一种ＩＣＵＳ图像序列中血管的三维形态参数测量方法技术

一种ＩＣＵＳ图像序列中血管的三维形态参数测量方法，用于提高冠状动脉血管形态参数的测量精度。其技术方案是：首先利用连续回撤超声导管获取的、覆盖多个心动周期的冠状动脉内超声图像序列和在超声导管回撤路径起点采集的、两个近似垂直方位上的Ｘ射线冠状动脉造影图像之间的交叉信息完成血管的三维重建，然后采用该三维血管模型，用几何方法对临床重要的血管形态参数进行测量和计算。实验证明，本发明专利技术对血管形态参数的测量结果比传统方法更为精确，从而为冠心病的可视化诊治和对介入治疗效果的评价提供了可靠依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种根据连续回撤超声导管获取的、覆盖多个心动周期的冠状动脉内 超声(Intracoronary Ultrasound，ICUS)图像序列定量测量冠状动脉血管的三维形态结构 参数的方法，属保健

技术介绍
X射线冠状动脉造影和冠状动脉内超声(Intracoronary Ultrasound，ICUS)是目 前临床普遍采用的诊断冠状动脉病变的介入影像手段。客观准确地测量冠状动脉血管及 可能存在的病变(包括粥样硬化斑块和狭窄等)的形态结构参数是诊断冠心病的关键，也 是制定介入治疗方案的重要依据。传统的诊断过程中，医生需要利用解剖、病理等专门知 识和临床经验，根据X射线冠状动脉造影图像想象血管的三维形态，估计其形态和结构参 数，因此结果不够客观和准确。基于两个近似正交角度的X射线冠状动脉造影图像的血管 H^MM (S. J. Chen, J. D. Carroll. 3Dreconstruction of coronary arterial tree to optimize angiographic visualization. IEEETransactions on Medical Imaging. 2000, vol. 19，no. 4，pp. 318-336)可为医生提供形象、直观的三维血管图像，同时还可对血管的 形态参数(如长度、分支夹角、曲率等)进行定量测量。但是，该重建结果仅描述了血管 内腔的空间位置和形态，无法得到血管腔截面的形态和斑块的弥漫程度。且重建时一般 假设血管腔横截面为椭圆，事实上当发生狭窄时血管腔的形状复杂多样，狭窄多呈偏心型 和不规则型，因此这种假设是不准确的。与造影相比，ICUS可以显示血管腔的横断面、管 壁的形态结构、斑块的组织形态学特征等。传统的ICUS图像序列中血管的三维重建方法 (P.Schoenhagen. 3D Intravascular ultrasound (IVUS) and IVUS-Palpography insights into the mechanical behavior of the coronary vessel wall. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 2006，vol. 22，pp. 153-155)是把一系列的血管内超 声图像按采集顺序叠加起来形成一个三维直血管段，完全不考虑血管本身的弯曲和扭曲、 导管在回撤过程中的扭曲所造成的图像旋转、以及由于心脏运动和搏动血流所导致的运动 伪影，因而此类方法的结果是不准确的，进而也无法保证在此基础上进行的定量测量的精 度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足、提供一种I⑶S图像序列中血管的三维形 态参数测量方法，以提高测量的精度、为冠心病的诊治提供可靠依据。