CN112652052B - 一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于三维建模领域，提供了一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法及系统。其中，基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法包括将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。其利用血管分支自动匹配的方法对冠状动脉造影图像与血管内超声图像进行融合并三维重建，在提高速度和精准度的前提下，更有助于医生的直观判断，对于疾病的辅助诊断有着重大意义。
Description
技术领域
本发明属于三维建模领域，尤其涉及一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
冠心病(CHD)是严重危害世界及国人健康的重大疾病。目前患者如果被诊断为CHD，冠状动脉造影(CAG)和血管内超声(IVUS)是最常用于诊断和治疗CHD的方式。其中，CAG作为目前冠心病诊断的“金标准”，可以明确冠状动脉有无狭窄、狭窄的部位及程度等，IVUS是利用心导管将超声探头导入血管腔内进行探测，可以得到血管的腔面积、壁厚和血管的斑块等微细解剖信息。但是CAG无法提供血管壁的结构信息和病变程度。由于目前导管技术的限制，IVUS超声导管还不能顺利通过严重病变的部位，通过IVUS也无法获得病变所在冠状动脉的空间位置。融合CAG与IVUS的信息，将两种成像方式的优点结合起来将大大提高冠心病的诊断和治疗的效率。基于CAG与IVUS的三维血管重建可以对各种心血管疾病的组织表征进行准确的评估和诊断，从而获得最佳的治疗选择。这种三维重建的方式可以监测和研究动脉粥样硬化斑块的动态发展和进展，从而最小化或省略血管造影在临床治疗期间用于临床中导航和手术，减少手术时间和造影剂的使用。
目前的血管内超声图像三维重建方法只依赖于IVUS信息，并未融合CAG信息，无法获得病变所在冠状动脉的空间位置；而且有的冠状动脉三维重建方法虽然将CAG与IVUS融合进行三维重建，但是融合时并未参考血管分支信息，需要人工手动的去确定起始点。发明人发现，在临床中，很多病人都是先做的IVUS后来又做的CAG，或者先做的CAG又做的动脉造影，无法确定IVUS的基准点与CAG的是否一致，对两者之间的配准造成很大的困难。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法及系统，其利用血管分支自动匹配的方法对CAG与IVUS图像进行融合并三维重建，在提高速度和精准度的前提下，更有助于医生的直观判断，对于疾病的辅助诊断有着重大意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其包括：
将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；
定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；
根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
本发明的第二个方面提供一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建系统，其包括：
图像处理模块，其用于将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；
关键点自动配准模块，其用于定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；
三维重建模块，其用于根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先将IVUS(血管内超声)图像中内分叉血管和正常血管进行分类，然后分别对其进行分割，对CAG(冠状动脉造影)图像进行中心线提取，根据得到的血管的分支情况，将IVUS图像与CAG图像的中心线配准，利用血管分支自动匹配的方法对CAG图像与IVUS图像进行融合并三维重建，在提高速度和精准度的前提下，更有助于医生的直观判断，对于疾病的辅助诊断有着重大意义。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法流程图；
图2是本发明实施例的基于多任务网络的IVUS分类与分割框架图；
图3是本发明实施例的关键点自动配准的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图1，本实施例的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其包括：
S101：将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线。
在具体实施中，采集血管内超声图像和冠状动脉造影图像之后，对血管内超声图像和冠状动脉造影图像分别进行相应处理。
在本实施例中，通过多任务深度网络对血管内超声图像进行分类和分割。
如图2所示，本实施例的主要有两个功能，一个是对IVUS图像的分支血管和正常血管进行分类，并输出分支血管所在的帧数以及连续总帧数；一个是对分支血管和正常血管的内外膜进行分割，并输出分割结果。此外，两个功能互相约束，以提高分类和分割的精度。
在具体实施中，在提取冠状动脉造影图像中的三维中心线的过程中，首先提取冠状动脉造影图像中的二维中心线，再根据两个冠状动脉造影平面提取三维中心线。
此处需要说明的是，提取冠状动脉造影图像中的二维中心线的方法包括但不限于基于跟踪方法或动态规划方法。
具体地，根据两个造影平面提取三维的中心线，包括但不限于各种利用空间几何关系进行坐标变化从而得到三维中心线。
S102：定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点。
在该步骤中，关键点自动配准的步骤包括分支信息提取和识别匹配两部分。
具体地，在将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上的过程中，根据血管内超声图像的分类和分割得到的血管分支信息，然后将第一个分支的长度信息，与冠状动脉造影图像中的各个分支长度进行对比查找。当匹配率达到最大时，以血管内超声图像中第一个分支与第二个的距离查找冠状动脉造影图像的下一个分支是否匹配，若是匹配则继续查找血管内超声图像中第二个分支与第三个分支是否匹配，若是没有则返回上一步选择第二匹配的分支继续查找，以此类推，直至所有血管内超声图像与冠状动脉造影图像中所有得分支全部匹配上，实现关键点自动配准，如图3所示。
