基于Hessian矩阵跟踪算法在血管新生量化中的应用

张智涵　黄永锋

摘 要：血管新生与肿瘤的生长密切相关，CAM（鸡胚绒毛尿囊膜）是研究血管新生的常用载体，所以通常对CAM中特定区域的血管分割量化来衡量抗肿瘤药物对血管的抑制作用。本文提出一种CAM图像分割算法，首先利用Hessian矩阵下多尺度分析得到一个初始的CAM血管轮廓，在此基础上跟踪未知血管，得到的最终分割结果。最后，对分割出的CAM血管进行骨架提取、裁剪等处理，计算出图像中血管的密度、长度和分叉点个数等量化指标，综合评价血管的生长情况。在相同系列的CAM图像上和其他方法进行实验对比。结果显示基于Hessian矩阵跟踪算法可以为血管新生状况提供有效的分析，尤其对微小血管的检测比较优越，而且具有更高的准确率。

关键词：血管新生；Hessian矩阵；鸡胚绒毛尿囊膜图像；跟踪算法

中图分类号：TP391.41 文献标识号：A 文章编号：2095-2163（2015）01-

Abstract： Angiogenesis has a close relationship with tumor， one of the most popular assay tissues for the research of angiogenesis phenomenon is the （CAM） chick embryo and its chorioallantoic membrane. So the segmentation and quantitative of a specific area of CAM blood vessels is usually used to measure the inhibitory effect of antineoplastic drugs on blood vessels. The paper proposes a segmentation algorithm of CAM vessel. First， the paper gets the coarse CAM vessel segmentation results through the multi-scale of Hessian Matrix. Then the unrecognized blood of CAM vessels are extracted by tracking those initial results. After that， the vessel segmentation result is made out under the overall consideration of different scales. Finally， a lot of steps to process the vascellum for quantization have been implemented in detail， which mainly includes blood vessel skeleton， pruning and so on. Based on the aboved， according to the index of vascellum， such as density， length， and branch point and so on， the evaluation on the growth of CAM vascellum can be made comprehensively. Through experiment with other methods on the same CAM images， results show that vessel segmentation based on Hessian matrix and tracking can provide effective and accurate analysis for the angiogenesis， especially to the tiny CAM vascellum.

Keywords： Angiogenesis； Hessian Matrix； CAM Image； Tracking Algorithm

0 引 言

血管新生[1]是一种常见的生理现象，可为肿瘤细胞的生长提供所必需的营养和氧气，因此血管新生是肿瘤生长的一个必要条件。目前，研究血管新生现象最常见的一种实验载体是发育中的鸡胚绒毛尿囊膜（CAM）[2-4]。可以通过对CAM中特定区域的血管分割量化来衡量血管新生药物对血管的促进或者抑制作用。

1 CAM图像分割

CAM是研究血管新生的一种广泛应用的模型。目前在国内，CAM实验主要是利用人工统计血管的长度、分叉点和密度等，进而对血管进行量化分析。

多数研究者利用软件对图像进行分析分割，从而得到其血管新生的生长情况，如：Image-Pro Plus（IPP）[5]或Scion Image[6]。OlliYli-Harja，Antti Niemisto即研发出了分割量化的自动分析Angioquant软件[7]，主要是针对共生内皮细胞图像进行分析，进而对血管新生图像进行计数量化。因此，通过数字图像处理技术对鸡胚绒毛尿囊膜（CAM）图像进行分割量化分析研究是非常有必要的。

1.1 Hessian矩阵和多尺度

利用Hessian矩阵的原理并且利用Frangi[8]提出了血管相似函数，如式（1）所示：

直接利用上述方法并不能得到很好得到CAM血管的分割效果，因为Hessian矩阵是矩阵的二阶偏导数，对图像中的噪声比较敏感，而且图像中的血管尺度也大小不一，所以引入高斯函数，利用高斯函数对图像做卷积，既可以除去噪声，还可以把高斯函数的标准差作为空间尺度因子[9]，从而可以多尺度检测CAM血管，高斯函数的形式如公式（2）所示：