本专利技术所称问题是以下述技术方案实现的一种I⑶S图像序列中血管的三维形态参数测量方法，它首先利用连续回撤超声 导管获取的、覆盖多个心动周期的冠状动脉内超声图像序列和在超声导管回撤路径起点采 集的、两个近似垂直方位上的X射线冠状动脉造影图像之间的交叉信息完成血管的三维重 建，然后采用该三维血管模型，用几何方法对临床需要的血管形态参数进行测量和计算，这些血管形态参数是斑块体积、血管段长度、血管曲率、血管挠率和血管段容积，具体测量和 计算方法如下a、对原始I⑶S图像序列和X射线冠状动脉造影图像进行包括去噪、分割和边缘提 取的预处理；b、从在超声导管回撤路径起点采集的、一对近似垂直方位上的X射线冠状动脉造 影图像中三维重建出超声导管的回撤路径；C、对I⑶S图像序列中存在的由周期性心脏运动所致的运动伪影进行补偿；d、从完成运动伪影抑制的ICUS图像序列中选择出在相同心脏相位处采集的各帧 图像；e、将分割后的、在相同心脏相位处采集的各帧ICUS图像按照采集顺序沿三维导 管路径顺序排列；f、拟合血管腔的内外表面；g、测量斑块体积用经过血管段上下截面重心连线的平面将血管段分割成多个六面体网格体元，按 照逆时针顺序分别用W2、\表示六面体网格体元一个表面的四个顶点，由此可得两个 三角形VtlV1V2和VtlV2V3，则斑块边界与外膜边界之间的第k个体元的体积Vk为 去[。·(κ,+1)] Vk =J=I '=I 6其中，Vu表示坐标原点0与第j个表面上的第i个三角形的顶点之间的向量，Ar-I 斑块体积为:v = ^ykIc=O其中，N是斑块边界与外膜边界之间的六面体网格体元的数目。 上述ICUS图像序列中血管的三维形态参数测量方法，按照采集顺序，对在相同心 脏相位处采集的各帧ICUS图像中管腔横截面轮廓重心进行B样条曲线拟合，即可得到三维 管腔轴线，利用B样条曲线的积分计算三维管腔轴线的长度，即得到血管段的长度。 上述I⑶S图像序列中血管的三维形态参数测量方法，设用B样条曲线表示的三维 管腔轴线的曲线方程为C(S) = (X(S)，y(s), z(s))(s e )，则血管曲率κ和血管挠 率τ的计算公式如下 κ= /(少’之“一+( '-ζ、’) +(工、一又’’少’)}τ ~(x'2+y'2 + z'2fχ 丨 乂 ζ'x y ζ χ' y(y'z~yz')2 +(z'x-zx'f +{x'y-xy')2 上述I⑶S图像序列中血管的三维形态参数测量方法，对从各帧I⑶S图像中提取 出的血管壁内膜离散轮廓点进行B样条曲线拟合，得到封闭的、用连续参数曲线表示的内 膜轮廓曲线。以该曲线的重心作为坐标原点建立局部坐标系，通过在该坐标系中进行曲线 积分求出该曲线所包围的面积，就是该帧ICUS图像中血管壁内膜的横截面积；设血管段上5下截面(第i帧和第j帧I⑶S图像)的法向矢量分别为Iii和~，nQ = ni+nj，上下截面血 管壁内膜的横截面积分别为Gi和Gj,上下截面重心之间的矢量为d，n0和Iii之间的夹角为 μ Pntl和~之间的夹角为Ppntl和d之间的夹角为Φ，则上下截面血管壁内膜的横截面在 矢量nQ方向上的投影面积分别为Gi' =Gi cos=Gj cos μ」；血管段上下截面之间的距离为h= |d| · cos Φ，该段血管的容积Vi为:V, 二 h· (G1'+ ^JG1 'Gj' + Gj ’ )/3。本专利技术在根据冠状动脉内超声图像序列重建三维血管模型的基础上，采用几何方 法，对该三维血管模型的具有重要临床价值的形态结构参数进行定量测量(包括斑块体 积、血管段长度、容积、曲率和挠率)，保证了测量结果的客观性和准确性。与现有的方法相 比，该方法不仅简化了图像采集过程(即无需ECG门控图像装置，而是连续回撤超声导管采 集I⑶S图像)，保证了 I⑶S图像序列数据集合的完整性(无需抛弃有用帧)，而且抑制了 I⑶S图像序列中存在的、由周期性心脏运动所致的运动伪影，因而重建结果可全面反映冠 状动脉血管在整个心动周期中的形态。实验证明本专利技术的测量结果较仅采用X射线冠状动脉造影图像重建出的血管模 型或传统的从ICUS图像序列中三维重建血管的测量结果更为精确，从而为冠心病的可视 化诊治和对介入治疗效果的评价提供了可靠依据。