基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法技术

本发明专利技术提出了基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，包括以下步骤：(1)图像预处理：获得冠状动脉分割图像及中心线；(2)剪枝操作；(3)球心及球空间的定义；(4)左、右冠状动脉的划分规则；(5)左冠状动脉解剖学命名算法；(6)右冠状动脉解剖学命名算法。该发明专利技术利用心脏形似倒置圆锥体的特征，以血管分叉点为球心建立球坐标系，根据冠状动脉各分支节段的解剖学走形和相互之间的几何结构关系，在球空间中对血管进行定位剖分，达到自动分段与解剖学标记的目的。解决现有的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法计算时间较长，算法复杂度较高，以及无法穷举冠状动脉分布类型导致分支匹配不准确等问题。相比于将所提取的血管与先验模型匹配的方法，这种方法的优点在于节省时间、标记准确，且能对更多的节段进行识别和标记。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医学图像处理
，特别是用于冠状动脉图像的基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记。
技术介绍
近年来心血管疾病的发病率和死亡率都高居疾病榜首位且呈年轻化趋势，其中较为严重的冠状动脉粥样硬化等会直接导致心肌梗死和心脏受损。早期冠状动脉血管壁上微小的病灶并不容易被发现，这类病灶之后迅速发展将引起严重后果，甚至危及生命。因此微小病灶的早期诊疗，冠状动脉血管各节段情况的进展管理尤为重要。作为无创的影像获取方式，冠脉CTA被广泛地应用于冠状动脉疾病的诊断。按照2009年《SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary computed tomographic angiography[1]》的要求，放射科医生和心外科医生通常会报告解剖学的相关检查信息，例如冠状动脉的分形和各节段情况，硬化斑块的节段位置，以及每条动脉或每个分支的钙化、狭窄和闭塞等。由于冠状动脉的微小病变不容易被人眼所识别，人工解读冠脉CTA图像时医生要借助多种成像模式才能诊断，耗时、费劲且容易引起误差。因此需要高效准确的方法，可以自动为冠状动脉分段并标记其解剖学名称。利用解剖学信息对冠脉树进行标记是冠状动脉树自动标记可用的方法，已有的研究侧重于利用建立先验模型来表征解剖信息，然后求待标记模型和先验模型之间的相似性来确定冠脉节段解剖学分类。Claire Chalopin等人[2]设计了二维X射线血管造影的冠状动脉树标记方法，他们利用三维拓扑模型建立了三维仿真人体形态模型Coronix，在其不同视角下进行分析得到二维拓扑模型数据基础，再将病人造影图像中提取的血管骨架与具有最相似血管网形状的二维拓扑模型进行比较，以分层的方式从主要动脉到分支逐步标记左冠状动脉，该方法的不足之处在于二维图像中存在冠状动脉重叠的现象，在匹配解读时可能产生误差；Guanyu Yang等人[3]构建了一个基于统计学结果先验知识的右优势型冠状动脉树三维模型，将从冠脉CTA数据集中提取的冠状动脉树与三维模型配准，主要分支利用关键点的权重因子进行配准，所有分段利用代价函数进行配准，最后根据临床标准对以上配准标记结果进行调整，得到最优的冠状动脉树自动标记结果；Roman Goldenberg等人[4]创建了基于冠脉CTA训练数据集人工标记的概率解剖模型，根据最大可能性方法和一系列检查主要动脉间的预期空间关系的测试，对冠状动脉四条主要分支(左冠脉主干、前降支、旋支和右冠脉)进行标记。以上方法都是根据一定的解剖学先验知识模型，利用数学方法寻找待命名冠状动脉树与模型之间的最近似方案并进行匹配，得到分段和解剖学标记。此类方法计算时间较长，算法复杂度较高，由于冠状动脉的个体差异较大，无法穷举所有的冠状动脉分布类型，对与模型不是同一分布类型、分支较为复杂或因病变而发生明显改变的冠状动脉并不适用，所得结果中还可能存在较多未能找到相应匹配的分支。[1]Raff G L,Abidov A,Achenbach S,et al.SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary computed tomographic angiography.[J].Journal of Cardiovascular Computed Tomography,2009,3(2):122-136.[2]Chalopin C,Finet G,Magnin I.Modeling the 3D coronary tree for labeling purposes.[J].Medical Image Analysis,2002,5(4):301-315.[3]Yang G,Broersen A,Petr R,et al.Automatic coronary artery tree labeling in coronary computed tomographic angiography datasets[C].Computing in Cardiology,2011,38:109-112.[4]Roman G,Dov E,Grigory B,et al.Computer-aided simple triage(CAST)for coronary CT angiography(CCTA)[J].International Journal of Computer Assisted Radiology & Surgery,2012,7(6):819-827.
