0为血管内超声图像序列对应检查对象的心率，R1～R2为人体心率范围，L0为血管内超声图像序列对应检查对象的心率R0所对应的心动周期长度；L1～L2为人体心率范围R1～R2所对应的心动周期长度范围。优选的，所述图像采集速率R＝30帧/秒，所述人体心率范围R1～R2为60～100次/分。优选的，步骤S3中构造的一维指数滤波器h(δ)为：步骤S3中获取到的每帧图像增强的距离特征值为：其中l表示步骤S1中采集的血管内超声图像序列的长度，即血管内超声图像序列中帧的总数；d(i)为血管内超声图像序列中第i帧图像的距离特征值；D(i)为第i帧图像增强的距离特征值。优选的，步骤S4中获取到关键帧的具体过程如下：S41、首先从血管内超声图像序列的所有帧图像增强的距离特征值中选取出其中的最小值、第一局部最小值和最后一个局部最小值；S42、将第一局部最小值对应图像帧作为当前起点纳入最短路径中，然后根据该起点和关键帧搜索范围搜索到多帧图像，将搜索到的这些图像分别作为待搜索项；S43、通过评估函数计算各待搜索项的评估函数值，将评估函数值为0的待搜索项进行剔除，得到最终的待搜索项，然后进入步骤S44；S44、针对于步骤S43得到的最终的待搜索项中每帧图像，分别将其增强的距离特征值与当前最短路径中各帧图像增强的距离特征值进行累加；然后将累加值最小的对应待搜索项图像帧选取出来纳入当前最短路径中；S45、将步骤S44中选取出来的累加值最小的对应待搜索项图像帧作为当前起点，并且根据该起点和关键帧搜索范围搜索到多帧图像，将搜索到的这些图像分别作为待搜索项；判断待搜索项中是否包括步骤S41中选取出的最小值对应帧图像，若是，则进入步骤S46，若否，则进入步骤S43；S46、将最小值对应图像帧作为当前起点纳入当前最短路径中，然后根据该起点和关键帧搜索范围搜索到多帧图像，将搜索到的这些图像分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤如下：S1、采集血管内超声图像序列，并且计算出血管内超声图像序列中各帧图像的Zernike矩；S2、针对于每帧图像，计算出其与后一帧图像Zernike矩的欧式距离，将上述计算得到的欧式距离作为每帧图像的距离特征值，然后根据每帧图像的距离特征值构造得到血管内超声图像序列的一维距离特征函数；S3、将血管内超声图像序列的一维距离特征函数傅里叶变换到频域空间上，通过该频域空间获取到血管内超声图像序列对应检查对象的心率；根据图像采集速率、血管内超声图像序列对应检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围；同时构造一维指数滤波器，通过一维指数滤波器针对步骤S2中构造得到每帧图像的距离特征值进行增强处理，得到每帧图像增强的一维距离特征值；S4、根据步骤S3中获取到的血管内超声图像序列中所有帧图像增强的一维距离特征值，通过关键帧搜索范围搜索出构成全局最短路径的各帧图像，作为关键帧。

【技术特征摘要】
1.一种血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤如下：S1、采集血管内超声图像序列，并且计算出血管内超声图像序列中各帧图像的Zernike矩；S2、针对于每帧图像，计算出其与后一帧图像Zernike矩的欧式距离，将上述计算得到的欧式距离作为每帧图像的距离特征值，然后根据每帧图像的距离特征值构造得到血管内超声图像序列的一维距离特征函数；S3、将血管内超声图像序列的一维距离特征函数傅里叶变换到频域空间上，通过该频域空间获取到血管内超声图像序列对应检查对象的心率；根据图像采集速率、血管内超声图像序列对应检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围；同时构造一维指数滤波器，通过一维指数滤波器针对步骤S2中构造得到每帧图像的距离特征值进行增强处理，得到每帧图像增强的一维距离特征值；S4、根据步骤S3中获取到的血管内超声图像序列中所有帧图像增强的一维距离特征值，通过关键帧搜索范围搜索出构成全局最短路径的各帧图像，作为关键帧。2.根据权利要求1所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，血管内超声图像序列中各帧图像的Zernike矩计算过程如下：针对于血管内超声图像序列中大小为N×N的各帧图像，得到其Zernike矩的实部和虚部分别如下：其中其中Rnm(ρ)表示各帧图像中像素点(x,y)处的径向多项式，n和m为正交多项式的阶数，n是非负整数，n-|m|是偶数，并且n≥|m|，s为阶数变量；Ci为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的实部，Si为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的虚部；其中x和y分别表示各帧图像中像素点的横坐标和纵坐标；fi(r,σ)是血管内超声图像序列中第i帧图像中极坐标为(r,σ)处像素点对应的灰度值；其中上述公式中r和σ为引入的两个参数，定义r＝max(|x|,|y|)；当|x|＝r，则当|y|＝r，则通过参数r和σ获取到像素点(x,y)对应的极坐标(ρ,θ)为：ρ＝2r/N,θ＝πσ(4r)。3.根据权利要求1所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤S2中每帧图像的距离特征值d(i)为：其中d(i)为血管内超声图像序列中第i帧图像的距离特征值，l表示步骤S1中采集的血管内超声图像序列的长度，即血管内超声图像序列中帧的总数；Ci为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的实部，Ci+1为血管内超声图像序列中第i+1帧图像的Zernike矩的实部，Si为血管内超声图像序列中第i帧图像的Zernike矩的虚部，Si+1为血管内超声图像序列中第i+1帧图像的Zernike矩的虚部。4.根据权利要求1所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤S3中通过频域空间获取到血管内超声图像序列对应检查对象的心率的具体方式为：在频域空间中找到频谱峰值，将该频谱峰值对应的频率值作为血管内超声图像序列对应检查对象的心率。5.根据权利要求1或4所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤S3中根据图像采集速率、血管内超声图像序列对应检查对象的心率以及人体心率范围确定出关键帧搜索范围为：L0＝(60×R)/R0；L1＝(60×R)/R1；L2＝(60×R)/R2；其中△为关键帧搜索范围，R为图像采集速率，R0为血管内超声图像序列对应检查对象的心率，R1～R2为人体心率范围，L0为血管内超声图像序列对应检查对象的心率R0所对应的心动周期长度；L1～L2为人体心率范围R1～R2所对应的心动周期长度范围。6.根据权利要求1所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，所述图像采集速率R＝30帧/秒，所述人体心率范围R1～R2为60～100次/分。7.根据权利要求1所述的血管内超声图像序列关键帧的提取方法，其特征在于，步骤S3中构造的一维指数滤波器h(δ)为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郭圣文，吴宇鹏，任力，黄美萍，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44