摘要
支气管镜检查是一种常用的临床工具,可提供支气管腔的直接图像。然而,支气管镜作为定量测量工具的用途很少,主要是因为广角镜头会扭曲图像。本文作者已经测试了数值算法和商业软件纠正t他的歪曲。
已知大小的测试对象用四种不同的支气管镜成像。使用商业图像分析软件测量应用畸变校正算法前后图像中特征的大小。然后应用该技术测量迷走神经刺激时麻醉猪的气道狭窄程度。
如果不进行校正,视野边缘附近的对象大小会被∼40%。同心圆直径的测量误差取决于圆的半径,对于占据90%视场的圆,误差增加到25%。需要使用三阶多项式函数来校正这些误差。校正后,误差与图像中的物体大小或位置无关。镜头畸变的校正是与支气管镜和物体之间的距离无关。
作者得出结论,现代图像处理软件可以纠正广角支气管镜镜片产生的失真。
这项工作得到了加拿大健康研究院和安大略省胸科学会的支持。P.K.McFawn得到了John Alexander Stewart奖学金和加拿大肺协会/CIHR/GlaxoWelcome奖学金的支持。
支气管镜检查是一种常用且相对便宜的临床工具。支气管镜经常用于诊断,包括对气道、肿块、气管狭窄或异物的尺寸评估,以及对治疗干预(如支气管内癌放疗)有效性的评估,等.1.–4..到目前为止,这些评估都是定性的,定量评估受到支气管镜透镜产生的光学畸变的限制。精确测量支气管内物体或气道尺寸的能力将使支气管镜从定性研究变为定量研究和临床工具。
定量的支气管镜图像有潜力成为一个有价值的工具,无论是研究和临床调查。传统的通过肺或气道阻力测量气道反应性的方法提供了整个气管-支气管树的信息。然而,这些测量是支气管树中许多不同气道的综合,不允许观察单个支气管的反应5.–9. 以前,气道狭窄的定量研究在活的有机体内他们依赖于钽支气管造影术或高分辨率计算机断层扫描(HRCT),这两种技术都非常昂贵,或者大多数实验室无法获得6.–12.相比之下,支气管镜检查是一种相对便宜和常规的程序,可以直接、实时地对支气管腔进行成像。定量的支气管镜图像将提供一个有用的替代钽支气管造影或HRCT测量个别气道的反应性在活的有机体内13.
为了提供足够的视野(FOV),支气管镜安装了广角“鱼眼”透镜,使图像失真,使图像边缘的物体看起来比中心的物体小。这种失真形式被称为“桶形失真”14,15.支气管镜下的畸变是径向的,随着从视场中心的位移以非线性的方式增加13,15–18.支气管镜下的扭曲也会改变物体的外观形状,使直线看起来是弯曲的,并使物体呈放射状压缩,因此在场的周围会出现一个圆形。失真的程度取决于物体离视场边缘的距离或延伸到边缘的距离13。在不进行校正的情况下,只有靠近中心的小物体才能准确测量13,15,19,20.
