[发明专利]一种基于模型插值补偿的心脏实时动态重建技术

说明书

技术领域

本发明涉及标志点识别与空间定位技术，具体涉及一套具有唯一特征、容易识别的标志点和一种基于真实心脏模型先验值的插值补偿算法，适合于医学心脏重建领域。

背景技术

利用放置于心脏附近和心脏相对位置固定不透X线的标志点作为定位参考点，将导管紧贴心内膜，分别对导管顶端和定位参考点进行不同角度的X线投照获得两个包含定位参考点和该心内膜点投影的平面。该重建问题转化为二视几何模型，该模型如图1所示，这两个投影视图之间的位置关系可以通过一个旋转矩阵R和一个平移矢量t来表示。于是空间点Xi到两个视图间的投影关系可以表示为：

u_1，i＝P₁X_i＝K₁[I|O]X_i，u_2，i＝P₂X_i＝K₂[R|t]X_i  (1)

其中u_1，i、P₁和K₁分别为第一幅视图的图像坐标、投影矩阵和内参矩阵；与之对应，u_2，i、P₂和K₂为第二幅视图的图像坐标、投影矩阵和内参矩阵。[R|t]为确定这两个视图位置关系的外参矩阵。在实际操作中，由于我们是采用单C型臂两个时间段，在两个空间位置的成像结果，所以两次成像的内参矩阵K₁，K₂为相同的K。

用放置于心脏附近和心脏相对位置固定的不透X线的标志点作为定位参考点，利用这些参考点的三维坐标信息及其在不同视角的投影图像中的图像坐标信息，基于投影方程PX＝K[R|t]X，实现对X射线透视投影成像系统的标定，从而完成心脏内膜点的空间点重建。在投影方程PX＝K[R|t]X中，K是成像设备中的内部参数，为系统已知，可从投影图像的DICOM数据流中的头文件中得到这些设备常规参数；R为3×3的旋转矩阵，t为3×1的平移向量，这些参数需要通过成像系统标定来计算，共有6个独立变量需要标定计算，为此我们只需设计6个外部标志点，即可完成X射线透视投影成像系统的外部参数标定。

为了进行三维重建，需要设计一套具有唯一特征，容易识别的标志点。但是，设计简单，不具有唯一特征的人工标志点能够被较容易的方法自动识别，但自动匹配往往相对困难。目前，标志点的识别和匹配通常由手工完成，这不仅费时费力，而且容易产生标记错误或者匹配错误。对于本研究而言，心内膜探测点多，需重复进行实验，手工方式无法满足心脏四维重建的实时需求。

要获得具有真实感的心脏四维模型，需研究视点变换、投影变换、浓淡阴影处理、纹理生成等技术。心脏的四维模型不同于刚性物体，我们还要充分注意其活体的特殊性，在计算机三维场景中，通过数学计算生成模拟的面型。人体软组织模型以曲面为主，几何形状复杂。

另外，医生在对心内膜进行标测时获取标测特征点的数目是有限的，通常为200至300个之间，从重建空间点云构建心内膜三维表面的过程通常使用散乱点三角化的方法。通过有限标测特征点重建的心内膜表面结构往往比较粗糙，密度不足难以形成连续平滑的心室表面图像。

综上，目前心脏四维重建存在的主要问题是：

1.不具有唯一特征的人工标志点自动匹配难以实现。

2.人工完成的标志点的识别和匹配技术不满足心脏实时重建的基本要求。

3.重建获得的心脏四维模型误差较大，很少具有真实感。

发明内容

本发明提供一种基于模型插值补偿的心脏实时动态重建技术，由四个关键技术构成，其中包括：

(1)标志点设计和识别技术，设计独特标志板，采用细铅丝铺成具有高区分度的图案依附在有机玻璃上，有效提取XRA图像上标志点精确位置；

(2)心脏模型重建，将不透X线的电生理导管送入心内紧贴心内膜，对导管顶端空间点进行三维重建获取该点三维坐标，重复该过程移动导管到达心内膜各点，分别进行定位，得到心内膜上的空间点三维坐标集合，经过B样条插值等处理，重建完整的心脏内部模型。

(3)重建过程中将加入时间考量，使心脏的三维图像的各个点的空间位置与心动周期的各个时间点一一对应，从而能够实现了心脏三维模型的动态变化即心脏四维重建。

(4)基于真实心脏模型先验值的插值补偿算法，便于在现有重建点云中实时动态地填充虚拟点，引导操作者完成心内膜探测点的选取，从而获得更高精度的心内膜模型。