CN111493830A - 一种基于冠脉分叉病变的oct三维可视化系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统包括OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块；其工作方法包括OCT图像获取、校正、数据拼接融合、血管内壁信息提取、渲染及三维重建；该系统结构简单，易实现；不依赖外部电磁波发生装置，成本低，抗干扰能力强；可视化效果好；准确性高。

Description

一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统及工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及医学辅助医疗设备领域，尤其是一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统及工作方法。

(二)背景技术：

光学干涉断层成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)是继X射线、CT(计算机断层扫描，Computed Tomography)、MRI(磁共振成像，Magnetic Resonance Imaging)和超声诊断技术之后的又一种新的血管内成像方法。它综合光学技术、超灵敏探测技术和计算机图像处理技术，能够快速获得血管横断面高分辨率的微观结构图像。

OCT的问世极大地弥补了冠脉造影的不足，可以识别包括正常血管、脂质斑块、纤维斑块、钙化斑块、易损斑块等。OCT成像的一般步骤是将导管通过指引导丝送入指引导管。透视条件下缓慢放至靶病变的远端，打入造影剂，回撤导管采集图像。但是现有的OCT技术并不能重建血管的真实走向，其获得的图像序列组成的剖面图将血管强行拟合成完全笔直的走向，并不是真实的空间排列，更不能看到分叉处的血管情况。

冠状动脉分叉病变，是指冠状动脉狭窄毗邻和/或累及重要分支血管的开口。血管分叉处由于血流涡流及切变力的增加，容易发生动脉粥样硬化。而因病变累及主支血管和/或分支血管的部位不同以及不同的狭窄程度，故在临床冠心病的介入诊疗工作中，可以见到不同类型的分叉病变。分叉病变约占所有介入治疗的8％～20％。

中国专利文献号CN201683906U，公告日2010-12-29，记载了一种“基于CT三维重建与血管造影的实时血管走形显像系统”，该系统基于CT三维重建指引的血管造影实时血管走形显像系统，将术前接收的CT血管三维图像与需要在手术中C型臂的位置信息与造影图像进行信息融合，从而达到与造影机同角度实时显示CT血管三维走形的功能。此系统的不足在于造影图像无法避免血管重构的影响，另外此方法必须多次使用C型臂才能得到血管的不同角度影像，增加的辐射对患者，尤其是给术者带来极大的伤害。

中国专利文献号CN102319117B，公告日2013-04-03，记载了一种“基于磁导航融合实时超声信息的大血管内介入物植入系统”，该系统通过电磁导航仪对手术器械的实时跟踪，实现对心血管介入植入物和手术器械的精确三维定位和示踪作用，最终将植入物释放入目标位置。此系统需在手术区域内安装电磁波发生装置，并产生一定强度的电磁场。电磁波发生装置在工作时对导管室的其他设备造成影响，并且电磁波发生装置造价一般都比较高。而其他技术的追踪定位技术是光学定位，光学定位系统是利用红外线传感器与红外线发射接收装置进行通信。此系统的不足是红外线不能被障碍物遮挡，给手术的操作带来不足，而且该技术不适合于介入治疗。

目前的OCT检查没有将回撤的主支血管、分支血管数据融合在一起显示，不能给术者一个立体的直观血管三维图，对血管分支开口处的病变存在一定的观察盲区，降低了OCT检查冠脉分叉病变的有效性。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统及工作方法，它能够解决现有技术的不足，本发明结构简单，不需要安装电磁波发生装置，就能够将血管主支数据和分支数据按照真实空间姿态进行校正，并且对校正后的主支和分支数据在两者结合处进行配准融合，体现血管分叉病变情况，进行三维重建，最后达到辅助医生治疗的目的；本发明结构简单、图像处理效率高。

本发明的技术方案：一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于它包括OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块；其中，所述OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块依次连接；所述OCT图像获取模块采集OCT成像导管的实时位置及偏转角度信息；所述实时位置追踪模块与图像空间位置校正模块相连并传输OCT成像导管的实时位置三维坐标信息和偏转角度信息；所述图像空间位置校正模块与血管分叉配准融合模块相连并传输校正之后的数据；所述血管分叉配准融合模块与三维渲染模块相连并传输主支与分支配准、拼接融合后的血管数据，最后实现数据三维重建。

