一种人体冠状动脉血管的递推建模方法技术

人体冠状动脉血管的递推建模方法，属于数字图像处理与医学成像的交叉领域。本发明专利技术首先在由心脏切片图像建立的心脏和冠状动脉血管静态模型的基础上，同时考虑心脏的法向和切向的运动以建立它们的运动模型，然后进一步将从实际单臂Ｘ射线造影图像数据重建得到的个体三维冠状动脉血管树与冠状动脉血管模型作差异比较，若拓扑差异较大，则构建新的特异性冠状动脉血管模型，反之，则对两者进行融合，以获得更具一般性的冠状动脉血管模型。本发明专利技术可以通过递推的方式不断更新模型以得到一个更加接近人体生理实际的冠状动脉血管模型以及其他具有特异性的冠状动脉血管模型，为临床治疗或研究提供客观的指导和参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字图像处理与医学成像的交叉领域，具体涉及一种人体冠状动脉血 管的递推建模方法。
技术介绍
国内外在人体心血管建模这方面做的不是很深入，最常用到的一个冠状动脉血管 模型是Dodge依据很多个病人的造影图像重建得到的冠状动脉三维结构，建立一个具有共 性的冠状动脉血管模型。但是它是一个静态的模型，而且只考虑到了不同个体冠状动脉的 共性，不能表达个体的特异性。至于在动态冠状动脉建模方面，也并未明确强调模型的建 立，其主要是通过从医学图像(如X射线造影图)序列中提取出血管的运动信息，再将该信 息作为可变模型的约束条件，并作用于被初始化的三维静态冠状动脉树使之发生形变，在 一定程度下可以理解为动态血管模型。但由于它受到所选取医学图像的限制，因而仅能反 映出个体的特异性，而不能代表共性。显然，如何建立既具有共性又具有个性的冠状动脉血 管模型是一个难题。另外，国外也有人做过心脏动态模型的研究，且以双心室建模较为常见。一般做法 是，根据心脏的电生理学建立心脏的电生理方程，利用心脏的心肌模型，通过电传导建立心 脏的运动。但是由于很难直接得到人体的心脏的心肌模型，大部分这种心脏动态模型都是 通过一些动物(如狗等)的数据建立的，不能表达人体冠状动脉血管的特殊性，更不能满足 指导X射线血管造影三维重建的医学成像诊断需求。申请人:于2008年5月28日提交了“动态模型指导下的血管造影三维重建方法”中 国专利文献(公开号为CN101301207A，公开日为2008年11月12日)。该方法通过对提取 的每层心脏切片轮廓采样，获取心脏表面的三维采样点，再利用B样条对这些采样点进行 曲面拟合，建立心脏三维静态模型。而之后在建立心脏动态模型时只考虑到腔室表面法向 的运动，未考虑切向运动，这便导致了在心脏动态模型基础上建立起来的冠状动脉血管三 维动态模型也存在着同样运动信息不准的缺陷，进而影响到血管造影三维重建的效果。此 外，在冠状动脉血管模型更新部分的差异性判据仅利用到个体与个体之间对应血管间的平 均距离，而未结合个体在生理坐标系下的分布情况，所以，在有些情况下，并不能准确的反 映出实际差异。
技术实现思路
本专利技术提供了，利用该方法可以得到一个 更加接近人体生理实际的动态的冠状动脉血管模型。本专利技术提供的人体冠状动脉血管的递推建模方法，该方法包括下述步骤第1步建立冠状动脉血管三维静态模型，其过程为(1. 1)提取冠状动脉血管切片轮廓；(1. 2)提取冠状动脉血管的中轴点与半径，中轴点为冠状动脉血管切片轮廓的形心，同时假设冠状动脉为圆形，冠状动脉血管的半径为轮廓的内切圆半径；(1. 3)重建冠状动脉血管三维骨架模型把步骤(1. 2)提取的冠状动脉血管各个 分支的中轴点用B样条曲线进行拟合得到冠状动脉血管三维骨架模型，即初始时刻下的冠 状动脉血管中轴三维静态模型；(1. 