CN1871998A - 一种血管三维重建及虚拟支架置入的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种血管三维重建及虚拟支架置入的方法和系统，包括如下步骤：双平面造影图像选取步骤(505)；关键帧选取步骤(508)；二维血管轮廓识别步骤(510)；三维血管重建步骤(513)；支架选取步骤；模拟支架放置步骤(515)；放置效果显示步骤。本发明实现了一种利用双平面造影图像进行三维表面模型重建的方法，在保证成像质量的前提下，减少了患者注入造影剂和接受X射线辐射的剂量；同时提供一种在血管三维模型基础上进行虚拟血管支架置入方法，可指导医生合理选取支架型号和放置方式，并且预见不同放置方式下的效果，降低了临床手术中的风险。

Description

一种血管三维重建及虚拟支架置入的方法和系统

技术领域

本发明涉及医学影像诊断领域的X射线血管造影术，特别应用于心脏冠状动脉导管插入、诊断和介入治疗中，具体指利用C型臂X射线造影系统在两个不同造影角度上用固定采集方法获得的血管图像，重建出血管的三维模型，然后通过该三维模型对血管病变如狭窄等进行分析，并在血管三维模型上进行虚拟血管支架置入的一种方法和系统。

背景技术

随着医学的不断发展，冠状动脉介入治疗冠心病在临床上得到了广泛的应用。冠状动脉造影术利用穿刺针经皮穿刺动脉血管(股动脉或桡动脉)后置入细小造影导管于心脏冠状动脉开口处，然后注入造影剂使冠状动脉在X射线下显影，这样能较为明确地揭示冠状动脉的解剖畸形及其阻塞性病变的位置、程度及范围，为下一步治疗(药物治疗方案的确定、能否可以施行冠状动脉成形术(PTCA)及冠脉内支架术重新疏通病变冠状动脉血管、还是需要外科搭桥手术)做准备。

血管造影术利用C型臂X射线造影系统提供给临床医生常规二维平面血管造影图像(参见图1)，提供的医疗信息往往有限，而利用二维造影图像重建三维血管模型之后，可以提供更加丰富的医疗信息(参见图3)，有利于病情的定量描述和诊断，并且可对病变部位进行任意角度观察，为临床医生提供了一种更为直观判断血管病变和预计介入治疗中所用到的支架型号的手段，可指导冠心病等的介入治疗。

最常用的应用于医学图像领域的三维重建方法是基于体绘制的重建，它的基本原理是利用光线穿越半透明物质时能量的吸收/耗散原理，直接对数据进行整体的色彩合成，生成可视图。但由于患者心脏跳动和呼吸运动，使得利用常规CT或DSA设备得到的数据进行直接体重建较难获得血管的精确表达，即使能够进行合适的体重建也需要获得更多的造影图像，这势必使患者接受更多剂量的造影剂和X射线辐射，因此急需一种能降低放射剂量而不降低成像质量的重建方法。

本发明所涉及的血管三维表面重建利用两个不同造影角度上的造影图像，依据三维透视投影原理，经过几何投影变换及相关算法，最终采用OpenGL重建出血管的三维模型(图2)。该重建方法只需要在两个不同造影位上采集血管的两幅造影图像，即可重建出血管的三维模型，简化了临床医生进行血管造影术的过程，同时也减少了患者接收X射线辐射强度和造影剂剂量。

血管支架术是将金属支架置入病变的血管内，支撑其管壁，保持血管血流通畅。在进行血管内支架置入操作时，首先要实行血管造影检查，以明确病变的性质、部位及程度并选择合适的适应症，然后根据病变特点选择适当的支架，包括支架的类型、直径及长度等指标。通常若一个或单节不够时可将两个支架重叠或采用多节式支架。置入支架时应注意支架的准确定位，成功的支架置入应使支架准确置于狭窄段，且覆盖病变的上下端。由此可见血管支架植入术取得成功的关键是正确选择合适的置入支架。以前，临床医生一般是在二维造影图像上利用一些二维血管分析手段来分析血管的病变程度及所需支架的型号，由于二维造影图像所提供的几何信息非常有限，往往不能真实反应血管的实际情况，这势必为准确的估计所用支架的型号带来困难。