以前的大多数研究都是使用支气管镜测量尺寸,根据被测物体在视场中的位置和大小,可以创建校正因子,用于测量区域或直径13,21,22. 这种尝试是相对粗糙的近似,需要几个不同的修正系数来分别处理位置和大小的不同影响。由于支气管镜图像的畸变是规则且均匀的,因此数值方法应该能够通过数学上逆转畸变来校正畸变,从而实现精确测量。虽然很少有关于校正支气管镜图像的研究发表,但有几项研究调查了内窥镜测量的其他应用16–18,20,23。他们使用比支气管镜大得多的胃内窥镜,相应的透镜更大,光学和失真程度可能不同。这些内窥镜研究使用极坐标,因为它们简化了校正方法。然而,极坐标也使图像处理复杂化,作为常见的文件格式uter显示器、图像采集卡、,等.用笛卡尔坐标。在最近的一项研究中,数值方法被应用于支气管镜图像失真,但用于校正的算法没有被描述24.先前的数值方法用于修正内窥镜或支气管镜图像中的透镜畸变,使用的是作者设计的软件,其他实验室无法使用16–18,21,22.这些因素限制了定量支气管镜和内窥镜的应用。
成像硬件和软件的最新发展使强大的失真校正技术在廉价的商业图像分析系统中可用。本研究研究了失真校正算法补偿失真的能力,并对支气管镜图像进行定量测量。首先确定了校正失真所需的多项式函数的阶数。校正程序精度小,外设小与然后研究了小中心对象和不同大小的中心对象。最后,作者应用该技术测量迷走神经刺激时气道狭窄。
方法
修正函数的生成
对连接到KR202CCD(松下,塞考克斯,新泽西州)摄像机的三个柔性光纤支气管镜(宾得FH-15H(宾得,日本东京)、奥林巴斯BF 2T10(日本东京奥林巴斯)和奥林巴斯BF 3C20小儿支气管镜)以及连接到奥林巴斯WM-30工作站的数字支气管镜(奥林巴斯BF P200)进行了测试。使用闪点FPG 2.70帧捕获卡(美国马里兰州银泉集成技术公司)对图像进行数字化,使用Optimas 6.1(美国印第安纳波利斯媒体控制论公司)进行图像处理,并使用该程序的“空间失真”命令进行失真校正。
对于每个支气管镜,通过获取距离支气管镜尖端5、10和15 mm线间距为1 mm的方格纸图像来建立校正函数。使用了一个微操作器和旋转装置,以确保图形纸成像为方形,并与FOV中心的顶点对齐。对于所有测量,视场中心被找到并用作参考原点(即点(0,0)。通过标记图像中顶点的位置,将点网格输入计算机。每个点都被分配坐标(x, y)以形成一个笛卡尔平面。然后测量图像中每个点相对于视场中心的位置,生成一组扭曲的图像坐标(x ', y ')。利用附录中的公式2,将已知(x ', y ')坐标对与畸变(x ', y ')坐标对进行曲线拟合,生成修正函数。为每个支气管镜生成一到四阶多项式修正函数,以确定哪种溶液适合支气管镜透镜。修正函数的生成是Optimas软件通过“空间校准”命令访问的一个功能。
前一个过程,从拍摄图像到生成校正函数,对每个支气管镜重复三次,最佳校正函数集(即那些产生最小错误的)被用于支气管镜。校正算法的输出以像素为单位,这些像素因失真而校正,但没有校正成真实的单位(如。毫米)。为了将像素校准为真实的单位,如毫米,就需要一个刻度,如一个已知大小的物体。附录中给出了对校正算法更完整的描述。
使用已知大小的模式和对象测试修正
利用方格纸图像和已知尺寸的物体对畸变校正系统的精度进行了测试。在离实验对象5、10、15 mm处用支气管镜拍摄方格纸图像。测量一个位于视场中心和外围的2×2正方形,计算外围正方形的面积占中心正方形的百分比(图1a)⇓).对于一个小的外围物体,整个物体受到相同程度的扭曲,但是对于一个大的物体,扭曲的程度会随着它的长度而改变。为了研究校正函数对大物体的有效性,我们比较了使用Optimas圆工具在坐标纸上生成的已知直径的同心圆(图2a)⇓).然后将测量直径的误差与圆所占视场的比例进行回归。为了模拟腔内物体,使用Pentax支气管镜在视场中心和外围的一张坐标纸上成像一个直径3mm的铜盘(图3)⇓)使用的圆盘为直径为3的电子显微镜网格 使用图纸提供1-mm的刻度标记。