所述实时位置追踪模块包括磁极单元、三维霍尔传感器载体单元、三维霍尔传感器单元和传感器接收单元；所述磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部；所述三维霍尔传感器单元置于三维霍尔传感器载体单元上，用于检测血管的三维空间内某一位置点的磁场变化，获得X、Y、Z三维方向的磁场分量和大小，计算出三维霍尔传感器在血管中的位置；所述传感器接收单元接收三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统。

所述磁极单元是在患者背部、胸部或腋窝部放置的磁极贴，磁通量为20-70mT。

所述三维霍尔传感器载体单元是由OCT导管护管、光纤、成像棱镜和三维霍尔传感器单元构成；所述导管光纤位于OCT导管护管内部，受OCT导管护管保护；所述光纤的头端上安装成像棱镜和三维霍尔传感器单元；所述三维霍尔传感器单元镶嵌于成像导管头端的成像光纤上。

所述三维霍尔传感器单元镶嵌于OCT成像导管头端的成像光纤3上，同时满足与成像棱镜上下排列或背靠背组合排列。

所述OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端是光学旋转连接器，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统；所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。

所述图像空间位置校正模块包括空间坐标转换单元和图像校正处理单元；所述空间坐标转换单元的输入端与实时位置追踪模块的输出端连接，其输出端连接图像校正处理单元的输入端；所述图像校正处理单元的输出端则与血管分叉配准融合模块的输入的连接。

所述血管分叉配准融合模块包括特征点提取和匹配单元、图像配准单元、变换矩阵修正单元和图像拼接融合单元；所述特征点提取和匹配单元的输入端和图像获取模块的输出端连接，负责提取冠脉主支血管的图像与冠脉分支血管的图像在两者结合处的图像特征点；所述图像配准单元的输入端和特征点提取和匹配单元的输出端连接；所述变换矩阵修正单元的输入端和图像配准单元的输出端连接；所述图像拼接融合的输入端和变换矩阵修正单元的输出端连接。

所述三维渲染模块由血管内壁的分割和识别单元、面渲染和体渲染混合渲染单元和显示单元构成；所述血管内壁的分割和识别单元的输入端与所述血管分叉配准融合模块的输出端相连，负责将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输入端和血管内壁分割和识别单元的输出端相连，负责对体数据和点云数据共同渲染，这样既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输出端连接显示单元，将三维结果显示出来。

一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)OCT图像获取模块分别对冠脉主支血管和冠脉分支血管进行OCT检查，并由实时位置追踪模块对两次OCT成像导管回撤的实时位置信息进行采集，包括OCT成像导管的三维坐标信息和偏转角度信息，并将数据传递给图像空间位置校正模块，对数据进行校正；

(2)血管分叉配准融合模块接收步骤(1)中校正后的数据，进行主支血管与分支血管的数据配准以及血管数据的拼接融合处理；并将数据发送给三维渲染模块；

(3)三维渲染模块根据步骤(2)中的配准数据和拼接融合数据，由血管内壁的分割和识别单元将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云，并选择面渲染和体渲染共同渲染，既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；

(4)把面渲染和体渲染的结果加入到同一个场景中，分别计算体渲染、面渲染的中心坐标，移动体渲染或面渲染的中心坐标，使两个渲染结果结合起来，从而形成一个以面渲染表示血管内壁、以体渲染表示血管内膜的真实分叉血管三维视图，完成冠脉血管的混合绘制和三维重建，实时显示血管的相对位置信息，最终达到辅助医生工作的目的。

所述步骤(1)中OCT图像获取模块获取的图像数据可以是二进制数据，也可以是符合DICOM、Analyse、NIFTI、MINC和AFNI brick格式的图像数据。

所述步骤(1)中OCT图像获取模块能够对OCT成像导管回撤时的实时数据进行保存；所述步骤(1)中OCT图像获取模块要对冠脉的主支血管和分支血管进行至少一次的扫描并保存。

所述步骤(1)中实时位置追踪模块对OCT成像导管的实时位置信息进行采集的过程有以下步骤构成：

①磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部，由三维霍尔传感器载体单元带动OCT成像导管、OCT导管护管、光纤和成像棱镜在冠脉内运动；