本发明所涉及的虚拟血管支架置入方法：由于是在三维血管模型上进行的(参见图4)，可模拟显示出支架置入后的位置、大小是否合适、支架贴壁情况、封闭部位是否合适；可以反复更换支架直到支架型号合适，由此作为支架置入的手术参考，保证手术取得良好的治疗效果。虚拟血管支架置入方法是一种辅助医生有效选择血管支架，指导临床介入治疗的手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种血管三维重建方法，简化了获得临床有用重建的方法，在保证成像质量的前提下，减少了患者注入造影剂和接受X射线辐射的剂量。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种虚拟支架置入方法，根据在血管三维模型上所做的狭窄分析，指导医生合理选取支架型号和放置方式，并且显示出不同放置方式所表现出的支架变形效果，降低了因支架脱落等引起的临床风险。

本发明所提供的一种血管三维重建方法其特点在于，包括如下步骤：双平面造影图像选取步骤，造影图像由导管机(C型臂)采用固定方式采集，理论上只要造影血管轮廓清晰，通过任意两幅不同造影角度的血管造影图像都可重建出血管三维模型，但由于算法实现上计算精度的限制，实际上所用的两幅血管造影图像的夹角在60-120度之间；关键帧选取步骤，由于导管机采集图像的时间至少要持续一个心动周期，选择关键帧中的血管轮廓要求位置和形态对应；二维血管识别轮廓步骤，首先利用至少三个点定义一根血管，然后采用区域增长法识别出该段血管；三维血管重建步骤，采用表面重建法实现。

上述三维重建方法，其特点在于：该方法适用于冠状动脉血管的三维重建，同样适用于其它血管(肾动脉、股动脉、下腔静脉等)的三维重建，下文的描述和附图仅阐述了冠状动脉血管应用本发明方法的实例，它不应被解释为对本发明的限制。

上述三维重建方法，其特点在于：选择两个不同造影角度的造影图像，并根据透视投影原理和两幅造影图像之间的几何变换关系建立双平面血管造影系统的投影模型。

上述三维重建方法，其特点在于：生成血管三维模型的步骤是先得到血管中心线及中心线上各点处的截面轮廓数据，然后采用相邻轮廓线同步前进法构造血管表面三角形面片实现血管的表面重建。

上述三维重建方法，其特点在于：选择造影面图像关键帧的方法，该方法结合心脏周期运动的相位标记曲线ECG信号曲线及在不同图像中人眼可区分的标记点所对应标识线来综合考虑两个造影图像的对应帧，最大限度减少了造影图像获得过程中由于造影血管运动所带来的误差。

上述三维重建方法，其特点在于：在造影过程中为了得到最佳的视野常常需要移动床位，利用在不同图像中人眼可区分的标记点所对应标识线能消除造影过程中床移对三维重建模型所带来的偏差。

上述三维重建方法，其特点在于：对于兴趣血管部分，特别是分叉血管的标记方法，该方法利用至少三个标记点来确定感兴趣的血管部分，当标记分叉血管时，只需标记出分叉血管的末端即可。

上述三维重建方法，其特点在于：一幅造影面图像中用来标识兴趣血管部分的至少三个标记点在另一幅造影面图像中包含对应标识线，用于标识兴趣血管部分的至少三个标记点必在对应标识线上。

上述三维重建方法，其特点在于：血管三维重建后可任意调整视角来观察血管三维模型，也可对三维模型进行任意缩放。

本发明所提供的一种虚拟支架置入方法其特点在于，包括如下步骤：狭窄病变分析步骤，在重建后的三维重建图像中进行血管狭窄分析；支架选取步骤，根据分析的数据选取放置支架的规格；模拟支架放置步骤；效果显示步骤，显示虚拟支架放置后的效果。

上述虚拟支架置入方法，其特点在于：包括一个指示狭窄的横断面和两个参考横断面，可通过调整狭窄横断面和参考横断面的位置来确定狭窄的位置并由此计算狭窄病变信息(狭窄直径、狭窄面积、狭窄长度、斑块体积、直径狭窄率、截面狭窄率、容积狭窄率、狭窄对称度、长短直径比)。

