基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算方法及系统，该系统包括：影像采集和接收模块、图像处理模块、斑块稳定性计算模块、结果可视化模块。影像采集和接收模块用于动态二维血管影像序列的采集、接收和传输；图像处理模块用于基于二维影像下动脉实时形变的动态信息进行以局部特征或全局图像为配准来获取空间变换的位移场函数；斑块稳定性计算模块利用上述位移场函数通过计算获取随时间变化的血管直径序列、管腔中心线及轮廓形变参数及力学指标。本发明专利技术在现有医学影像功能的基础上，直接在二维影像上添加了时变的血管直径序列、管腔轮廓和面积的应变及应力等信息，从而简化并有效实现了斑块稳定性的在体评估。

【技术实现步骤摘要】
基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算方法及系统
本专利技术应用于医疗器械领域，尤其涉及一种基于医学影像序列的二维血管管腔变形行为，即时变的管腔几何形态及边界轮廓应变参数的准确、快速、无创计算方法与系统。
技术介绍
目前临床常用的血管斑块评估主要有血管内超声、光学断层相干成像、X射线造影、CT造影等成像方式来确定二维管腔的狭窄程度、斑块大小及位置等信息。然而，众多研究表明斑块的形态学指标与其破裂风险的高危性并不存在直接的关系，如冠脉直径狭窄率越高，斑块破裂的发生率并非越大。动脉管壁在腔内脉冲性血压、周围软组织束缚和(或)心肌周期性舒缩等因素作用下呈现周期性形变。这可能导致某一时刻下，动脉的形态学指标结果存在一定的变异性。现有的基于具备血管管壁形变的医学影像序列的技术方法和专利技术专利虽然从不同的医学影像源、不同空间维度和不同的计算方法等方面对血管管壁的形变性能进行了评估，但仍然存在诸多局限或不足，甚至可操作性欠佳而不能较好地应用于临床实际。专利文献CN101474082B：公开了一种基于有限元形变理论的血管壁弹性分析方法，通过计算血管内超声(Intravascularultrasound,IVUS)影像中的血管壁在一定压力下的应变特征值来分析其弹性性能。主要采用超声探头悬停在血管腔内某一位置来采集若干个心动周期的影像，并利用模板匹配法搜索出原始影像中标记点的匹配对应点，然后基于有限元法来分割计算血管壁弹性。但是，此类基于超声的多普勒原理结合活体组织弹性成像的方法，往往由于超声本身的采集时间过长，导致在较短的心动周期中无法进行以较高频率对时变的血管进行采集影像，因此不适用于冠脉范围的应用。专利文献CN106974622A：公开了一种基于光学相干断层成像(opticalcoherencetomography,OCT)的斑块稳定性测量方法及系统，用于对冠脉影像进行图像处理和分析，包含纤维帽信息、巨噬细胞信息和脂质核信息等。其主要采用探头悬停在血管腔内某一位置采集的若干个心动周期的影像结果以获取脂质核大小和斑块应力的信息，然后结合斑块的病理指标来进行综合分析斑块的稳定性。然而，即使控制探头停留的位置来采集的多桢影像，前后桢的影像可能存在因血管在心动周期中具有较大的纵向伸缩而导致在纵向上的变异。此外，类似于血管腔内影像以采取某一位置处血管横截面影像，对于血管纵向多处狭窄病变(如弥漫性病变、狭长病变等)则需要在不同位置进行多次采集并评估，从而造成操作上的繁杂化。专利文献CN106570313A：公开了一种获取四维血管变形行为与管壁在体应力的方法及系统，该方法通过冠脉造影影像三维重建技术与离散近似理论相结合，对心动周期中血管壁的大变形行为进行了仿真计算并获取管壁在体应力及定量化描述血管壁的运动学特征，可供三维斑块的稳定性评估。然而，基于多时刻下三维重建后实现的在体四维血管形变行为，存在工作量大、实现复杂，并且因不同时刻多次的三维重建造成空间上的变换，而存在一定的误差或多次的误差累积等缺点。此外，目前尚无基于医学影像序列获取二维管腔形变参数及其对应于斑块稳定性评估的快速计算方法和系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于医学影像序列的动脉斑块稳定性指标的快速计算方法及系统，在具备血管周期性形变的动态医学影像序列的基础上，通过利用在二维平面内动脉管腔轮廓的时变信息，结合医学影像处理技术与有限元方法，获取二维病变管腔(或斑块浅表壁)的实时动态变形性能参数，进而确定表征斑块稳定性指标。