4)构建带半径的冠状动脉三维模型在所述的冠状动脉血管三维骨架模型上 使用广义圆柱模型加入半径信息，建立带半径的冠状动脉三维模型，即冠状动脉血管三维 静态模型；第2步建立冠状动脉血管三维动态模型，其过程为(2. 1)建立冠状动脉血管中轴三维动态模型利用冠状动脉血管与心包的附着关系，将心包动态模型的运动信息转化为冠状动 脉血管的运动信息，该运动信息包括法向运动矢量和切向运动矢量；在冠状动脉血管中轴 取等间隔的点作为冠状动脉血管取样点，在冠状动脉血管取样点上添加冠状动脉血管的运 动信息，以建立心动周期的七个阶段内的运动模型，得到它们在整个心脏周期的运动模型； 然后对这些取样点在同一时刻的位置进行B样条曲线拟合得到对应于每一时刻的冠状动 脉血管中轴三维静态模型，一个周期中所有时刻的冠状动脉血管中轴三维静态模型组成冠 状动脉血管中轴三维动态模型；(2. 2)在冠状动脉血管中轴三维动态模型上加半径信息，得到冠状动脉血管三维 动态模型；第3步利用从不同个体的单臂X射线造影图像重建得到的三维冠状动脉血管树， 补充和更新冠状动脉血管三维动态模型，其过程为(3. 1)利用单臂X射线造影图像，构建造影系统世界中心坐标系下的不同个体的 三维冠状动脉血管树；在重建得到的三维冠状动脉血管树中找到与冠状动脉血管中轴三维 静态模型中血管对应的血管段为参考血管段；(3. 2)对重建的三维冠状动脉血管树进行空间变换，计算变换后的参考血管段与 其在冠状动脉血管中轴三维静态模型中的对应血管段的平均距离，当该距离最小时得到最 佳变换矩阵；(3. 3)利用最佳变换矩阵将冠状动脉血管模型归一化到造影系统世界中心坐标系 后，计算重建的三维冠状动脉血管树的坐标矢量角，当坐标矢量角大于坐标矢量角门限h1; 或平均距离大于平均距离门限h2时，则将该个体重建的三维冠状动脉血管树作为具有特异 性的冠状动脉血管中轴三维静态模型，然后再加入半径信息和运动信息，得到具有特异性 的冠状动脉血管三维动态模型；当坐标矢量角小于坐标矢量角门限Ii1，且平均距离小于平 均距离门限h2，则将重建的三维冠状动脉血管树与冠状动脉血管中轴三维静态模型进行融 合，得到更加通用化的冠状动脉血管中轴三维静态模型，然后再加入半径信息和运动信息， 得到更加通用化的冠状动脉血管三维动态模型。本专利技术方法通过人体的心脏切片图像，利用B样条曲面拟合方法建立心脏与冠状 动脉血管的三维静态模型，然后通过心脏上每个点的法向和切向的运动建立冠状动脉血管 三维动态模型，并利用从真实的单臂X射线造影图像重建得到的较详细冠状动脉血管结构 补充或建立新的冠状动脉血管模型。具体而言，本专利技术具有如下四个方面的技术效果(1)通过心脏上各点的切向的旋转运动，获得心脏整体的旋转和局部扭转运动信7息，进而得到附着于心脏表面的冠状动脉血管的运动信息，使得冠状动脉血管三维动态模 型模型更接近现实情况；(2)通过将建立的冠状动脉血管模型的运动与文献中的做标记实验测得结果进行 比较，验证我们所建立冠状动脉血管模型的正确性，并在两者出现较大差异时，能以相对真 实的文献数据作为参考来指导冠状动脉血管模型的递推建模，使冠状动脉血管模型的运动 不断趋近于现实中人体冠状动脉血管的运动；(3)在利用一组人体的心脏切片图像建立的冠状动脉血管模型基础上，根据实际 单臂X射线造影图重建个体的三维冠状动脉血管树，并通过图像分析上述三维冠状动脉血 管树与冠状动脉血管模型结构的差异，补充原有冠状动脉血管模型细节拓扑结构，并可通 过拓扑结构差异分析建立具有特异性的冠状动脉血管模型，对于冠状动脉血管的共性与个 体差异性都有很好的诠释；(4)通过建立人体心脏不同年龄段的动态(或静态)的冠状动脉血管模型，分析人 体心脏在不同年龄段发生的变化，逐步建立不同人种、不同个体、不同年龄段的具有特异性 的人体动态心脏模型，对冠状动脉血管乃至心血管的发展和病变进行分析，为我们的临床 治疗或研究提供客观的指导和参考，从而实现定量的医学诊断。