一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，包括以下步骤：S1.基于IV

【技术实现步骤摘要】
一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法


[0001]本专利技术属于图像处理
，具体涉及一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法。

技术介绍

[0002]血管疾病目前是人类健康的第一大杀手，其具有高发病率和高死亡率的特点。中国心血管健康与疾病报告2020概要指出，我国心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，其中农村为46.66％，城市为43.81％。在血管疾病中，狭窄类疾病的发生比例较高，且大多数的狭窄类血管疾病的发生是由于斑块的形成，且斑块的突然破裂会导致不良事件的发生，因此探究影响斑块破裂的因素对于血管疾病的临床治疗有很大意义。
[0003]在临床上将容易破裂的斑块称为易损斑块，易损斑块的评估对血管疾病的早期治疗有很大意义。之前的研究多使用病理学方法和多模态影像探究易损斑块的影响因素。基于影像数据计算出的易损斑块关键形态学参数例如纤维帽厚度，脂质核的角度等。其中，通过使用血管腔内影像测量得到的纤维帽厚度已经成为了判断斑块易损性的重要指标。然而，只使用纤维帽厚度判断血管疾病是否发生还远远不够，有研究使用三年的随访数据发现只使用纤维帽厚度评估冠心病发生的准确率小于10％。
[0004]斑块一般会在血流扰动较大的区域形成，当纤维帽承受的应力大于其材料所能承受的极限应力时，斑块就有可能会发生破裂，证明了使用力学参数评估斑块的状态是可行的。然而准确的力学计算很大程度上依赖计算模型的准确构建。腔内光学相干断层成像(intravascular optical coherence tomography,IV
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OCT)是一种新的高分辨率断层成像模式，其最突出优势就是其极高的分辨率，可达10
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15μm，其最大成像深度约为1
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2mm，几乎相当于血管壁全层厚度，能极清晰地将增厚的内膜与含有脂质的斑块区分开，所以能用来准确重建斑块和血管模型。但因为IV
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OCT的成像是沿着导管的轴向成像，在进行血管三维重建时，缺乏血管的曲率特征信息，可能会导致生物力学计算结果不准确。随着医学影像技术的发展，可以将IV
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OCT与其他模态的影像进行配准融合，进而重建具有真实曲率信息的血管和斑块形态。以DSA(Digital Subtraction Angiography,DSA)影像为例，旋转造影成像系统可以在一次造影过程中获得不同角度的全方位血管影像。多角度成像为血管三维骨架线的重建提供了可能，将IV
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OCT和获得的三维血管骨架线进行配准融合则可以获得具有真实弯曲信息的三维血管和斑块模型，服务于准确力学计算。