其中，此处的匹配率与长度误差呈反比，也就是，血管内超声图像的血管分支长度信息与冠状动脉造影图像中的分支长度误差越小，匹配率越大。当血管内超声图像的血管分支长度信息与冠状动脉造影图像中的分支长度相等时，匹配率达到最大。
血管分支信息主要包括分支的起始帧数以及连续帧数的总和，IVUS的帧速率和回撤速率已知，根据此可计算出分支血管口IVUSl的直径大小，计算公式如下所示：
S103：根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
具体地，在冠状动脉的三维重建的过程中，根据冠状动脉造影图像的三维中心线和分割好的血管内超声图像序列进行定位定向分析，从而完成冠状动脉造影图像和血管内超声图像的融合而获得冠状动脉血管模型。
其中，三维重建步骤包括三维中心线重建以及表面重建。三维中心线重建包括但不限于使用双平面透视原理结合极线约束进行三维中心线重建。表面重建包括但不限于使用Frenet-Serret标架进行IVUS的方向定位，并进行表面拟合。
此处可以理解的是，融合获得冠状动脉血管模型的算法包括但不限于面重建、体重建VTK等方法。
本实施例首先将IVUS(血管内超声)图像中内分叉血管和正常血管进行分类，然后分别对其进行分割，对CAG(冠状动脉造影)图像进行中心线提取，根据得到的血管的分支情况，将IVUS图像与CAG图像的中心线配准，利用血管分支自动匹配的方法对CAG图像与IVUS图像进行融合并三维重建，在提高速度和精准度的前提下，更有助于医生的直观判断，对于疾病的辅助诊断有着重大意义。
实施例二
参照图1，本实施例提供了一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建系统，其包括：
图像处理模块，其用于将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；
关键点自动配准模块，其用于定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；
三维重建模，其用于根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
本实施例的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建系统中各个模块与实施例一中的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
在具体实施中，血管内超声图像和冠状动脉造影图像均采用图像采集模块1实现图像的采集。其中，图像采集模块包括IVUS图像采集模块和CAG图像采集模块，其中，IVUS图像采集模块用来采集IVUS图像信息，CAG图像采集模块用来采集CAG图像信息。其中，IVUS图像为血管内超声图像；CAG图像为冠状动脉造影图像。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其特征在于，包括：
将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；
定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；
在将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上的过程中，根据血管内超声图像的分类和分割得到的血管分支信息，然后将第i个分支的长度信息，与冠状动脉造影图像中的各个分支长度进行对比查找；
当血管内超声图像的第i个分支的长度与冠状动脉造影图像中的一个分支长度相等，达到匹配率最大时，以血管内超声图像中第i个分支与第i+1个分支的距离查找冠状动脉造影图像的下一个分支是否匹配，若是匹配则继续查找血管内超声图像中第i+2个分支是否匹配，若是没有则返回上一步选择第二匹配的分支继续查找，以此类推，直至所有血管内超声图像与冠状动脉造影图像中所有得分支全部匹配上，实现关键点自动配准；
根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
2.如权利要求1所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其特征在于，通过多任务深度网络对血管内超声图像进行分类和分割。
3.如权利要求1所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其特征在于，在提取冠状动脉造影图像中的三维中心线的过程中，首先提取冠状动脉造影图像中的二维中心线，再根据两个冠状动脉造影平面提取三维中心线。
4.如权利要求3所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其特征在于，基于跟踪方法或动态规划方法提取冠状动脉造影图像中的二维中心线。
5.如权利要求1所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法，其特征在于，在冠状动脉的三维重建的过程中，根据冠状动脉造影图像的三维中心线和分割好的血管内超声图像序列进行定位定向分析，从而完成冠状动脉造影图像和血管内超声图像的融合而获得冠状动脉血管模型。
6.一种基于血管分支配准的冠状动脉三维重建系统，其特征在于，包括：
图像处理模块，其用于将血管内超声图像中的分叉血管和正常血管分类并分别进行内外膜分割；提取冠状动脉造影图像中的三维中心线；
关键点自动配准模块，其用于定位血管分支并自动匹配冠状动脉造影图像的关键点；在将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上的过程中，根据血管内超声图像的分类和分割得到的血管分支信息，然后将第i个分支的长度信息，与冠状动脉造影图像中的各个分支长度进行对比查找；当血管内超声图像的第i个分支的长度与冠状动脉造影图像中的一个分支长度相等，达到匹配率最大时，以血管内超声图像中第i个分支与第i+1个分支的距离查找冠状动脉造影图像的下一个分支是否匹配，若是匹配则继续查找血管内超声图像中第i+2个分支是否匹配，若是没有则返回上一步选择第二匹配的分支继续查找，以此类推，直至所有血管内超声图像与冠状动脉造影图像中所有得分支全部匹配上，实现关键点自动配准；
三维重建模块，其用于根据所述冠状动脉造影图像的关键点将分割后的血管内超声内外膜图像配准到冠状动脉造影的三维中心线上，进行冠状动脉的三维重建。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于血管分支配准的冠状动脉三维重建方法中的步骤。
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