一种单臂X射线造影图像的动态三维重建方法

摘要

一种单臂X射线造影图像的动态三维重建方法，属于数字图像处理与医学成像的交叉领域，目的是满足临床医学上心血管疾病的辅助检测以及手术导航的要求。本发明提出了“动态的血管三维重建”概念，对不同时刻的双视角造影图进行呼吸运动补偿和心脏运动补偿。本发明可以获得较高的冠状动脉血管三维重建精度，解决由不同时相的多视角血管造影图进行可靠的自动三维重建难题，有效地辅助心血管疾病的检测与手术导航，满足临床的要求。

主权项

1.一种单臂X射线造影图像的动态三维重建方法，其步骤包括：(1)提取单臂X射线造影图中血管树拓扑结构；(2)建立两个不同视角造影图的血管段间的匹配，其中，所述两个不同视角造影图分别称为左造影图和右造影图；(3)对不同时相的所述左右造影图进行运动补偿，包括呼吸运动补偿和心脏运动补偿；(4)血管点匹配，对补偿后的左右造影图中，拓扑结构匹配的血管段上的各像素点进行点匹配，得到匹配像素点；(5)三维重建，利用步骤(4)中得出的匹配像素点，计算出对应的空间点的三维坐标，即完成三维重建；步骤(3)中，所述的呼吸运动补偿为：提取左右两组造影图序列的呼吸运动曲线，确定呼吸运动的呼气末期或吸气末期作为补偿参考点，将准备重建的所述左右造影图分别补偿到各自的补偿参考点；步骤(3)中，所述的心脏运动补偿具体步骤为：(I)建立动态的冠状动脉模型和心脏模型；(II)将模型坐标系变换到造影系统坐标系；(III)在冠状动脉模型的动态特性视图中选择对应于左造影图或右造影图的造影角度的特性视图，将所述对应的特性视图中的血管段与左造影图或右造影图中的血管段进行匹配，使之相互对应；(IV)将所述对应的特性视图中对应分叉点所连接的三个血管段上所有点的运动矢量进行平均，得到一个平均运动方向与补偿大小，作为左造影图或右造影图中对应血管分叉点的初始补偿方向与初始补偿大小；(V)在确定的搜索区域内通过代价函数寻找最优补偿矢量D_j(j＝1，2，...，n，n为血管分叉点的个数)，其中，代价函数h如下式所示：$h=\mathrm{Err}\_\mathrm{pro}(P_j\left(t_{c1}\right)+\overrightarrow{d})+\mathrm{dis}(C_j,\mathrm{car}\left(t_{c2}\right))$上式中，为平移矢量，为血管分叉点P_j(t_c1)经过心脏缩放和平移后与右造影图或左造影图中匹配的血管分叉点Q_j(t_c2)进行重建的反投影误差，C_j为血管分叉点P_j(t_c1)经过补偿后与血管分叉点Q_j(t_c2)重建的三维点，dis(C_j，car(t_c2))为三维点C_j到t_c2时刻的心脏模型的心包car(t_c2)的距离，当平移矢量使得代价函数h最小时，此时的即为将血管分叉点P_j(t_c1)补偿到目标时相t_c2需要的最优补偿矢量D_j；(VI)根据左造影图或右造影图中血管分叉点的所述最优补偿矢量D_j计算血管段上血管点P′_i(t_c1)的补偿矢量d_i(i＝1，2，...，m，m为血管段上血管点的个数)；通过下列式子计算d_i：当血管点P′_i(t_c1)所在血管段上面没有分支时，d_i＝D_k；当血管点P′_i(t_c1)所在血管段上下均有分支时，d_i＝α*D_k+(1-α)*D_l；当血管点P′_i(t_c1)所在血管段下面没有分支时，d_i＝D_l；其中D_k为血管点P′_i(t_c1)所在血管段与下面的分支的交点的补偿矢量，D_l为血管点P′_i(t_c1)所在血管段与上面的分支的交点的补偿矢量，l、k为从1到n中取值的整数，α＝l_2start/l_seg，l_2start为血管点P′_i(t_c1)到所在血管段起始点的距离，l_seg为P′_i(t_c1)所在血管段的长度，令P″_i(t_c2)＝P′_i(t_c1)+d_i，则P″_i(t_c2)即为补偿的结果。