一种非门控ICUS图像序列中血管的四维重建方法

摘要

一种非门控ICUS图像序列中血管的四维重建方法，所述方法利用与ICUS图像同步采集的一对近似正交的CAG图像序列精确定位超声导管回撤路径，结合从ICUS图像中提取的血管腔横截面信息，对靶血管段（包含可能存在的斑块）的形态结构进行四维重建，再现冠脉血管在心动周期中各时相的真实形态。本发明实现了冠状动脉靶血管段（包含可能存在的斑块）的形态结构的四维重建，全面和真实地反映靶血管段在心动周期不同时相的真实形态，为冠状动脉粥样硬化性病变的临床诊治和研究冠脉血管组织的生物力学特性等提供更为可靠的依据。所述方法不需要心电门控采集装置，也无需利用ECG信号，大大缩短了介入检查的时间，降低了对原始图像数据的要求。

主权项

一种非门控ICUS图像序列中血管的四维重建方法，其特征是，所述方法利用与ICUS图像同步采集的一对近似正交的CAG图像序列精确定位超声导管回撤路径，结合从ICUS图像中提取的血管腔横截面信息，对包含可能存在斑块的靶血管段的形态结构进行四维重建，再现冠脉血管在心动周期中各时相的真实形态，具体步骤如下：a、采集靶血管段的ICUS图像序列和一对近似正交的CAG图像序列，其中ICUS图像采用连续回撤超声导管的非心电门控采集方式；b、从CAG图像序列中三维重建出各时相的超声导管回撤路径；c、从各帧ICUS图像中提取出血管壁的内外膜轮廓；d、补偿ICUS图像序列中存在的平面外运动伪像，对图像序列进行分组，得到在各心脏时相处采集的子序列；分析ICUS图像序列灰度特征的周期性变化，为各帧图像找到其在相邻心动周期的相同时相采集的对应帧，将整个图像序列划分成在心动周期不同时相采集的子序列，抑制ICUS纵向视图中的锯齿效应，补偿平面外运动伪像；具体步骤如下：①计算两帧图像之间灰度特征的差异值：对于由n帧组成的ICUS图像序列{I₁,I₂,…,I_n}，进行逐帧比较，计算两帧图像之间灰度特征的差异值d_i,j：$d_{i,j}=1-\frac{\underset{x=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}\underset{y=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}|I_i(x,y)-{\mu }_i|·|I_j(x,y)-{\mu }_j|}{\sqrt{\left[\underset{x=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}\underset{y=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{[I_i(x,y)-{\mu }_i]}^2\right]\left[\underset{x=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}\underset{y=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{[I_j(x,y)-{\mu }_j]}^2\right]}}$式中，i,j＝1,2,…,n；I_i和I_j分别表示图像序列中的第i帧和第j帧，其图像大小均为N×M像素，平均灰度值分别为μ_i和μ_j；I_i(x,y)和I_j(x,y)分别表示第i帧和第j帧在像素(x,y)处的灰度值；②确定首帧I₁在第二个心动周期的对应帧：分析图像序列的第一帧I₁和其它帧的差异值{d_1,1,d_1,2,…,d_1,n}，将所述图像序列中除d_1,1＝0之外的第一个局部极小值所对应的i值作为第二个心动周期中与I₁在相同时相采集的帧的序号，记为F；③估计平均心率的近似值和心动周期长度：计算第m帧和第m+k帧之间的平均差异值其中，m＝1,2,…,n‑k，将函数的幅度谱曲线峰值所对应的频率作为平均心率的近似值H_R，H_R的单位为：次/分钟，k＝0,1,2,…,n‑1；心动周期长度的近似值为C_C＝(60×F_R)/H_R，C_C的单位为：帧，其中F_R为ICUS图像的采集速率，F_R的单位为：帧/秒；④为后续帧找到其在相邻心动周期中的对应帧：在矩阵D＝[d_i,j]中搜索一条具有最小累计差异值的路径，其中i和j均＝1,2,…,n，该路径连接互为对应帧的两帧图像的差异值，该路径的起点为d_1,F，即首帧与第F帧之间的差异值，搜索范围Δ，即相邻心动周期对应帧序号之差的搜索范围，设定为Δ∈[C_C/2,2C_C]；e、对于各时相的子序列，分别补偿其平面内运动伪像，确定各帧图像的空间方向：对于由步骤d得到的各时相的ICUS子序列，在以导管中心为坐标原点的坐标系中，分别计算各帧图像中血管壁内膜轮廓的几何中心，作为对其重心的近似，并计算相邻帧之间内膜轮廓重心的位移(Δx_p,Δy_p)和旋转角Δα_p，此处p＝2,3,…,n，采用中心频率为平均心率的近似值H_R、通带区间为[H_R‑H_R/2,H_R+H_R/2]的带通滤波器分别对序列{Δx_p}、{Δy_p}和{Δα_p}进行滤波，从中分离出运动分量{Δx_p,d}、{Δy_p,d}、{Δα_p,d}；然后，对各帧图像中的平面内运动进行补偿，具体方法是：对于图像序列中的第p帧，此处p＝2,3,…,n，将其血管壁内外膜轮廓上各像素点的坐标，所述坐标为基于以导管中心为坐标原点的坐标系，先反向平移再反向旋转即得到补偿平面内运动伪像之后的血管壁轮廓；f、对于补偿了平面内运动伪像之后的各时相的子序列，按照采集顺序，沿对应时相的三维导管路径，确定各帧ICUS图像的轴向位置：对于由步骤d得到的各时相的ICUS子序列，根据采集图像时记录的相邻帧之间的切面间距，确定在对应时相的三维导管路径上各帧ICUS图像的采集点，然后，计算导管路径上各采集点处的单位切矢量，使各帧ICUS图像平面垂直于其采集点处的单位切矢，并且图像中心与采集点重合，将其等间隔地排列于对应时相的导管路径上；g、对于沿导管路径准确排列的各时相的子序列，采用曲面拟合技术，得到光滑连续的血管腔内外表面。