②由三维霍尔传感器单元检测冠脉的三维空间内某一位置点的磁场分量值和大小，如果三维霍尔传感器单元中的霍尔传感器和其临近的磁极单元发生相对运动，三维霍尔传感器能够检测到磁场变化，获得X、Y、Z三维方向的磁场分量和大小，计算出三维霍尔传感器单元在血管中的线性相对位置和偏转角度；在整个运动过程中叠加上时间分量，即可以获得三维霍尔传感器单元的运动轨迹；

③所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。光学旋转链接器是OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统，由图像空间位置校正模块对数据进行校正处理。

所述步骤(1)的步骤③中图像空间位置校正模块对数据进行校正处理，包括以下步骤：

(i)由空间坐标转换单元接受实时位置追踪模块的OCT成像导管实时回撤位置和角度信息，负责将导管坐标转换到系统坐标上，计算成系统可利用的坐标系统；

(ii)图像校正处理单元接受步骤(i)得到的系统可利用的坐标系统数据，根据X轴偏移量和方向、Y轴偏移量和方向、Z轴偏移量和方向，将图像数据按照真实的血管走向重新排列，并按照三次线性插值法对帧和帧间的数据进行拟合，拟合后的数据在空间上将更加连续，更加符合血管真实走向，最终将数据发送给血管分叉配准融合模块。

所述步骤(2)中血管分叉配准融合模块的工作过程包括以下步骤；

①由特征点提取和匹配单元提取冠脉主支血管8的图像和冠脉分支血管7的图像在两者结合处的图像特征点；

②图像配准单元利用步骤(1)中提取的特征点计算变换矩阵H；由于O CT图像受到心动周期、穿透深度的影响，冠脉主支血管图像和冠脉分支血管图像的重合部分的特征不是十分准确，变换矩阵H必须进行修正，因此需要通过实时位置追踪模块获得的OCT成像导管回撤的实时位置信息对变换矩阵H进行平移、旋转的修正，得到新的变化矩阵H’；

③最后，由图像拼接融合单元根据变化矩阵H’实现冠脉主支血管图像和冠脉分支血管图像的拼接过程，并在拼接后采用加权平均技术消除拼接缝隙，得到冠脉血管的三维造影。

所述步骤(2)的步骤①中特征点提取基于SURF(Speeded-Up Robust F eatures，加速稳健特征)算法；但在特征点匹配过程中，由于冠脉主支血管与冠脉分支血管的视角不同，观察的位置也不同，导致冠脉主支血管图像与冠脉分支血管图像在两者结合处的图像产生匹配错误，所以无法使用传统的最近邻距离进行限制；为避免上述错误的发生，需要检测最近邻距离FND(Fir st Nearest Distance)与次近邻距离SND(Second NeighborDistance)的比值，并设置一个门槛值Threshhold，门槛值范围为0～0.9；若

则说明主支血管图像与分支血管图像匹配成功；若

则说明匹配不成功。

所述步骤(2)的步骤②中对变换矩阵H进行平移、旋转的修正用到的平移修正矩阵和旋转修正矩阵分别是：

其中，α是图像旋转角度，单位为弧度；dx是在图像中x位置的偏导；dy是在图像中y位置的偏导。

所述步骤(3)中的血管内壁点云的获取，由于OCT影像系统都存在系统噪声，表现到图像上就是图像底噪，这样会导致有些识别的点的位置存在突变现象，这些突变点相对于内膜点云可视为孤立点，通过采用排除离群点的方法可实现对孤立点的去除和限制。

所述去除和限制离群点的方法采用最少邻近点算法和邻近点距离统计函数；其中，所述最少邻近点算法是在点云数据中由用户指定每个点在一定范围内至少要有足够多的邻近点；选择血管内壁点云中的任意一点，以此点为圆心，半径为1～20个像素尺寸形成的球体内，设置最少邻近点个数为1～40个像素点；如果此球体内的点少于设置的最少邻近点的个数，则此圆心所在的点为离群点，将从血管内壁点云中剔除。

所述邻近点距离统计函数是对输入数据中的点到邻近点的距离分布的计算，即计算每个点到它的所有邻近点的平均距离；假设，计算得到的结果是一个高斯分布，其形状由均值和标准差决定，根据全局距离平均值和方差定义一个标准范围，则平均距离在标准范围之外的点可被定义为离群点，并从血管内壁点云中剔除；其中，采样窗口设置为5～50个像素，标准差倍数设置为0.1～1.0。