上述虚拟支架置入方法，其特点在于：可将虚拟支架放置到血管上，并调整其尺寸和其在血管上的位置。

上述虚拟支架置入方法，其特点在于：虚拟支架放置到血管上后，可以模拟不同放置方式(Culotte\Kissing\Crush\Tshape)下支架的挤压变形情况。

本发明还提供一种血管三维重建及虚拟支架置入的系统，其特点在于，包括：双平面造影图像选取模块，要求两幅血管造影图像的夹角在60-120度之间；关键帧选取模块，必须在一个心动周期内且血管轮廓要求位置和形态对应；二维血管轮廓识别模块，采用至少三个点定义一根血管，区域增长法提取轮廓数据；三维血管重建步骤，采用表面重建方法；狭窄病变分析模块，在重建后的三维图像中进行；支架选取模块，根据分析的数据选取放置支架的规格；模拟支架放置模块；效果显示模块，显示虚拟支架放置后的效果。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：还包括一个图像导入模块，用于病人的血管造影图像输入系统。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：还包括一个显示模块，用于将所有模块的操作说明及结果进行显示，包括图像、文字和数据。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：还包括一个存储模块，用于保存重建结果、狭窄分析结果和虚拟支架放置结果和DICOM图像。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：二维血管轮廓识别模块中包括了对于二维分支血管轮廓的识别。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：三维血管重建模块中包括了实际血管和参考正常血管的重建。

上述三维重建及虚拟支架置入系统，其特点在于：三维血管重建模块中包括了三维图像的多视角观察功能。

本发明的功效如下：

1、实现了利用双平面血管造影图像进行血管的三维重建。它只需要在两个不同造影位上采集血管的两幅造影图像，即可重建出三维模型，简化了临床医生血管造影术的过程，也减少了患者接收X射线辐射强度和造影剂剂量。同时血管的三维模型可以提供更加丰富的医疗信息，有利于病情的定量描述和诊断，并可指导冠心病等疾病的介入性治疗。

2、虚拟显示临床支架置入的效果。在血管三维模型上进行狭窄分析，利用其结果选取相应支架，模拟显示出支架置入后的位置、大小是否合适、支架贴壁情况、封闭部位是否合适，能更好地指导临床血管内介入治疗的操作，规避手术中的风险。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是根据本发明方法的二维血管轮廓识别示意图。

图2是根据本发明方法的三维重建结果示意图。

图3是根据本发明方法的狭窄分析结果示意图。

图4是根据本发明方法的虚拟支架放置示意图。

图5是根据本发明方法的实施步骤流程图。

具体实施方式

整个发明的实施方式可围绕图5所示的流程图来展开说明。步骤501是利用导管机得到血管的数字化造影图像系列，这是本发明实施的前提。由于医生通常会在若干个不同的体位实施造影，以便获得血管不同部位更清晰的图像，所以对于同一患者通常会有一系列的造影图像，并且每一个体位上的造影图像都由若干个连续造影帧组成，这些造影帧保存了血管在至少一个心动周期内的变化情况。步骤502为导入同一患者的造影图像系列到本发明实施的系统备用，以下各步骤都是围绕着这些造影图像来进行的。接着先后实施步骤503和步骤504，即选定造影面(一)或造影面(二)作为当前具有输入焦点的造影面。这里所谓的造影面是指用于采集血管轮廓二维数据的造影图像所在的平面，也即一个造影体位对应一个造影面。步骤505分别往这两个造影面中导入一个造影图像，这两个图像必须满足造影夹角在60-120度之间，这由步骤506来判断。同时还必须满足其上的兴趣部分血管段在可视区域内，这由步骤507来判断。由于在不同体位所获得的造影图像中的兴趣部分血管段有可能不同(例如一个是前降支，一个是回旋支)，因此有必要通过步骤507来筛选使得两造影面中的图像兴趣部分血管段为同一段血管。之后步骤508针对每一个造影面图像选取关键造影帧。关键造影帧必须满足其上兴趣部分血管轮廓清晰无重影现象，即保证能够正确识别出来，这由步骤509来判断，这是由于患者心脏跳动和呼吸运动的影响，在一个心动周期内所采集到的血管的位置是变化的，通常选择在舒张末期时的一帧图像上标识血管轮廓。一旦有某个造影面中的图像不满足步骤506、507、509其中的一个条件，则相应返回到步骤503(造影面(一)中图像不满足)，或是步骤504(造影面(二)中图像不满足)，重新选择和装载造影图像。

