CN110910370B - 一种cta图像冠脉狭窄检测的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种CTA图像冠脉狭窄检测的方法及装置,其提高了冠脉狭窄检测系统的自动化程度,解决了现有方法需要大量人工交互的问题,实现了血管直径的精确测量。这种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,包括:(1)用CT设备获取冠脉CTA图像;(2)提取中心线;(3)血管跟踪与分叉结构定位,判断种子点是否存在,是则执行步骤(2),否则执行步骤(4);(4)沿中心线重建图像;(5)基于最大梯度方法的血管直径估计;(6)确定狭窄的位置和程度。
Description
技术领域
本发明涉及医学图像处理的技术领域,尤其涉及一种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,以及CTA图像冠脉狭窄检测的装置。
背景技术
根据世界卫生组织的报告,冠状动脉疾病已成为威胁人类健康的主要因素之一。受到血管壁钙化、高血脂和高胆固醇等因素的影响,冠脉疾病患者的心血管壁逐渐变窄(冠脉狭窄),使心肌的氧气和营养物质供应量降低,造成心肌动力不足,严重情况下可能引发心肌梗塞。CTA是临床上用于冠脉狭窄检测的成像手段,包含丰富的空间信息,具有较低的人体侵入性和较高的诊断敏感度。冠脉狭窄的量化信息是一种重要的临床指标,有助于早期冠脉疾病的诊断和预防,冠脉狭窄的检测对冠心病的预防和治疗具有重要的临床意义。
然而,CTA图像中的血管腔体信息难以被直观测量,使医生无法迅速对冠脉狭窄进行定位和狭窄程度估计,探索计算机辅助的自动化冠脉狭窄检测技术已成为当前的研究热点。
为判断血管内部是否存在狭窄,计算机辅助的冠脉狭窄检测方法通常需首先提取血管的中心线,进而根据中心线附近的血管特征完成直径估计和狭窄等级分类。
现有冠脉狭窄检测方法面临如下挑战:
首先,现有血管结构提取方法需要大量交互操作(如种子点提取),降低了冠脉狭窄检测的自动化程度。
其次,CTA图像中小血管边界处存在大量噪声,小血管直径的精确测量是冠脉狭窄检测方法亟待解决的问题之一。
发明内容
为克服现有技术的缺陷,本发明要解决的技术问题是提供了一种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其提高了冠脉狭窄检测系统的自动化程度,解决了现有方法需要大量人工交互的问题,实现了血管直径的精确测量。
本发明的技术方案是:这种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其包括以下步骤:
(1)用CT设备获取冠脉CTA图像;
(2)提取中心线;
(3)血管跟踪与分叉结构定位,判断种子点是否存在,是则执行步骤(2),否则执行步骤(4);
(4)沿中心线重建图像;
(5)基于最大梯度方法的血管直径估计;
(6)确定狭窄的位置和程度。
本发明通过血管跟踪与分叉结构定位技术自动提取血管树结构,从而自动确定用于提取血管分支的种子点,使算法无需额外的人工标定的种子点,提高了系统的自动化程度;使用最大梯度方法得到血管直径,通过多切面最大梯度方法确定血管直径,抑制了局部噪声对小血管边界定位的干扰,提高了系统在小血管部位直径估计的准确度;因此本发明提高了冠脉狭窄检测系统的自动化程度,解决了现有方法需要大量人工交互的问题,实现了血管直径的精确测量。
还提供了一种CTA图像冠脉狭窄检测的装置,其包括图像提取模块和量化分析模块;
图像提取模块,其配置来用CT设备获取冠脉CTA图像,提取中心线,血管跟踪与分叉结构定位;
量化分析模块,其配置来沿中心线重建图像,基于最大梯度方法的血管直径估计,确定狭窄的位置和程度。
附图说明
图1是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的流程示意图。
图2a是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例的预测点聚类方法中预测点的示意图;图2b是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例的预测点聚类方法中稳定点的示意图。
图3a是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例在血管横截面上选择三个夹角的示意图;图3b是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例提取一个带状的重建图像的示意图;图3c是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例提取Ia中每一个中心点的纵向灰度序列的示意图;图3d是根据本发明的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的一个实施例取a0、b0和c0对应的直径序列的平均值的示意图。
具体实施方式
本发明使用预测点聚类技术,通过寻找血管中心预测点的聚类中心,识别潜在的血管分支,提高了狭窄检测系统的自动化程度,解决了现有方法需要大量人工交互的问题。本发明通过多切面最大梯度方法,有效地抑制了小血管附近的噪声水平,实现了血管直径的精确测量。