总之，本专利技术基于上述信息，可实现一种效率高、操作性强的斑块稳定性评估的快速计算方法与系统。具体而言，本专利技术提供了以下的技术方案：一方面，本专利技术提供了一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算系统，所述系统包括：影像采集模块，主要用于影像采集，并产生动态影像序列；影像接收模块，用于接收影像采集模块产生的影像序列，并传输给图像处理模块；图像处理模块，对接收到的影像序列进行处理；其中包括对管腔轮廓的分割及配准：管腔轮廓的分割包括正常管腔及狭窄管腔的快速分割，管腔的配准具体是指对不同时刻下，依据同一血管节段的特征空间进行配准而生成位移场函数；斑块稳定性计算模块，用于对二维血管管腔，利用上述位移场函数，进行几何形变计算或受力分析；并选定某一时刻的血管管腔为初始状态，通过本模块的计算获得随时间变化的参数及云图，包括获得管腔直径序列或面积随时间的变化函数、管腔轮廓的应变及应力等；以及结合上述参数对斑块稳定性贡献的强弱，最终获得斑块稳定性指标；线应变。优选的，该系统还包括结果可视化模块，用于显示图像处理模块与斑块稳定性计算模块的斑块形变和受力分析结果，以及斑块稳定性的评估指标。优选地，所述图像处理模块进一步包括以下子模块：图像分割模块：用于对管腔轮廓进行快速分割，对正常管腔节段及狭窄管腔节段的所在区域的轮廓进行分级，实现分级化建模，获得分级化后的血管分割模型；图像配准模块：用于对多时刻下血管轮廓进行配准，对多时刻下分级化后的血管分割模型进行轮廓特征或全局图像配准，获取配准过程中产生的位移场函数。优选地，在对大样本数据以斑块形变和受力计算结果的基础上，并结合大样本在体腔内影像的斑块稳定性数据，对上述各指标进行相关性分析，根据其相关性强弱来对应各指标在计算斑块稳定性结果的权重值，最后在结果可视化模块可直接提示血管狭窄节段的稳定性信息。优选地，所述系统中的影像接受模块、图像处理模块、斑块稳定性计算模块和结果可视化模块集成在一起，实现影像序列自动处理、感兴趣区域的半自动划分和结果显示等功能。优选地，该系统针对在体影像的处理过程中采用实时的数据传输、快速的图像处理技术及简化的斑块形变和受力计算方法，以实现效率高、操作性强的斑块稳定性评估。此外，另一方面，本专利技术还提供了一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算方法，该方法包括：步骤1、确定感兴趣血管的起始位置与终止位置，并定义为一级节段；优选地，以解剖标志点(分叉处)为感兴趣血管的起始位置和终止位置，此处以冠脉为血管示例，但不以此为限，凡能够具有动态周期性形变的血管均可适用于此；步骤2、获取医学影像序列，并确定所述感兴趣血管在形变周期中的若干个特征时刻；所述医学影像序列中包含多个周期血管的完整影像；优选地，上述的特征时刻，可以通过结合血管的形变规律或借助附加数据信息，如心电图等，确定形变周期中若干个的特征时刻；步骤3、对步骤2中不同特征时刻对应的帧图像中，不同形态的同一血管进行管腔轮廓分割，并生成血管中心线及直径序列，并确定狭窄节段在感兴趣血管中的起止位置，定义为二级节段；此处以冠脉造影影像为医学影像序列为示例，但不以此为限，凡能够具有血管动态周期性形变的医学影像序列均可适用于此；步骤4、对所述一级节段、二级节段，分别结合边界轮廓线建立封闭的二维血管管腔几何模型，并确定为一级节段、二级节段的两处感兴趣区域；步骤5、对不同帧图像中不同长度的一级节段血管，以中心线长度为标准，进行归一化处理，并基于归一化的血管长度进行生成等量同构化血管骨架(中心线、轮廓线及直径序列)；步骤6、先在一级节段进行粗配准，再进行二级节段以血管骨架为线特征的精配准；进而获得直径序列的长度随时间变化参数，以及二维血管管腔的位移场函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算系统，其特征在