接下来的工作便是在选定的造影面图像中进行。在步骤510中，分别在两个造影面图像关键帧上用至少三个点(106)标识一根血管，该段血管被默认为主干血管(104)。标识的顺序是首先标记分叉/狭窄点，然后在标记血管的两个端点(起点和终点)，当标识完毕后系统将自动识别出该段血管实际轮廓线(102)和理论轮廓线(101)(参见图1)。接着切换到另一个造影面图像关键帧上也按照相同的顺序标识血管，在点选标识点之前，系统会给出标识导引线(103)，它将指示出与前一个造影面图像关键帧上的标识点所能够对应的全部点的集合，理论上这将是一条直线，与前一个造影面图像关键帧上的标识点相对应的标识点即在标识导引线与兴趣血管段的交叉位置上。由于临床医生在采集造影图像时为了将感兴趣部分血管段移动到视野中来，一般会在造影过程中移动床位，这造成的直接后果是标识导引线与感兴趣血管段明显不是对应点位置，这时就要利用人眼可区分的标记点，计算出标识导引线的偏移量。步骤511判断是否有分叉血管，如果有分叉血管则执行步骤512标记分叉血管，在分叉血管上点选一个标识点作为终点，系统即可自动依据起点一分叉点一分叉终点识别出分叉血管(105)轮廓(参见图1)，如果没有分叉血管，则跳过步骤512直接进入步骤513进行三维重建阶段。本发明采用的是三维表面重建方法，首先重建出血管骨架(即中心线)，在血管骨架上选取等间距的一系列点，计算这些点上血管横断面轮廓，利用相邻轮廓线同步前进法生成血管表面三角形面片，进而构成血管表面三维模型(201)(参见图2)。

当血管三维重建结束以后，便可进行步骤514血管狭窄交互分析了，改变参考横断面(203)及狭窄横断面(202)在血管上的位置，得到相应的狭窄分析结果，包括狭窄直径、狭窄面积、狭窄长度、斑块体积、直径狭窄率、截面狭窄率、容积狭窄率、狭窄对称度、长短直径比等(参见图3)，通过这些信息医生可以定量地分析血管病变的程度。以上各狭窄分析项简要的计算方法如下：

狭窄直径：狭窄横断面处血管的当量直径(假设血管横断面为圆形)；

狭窄面积：狭窄横断面处血管的横截面积；

狭窄长度：两个参考横断面所夹血管的长度；

斑块体积：两个参考横断面所夹参考血管体积与实际血管体积之差；

直径狭窄率：狭窄横断面处实际血管当量直径与参考血管当量直径之比。

截面狭窄率：狭窄横断面处实际血管横截面积与参考血管横截面积之比。

容积狭窄率：两个参考横断面所夹实际血管体积与参考血管体积之比；

狭窄对称度：狭窄横断面处实际血管横截面与参考血管横截面的中心距与参考血管的当量直径之比；

长短直径比：狭窄横断面处实际血管横截面的最短直径与最长直径比。

步骤515为虚拟支架置入，这在当血管狭窄分析所得出的结论提示有必要进行支架置入术时进行，将虚拟支架用置于到血管上方，则支架自动与血管走向相吻合，调整虚拟支架的位置、长度及直径，观察其是否与血管匹配，选择不同的支架放置方式{(Culotte(401)、Kissing(402)、Crush(403)、Tshape(404)}，相应的虚拟支架显示不同放置方式情况下的变形结果(参见图4)。当选择好支架放置方式及确定了支架的型号，可将结果以DICOM图像的形式保存到数据库中，这在步骤516中完成。最后进入步骤517结束整个实施流程。

Claims (24)

1、一种血管三维重建及虚拟支架置入方法，其特征在于，虚拟支架置入过程是建立在血管三维表面重建基础上的；同时，三维重建的原始数据为血管造影机采集的、在一个心动周期内，夹角范围在60-120度之间且血管轮廓的位置和形态对应的两幅造影图像。

2、一种血管三维重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

双平面造影图像选取步骤，所选的两幅冠脉造影图像的夹角应在60-120度之间；

关键帧选取步骤，两个造影面选定的关键帧中的血管轮廓要求位置和形态对应；

二维血管轮廓识别步骤，首先利用至少三点定义一根血管，然后采用区域增长法得到血管轮廓数据，并且血管识别后的轮廓数据包括真实血管轮廓数据和参考血管轮廓数据；

三维血管模型重建步骤，采用表面重建法实现。

3、一种虚拟支架置入方法，其特征在于，包括如下步骤：

狭窄病变分析步骤，根据在血管三维模型上利用一个狭窄横断面和两个参考横断面对血管进行狭窄分析；

支架选取步骤，根据血管狭窄分析选取放置的支架规格；

模拟支架放置步骤，在计算机营造的虚拟三维空间中，模拟血管支架放置过程；

效果显示步骤，以人可读方式显示出支架不同放置方式所表现出的变形效果。

4、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：该方法适用于冠状动脉血管的三维重建，同样适用于其它血管(肾动脉、股动脉、下腔静脉等)的三维重建。