所述步骤(3)中的面渲染的方法是通过面绘制读取排除离群点的轮廓点云，经过轮廓拼接，曲面拟合，加以颜色、灯光的辅助，最后获得面渲染结果；面渲染结果可以用来测量血管数据，对血管的开口得以判断。

所述步骤(3)中的面渲染的方法是采用光线投射法。

本发明的优越性：1、通过对OCT回撤路径进行跟踪，并和OCT回撤采集到的数据结合起来，不使用外部电磁波发生装置，避免了使用干扰导管室的其它重要设备，还可以对原始数据进行空间位置的重新排列，从而降低了成本，并且不会对其他设备产生电磁干扰；通过三维霍尔定位装置能够获得OCT导管回撤真实路径，对OCT获得的图像数据序列进行位置校正，校正后的数据能够更加真实地反应血管实际走向拓扑结构，提高OCT的可视化效果，有助于医生的诊断；2、利用获得的追踪回撤路径，通过图像配准和图像融合功能对血管主支与血管分支数据进行后处理，并对血管分叉处的配准结果做出修改，得到血管分叉或开口处的图像数据，并通过面渲染和体渲染混合渲染技术将立体的血管分叉或开口数据呈现出来，血管分叉病变的三维重建对于复杂PCI术的诊断非常有帮助，减少了检查的盲区，提高了治疗效果；3、避免多次使用C型臂，减少了对患者和术者身体的损害；4、将血管主支与分支按照真实形态进行配准拼接融合最后进行三维重建，减少了观察盲区，提高了诊断的准确性，保护了患者的生命财产。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的结构示意框图。

图2为本发明所涉一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统中三维霍尔传感器载体单元的结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法中分叉血管配准融合后的外部轮廓三维重建效果示意图。

图4为本发明所涉一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法中分叉血管配准融合后的内部管腔分叉点三维重建效果示意图。

其中，1为三维霍尔传感器载体单元；2为OCT导管护管；3为光纤；4为成像棱镜；5为三维霍尔传感器单元；6为导管手柄；7为冠脉分支血管；8为冠脉主支血管。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，如图1所示，其特征在于它包括OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块；其中，所述OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块依次连接；所述OCT图像获取模块采集OCT成像导管的实时位置及偏转角度信息；所述实时位置追踪模块与图像空间位置校正模块相连并传输OCT成像导管的实时位置三维坐标信息和偏转角度信息；所述图像空间位置校正模块与血管分叉配准融合模块相连并传输校正之后的数据；所述血管分叉配准融合模块与三维渲染模块相连并传输主支与分支配准、拼接融合后的血管数据，最后实现数据三维重建。

所述实时位置追踪模块包括磁极单元、三维霍尔传感器载体单元1、三维霍尔传感器单元5和传感器接收单元；所述磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部；所述三维霍尔传感器单元置于三维霍尔传感器载体单元1上，用于检测血管的三维空间内某一位置点的磁场变化，获得X、Y、Z三维方向的磁场分量和大小，计算出三维霍尔传感器在血管中的位置；所述传感器接收单元接收三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统。

所述磁极单元是在患者背部、胸部或腋窝部放置的磁极贴，磁通量为20-70mT。

如图2所示，所述三维霍尔传感器载体单元1是由OCT导管护管2、光纤3、成像棱镜4和三维霍尔传感器单元5构成；所述导管光纤3位于OCT导管护管2内部，受OCT导管护管2保护；所述光纤3的头端上安装成像棱镜4和三维霍尔传感器单元5；所述三维霍尔传感器单元5镶嵌于成像导管头端的成像光纤3上。

所述三维霍尔传感器单元5镶嵌于OCT成像导管头端的成像光纤3上，同时满足与成像棱镜4呈背靠背组合排列，如图2所示。

所述OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端是光学旋转连接器，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元5输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统；所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。

所述图像空间位置校正模块包括空间坐标转换单元和图像校正处理单元；所述空间坐标转换单元的输入端与实时位置追踪模块的输出端连接，其输出端连接图像校正处理单元的输入端；所述图像校正处理单元的输出端则与血管分叉配准融合模块的输入的连接。

