[发明专利]基于参数形变模型能量优化的血管重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于参数形变模型能量优化的血管重建方法，适合于临床血管疾病的诊断和治疗。

背景技术

冠状动脉造影术成像的原理为：冠状动脉造影术（Coronary Angiography，CAG）是指经皮穿刺动脉后选择性的向左和向右冠脉开口插入导管并注射造影剂，从而显示冠脉解剖结构和病变的一种心血管造影方法。冠状动脉造影通常简称为冠脉造影，其具体操作方法是：从病人大腿根部的股动脉或上臂的肘动脉送入一根心导管，在X射线造影（X-Ray Angiography，XRA）图像的指导下将导管的尖端一直送到主动脉根部置于冠脉入口，然后注入一定剂量高密度的造影剂，连续快速摄影，得到冠脉造影图像。冠脉XRA图像能够清晰地显示出冠脉的解剖学结构，血管的狭窄部位和狭窄程度，以及侧支循环与左心室的功能情况等。通过冠脉XRA检查，可以有效地对患者冠心病的严重程度进行评价。根据检查结果制定最佳的治疗方案，并指导冠心病的介入性治疗。

XRA系统成像的过程实际上是发射源发射出锥形束X射线，射线穿过被照物体后，经过接收端像增强器的放大作用而在像面上成像。X射线穿透物质过程中，由于受到物质化学成分、密度、厚度等的调制，会形成一个透射X射线强度的二维空间分布，该分布经过一系列的转换、传递后，最终形成可见的X射线图像。临床过程中获取的XRA图像普遍存在如下特征：

XRA图像具有较高的背景噪声。X射线在穿透人体的过程中，透过了肌肉、肋骨、导管，造影剂等物质，并且这些物质有着不同的衰减系数，从而导致图像的灰度分布极不均匀。同时，导管中充溢的造影剂显影非常明显，并且与血管的灰度非常相似，严重干扰着对血管的识别和诊断。血管脉络错综复杂，交叉和遮挡严重，不同方向获取的投影图像存在较大的差异，相关性较小。图像中存在着大量的畸变。对于普通的造影图像，用肉眼很难识别其中存在的畸变。

如前所述，XRA技术本身存在着一些问题。而血管的三维可视化技术，可以有效地弥补这些问题。该技术从有限的二维图像中获取和恢复血管的三维空间信息，在先验知识的指导下，可以对血管的狭窄部分进行测量和评估、对冠状动脉进行运动模拟，以及为医生提供最佳的造影角度等。在该技术的引导下，医生能够快速对病灶进行定位和处理，从而可以有效的减少手术时间，提高手术效率，减少病人和医生所受X射线的辐射量。血管三维可视化技术为医生提供逼真的显示手段和定量分析的工具，在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面都能够发挥重要的作用。

近年来，血管的三维重建与可视化技术成为人们研究的热点，国外大量的学者对基于XRA图像的血管树的三维重建技术展开了研究，提出了很多血管三维重建方法，但是目前的重建方法存在几个方面的缺陷：

1.采用极线约束的方法寻找两幅造影图像中的对应点对，而因为系统误差和血管平移，极线约束得到的点对存在很大的误差，影响重建精度。

2.采用参数形变模型迭代逼近真实的血管中心线，但是在两幅造影图像中的原始对应点对在内外力的作用下移动后不是严格的对应点对，所以重建出来的血管中心线准确度低。

3.在单平面造影成像中，因为呼吸运动和心脏跳动，两幅造影图像中的血管存在一定的位移，在重建过程中需要优化重建结果来获取更高精度的三维血管。

XRA是非常强大的血管可视化工具，它被广泛应用于临床心血管疾病的诊断和治疗当中，被称作是冠心病诊治的“金标准”。然而由于是X射线透视投影成像，在成像的过程中损失了大量的空间立体信息，医生通常只能根据少数的几幅二维投影图像对病灶进行判断，因而主观性较强。临床诊断过程往往需要医生具备较强的专业知识和大量的操作经验。基于造影图像的血管三维重建技术可以有效地弥补XRA设备在成像方面的不足。该技术不仅能为医生提供清晰的血管脉络以及形象、直观的血管三维空间立体信息，而且可以辅助测量血管的有关参数（如直径大小、血管长度和截面积、最佳视角等），从而有助于心脏疾病的诊断和治疗。因此根据血管造影图像重建血管的三维骨架具有很好的临床意义和很高的应用价值。

发明内容

本发明提出了一种基于参数形变模型能量优化的血管重建方法，是一种基于单平面造影的广义梯度矢量流（GGVF）能量场三维叠加的参数形变模型的冠状动脉血管树骨架三维重建方法，为血管疾病的针对治疗提供了一种便利的工具。

该基于参数形变模型能量优化的血管重建方法，包括以下步骤：

第一步：构建参数形变模型：根据两幅造影图像系统信息，包括左右方向旋转角度、头足方向旋、径向平移，并计算得到两幅造影图像之间的旋转平应相对矩阵；