其中，为高斯函数的方差，为像素位置。

利用上述高斯函数对图像做卷积操作，即：

其中， I为原图像。根据数学知识，高斯函数在不同的尺度因子范围下其权值包含的范围也不断变化。对于具有线性管状结构的CAM血管，当血管的尺度和高斯滤波的空间尺度因子σ最匹配时，则其响应最大。为了增强特定尺度范围内的血管，首先将空间尺度因子σi（σi[σmin，σmax]）的高斯函数二阶导数与图像做卷积，然后求出特征值带入血管相似函数进行计算得到相应。将[σmin，σmax]离散为多个不同的尺度，用不同尺度上的高斯函数的二阶导数对图像进行卷积操作，进而选择各个尺度上的最大的相应点作为最终的输出。用公示表示如下：

根据对CAM血管的直径宽度实验分析，本文选择5个不同尺度分别是1，3，5，7。

1.2 血管跟踪

根据上述的多尺度下Hessian矩阵的分析处理得到一个初始的CAM血管轮廓，同时结合Hessian矩阵的原理，绝对值较小的特征值对应的特征向量指向血管的方向，为此即可根据当前点的血管方向去探测其周围16个方向、24邻域的点的血管方向如果方向一致，则认为未知的血管点是目标的血管点，否则不是血管点。跟踪方向及水平方向跟踪如图1所示。

结合水平方向跟踪对算法具体阐述如图1（b）所示，图中箭头上的标注数字表示判定次序，假设P0为种子点并且其特征向量的方向是水平的，则首先判定该点的16邻域上的点（P10）是否满足血管点条件，标准为P0的特征向量是否与P10的特征向量一致，标准误差设定为（threshold=0.12*π），如果两点的方向误差小于标准误差，就认为两点的方向是一致的。若16邻域上的P0特征向量方向同P10点特征向量方向不一致，则依次判定P0的8邻域上的点P1，P11，P9点的特征向量方向是否一致，如果特征向量方向均不一致，则在水平向右的方向上跟踪完毕。根据血管具有管状特征这一特性，跟踪应该在当前方向上和其反方向上同时进行，如此才可提升跟踪效率。在其他方向上的跟踪也同上面的算法思想类似。

综合以上分析，CAM血管分割算法思想的总体流程如图2所示。首先对原始CAM图像在多尺度下利用Hessian矩阵进行处理分析得到一个初始的轮廓，并在此基础上对未识别出的血管进行不同尺度下跟踪，而后又将不同尺度下跟踪到的血管进行融合，由此得到最终的分割结果，再转而利用形态学对图像进行后处理得到分割的CAM图像。

2 CAM血管量化

经过上述的图像分割得到CAM结果，而为了量化血管长度，分叉点等指标，则需要对CAM血管进行细化处理以得到血管的骨架，另外还需要对其进行细小分支去除处理，从而得到完整的血管。此后，将进行参数量化。

常用的细化算法有基于烈火模型的烧草法，数学形态法，最大内切圆法，中轴变换法，直观细化法，Rosenfel[10]法，Hilditc[11]法等等，本文主要利用基于数学形态学细化算法和基于模板的OPTA[12]算法。

细化后的血管中可能存在着毛刺，因此需要去除细小的分支血管，经过大量的实验分析可知当细小分支标准定为10个像素点时，可以最大化地去除毛刺，获得较好的效果。

经过裁剪后得到宽度为一个像素的二值血管图像，由此即可提取血管长度（L），分支点数目（BP），血管密度（D），其相应的定义分别如公式（5）、（6）所示：

3 实验结果和分析

利用上面提到的CAM血管分割方法对实验图片处理，并和AngioQuant的方法处理效果对比如图4所示。图4（a）表示原始的CAM图片，图4（b）为基于多尺度跟踪方法处理结果，图4（c）为 AngioQuant方法处理的结果。