图像校正在气道狭窄测量中的应用
所有的动物实验程序都符合加拿大动物保护委员会的指导方针,并得到了女王大学动物保护委员会的批准。用氯胺酮(25 mg·kg)麻醉8头猪(n=8, 35 kg)−1./甲苯噻嗪(2.2 mg·公斤−1.)坜和维护与i、 五,。通过股静脉导管注射戊巴比妥。气管插管后,给予40%氧(O2.))箱子被打开了。设定潮气量和呼吸频率,以维持动脉血液中的二氧化碳张力(P,有限公司2.)的35 mmHg,通过股动脉导管采集动脉血,并通过血气分析仪(ABL-30, Radiometer, Brønshøj,丹麦)测量血气。切断迷走神经,用置于神经上的铂电极(18 V, 2 ms)电刺激迷走神经。使用前文所述的Pentax支气管镜系统获得右侧干支气管(直径约4-5毫米)的支气管镜图像。钢球轴承(直径1.58 mm)通过支气管镜通道引入支气管腔并作为校准标记物(图4a)⇓).迷走神经刺激在静经肺压为5 cmH时进行2.O(最长持续时间1分钟)。频率响应曲线由5、10和20 Hz的随机刺激产生。
在一些研究中,使用活检刷(1650型微生物标本刷,美国马萨诸塞州纳蒂克市Microvasive)的保护塞作为校准标记。本研究的作者还用琼脂(2%琼脂在生理盐水中)制造塞子,用伊文思蓝染色以提高对比度。琼脂溶液经高压灭菌后倒入皮氏培养皿中。通过将导管(从一个用过的微血管试剂盒中)压入琼脂,将塞子冲出。使用卡尺测量这些塞子的直径和长度。
统计数字
结果为平均值±扫描电镜。支气管镜透镜产生的误差是通过比较周围和中心相同的物体,或通过比较软件计算的物体大小与已知的物体大小。当比较中心和外围相同的正方形时,不进行比例尺校准,外围正方形的测量面积按中心正方形的百分比计算。对于已知尺寸的物体(同心圆或铜盘),测量的面积或直径表示为真实值的百分比。正误差表示物体大小估计不足,负误差表示物体大小估计过高。使用配对t检验对未校正和校正测量值进行比较。测量误差的回归分析与直径作为FOV的一部分被执行。对于动物研究,n是动物的数量,对于其他实验,n是测量的图像数量。频率响应曲线采用方差分析(ANOVA)与线性对比分析。
后果
多项式修正函数阶
对于每个支气管镜,将外围测试正方形的面积与中心正方形的面积进行比较。在未经校正的情况下,所有支气管镜的周边正方形的测量面积明显小于中心正方形(35–43%)(图。 1.⇓).一阶和二阶校正函数几乎没有改善,而三阶拟合显著降低了周边正方形测量区域的误差(图1)⇓).四阶拟合没有产生进一步的改善,三阶校正函数用于所有后续分析。
周边小物体的校正
校正前外周正方形的测量面积小于相同的中心正方形,宾得为44±0.85%,儿科奥林巴斯为36±2.2%,奥林巴斯BF 2T10支气管镜为42±4.2%(所有病例n=5)。经三阶多项式函数校正后,宾得、儿科奥林巴斯和奥林巴斯BF 2T10的误差分别显著降低至4.08±2.5%、3.0±1.5%和2.7±0.97% (p<0.001每个支气管镜,n=5配对t-;检验)。在所有四个象限中,扭曲的程度是相似的。
图3a中周边圆盘(相对于其已知尺寸)测量面积和周长的误差⇓分别为43%和22%。支气管镜也会使椎间盘的外观形状发生扭曲,形成径向轴比周向轴短25%。校正畸变后,外周盘的测量面积和直径的误差分别减小到<10%和<5%,周向轴和径向轴的误差均在5%以内。正如预期的那样,当在视场中心成像时,圆盘的大小和形状都没有变形。
校正大型中心对象
图2⇓显示同心圆直径的测量误差与四个支气管镜的半径占视野的百分比(如预期,测量区域的误差约为直径的两倍(数据未显示))。在不校正畸变的情况下,测量误差百分比取决于圆圈所占视场的比例(线性回归分析,宾得、奥林巴斯儿科、奥林巴斯BF 2T10和视频支气管镜的r=0.97、0.96、0.97和0.86,n=7、6、7和8,在所有情况下,p<0.01,图。 2b⇓).校正后,误差与FOV占比无关(r=0.20, 0.62, 0.54, 0.10, n同上,p>0)。所有情况下均为15,图2b⇓).