5、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：所用的两幅造影图像的最佳夹角范围在60-120度之间。

6、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：造影图像由导管机(C型臂)采用固定方式采集，采集图像的时间至少要持续一个心动周期。

7、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：关键帧的选取方法结合了心脏周期运动的相位标记曲线ECG信号曲线及在不同图像中人眼可区分的特征点所对应标识线来综合考虑两个造影图像的对应帧。

8、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：通过在不同图像中人眼可区分的特征点所对应标识线消除了由于造影过程中可能的床位移动所带来的三维重建模型偏差影响。

9、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：二维血管轮廓识别前采用至少三点标记感兴趣的血管部分，这三个点分别表示兴趣血管的起点和终点及分叉(或狭窄)位置点(如果有的话)，标记顺序依次是：分叉/狭窄点—起点—终点。当标记分叉血管时，只需再标记出分叉血管的终点即可。

10、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：一幅造影面图像中用来标识感兴趣血管部分的至少三个标记点在另一幅造影面图像中包含对应标识线，用于标识感兴趣血管部分的至少三个标记点必在对应标识线上。

11、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：以区域增长的方式沿着三个标记点的方向对二维血管轮廓进行识别。

12、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：利用两个造影面上的二维血管轮廓识别数据，完成血管模型表面三维重建，并且以人可读方式显示三维重建结果；

13、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：选择两个不同造影角度的造影图像，并根据透视投影原理和两幅造影图像之间的几何变换关系建立双平面血管造影系统的投影模型。

14、权利2要求的血管三维重建方法，其特征在于：生成血管三维模型的步骤是先得到血管中心线及中心线上各点处的截面轮廓数据，然后采用相邻轮廓线同步前进法构造血管表面三角形面片实现血管的表面重建。

15、权力3要求的一种虚拟支架置入方法，其特征在于：包括一个指示狭窄的横断面和两个参考横断面，可通过调整狭窄横断面和参考横断面的位置来确定狭窄的位置并由此计算狭窄病变信息(狭窄直径、狭窄面积、狭窄长度、斑块体积、直径狭窄率、截面狭窄率、容积狭窄率、狭窄对称度、长短直径比)。

16、权力3要求的一种虚拟支架置入方法，其特征在于：可将虚拟支架放置到血管上，并调整其尺寸和其在血管上的位置。

17、权力3要求的一种虚拟支架置入方法，其特征在于：虚拟支架放置到血管上以后可模拟不同放置方式(Culotte\Kissing\Crush\Tshape)下支架的挤压变形情况。

18、一种血管三维重建及虚拟支架置入的系统，其特征在于，包括如下模块：

双平面造影图像选取模块，要求两幅血管造影图像的夹角在60-120度之间；

关键帧选取模块，必须在一个心动周期内且血管轮廓要求位置和形态对应；

二维血管轮廓识别模块，选择至少三个点定义一根血管，利用区域增长法得到轮廓数据；

三维血管重建步骤，采用表面重建方法；

狭窄病变分析模块，在重建后的三维图像中进行；

支架选取模块，根据分析的数据选取放置支架的规格；

模拟支架放置模块；

效果显示模块，显示虚拟支架放置后的效果。

19、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：还包括一个图像导入模块，用于病人的血管造影图像输入系统。

20、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：还包括一个显示模块，用于将所有模块的操作说明及结果进行显示，包括图像、文字和数据。

21、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：还包括一个存储模块，用于保存重建结果、狭窄分析结果和虚拟支架放置结果和DICOM图像。

22、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：二维血管轮廓识别模块中包括了对于二维分支血管轮廓的识别。

23、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：三维血管重建模块中包括了实际血管和参考正常血管的重建。

24、权力要求18中的血管三维重建及虚拟支架置入系统，其特征在于：三维血管重建模块中包括了三维图像的多视角观察功能。

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