所述血管分叉配准融合模块包括特征点提取和匹配单元、图像配准单元、变换矩阵修正单元和图像拼接融合单元；所述特征点提取和匹配单元的输入端和图像获取模块的输出端连接，负责提取冠脉主支血管8的图像与冠脉分支血管7的图像在两者结合处的图像特征点；所述图像配准单元的输入端和特征点提取和匹配单元的输出端连接；所述变换矩阵修正单元的输入端和图像配准单元的输出端连接；所述图像拼接融合的输入端和变换矩阵修正单元的输出端连接。

所述三维渲染模块由血管内壁的分割和识别单元、面渲染和体渲染混合渲染单元和显示单元构成；所述血管内壁的分割和识别单元的输入端与所述血管分叉配准融合模块的输出端相连，负责将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输入端和血管内壁分割和识别单元的输出端相连，负责对体数据和点云数据共同渲染，这样既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输出端连接显示单元，将三维结果显示出来。

一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)OCT图像获取模块分别对冠脉主支血管8和分支血管7进行OCT检查，并由实时位置追踪模块对两次OCT成像导管回撤的实时位置信息进行采集，包括OCT成像导管的三维坐标信息和偏转角度信息，并将数据传递给图像空间位置校正模块，对数据进行校正；

(2)血管分叉配准融合模块接收步骤(1)中校正后的数据，进行主支血管与分支血管的数据配准以及血管数据的拼接融合处理；并将数据发送给三维渲染模块；

(3)三维渲染模块根据步骤(2)中的配准数据和拼接融合数据，由血管内壁的分割和识别单元将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云，并选择面渲染和体渲染共同渲染，既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；

(4)把面渲染和体渲染的结果加入到同一个场景中，分别计算体渲染、面渲染的中心坐标，移动体渲染或面渲染的中心坐标，使两个渲染结果结合起来，从而形成一个以面渲染表示血管内壁、以体渲染表示血管内膜的真实分叉血管三维视图，完成冠脉血管的混合绘制和三维重建，实时显示血管的相对位置信息，最终达到辅助医生工作的目的。

所述步骤(1)中OCT图像获取模块获取的图像数据可以是二进制数据，也可以是符合DICOM、Analyse、NIFTI、MINC和AFNI brick格式的图像数据。

所述步骤(1)中OCT图像获取模块能够对OCT成像导管回撤时的实时数据进行保存；所述步骤(1)中OCT图像获取模块要对冠脉的主支血管和分支血管进行至少一次的扫描并保存。

所述步骤(1)中实时位置追踪模块对OCT成像导管的实时位置信息进行采集的过程有以下步骤构成：

①磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部，由三维霍尔传感器载体单元1带动OCT成像导管、OCT导管护管2、光纤3和成像棱镜4在冠脉内运动；

②由三维霍尔传感器单元检测冠脉的三维空间内某一位置点的磁场分量值和大小，如果三维霍尔传感器单元中的霍尔传感器和其临近的磁极单元发生相对运动，三维霍尔传感器能够检测到磁场变化，获得X、Y、Z三维方向的磁场分量和大小，计算出三维霍尔传感器单元在血管中的线性相对位置和偏转角度；在整个运动过程中叠加上时间分量，即可以获得三维霍尔传感器单元的运动轨迹；

③所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。光学旋转链接器是OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统，由图像空间位置校正模块对数据进行校正处理。

所述步骤(1)的步骤③中图像空间位置校正模块对数据进行校正处理，包括以下步骤：

(i)由空间坐标转换单元接受实时位置追踪模块的OCT成像导管实时回撤位置和角度信息，负责将导管坐标转换到系统坐标上，计算成系统可利用的坐标系统；

(ii)图像校正处理单元接受步骤(i)得到的系统可利用的坐标系统数据，根据X轴偏移量和方向、Y轴偏移量和方向、Z轴偏移量和方向，将图像数据按照真实的血管走向重新排列，并按照三次线性插值法对帧和帧间的数据进行拟合，拟合后的数据在空间上将更加连续，更加符合血管真实走向，最终将数据发送给血管分叉配准融合模块。

所述步骤(2)中血管分叉配准融合模块的工作过程包括以下步骤；

①由特征点提取和匹配单元提取冠脉主支血管8的图像和冠脉分支血管7的图像在两者结合处的图像特征点；

②图像配准单元利用步骤(1)中提取的特征点计算变换矩阵H；由于O CT图像受到心动周期、穿透深度的影响，冠脉主支血管8图像和冠脉分支血管图像7的重合部分的特征不是十分准确，变换矩阵H必须进行修正，因此需要通过实时位置追踪模块获得的OCT成像导管回撤的实时位置信息对变换矩阵H进行平移、旋转的修正，得到新的变化矩阵H’；