技术实现思路

[0005]为了实现本专利技术所述目的，本专利技术提供了基于多模态影像的血管易损斑块判断方法。该专利技术包括：基于IV
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OCT的血管内腔和外管壁自动分割；形态学参数自动提取；二维快速力学计算；血管三维骨架线重建；图像融合配准；基于三维模型的生物力学计算；易损斑块评估模型构建。
[0006]具体的技术方案为：
[0007]一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，包括以下步骤：
[0008]S1.基于IV
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OCT的血管内腔和外管壁自动分割：
[0009]首先需要对图像中的导管圆环和导丝伪影进行去除。将图像从直角坐标系转换为极坐标系进行图像处理。设平面内点A的直角坐标系坐标为A(x,y)，其对应极坐标系坐标为(ρ,θ)，转换公式如式(1)和式(2)。
[0010][0011][0012]在进行图像坐标转换时，以图像中心即导管圆环中心为极坐标变换的原点，使用最邻近插值填补变换后无相应值的像素点。导管圆环区域集中在图像上端，根据该区域范围大小将此区域灰度值取零，从而去除导管圆环图像。计算极坐标系下每一列图像的灰度平均值，得到灰度平均值变化图，其横坐标对应极坐标系下的列数，纵坐标为平均灰度值。
[0013]灰度变化图中存在一个极小值区域，根据图像特点，经测试后可以确定灰度平均值的阈值，将小于该阈值的列的灰度值取零，去除极坐标系中的导丝伪影。去除导管圆环和导丝伪影后，极坐标图像进行二值化，然后采取先腐蚀、再膨胀的操作，即开运算，使得图像在去除孤立像素点的情况下保证主要形态结构不变，最后将开运算后的二值化图像转换为灰度图像。
[0014]使用线性插值的方法，选取断裂处两端最靠近转换中心的两点的坐标值作为插值起点和终点，得到断裂处的管壁的近似坐标值，并用一段具有一定灰度值的线段连接断裂处，使管壁组织连续。线性插值连接后，极坐标图像的管壁上方区域即为管腔区域，并且开运算后该区域内灰度值为零。管腔轮廓点即为极坐标下每列图像的第一个灰度值非零点，依次识别并连接每列的轮廓点，并将其转换回直角坐标系坐标，得到内管腔轮廓。而后基于IV
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OCT中的中膜和外膜以及斑块的表征完成血管壁、斑块和内管腔轮廓的标注，为生物力学计算提供模型基础；
[0015]S2.形态学参数自动提取：
[0016]基于IV
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OCT的自动分割结果，并且获得轮廓的二维坐标。血管管壁、管腔和斑块相关的形态学参数自动提取算法构建方法如下：分别计算每层图像中的管壁、管腔和斑块轮廓所围成的真实面积，其中管腔轮廓对应管腔面积，斑块轮廓对应斑块面积，管壁轮廓所围成的面积减去管腔面积为管壁面积。在此基础上，计算标准化管壁指数NWI，其定义为管壁面积除以管壁面积与管腔面积之和的商，如式(3)：
[0017][0018]设定从轮廓中心均匀发出180条射线，射线之间间隔角度相同，每条射线与管腔、管壁轮廓均有交点，且交点间隔均匀。同一条射线与管腔、管壁的两个交点之间的距离定义为管壁厚度，将该层的管壁厚度值的最大值记为该层轮廓的最大管壁厚度。在斑块所在层，每条射线与斑块区域交于两点，除斑块两端的端点以外，两点之间的距离为斑块厚度，靠近中心的第一个点与射线和管腔轮廓交点的距离为纤维帽厚度。将同一层斑块厚度值的最大
值记为该层轮廓的最大斑块厚度，将同一层纤维帽厚度的平均值、最小值分别记为该层轮廓的平均纤维帽厚度和最小纤维帽厚度。射线与斑块区域有两条切线，切线与斑块区域仅有一个交点，两条切线所形成的角度定义为斑块角度。
[0019]即提取九个形态学特征，包括管腔面积、管壁面积、NWI、最大管壁厚度、斑块面积、最大斑块厚度、斑块角度、最小纤维帽厚度和平均纤维帽厚度。
[0020]S3.二维快速力学计算：
[0021]使用壳单元进行有限元计算，壳单元是有限元分析中常用的计算模拟结构，其在某一个方向的尺度远小于其他方向，且厚度方向的应力忽略。数值模拟首先需要对模型的结构进行离散化处理，采用结构化网格和非结构化网格对计算域进行划分，在进行材料属性的设置时可以根据实际情况设置血管壁和斑块的材料属性为线弹性和超弹性材料。在约束设置时选择了位于管壁外周与两个垂直工作轴即x方向、y方向相交的四个交点的位置，对x方向上的两点设置其y方向位移及旋转量为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.基于IV