通过图4可以看出，AngioQuant方法对微小血管识别效果不明显，而基于Hessian矩阵和多尺度分析的跟踪分割方法则能准确地分割出图像中的微小血管，说明该方法更加高效与成功。

基于得到的CAM血管的细化二值图像，可以根据第2部分提出的量化参数的定义进行CAM图像中血管的参数统计。从原始CAM图像中抽出4张CAM图片，分别用基于Hessian矩阵和多尺度跟踪的分割方法和AngioQuant分割方法对其进行分割量化，其量化结果如表1和表2所示。

从表1和表2中数据的对比可以得出本文设计的分割方法嫩狗狗更加完整充分地提取血管的信息，尤其是微小血管的提取，其量化参数的结果和分割效果是相一致的。通过和AngioQuan方法量化的结果对比，分析血管长度、血管密度、分支点数目指标，本文提出的方法能更加精确地检测出CAM血管的生长状态。

4 结束语

本文通过对大量的CAM图像进行分割量化，并且和AngioQuant方法进行对比，实验表明本文提出的基于Hessian矩阵的跟踪分割和量化方法可以快速得到CAM图像中血管的量化的结果，在测量精度，可靠性，处理速度，数据重复性等方面大大优于人工观测血管的方法，为医生对不同药物影响下的血管生长情况的判断提供快捷可靠的技术支持。所以本文提出的方法和量化方法可以广泛高效地应用于医学图像的血管量化，特别是为癌症的研究提供技术支持。

参考文献：

[1] 包尚联，谢耀钦，周晓东，等.基于医学影像计算机辅助诊断的分割方法[J].中国医学物理学杂志，2003（2）：83-86.

[2] LENG T， MILLER JM， BILBAO KV. The chick chorioallantoic membrane as a model tissue for surgical retinal research and simulation[J]. Retina-The Journal of Retinal and Vitreous Diseases， 2004，3（24）：427-434.

[3] 叶宇翔，周秦，李江超，等.改良CAM移植瘤模型的制备及其对肿瘤血管新生抑制药物的筛选效果[J].中国肿瘤生物治疗杂志，2014（2）：187-191.

[4] 张斌，阮喜云，陈杰，等.人肾癌鸡胚模型的建立及其肿瘤生物学特性的研究[J].西安交通大学学报（医学版），2012（1）：68-70.

[5] MERTZ K D， DEMICHETIS F， ROBERT K. Automated quantitative analysis of angiogenesis in the rat aorta model using image-pro 4.1 [J]. Computer Methods and Programs in Biomedicine，2004，1（75）：75-79.

[6] LOUTRARI H， HATZIAPOSTOLOU M， SKOURIDOU V. Perillyl alcohol is an angiogenesis inhibitor [J]. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics，2004， 2（311）：568-575.

[7] NIEMISTO A， DUNMIRE V， YLI-HARJA O. Robust quantification of in vitro angiogenesis through image analysis [J]. IEEE Transactions on Medical Imaging， 2005， 4（24）：549-553.

[8] Frangi A F， Niessen W J， Vincken K L， et al. Multiscale vessel enhancement filtering[M]. //Medical Image Computing and Computer-Assisted Interventation—MICCAI98，Springer： Berlin Heidelberg， 1998： 130-137.

[9] LINDEBERG T， GARDING J. Shape-adapted smoothing in estimation of 3-D shape cues from affine distortions of local 2-D brightness structure [J]. Image and Vision Computing， 1997，15（6）：415-434.

[10] ROSENFELD A. A characterization of parallel thinning algorithms [J]. Information and Control. 1975，3（29）：286-291.

[11] HILDITCH C J. Comparison of thinning algorithms on a Parallel Processor [J]. Image Vision Comput，1983，3（1）： 115-132.

[12] 冯星奎，李林艳，颜祖泉.一种新的指纹图像细化算法[J].中国图像学报，1999， 4（10）：835-838.