③最后，由图像拼接融合单元根据变化矩阵H’实现冠脉主支血管8图像和冠脉分支血管7图像的拼接过程，并在拼接后采用加权平均技术消除拼接缝隙，得到冠脉血管的三维造影。

所述步骤(2)的步骤①中特征点提取基于SURF算法；但在特征点匹配过程中，由于冠脉主支血管8与冠脉分支血管7的视角不同，观察的位置也不同，导致冠脉主支血管8图像与冠脉分支血管7图像在两者结合处的图像产生匹配错误，所以无法使用传统的最近邻距离进行限制；为避免上述错误的发生，需要检测最近邻距离FND与次近邻距离SND的比值，并设置一个门槛值Threshhold，门槛值范围为0～0.9；若

则说明主支血管图像与分支血管图像匹配成功；若

则说明匹配不成功。

所述步骤(2)的步骤②中对变换矩阵H进行平移、旋转的修正用到的平移修正矩阵和旋转修正矩阵分别是：

其中，α是图像旋转角度，单位为弧度；dx是在图像中x位置的偏导；dy是在图像中y位置的偏导。

所述步骤(3)中的血管内壁点云的获取，由于OCT影像系统都存在系统噪声，表现到图像上就是图像底噪，这样会导致有些识别的点的位置存在突变现象，这些突变点相对于内膜点云可视为孤立点，通过采用排除离群点的方法可实现对孤立点的去除和限制。

所述去除和限制离群点的方法采用最少邻近点算法和邻近点距离统计函数；其中，所述最少邻近点算法是在点云数据中由用户指定每个点在一定范围内至少要有足够多的邻近点；选择血管内壁点云中的任意一点，以此点为圆心，半径为1～20个像素尺寸形成的球体内，设置最少邻近点个数为1～40个像素点；如果此球体内的点少于设置的最少邻近点的个数，则此圆心所在的点为离群点，将从血管内壁点云中剔除；

所述邻近点距离统计函数是对输入数据中的点到邻近点的距离分布的计算，即计算每个点到它的所有邻近点的平均距离；假设，计算得到的结果是一个高斯分布，其形状由均值和标准差决定，根据全局距离平均值和方差定义一个标准范围，则平均距离在标准范围之外的点可被定义为离群点，并从血管内壁点云中剔除；其中，采样窗口设置为5～50个像素，标准差倍数设置为0.1～1.0。

所述步骤(3)中的面渲染的方法是通过面绘制读取排除离群点的轮廓点云，经过轮廓拼接，曲面拟合，加以颜色、灯光的辅助，最后获得面渲染结果；面渲染结果可以用来测量血管数据，对血管的开口得以判断；

所述步骤(3)中的面渲染的方法是采用光线投射法。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于它包括OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块；其中，所述OCT图像获取模块、实时位置追踪模块、图像空间位置校正模块、血管分叉配准融合模块和三维渲染模块依次连接；所述OCT图像获取模块采集OCT成像导管的实时位置及偏转角度信息；所述实时位置追踪模块与图像空间位置校正模块相连；所述图像空间位置校正模块与血管分叉配准融合模块相连；所述血管分叉配准融合模块与三维渲染模块相连。

2.根据权利要求1所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于所述实时位置追踪模块包括磁极单元、三维霍尔传感器载体单元、三维霍尔传感器单元和传感器接收单元；所述磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部；所述三维霍尔传感器单元置于三维霍尔传感器载体单元上；所述传感器接收单元的输入端连接三维霍尔传感器单元的输出端。

3.根据权利要求2所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于所述磁极单元是在患者背部、胸部或腋窝部放置的磁极贴，磁通量为20-70mT。

4.根据权利要求2所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于所述三维霍尔传感器载体单元是由OCT导管护管、光纤、成像棱镜和三维霍尔传感器单元构成；所述导管光纤位于OCT导管护管内部，受OCT导管护管保护；所述光纤的头端上安装成像棱镜和三维霍尔传感器单元；所述三维霍尔传感器单元镶嵌于成像导管头端的成像光纤上；所述三维霍尔传感器单元镶嵌于OCT成像导管头端的成像光纤3上，同时满足与成像棱镜上下排列或背靠背组合排列；