如图1所示,这种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其包括以下步骤:
(1)用CT设备获取冠脉CTA图像;
(2)提取中心线;
(3)血管跟踪与分叉结构定位,判断种子点是否存在,是则执行步骤(2),否则执行步骤(4);
(4)沿中心线重建图像;
(5)基于最大梯度方法的血管直径估计;
(6)确定狭窄的位置和程度。
本发明通过血管跟踪与分叉结构定位技术自动提取血管树结构,从而自动确定用于提取血管分支的种子点,使算法无需额外的人工标定的种子点,提高了系统的自动化程度;使用最大梯度方法得到血管直径,通过多切面最大梯度方法确定血管直径,抑制了局部噪声对小血管边界定位的干扰,提高了系统在小血管部位直径估计的准确度;因此本发明提高了冠脉狭窄检测系统的自动化程度,解决了现有方法需要大量人工交互的问题,实现了血管直径的精确测量。
优选地,所述步骤(3)中,通过心门定位技术(Tek H,Gulsun M A,Laguitton S,Grady L,Lesage D,Funka-Lea G.Automatic coronary tree modeling[J].InsightJournal,2008,323(7).)获取两个位于冠脉根部的种子点。
优选地,所述步骤(3)中,还包括:基于深度特征回归技术(Jingliang Zhao,DanniAi,Yang Yang,Hong Song,Yong Huang,Yongtian Wang,Jian Yang.Deep featureregression(DFR)for 3D vessel segmentation[J].Physics in Medicine and Biology,2019,64(11):115006.)跟踪血管中心线,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,并在分叉结构对应的血管分支上确定新的种子点,完成血管树结构提取。
深度特征回归技术仅能跟踪血管主干,无法有效识别血管分支。优选地,所述步骤(3)中,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,包括以下步骤:
(3.1)如图2a所示,在跟踪过程中获得种子点后,在其前方的一个辐角为π/2的球冠面上设置200个预测点;
(3.2)通过深度特征回归技术迭代地修正预测点的位置,记录在迭代中收敛的位置,得到稳定点,如图2b所示;
(3.3)使用均值漂移算法(即,Mean shift方法)寻找稳定点的聚类中心:当聚类中心数量大于等于2时,将种子点识别为一个分叉点,并将每个聚类中心作为下一步跟踪的新的种子点输出。
本发明沿血管中心线以不同角度重建图像,进而在每个重建图像上计算直径序列,最后根据邻近点直径的大小计算狭窄序列,完成狭窄的定位与程度估计。所述步骤(4)-(6)中,具体包括以下步骤:
(a)如图3a所示,在血管横截面上选择三个夹角为π/3的基准向
量:a0、b0和c0;
(b)如图3b所示,以a0为基准,从原图像中提取一个带状的重建带状图像Ia,其中,带状图像的中心线为血管中心线p0~pn,其法向量ai通过公式(1)获得:
其中Δ(ai,ai-1)表示两向量间的夹角,vi为中心点pi的血管方向,通过公式(2)获得:
(c)如图3c所示,提取Ia中每一个中心点的纵向灰度序列,进而计算该序列的梯度,将梯度序列的极大值和极小值对应的横坐标之差作为血管直径;
(d)如图3d所示,取a0、b0和c0对应的直径序列的平均值,根据直径序列d0~dn计算狭窄序列,公式(3):其中i=1,…,n-1,i表示数据在序列中的位置,Si是狭窄程度序列,S取自单词stenosis(狭窄)。
优选地,所述步骤(d)中,将si>20%的位置识别为存在血管狭窄,并确定其所在位置。
本领域普通技术人员可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,包括上述实施例方法的各步骤,而所述的存储介质可以是:ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此,与本发明的方法相对应的,本发明还同时包括一种CTA图像冠脉狭窄检测的装置,该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。如图1所示,该装置包括:图像提取模块和量化分析模块;
图像提取模块,其配置来用CT设备获取冠脉CTA图像,提取中心线,血管跟踪与分叉结构定位;
量化分析模块,其配置来沿中心线重建图像,基于最大梯度方法的血管直径估计,确定狭窄的位置和程度。
优选地,所述图像提取模块通过心门定位技术获取两个位于冠脉根部的种子点;基于深度特征回归技术跟踪血管中心线,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,并在分叉结构对应的血管分支上确定新的种子点,完成血管树结构提取。
优选地,所述图像提取模块执行以下步骤:
(3.1)在跟踪过程中获得种子点后,在其前方的一个辐角为π/2的球冠面上设置200个预测点;