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步详本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＩＣＵＳ图像序列中血管的三维形态参数测量方法，其特征是，首先利用连续回撤超声导管获取的、覆盖多个心动周期的冠状动脉内超声图像序列和在超声导管回撤路径起点采集的、两个近似垂直方位上的Ｘ射线冠状动脉造影图像之间的交叉信息完成血管的三维重建，然后采用该三维血管模型，用几何方法对临床需要的血管形态参数进行测量和计算，这些形态参数是斑块体积、血管段长度、血管曲率、血管挠率和血管段容积，具体测量和计算方法如下：ａ、对原始ＩＣＵＳ图像序列和Ｘ射线冠状动脉造影图像进行去噪、分割和边缘提取的预处理；ｂ、从在超声导管回撤路径起点采集的、一对近似垂直方位上的Ｘ射线冠状动脉造影图像中三维重建出超声导管的回撤路径；ｃ、对ＩＣＵＳ图像序列中存在的由周期性心脏运动所致的运动伪影进行补偿；ｄ、从完成运动伪影抑制的ＩＣＵＳ图像序列中选择出在相同心脏相位处采集的各帧图像；ｅ、将分割后的、在相同心脏相位处采集的各帧ＩＣＵＳ图像按照采集顺序沿三维导管路径顺序排列；ｆ、拟合血管腔的内外表面；ｇ、测量斑块体积：用经过血管段上下截面重心连线的平面将血管段分割成多个六面体网格体元，按照逆时针顺序分别用Ｖ↓［０］、Ｖ↓［１］、Ｖ↓［２］、Ｖ↓［３］表示六面体体元一个表面的四个顶点，由此可得两个三角形Ｖ↓［０］Ｖ↓［１］Ｖ↓［２］和Ｖ↓［０］Ｖ↓［２］Ｖ↓［３］，则斑块边界与外膜边界之间的第ｋ个体元的体积Ｖ↓［ｋ］为：　Ｖ↓［ｋ］＝｜＊＊１／６［Ｖ↓［ｊ，０］.（Ｖ↓［ｊ，ｉ］×Ｖ↓［ｊ，ｉ＋１］）］｜其中，Ｖ↓［ｊ，ｉ］表示坐标原点Ｏ与第ｊ个表面上的第ｉ个三角形的顶点之间的向量，斑块体积为：Ｖ＝＊Ｖ↓［ｋ］其中，Ｎ是斑块边界与外膜边界之间的六面体网格体元的数目。...

【技术特征摘要】
一种ICUS图像序列中血管的三维形态参数测量方法，其特征是，首先利用连续回撤超声导管获取的、覆盖多个心动周期的冠状动脉内超声图像序列和在超声导管回撤路径起点采集的、两个近似垂直方位上的X射线冠状动脉造影图像之间的交叉信息完成血管的三维重建，然后采用该三维血管模型，用几何方法对临床需要的血管形态参数进行测量和计算，这些形态参数是斑块体积、血管段长度、血管曲率、血管挠率和血管段容积，具体测量和计算方法如下a、对原始ICUS图像序列和X射线冠状动脉造影图像进行去噪、分割和边缘提取的预处理；b、从在超声导管回撤路径起点采集的、一对近似垂直方位上的X射线冠状动脉造影图像中三维重建出超声导管的回撤路径；c、对ICUS图像序列中存在的由周期性心脏运动所致的运动伪影进行补偿；d、从完成运动伪影抑制的ICUS图像序列中选择出在相同心脏相位处采集的各帧图像；e、将分割后的、在相同心脏相位处采集的各帧ICUS图像按照采集顺序沿三维导管路径顺序排列；f、拟合血管腔的内外表面；g、测量斑块体积用经过血管段上下截面重心连线的平面将血管段分割成多个六面体网格体元，按照逆时针顺序分别用V0、V1、V2、V3表示六面体体元一个表面的四个顶点，由此可得两个三角形V0V1V2和V0V2V3，则斑块边界与外膜边界之间的第k个体元的体积Vk为 <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>6</mn></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn></munderover><mfrac> <mn>1</mn> <mn>6</mn></mfrac><mo>[</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>&CenterDot;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi></mrow> </msub>...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正，康元元，郭晓帅，丁伟荣，田美影，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]