附图说明图1是本专利技术方法的流程框图；图2是建立心脏三维动态模型流程图；图3是心脏三维模型图，其中最外面的轮廓是心包，区域Bl是左心室，区域B2是 右心室，区域B4是左心房，区域B3是右心房；图4(a) 4(c)是通过改变控制点的位置模拟具有个体特异性的心脏图 0 4(a)是正常心脏图； 图4(b)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体冠状动脉血管的递推建模方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：第１步建立冠状动脉血管三维静态模型，其过程为：（１．１）提取冠状动脉血管切片轮廓；（１．２）提取冠状动脉血管的中轴点与半径，中轴点为冠状动脉血管切片轮廓的形心，同时假设冠状动脉为圆形，冠状动脉血管的半径为轮廓的内切圆半径；（１．３）重建冠状动脉血管三维骨架模型：把步骤（１．２）提取的冠状动脉血管各个分支的中轴点用Ｂ样条曲线进行拟合得到冠状动脉血管三维骨架模型，即初始时刻下的冠状动脉血管中轴三维静态模型；（１．４）构建带半径的冠状动脉三维模型：在所述的冠状动脉血管三维骨架模型上使用广义圆柱模型加入半径信息，建立带半径的冠状动脉三维模型，即冠状动脉血管三维静态模型；第２步建立冠状动脉血管三维动态模型，其过程为：（２．１）建立冠状动脉血管中轴三维动态模型：利用冠状动脉血管与心包的附着关系，将心包动态模型的运动信息转化为冠状动脉血管的运动信息，该运动信息包括法向运动矢量和切向运动矢量；在冠状动脉血管中轴取等间隔的点作为冠状动脉血管取样点，在冠状动脉血管取样点上添加冠状动脉血管的运动信息，以建立心动周期的七个阶段内的运动模型，得到它们在整个心脏周期的运动模型；然后对这些取样点在同一时刻的位置进行Ｂ样条曲线拟合得到对应于每一时刻的冠状动脉血管中轴三维静态模型，一个周期中所有时刻的冠状动脉血管中轴三维静态模型组成冠状动脉血管中轴三维动态模型；（２．２）在冠状动脉血管中轴三维动态模型上加半径信息，得到冠状动脉血管三维动态模型；第３步利用从不同个体的单臂Ｘ射线造影图像重建得到的三维冠状动脉血管树，补充和更新冠状动脉血管三维动态模型，其过程为：（３．１）利用单臂Ｘ射线造影图像，构建造影系统世界中心坐标系下的不同个体的三维冠状动脉血管树；在重建得到的三维冠状动脉血管树中找到与冠状动脉血管中轴三维静态模型中血管对应的血管段为参考血管段；（３．２）对重建的三维冠状动脉血管树进行空间变换，计算变换后的参考血管段与其在冠状动脉血管中轴三维静态模型中的对应血管段的平均距离，当该距离最小时得到最佳变换矩阵；（３．３）利用最佳变换矩阵将冠状动脉血管模型归一化到造影系统世界中心坐标系后，计算重建的三维冠状动脉血管树的坐标矢量角，当坐标矢量角大于坐标矢量角门限ｈ↓［１］，或平均距离大于平均距离门限ｈ↓［２］时，则将该个体重建的三维冠状动脉血管树作为具有特异性的冠状动脉血管中轴三维静态模型，然后再加入半径信息和运动信息，得到具有特异性的冠状动脉血管三维动态模型；当坐标矢量角小于坐标矢量角门限ｈ↓［１］，且平均距离小于平均距离门限ｈ↓［２］，则将重建的三维冠状动脉血管树与冠状动脉血管中轴三维静态模型进行融合，得到更加通用化的冠状动脉血管中轴三维静态模型，然后再加入半径信息和运动信息，得到更加通用化的冠状动脉血管三维动态模型。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张天序，邓觐鹏，孙祥平，肖晶，黎云，曹治国，桑农，王国铸，王芳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83