(3.2)通过深度特征回归技术迭代地修正预测点的位置,记录在迭代中收敛的位置,得到稳定点;
(3.3)使用Mean shift方法寻找稳定点的聚类中心:当聚类中心数量大于等于2时,将种子点识别为一个分叉点,并将每个聚类中心作为下一步跟踪的新的种子点输出。
优选地,所述量化分析模块执行以下步骤:
(a)在血管横截面上选择三个夹角为π/3的基准向量:a0、b0和c0;
(b)以a0为基准,从原图像中提取一个带状的重建带状图像Ia,其中,带状图像的中心线为血管中心线p0~pn,其法向量ai通过公式(1)获得:
(c)提取Ia中每一个中心点的纵向灰度序列,进而计算该序列的梯度,将梯度序列的极大值和极小值对应的横坐标之差作为血管直径;
(d)取a0、b0和c0对应的直径序列的平均值,根据直径序列d0~dn计算狭窄序列,公式(3):
其中i=1,…,n-1,i表示数据在序列中的位置,Si是狭窄程度序列,S取自单词stenosis(狭窄)。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其特征在于:其包括以下步骤:
(1)用CT设备获取冠脉CTA图像;
(2)提取中心线;
(3)血管跟踪与分叉结构定位,判断种子点是否存在,是则执行步骤(2),否则执行步骤(4);
(4)沿中心线重建图像;
(5)基于最大梯度方法的血管直径估计;
(6)确定狭窄的位置和程度;
所述步骤(3)中,通过心门定位技术获取两个位于冠脉根部的种子点;
所述步骤(3)中,还包括:基于深度特征回归技术跟踪血管中心线,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,并在分叉结构对应的血管分支上确定新的种子点,完成血管树结构提取;
所述步骤(4)-(6)中,具体包括以下步骤:
(a)在血管横截面上选择三个夹角为π/3的基准向量:a0、b0和c0;
(b)以a0为基准,从原图像中提取一个带状的重建带状图像Ia,其中,带状图像的中心线为血管中心线p0~pn,其法向量ai通过公式(1)获得:
其中Δ(ai,ai-1)表示两向量间的夹角,vi为中心点pi的血管方向,通过公式(2)获得:
(c)提取Ia中每一个中心点的纵向灰度序列,进而计算该序列的梯度,将梯度序列的极大值和极小值对应的横坐标之差作为血管直径;
(d)取a0、b0和c0对应的直径序列的平均值,根据直径序列d0~dn计算狭窄序列,公式(3):
其中i=1,…,n-1,i表示数据在序列中的位置,Si是狭窄程度序列。
2.根据权利要求1所述的CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,包括以下步骤:
(3.1)在跟踪过程中获得种子点后,在其前方的一个辐角为π/2的球冠面上设置200个预测点;
(3.2)通过深度特征回归技术迭代地修正预测点的位置,记录在迭代中收敛的位置,得到稳定点;
(3.3)使用Mean shift方法寻找稳定点的聚类中心:当聚类中心数量大于等于2时,将种子点识别为一个分叉点,并将每个聚类中心作为下一步跟踪的新的种子点输出。
3.根据权利要求2所述的CTA图像冠脉狭窄检测的方法,其特征在于:所述步骤(d)中,将si>20%的位置识别为存在血管狭窄,并确定其所在位置。
4.一种根据权利要求1所述的CTA图像冠脉狭窄检测的方法的装置,其特征在于:其包括图像提取模块和量化分析模块;
图像提取模块,其配置来用CT设备获取冠脉CTA图像,提取中心线,血管跟踪与分叉结构定位;
量化分析模块,其配置来沿中心线重建图像,基于最大梯度方法的血管直径估计,确定狭窄的位置和程度;
所述图像提取模块通过心门定位技术获取两个位于冠脉根部的种子点;基于深度特征回归技术跟踪血管中心线,使用预测点聚类方法确定血管分叉结构的位置,并在分叉结构对应的血管分支上确定新的种子点,完成血管树结构提取;
所述量化分析模块执行以下步骤:
(a)在血管横截面上选择三个夹角为π/3的基准向量:a0、b0和c0;
(b)以a0为基准,从原图像中提取一个带状的重建带状图像Ia,其中,带状图像的中心线为血管中心线p0~pn,其法向量ai通过公式(1)获得:
其中Δ(ai,ai-1)表示两向量间的夹角,vi为中心点pi的血管方向,通过公式(2)获得:
(c)提取Ia中每一个中心点的纵向灰度序列,进而计算该序列的梯度,将梯度序列的极大值和极小值对应的横坐标之差作为血管直径;
(d)取a0、b0和c0对应的直径序列的平均值,根据直径序列d0~dn计算狭窄序列,公式(3):
其中i=1,…,n-1,i表示数据在序列中的位置,Si是狭窄程度序列。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于:所述图像提取模块执行以下步骤:
(3.1)在跟踪过程中获得种子点后,在其前方的一个辐角为π/2的球冠面上设置200个预测点;
(3.2)通过深度特征回归技术迭代地修正预测点的位置,记录在迭代中收敛的位置,得到稳定点;
(3.3)使用均值漂移算法寻找稳定点的聚类中心:当聚类中心数量大于等于2时,将种子点识别为一个分叉点,并将每个聚类中心作为下一步跟踪的新的种子点输出。
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