所述OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端是光学旋转连接器，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统；所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。

5.根据权利要求1所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统，其特征在于所述图像空间位置校正模块包括空间坐标转换单元和图像校正处理单元；所述空间坐标转换单元的输入端与实时位置追踪模块的输出端连接，其输出端连接图像校正处理单元的输入端；所述图像校正处理单元的输出端则与血管分叉配准融合模块的输入的连接；

所述血管分叉配准融合模块包括特征点提取和匹配单元、图像配准单元、变换矩阵修正单元和图像拼接融合单元；所述特征点提取和匹配单元的输入端和图像获取模块的输出端连接，负责提取冠脉主支血管的图像与冠脉分支血管的图像在两者结合处的图像特征点；所述图像配准单元的输入端和特征点提取和匹配单元的输出端连接；所述变换矩阵修正单元的输入端和图像配准单元的输出端连接；所述图像拼接融合的输入端和变换矩阵修正单元的输出端连接；

所述三维渲染模块由血管内壁的分割和识别单元、面渲染和体渲染混合渲染单元和显示单元构成；所述血管内壁的分割和识别单元的输入端与所述血管分叉配准融合模块的输出端相连，负责将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输入端和血管内壁分割和识别单元的输出端相连，负责对体数据和点云数据共同渲染，这样既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；所述面渲染和体渲染混合渲染单元的输出端连接显示单元，将三维结果显示出来。

6.一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)OCT图像获取模块分别对冠脉主支血管和冠脉分支血管进行OCT检查，并由实时位置追踪模块对两次OCT成像导管回撤的实时位置信息进行采集，包括OCT成像导管的三维坐标信息和偏转角度信息，并将数据传递给图像空间位置校正模块，对数据进行校正；

(2)血管分叉配准融合模块接收步骤(1)中校正后的数据，进行主支血管与分支血管的数据配准以及血管数据的拼接融合处理；并将数据发送给三维渲染模块；

(3)三维渲染模块根据步骤(2)中的配准数据和拼接融合数据，由血管内壁的分割和识别单元将血管分叉配准融合模块处理后的数据进行血管内壁提取，获得血管内壁点云，并选择面渲染和体渲染共同渲染，既能呈现光滑的血管内壁，又能看到血管内膜、中膜、外膜的体数据；

(4)把面渲染和体渲染的结果加入到同一个场景中，分别计算体渲染、面渲染的中心坐标，移动体渲染或面渲染的中心坐标，使两个渲染结果结合起来，从而形成一个以面渲染表示血管内壁、以体渲染表示血管内膜的真实分叉血管三维视图，完成冠脉血管的混合绘制和三维重建，实时显示血管的相对位置信息，最终达到辅助医生工作的目的。

7.根据权利要求6所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于所述步骤(1)中OCT图像获取模块获取的图像数据可以是二进制数据，也可以是符合DICOM、Analyse、NIFTI、MINC和AFNI brick格式的图像数据；OCT图像获取模块能够对OCT成像导管回撤时的实时数据进行保存；所述OCT图像获取模块要对冠脉的主支血管和分支血管进行至少一次的扫描并保存。

8.根据权利要求7所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于所述步骤(1)中实时位置追踪模块对OCT成像导管的实时位置信息进行采集的过程有以下步骤构成：

①磁极单元放置在患者背部、胸部或腋窝部，由三维霍尔传感器载体单元带动OCT成像导管、OCT导管护管、光纤和成像棱镜在冠脉内运动；

②由三维霍尔传感器单元检测冠脉的三维空间内某一位置点的磁场分量值和大小，如果三维霍尔传感器单元中的霍尔传感器和其临近的磁极单元发生相对运动，三维霍尔传感器能够检测到磁场变化，获得X、Y、Z三维方向的磁场分量和大小，计算出三维霍尔传感器单元在血管中的线性相对位置和偏转角度；在整个运动过程中叠加上时间分量，即可以获得三维霍尔传感器单元的运动轨迹；

③所述传感器接收单元位于三维可视化系统的光学旋转连接器中。光学旋转链接器是OCT成像导管与三维可视化系统的连接终端，负责旋转、回撤成像导管，接收光学和三维霍尔传感器单元输出的位置和角度信息，并将数据上传至三维可视化系统，由图像空间位置校正模块对数据进行校正处理；