距离对目标的影响
使用5、10和15 mm处的图像生成的校正函数来校正支气管镜不同距离处图像的测量值(图5)⇓).使用在三个距离中的任何一个产生的校正函数可以减少测量中的误差,而不管测试图像是在哪个距离拍摄的(图5)⇓).因此,在15 mm网格上生成的校正函数可以对5、10或15 mm的图像进行校正,在5或10 mm网格上生成的校正函数也可以进行相同的校正。因此,图像失真与支气管镜尖的距离无关。
该技术在气道狭窄测量中的应用
用猪进行有限数量的实验,以证明使用支气管镜图像进行定量测量(图。 4.⇓).迷走神经刺激引起支气管狭窄和粘液的产生。在20hz的刺激下,支气管变窄34±3.1%。变窄与频率有关(p<0.01方差分析,p<0.01线性对比,n=8,图4b⇓).
在这些实验中,将钢球轴承引入感兴趣位置附近的气道腔中,以提供校准刻度。由于这种类型的鳞片标记不适用于慢性动物实验或人类使用,因此也测试了由琼脂和活检刷的塞子制成的其他鳞片标记的可行性。图形 6.⇓显示了一个埃文斯蓝色染色琼脂堵塞旁边的一个钢球轴承在气道。小心地将栓子一端置于支气管镜上,在管腔内清晰可见。琼脂栓子持续时间≥0.5 h,无明显变化,而活检刷导管栓子溶解迅速,最多持续2 min。
讨论
目前的研究清楚地表明,市面上的软件畸变校正算法可以用于从支气管镜图像中获得定量测量。本研究首次测试和验证了商业图像分析软件在支气管镜上的能力,因此,引入了一种广泛用于实验或临床支气管镜的失真校正系统的概念。这是一个重大的进步,以前的研究(主要是使用不同光学的更大的胃肠道(GI)内窥镜)采用专利方法学,或作者自己以前使用繁琐的列图的尝试13.
考虑到以往数值失真校正方法的定制性,它们对临床支气管镜检查或将支气管镜作为研究工具的使用影响不大,这并不奇怪。以前大多数定量支气管镜图像的尝试都使用了一系列的校正值,这些校正值是根据被测物体在视场中的位置和相对大小应用于测量的13,21,22.这种修正是近似值,只对它们被设计用来修正的相同形状的物体有效。事实上,作者早期的研究依赖于繁琐的手工测量和很难使用的列线图13. 相比之下,一旦生成合适的校正函数,数值方法(如本研究中使用的方法)就很容易使用。这些方法校正图像中单个像素的位置,并且由于校正作用于单个像素,因此不受测量对象形状的影响。此外,由于图像中的每个像素具有其唯一校正的位置,因此这些函数在整个视场上提供校正的连续性。
一些关于胃肠道内窥镜的研究16–18,23最近的一项支气管镜研究24使用数值方法和校正算法对图像进行校正。然而,这些研究使用了独特的、定制的软件,这并不容易得到。到目前为止,每个小组都需要开发自己的软件,这无疑限制了数值校正算法的使用。作者使用的“现成”商业图像处理的桶形失真校正算法,与其他开发的定制软件相比,效果良好20.这表明这种矫正可以常规用于研究或临床应用。
以前使用数值方法校正透镜畸变的小组在其校正算法中使用极坐标。极坐标简化了校正函数数学,而大多数当前计算机技术在笛卡尔坐标系中运行,因此需要从笛卡尔坐标系转换为极坐标系进行校正为了避免这种情况,本文作者使用笛卡尔坐标作为校正算法。
图像校正的一种方法是显示校正后的图像并对该未失真图像进行测量。虽然显示校正后的图像在质量上是有用的,但它也有一些伴随的技术困难(参见17和附录),不需要定量测量。目前的方法不是校正和显示整个图像,而是只校正测量计算中感兴趣的像素的位置。这种方法可以在不改变图像显示的情况下进行精确测量,而且据作者所知,这种方法以前从未用于内窥镜或支气管镜检查。
支气管镜畸变的主要特征是长度、周长和面积测量取决于FOV中的位置。由于畸变是广角镜头的一个函数,因此它与到目标的距离无关。无论到目标的距离如何,都可以使用相同的校正功能15,20.以前的支气管镜检查研究为研究的每个距离生成了单独的校正函数24,这是不必要的,并增加了实现过程所需的工作。物体的绝对面积或周长取决于距离,但这是校准的问题,而不是失真校正的问题。一旦畸变被纠正,其他程序,如在管腔中放置标记,可以用来校准测量值13,19,20,24–26. 与畸变校正不同,校准对距离敏感,使用的任何校准标记与被测物体与支气管镜的距离相同,这一点很重要。