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OCT的血管内腔和外管壁自动分割；S2.形态学参数自动提取；S3.二维快速力学计算；S4.血管三维骨架线重建；S5.图像融合配准；S6.基于三维模型的生物力学计算；S7.易损斑块评估模型构建。2.根据权利要求1所述的一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，S1包括以下步骤：首先需要对图像中的导管圆环和导丝伪影进行去除；将图像从直角坐标系转换为极坐标系进行图像处理；设平面内点A的直角坐标系坐标为A(x,y)，其对应极坐标系坐标为(ρ,θ)，转换公式如式(1)和式(2)；θ)，转换公式如式(1)和式(2)；在进行图像坐标转换时，以图像中心即导管圆环中心为极坐标变换的原点，使用最邻近插值填补变换后无相应值的像素点；导管圆环区域集中在图像上端，根据该区域范围大小将此区域灰度值取零，从而去除导管圆环图像；计算极坐标系下每一列图像的灰度平均值，得到灰度平均值变化图，其横坐标对应极坐标系下的列数，纵坐标为平均灰度值；灰度变化图中存在一个极小值区域，根据图像特点，经测试后可以确定灰度平均值的阈值，将小于该阈值的列的灰度值取零，去除极坐标系中的导丝伪影；去除导管圆环和导丝伪影后，极坐标图像进行二值化，然后使用开运算操作，使得图像在去除孤立像素点的情况下保证主要形态结构不变，最后将开运算后的二值化图像转换为灰度图像；使用线性插值的方法，选取断裂处两端最靠近转换中心的两点的坐标值作为插值起点和终点，得到断裂处的管壁的近似坐标值，并用一段具有一定灰度值的线段连接断裂处，使管壁组织连续；线性插值连接后，极坐标图像的管壁上方区域即为管腔区域，并且开运算后该区域内灰度值为零；管腔轮廓点即为极坐标下每列图像的第一个灰度值非零点，依次识别并连接每列的轮廓点，并将其转换回直角坐标系坐标，得到内管腔轮廓；而后基于IV
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OCT中的中膜和外膜以及斑块的表征完成血管壁、斑块和内管腔轮廓的标注，为生物力学计算提供模型基础。3.根据权利要求1所述的一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，S2包括以下步骤：基于IV
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OCT的自动分割结果，并且获得轮廓的二维坐标；血管管壁、管腔和斑块相关的形态学参数自动提取算法构建方法如下：分别计算每层图像中的管壁、管腔和斑块轮廓所围成的真实面积，其中管腔轮廓对应管腔面积，斑块轮廓对应斑块面积，管壁轮廓所围成的面积减去管腔面积为管壁面积；在此基础上，计算标准化管壁指数NWI，其定义为管壁面积
除以管壁面积与管腔面积之和的商，如式(3)：设定从轮廓中心均匀发出180条射线，射线之间间隔角度相同，每条射线与管腔、管壁轮廓均有交点，且交点间隔均匀；同一条射线与管腔、管壁的两个交点之间的距离定义为管壁厚度，将该层的管壁厚度值的最大值记为该层轮廓的最大管壁厚度；在斑块所在层，每条射线与斑块区域交于两点，除斑块两端的端点以外，两点之间的距离为斑块厚度，靠近中心的第一个点与射线和管腔轮廓交点的距离为纤维帽厚度；将同一层斑块厚度值的最大值记为该层轮廓的最大斑块厚度，将同一层纤维帽厚度的平均值、最小值分别记为该层轮廓的平均纤维帽厚度和最小纤维帽厚度；射线与斑块区域有两条切线，切线与斑块区域仅有一个交点，两条切线所形成的角度定义为斑块角度；即提取九个形态学特征，包括管腔面积、管壁面积、NWI、最大管壁厚度、斑块面积、最大斑块厚度、斑块角度、最小纤维帽厚度和平均纤维帽厚度。4.根据权利要求1所述的一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，S3包括以下步骤：使用壳单元进行有限元计算，壳单元是有限元分析中常用的计算模拟结构，其在某一个方向的尺度远小于其他方向，且厚度方向的应力忽略；数值模拟首先需要对模型的结构进行离散化处理，采用结构化网格和非结构化网格对计算域进行划分，在进行材料属性的设置时可以根据实际情况设置血管壁和斑块的材料属性为线弹性和超弹性材料；在约束设置时选择了位于管壁外周与两个垂直工作轴即x方向、y方向相交的四个交点的位置，对x方向上的两点设置其y方向位移及旋转量为0，对y方向上的两点设置其x方向位移及旋转量为0，即该四点切向位移为零而只有径向位移，从而在保证其在有管壁膨胀的情况下避免刚性位移和旋转；管壁与斑块的两个交界面分别为主面和从面，两者之间定义相互作用为绑定约束，即两个面之间不存在相对位移，使两个结构联合为一个整体；在进行模拟之后，获得应力，应变相关参数的分布。5.根据权利要求1所述的一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，S4包括以下步骤：基于C型臂获得的DSA影像包含了多个角度的信息，而结合两个不同角度的二维投影图像通过计算机视觉的方法进行反投影重建，得到原始三维模型；选择处于舒张期末期的两个角度DSA影像的血管三维中心线提取包括三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈端端，张薛欢，张栩阳，梁世超，程国良，仰若水，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：