所述步骤(1)的步骤③中图像空间位置校正模块对数据进行校正处理，包括以下步骤：

(i)由空间坐标转换单元接受实时位置追踪模块的OCT成像导管实时回撤位置和角度信息，负责将导管坐标转换到系统坐标上，计算成系统可利用的坐标系统；

(ii)图像校正处理单元接受步骤(i)得到的系统可利用的坐标系统数据，根据X轴偏移量和方向、Y轴偏移量和方向、Z轴偏移量和方向，将图像数据按照真实的血管走向重新排列，并按照三次线性插值法对帧和帧间的数据进行拟合，拟合后的数据在空间上将更加连续，更加符合血管真实走向，最终将数据发送给血管分叉配准融合模块。

9.根据权利要求6所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于所述步骤(2)中血管分叉配准融合模块的工作过程包括以下步骤；

①由特征点提取和匹配单元提取冠脉主支血管8的图像和冠脉分支血管7的图像在两者结合处的图像特征点；

②图像配准单元利用步骤(1)中提取的特征点计算变换矩阵H；由于OCT图像受到心动周期、穿透深度的影响，冠脉主支血管图像和冠脉分支血管图像的重合部分的特征不是十分准确，变换矩阵H必须进行修正，因此需要通过实时位置追踪模块获得的OCT成像导管回撤的实时位置信息对变换矩阵H进行平移、旋转的修正，得到新的变化矩阵H’；

③最后，由图像拼接融合单元根据变化矩阵H’实现冠脉主支血管图像和冠脉分支血管图像的拼接过程，并在拼接后采用加权平均技术消除拼接缝隙，得到冠脉血管的三维造影；

所述步骤(2)的步骤①中特征点提取基于SURF(Speeded-Up Robust Features，加速稳健特征)算法；但在特征点匹配过程中，由于冠脉主支血管与冠脉分支血管的视角不同，观察的位置也不同，导致冠脉主支血管图像与冠脉分支血管图像在两者结合处的图像产生匹配错误，所以无法使用传统的最近邻距离进行限制；为避免上述错误的发生，需要检测最近邻距离FND(First Nearest Distance)与次近邻距离SND(Second Neighbor Distance)的比值，并设置一个门槛值Threshhold，门槛值范围为0～0.9；若

则说明主支血管图像与分支血管图像匹配成功；若

则说明匹配不成功；

所述步骤(2)的步骤②中对变换矩阵H进行平移、旋转的修正用到的平移修正矩阵和旋转修正矩阵分别是：

其中，α是图像旋转角度，单位为弧度；dx是在图像中x位置的偏导；dy是在图像中y位置的偏导。

10.根据权利要求7所述一种基于冠脉分叉病变的OCT三维可视化系统的工作方法，其特征在于所述步骤(3)中的血管内壁点云的获取，由于OCT影像系统存在系统噪声问题，会导致某些识别的点的位置存在突变现象，这些突变点相对于内膜点云可视为孤立点，通过采用排除离群点的方法可实现对孤立点的去除和限制；

所述去除和限制离群点的方法采用最少邻近点算法和邻近点距离统计函数；其中，所述最少邻近点算法是在点云数据中由用户指定每个点在一定范围内至少要有足够多的邻近点；选择血管内壁点云中的任意一点，以此点为圆心，半径为1～20个像素尺寸形成的球体内，设置最少邻近点个数为1～40个像素点；如果此球体内的点少于设置的最少邻近点的个数，则此圆心所在的点为离群点，将从血管内壁点云中剔除；

所述邻近点距离统计函数是对输入数据中的点到邻近点的距离分布的计算，即计算每个点到它的所有邻近点的平均距离；假设，计算得到的结果是一个高斯分布，其形状由均值和标准差决定，根据全局距离平均值和方差定义一个标准范围，则平均距离在标准范围之外的点可被定义为离群点，并从血管内壁点云中剔除；其中，采样窗口设置为5～50个像素，标准差倍数设置为0.1～1.0；

所述步骤(3)中的面渲染的方法是通过面绘制读取排除离群点的轮廓点云，经过轮廓拼接，曲面拟合，加以颜色、灯光的辅助，最后获得面渲染结果；面渲染结果可以用来测量血管数据，对血管的开口得以判断；所述步骤(3)中的面渲染的方法是采用光线投射法。

Images