在动物实验中,使用钢球轴承作为校准标记。这些轴承便于急性动物实验,因为它们价格低廉、易于获得、尺寸均匀且呈球形,因此其在支气管中的方向不重要。但是,人类研究或慢性动物实验需要一种替代校准系统l实验。作者发现,临床使用的保护性刷子导管的塞子可以作为有用的校准标记,持续1-2天 溶解前在支气管内停留分钟。受保护刷子技术用于从支气管管腔中取出刷子进行微生物检查,并在导管末端使用塞子确保刷子无菌。在人类受试者中,取样时这些塞子通常留在支气管内。塞子也由琼脂制成溶解于盐水中。不幸的是,这两种类型的塞子都是圆柱形而不是球形的,因此必须注意它们的正确定位。活检钳也可以用作校准标记,尽管它们可以模糊气道的视图。
支气管镜下扭曲也会影响物体的形状。扭曲的径向特性会沿着物体的径向轴压缩物体,使圆形看起来像椭圆,直线看起来像曲线(见图1-3)⇓⇓⇓).这影响了形状的定量估计,比如物体的最长轴与最短轴的比例。虽然本研究中采用的校正方法不会改善物体在屏幕上的定性外观,但它将校正基于形状的定量测量,如长轴与短轴的比例。此外,由于测量是一个比率,因此不需要进行校准。
失真校正依赖于生成一系列多项式校正函数,如附录中所述。然后将这些校正函数应用于每个像素,以计算该像素在未失真图像中的位置。多项式函数的阶数(线性、二次、三次、等。),适合于校正的实验确定。所有支气管镜都需要三阶多项式,足以矫正扭曲。Asari和同事16,17还发现,三阶多项式需要使用极坐标来校正GI内窥镜图像,而Kouwenhovenet al。18发现二阶函数是足够的(也在极坐标中)。二阶拟合不足以用于检查的支气管镜。尽管每个支气管镜必须具有单独的校正功能,但一旦获得校正功能,给定支气管镜的校正功能保持不变。
校正函数中存在的任何误差将反映在使用它们获得的测量值中。用于生成校正函数的数据是一组参考点的测量位置和指定坐标。如果支气管镜以一定角度观察参考网格,则参考点之间的间距将不均匀,校正功能将倾斜17因此,在对参考网格成像、标记参考点和生成校正函数时,必须非常小心。
量化支气管镜图像提供了一个有用的研究工具,能够评估个体气道动力学在活的有机体内13.目前测量气道狭窄的方法在活的有机体内需要昂贵的放射技术,如钽支气管造影或HRCT6.–12.使用气道阻力评估狭窄的方法不容易用于单个支气管的研究,因为它们依赖于整个支气管树的阻力变化,其位置一般不知道。因此,利用支气管镜技术在迷走神经刺激过程中定量分析猪支气管狭窄的能力,为定量使用该技术提供了证据。
支气管镜图像的量化对临床支气管镜检查也有重要意义。目前,很难准确估计病变、肿瘤、等。或者狭窄的程度15,19–21,25.准确测量肿瘤大小或其他病变可能对治疗决定和预后有用。目前,由于缺乏合适的校准,该技术不能用于人体。活检钳或支气管镜活检刷上的塞子是可用于人体的替代刻度标记物。
综上所述,多项式校正函数可用于校正支气管镜透镜畸变,并描述了使用商用软件生成和使用这些校正所需的步骤。三阶多项式校正函数用于对所测试的支气管镜进行充分校正。尽管不同的支气管镜需要自己的校正功能集,一旦生成,校正功能对给定的支气管镜始终有效。校正与距离无关,因为测量值与视野中的位置无关。合适的校正功能和软件可以克服失真问题从支气管镜上使用的广角镜头,为研究单个支气管狭窄提供了一种新方法。
附录:校正方法的背景理论
已经设计了几种数值方法来纠正胃肠道特征或心脏瓣膜的内窥镜图像中的畸变16–18,20,23.这些方法使用校正函数从图像中的表观位置计算像素的真实位置。通常,这些校正函数是通过成像一个有规则间隔的点的网格,并测量从其已知位置的像点的偏差来找到的。
对于校正过程的简化示例,考虑假设失真,其仅影响X -;轴,一条假想的数字线(L),具有均匀间隔的点和扭曲的图像(L′)。L′,包含间距不均匀的点,点之间的距离从FOV中心到边缘以非线性方式减小(图。 7a⇑).