于，所述系统包括：影像采集模块，主要用于影像采集，并产生动态影像序列；影像接收模块，用于接收影像采集模块产生的影像序列，并传输给图像处理模块；图像处理模块，对接收到的影像序列进行处理；其中包括对管腔轮廓的分割及配准：管腔轮廓的分割包括正常管腔及狭窄管腔的快速分割，管腔的配准具体是指对不同时刻下，依据同一血管节段的特征空间进行配准而生成位移场函数；斑块稳定性计算模块，用于对二维血管管腔，利用上述位移场函数，进行几何形变计算或受力分析；并选定某一时刻的血管管腔为初始状态，通过本模块的计算获得随时间变化的参数及云图，包括获得管腔直径序列或面积随时间的变化函数、管腔轮廓的应变及应力等；以及结合上述参数对斑块稳定性贡献的强弱，最终获得斑块稳定性指标；结果可视化模块，用于显示图像处理模块与斑块稳定性计算模块的斑块形变和受力分析结果，以及斑块稳定性的评估指标。

【技术特征摘要】
1.一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算系统，其特征在于，所述系统包括：影像采集模块，主要用于影像采集，并产生动态影像序列；影像接收模块，用于接收影像采集模块产生的影像序列，并传输给图像处理模块；图像处理模块，对接收到的影像序列进行处理；其中包括对管腔轮廓的分割及配准：管腔轮廓的分割包括正常管腔及狭窄管腔的快速分割，管腔的配准具体是指对不同时刻下，依据同一血管节段的特征空间进行配准而生成位移场函数；斑块稳定性计算模块，用于对二维血管管腔，利用上述位移场函数，进行几何形变计算或受力分析；并选定某一时刻的血管管腔为初始状态，通过本模块的计算获得随时间变化的参数及云图，包括获得管腔直径序列或面积随时间的变化函数、管腔轮廓的应变及应力等；以及结合上述参数对斑块稳定性贡献的强弱，最终获得斑块稳定性指标；结果可视化模块，用于显示图像处理模块与斑块稳定性计算模块的斑块形变和受力分析结果，以及斑块稳定性的评估指标。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理模块进一步包括以下子模块：图像分割模块：用于对管腔轮廓进行快速分割，对正常管腔节段及狭窄管腔节段的所在区域的轮廓进行分级，实现分级化建模，获得分级化后的血管分割模型；图像配准模块：用于对多时刻下血管轮廓进行配准，对多时刻下分级化后的血管分割模型进行轮廓特征或全局图像配准，获取配准过程中产生的位移场函数。3.一种基于医学影像序列斑块稳定性指标的快速计算方法，其特征在于，该方法包括：步骤1、确定感兴趣血管的起始位置与终止位置，并定义为一级节段；步骤2、获取医学影像序列，并确定所述感兴趣血管在形变周期中的若干个特征时刻；所述医学影像序列中包含多个周期血管的完整影像；步骤3、对步骤2中不同特征时刻的图像中，不同形态的同一血管进行管腔轮廓分割，并生成血管中心线及直径序列，再确定狭窄节段在感兴趣血管中的起止位置，定义为二级节段；步骤4、对所述一级节段、二级节段，分别结合边界轮廓线建立封闭的二维血管管腔几何模型，并确定为一级节段、二级节段的两处感兴趣区域；步骤5、对不同帧图像中不同长度的一级节段血管，以中心线长度为标准，进行归一化处理，并基于归一化的血管长度进行生成等量同构化血管骨架(中心线、轮廓线及直径序列)；步骤6、先在一级节段进行粗配准，再进行二级节段以血管骨架为线特征的精配准；进而获得直径序列的长度随时间变化参数，以及二维血管管腔的位移场函数；并利用数值求解方法进行分析，进一步获得周期性时变的直径序列、管腔轮廓及面积的应变与应力参数及其云图(该数值求解方法可采用有限元法、有限体积法等)；步骤7、基于步骤6中的周期性时变的直径序列、管腔轮廓及面积的应变与应力参数，并结合大样本在体腔内影像的斑块稳定性数据，对上述各指标进行相关性分析，根据其相关性强弱来对应各指标在计算斑块稳定性结果的权重值。4.根据权利要求3所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂圣贤，吴信雷，张素，黄佳悦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31