一种血管三维模型的重建方法

摘要

一种血管三维模型的重建方法，属医学检测技术领域，用于解决血管重建中的精度问题。其技术方案是：它将由IVUS图像序列获取的血管横截面信息和由基于X射线造影图像的三维重建获得的超声导管空间几何信息结合起来，准确重建出血管的解剖结构。与分别单独利用两种图像获得的重建结果相比较，本发明能够更全面和准确地反映血管及可能存在的斑块的真实形态，从而为冠心病及其它血管病变的临床诊治提供更为可靠的依据。

主权项

1、一种血管三维模型的重建方法，其特征是，它将由IVUS图像获取的血管横截面信息和由基于X射线造影图像的三维重建获得的超声导管空间几何信息结合起来，准确重建出血管的解剖结构，具体重建步骤如下：a、同时采集感兴趣血管段的IVUS和CAG图像：将机械式超声导管探头置于感兴趣血管段的远端，在匀速等距地回撤导引钢丝过程中，利用血管内超声成像仪以ECG门控的方式在相同的心脏相位处采集等距的IVUS图像序列，同时，利用C型臂单面X射线血管造影机在导管回撤路径的起点拍摄记录相同心脏状态的两个近似垂直角度的CAG图像；b、根据上述两个近似垂直角度的CAG图像，三维重建出超声导管的回撤路径；c、在管腔截面是椭圆的假设前提下，从CAG图像对中三维重建出管腔，为后续确定各帧IVUS图像的空间方位所用：将3D导管路径向两个成像平面反投影，得到对应的2D路径，对于2D路径上的每个点，通过在垂直于路径的方向上，寻找灰度梯度的两个极大值，得到血管管腔投影的左右边缘，然后在假设管腔的横截面是椭圆的前提下，完成整个管腔的三维重建；d、各帧IVUS图像中血管壁轮廓的提取：采用snake模型与动态规划相结合的方法完成各帧超声图像中血管壁内外膜轮廓的提取，首先，在首帧IVUS图像中手动选择血管壁内膜和外膜轮廓上的几个点，以连接这些点所形成的多边形作为snake初始位置，然后通过snake变形获得血管壁内外膜的轮廓，分割出血管壁和可能存在的斑块，对于后续帧，则将前一帧的提取结果作为snake的初始位置，完成对IVUS序列中连续多帧图像的分割；e、确定各帧IVUS图像的轴向位置：按照IVUS图像的采集顺序和间距，沿重建出的3D导管回撤路径将IVUS图像顺序排列，确定出各帧图像的轴向位置；f、确定各帧IVUS图像的空间方位：在重建后的3D导管路径上建立各帧超声图像的Frenet-Serret标架，即局部坐标系，三个坐标轴分别为单位切矢量t、单位主法矢量n和单位副法矢量b，导管的位置位于IVUS图像的中心，用ρ表示血管壁轮廓的重心偏离导管位置的偏心向量，把从CAG图像对中重建出的管腔的椭圆截面轮廓投影到对应的超声图像上，用μ来表示椭圆轮廓中心偏离导管位置的偏心向量，ε为向量ρ的模，θ为ρ与μ的夹角，用统计优化方法使θ最小，确定超声图像序列的空间方位：设定一个固定宽度w的移动窗口，在该窗口中进行统计分析，对于N帧组成的超声图像序列，存在nw＝/N-(w-1)个移动窗口，在每个窗口位置m处，累计偏心距离∑εm、加权偏心夹角平均值θm以及偏心夹角的加权标准偏差σ(θm)，可分别由下式计算：$\Sigma {ϵ}_m=\underset{i=m}{\overset{m+(w-1)}{\Sigma }}{ϵ}_i,$ {\bar{\theta }}_m=\frac{1}{\Sigma {ϵ}_m}\underset{i=m}{\overset{m+(w-1)}{\Sigma }}{ϵ}_i{\theta }_i,$ \sigma {\left({\theta }_m\right)}^2=\frac{1}{\Sigma {ϵ}_m}\underset{i=m}{\overset{m+(w-1)}{\Sigma }}{ϵ}_i{({\theta }_i-{\bar{\theta }}_m)}^2利用这些数值，在每一个窗口位置处，计算可靠性权重因子：rm＝\sum \epsilon m/\sigma (\epsilon m)，在偏心距离较大的位置给予较大的权重因子，同时限制\sigma (\theta m)较大的位置，通过下式计算出一个校正偏心角\theta corr：$ {\bar{\theta }}_{\mathrm{corr}}=\frac{1}{\mathrm{\Sigma r}}\underset{m=0}{\overset{n_w-1}{\Sigma }}{r}_m{\bar{\theta }}_m,$ \mathrm{\Sigma r}=\underset{k=0}{\overset{n_w-1}{\Sigma }}{r}_k并将其应用到IVUS序列的所有图像中，从而获得各帧图像的绝对方位；g、利用基于NURBS曲面拟合的表面提取法完成血管表面的绘制。$$$$$