如果x是一个点到L上原点的真距离(在笛卡尔平面的任意单位内)即x-;点的轴坐标)则x′是同一点与图像L′原点的视距离(再次以任意单位)。x的图与x′提供了一个图形解决方案,用于从图像L′中的测量位置x′找到L上任何点的真实位置x。由于支气管镜产生的畸变是非线性的,x和x′之间的关系是非线性的,但可以通过将多项式方程拟合到数据来找到校正方程16,23.沿着垂直于L的直线重复前面的步骤将生成沿y/y ' -轴修正失真的方程。对于一个二维笛卡尔平面,已知位置的x, y网格点可以用来推导图像的x/x '和y/y '轴的校正函数。因此: 一个0A.1.A.2.A.3.…N是通过将x拟合到x′,b得到的常数0B1.B2.B3.b…N是通过拟合y到y '得到的常数,n是多项式方程的阶数。
这种形式的方程可以纠正图像中x-的失真;y-;轴心国不相互作用,即x坐标的失真不受y坐标和反之亦然. 支气管镜的径向变形并非如此。当一个坐标的畸变取决于另一个坐标时,复杂的畸变可以通过替换常数a来校正0A.1.A.2.A.3.…N和b0B1.B2.B3.b…N用另一个坐标的函数表示。因此,应用于x轴(类似于y轴)的像素位置的校正依赖于图像中的x '和y '位置。在本例中,多因素回归用于拟合x到x '和y ', y到x ', y '。因此: 哪里 和 一个00A.01A.02,……0n,……神经网络是通过将x与x′、y′和b拟合得到的常数00B01B02b,……0nb,……神经网络是通过将y拟合到x′,y′得到的常数。
每个校正函数将有2(n+1)2.通过曲线拟合得到的系数。方程2中的校正函数可以补偿许多不同形式的畸变,包括非对称或局部畸变的情况,例如,由于支气管镜镜片的缺陷,左上象限的畸变与左下象限的畸变不同。
内窥镜和支气管镜通常产生均匀、对称和纯粹的径向畸变16,23极坐标可用于利用FOV中心的对称性16–18,24. 支气管镜畸变完全是径向的,因此图像中只有距离中心的距离而不是角度发生改变18。使用极坐标通过将系数数量限制为n+1,降低了用于补偿支气管镜图像失真的校正函数的复杂性。但是,所有常见的图像文件格式、帧捕获卡和计算机显示均采用笛卡尔坐标系,因此需要将图像从笛卡尔坐标系转换为笛卡尔坐标系之前所有的研究都使用数值畸变校正,使用基于极坐标的算法,并开发了自己的定制软件来进行校正16–18,23,24.
一旦生成了一组校正函数,它们就可以应用于图像中任何像素的位置。原则上,可以校正图像中每个像素的位置,并显示新的未失真图像16–18,23.然而,显示校正后的图像有几个技术困难。首先,为了显示校正后的图像,必须要么扩展视场的外围,要么压缩视场的中心。其次,计算机显示使用整数值进行像素位置操作。经过校正后,许多像素的计算位置将不是整数,因此,如果不进行进一步的图像处理,就不能从校正的像素位置生成显示。测量图像中的对象只需要校正定义对象的像素,减少所需的计算数量,并避免从校正的像素位置生成新显示的所有困难。一旦识别出一个特征,图像分析系统将校正函数应用到定义该特征的像素上,然后根据校正后的像素位置提供测量值。
致谢
作者要感谢S. Vincent的技术支持。
- 收到二○○○年九月六日。
- 认可的2001年4月18日。
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