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法。该专利技术利用心脏形似倒置圆锥体的特征，以血管分叉点为球心建立球坐标系，根据冠状动脉各分支节段的解剖学走形和相互之间的几何结构关系，在球空间中对血管进行定位剖分，达到自动分段与解剖学标记的目的。解决现有的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法计算时间较长，算法复杂度较高，以及无法穷举冠状动脉分布类型导致分支匹配不准确等问题。相比于将所提取的血管与先验模型匹配的方法，这种方法的优点在于节省时间、标记准确，且能对更多的节段进行识别和标记。基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，该方法包括以下步骤：步骤1、图像预处理：获得冠状动脉分割图像及中心线；步骤2、剪枝操作；步骤3、球心及球空间的定义；步骤4、左、右冠状动脉的划分规则；步骤5、左冠状动脉解剖学命名算法；步骤6、右冠状动脉解剖学命名算法。所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，所述步骤1具体执行以下步骤：(1)从原始心脏连续断层影像中分割出冠状动脉，再对分割图像进行血管中心线(也称为血管骨架)提取；(2)将上述血管骨架转换为由邻接矩阵、节点和边来描述的三维树形结构。其中节点和边的定义如下：叶节点：只和一个节点相连接的节点；连接节点：和两个节点相连接的节点；分叉节点：和两个以上节点相连接的节点；游离边：只有一端和节点相连接的边；连接边：两端都和节点相连接的边。所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，所述步骤2具体执行以下步骤：保留血管骨架中含有体素数目最大的两个连通块，并将血管骨架中长度小于T的游离边剪枝置零(T的取值取决于想保留树枝细节的程度，在18节段命名方式中T可取值为15)，再将所得血管骨架采用上述方法重新转换为三维树形结构。所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，所述步骤3具体执行以下步骤：(1)以确定的某点O(x0,y0,z0)为球心建立球坐标系，将原笛卡尔坐标空间中所有点的坐标值转换为球坐标值，得到球空间。其中将笛卡尔坐标转换为球坐标的方法示意图如图1，空间中任意一点P(x,y,z)的球坐标(θ,r)的计算方法为： θ = a r c t a 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、图像预处理：获得冠状动脉分割图像及中心线；步骤2、剪枝操作；步骤3、球心及球空间的定义；步骤4、左、右冠状动脉的划分规则；步骤5、左冠状动脉解剖学命名算法；步骤6、右冠状动脉解剖学命名算法。

【技术特征摘要】
1.基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、图像预处理：获得冠状动脉分割图像及中心线；步骤2、剪枝操作；步骤3、球心及球空间的定义；步骤4、左、右冠状动脉的划分规则；步骤5、左冠状动脉解剖学命名算法；步骤6、右冠状动脉解剖学命名算法。2.根据权利要求1所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，所述步骤1具体执行以下步骤：从原始心脏连续断层影像中分割出冠状动脉，再对分割图像进行血管中心线(也称为血管骨架)提取；将上述血管骨架转换为由邻接矩阵、节点和边来描述的三维树形结构。3.根据权利要求1所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，所述步骤2具体执行以下步骤：保留血管骨架中含有体素数目最大的两个连通块，并将血管骨架中长度小于T的游离边剪枝置零，再将所得血管骨架采用上述方法重新转换为三维树形结构。4.根据权利要求1所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，所述步骤3具体执行以下步骤：(1)以确定的某点O(x0,y0,z0)为球心建立球坐标系，将原笛卡尔坐标空间中所有点的坐标值转换为球坐标值，得到球空间；其中将笛卡尔坐标转换为球坐标的方法示意图如图1，空间中任意一点P(x,y,z)的球坐标的计算方法为： θ = arctan y - y 0 x - x 0 , x ≥ x 0 arctan y - y 0 x - x 0 + π , x < x 0 ∩ y ≥ y 0 arctan y - y 0 x - x 0 - π , x < x 0 ∩ y < y 0 ]]> r = ( x - x 0 ) 2 + ( y - y 0 ) 2 + ( z - z 0 ) 2 ]]>其中θ为方位角，是从以点O为原点的x轴正半轴测得的点P的角位移弧度；为仰角，是从以点O为原点的X-Y平面测得的点P的角位移弧度；r为半径，是从点O到点P的距离；三个参数的取值范围为：方位角θ＝(-π,π]，仰角半径r＝[0,+∞)；(2)根据方位角θ的取值方位，球空间中方位的定义如下表：即：以确定的某点O为球心建立球坐标系，空间中任意一点P的球坐标当时，视P点位于O点左前侧，即区域A1内；当时，视P点位于O点左后侧，即区域A2内；当时，视P点位于O点右后侧，即区域A3内；当时，视P点位于O点右前侧，即区域A4内。5.根据权利要求1所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，所述步骤4具体执行以下步骤：根据左、右冠状动脉窦口两点的坐标，识别步骤2所得三维树形结构中左、右冠状动脉连通块，左冠状动脉主干与前降支、旋支、中间支(若存在)的分叉节点NL和右冠状动脉起始节点NR。6.根据权利要求1所述基于球空间划分的冠状动脉自动分段与解剖学标记方法，其特征在于，所述步骤5具体执行以下步骤：(1)计算三维树形结构左冠状动脉的游离边和叶节点，并计算节点NL到左冠状动脉所有叶节点的最短路径节点和路径上的边；其中最短路径节点的计算，使用Dijkstra算法；路径上的边，通过计算路径相邻两节点共有的边得到；(2)计算所得所有游离边、路径上的边相对于其连接的起始节点的球空间中值角度；其中某边的球空间中值角度的计算方法为：在以某边连接的起始节点(近心端的节点)为球心建立的球坐标系下，计算边上各点的球坐标值并将方位角弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，王如意，张绍祥，谭立文，
申请(专利权)人：中国人民解放军第三军医大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50