一種非門控ICUS圖像序列中血管的四維重建方法，所述方法利用與ICUS圖像同步采集的一對近似正交的CAG圖像序列精確定位超聲導管回撤路徑，結合從ICUS圖像中提取的血管腔橫截面信息，對靶血管段（包含可能存在的斑塊）的形態結構進行四維重建，再現冠脈血管在心動周期中各時相的真實形態。本發明專利技術實現了冠狀動脈靶血管段（包含可能存在的斑塊）的形態結構的四維重建，全面和真實地反映靶血管段在心動周期不同時相的真實形態，為冠狀動脈粥樣硬化性病變的臨床診治和研究冠脈血管組織的生物力學特性等提供更為可靠的依據。所述方法不需要心電門控采集裝置，也無需利用ECG信號，大大縮短了介入檢查的時間，降低了對原始圖像數據的要求。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種從非門控的冠狀動脈內超聲(intracoronary ultrasound, IQJS)圖像序列中四維(三維+時間)重建血管的方法。屬于醫學成像
技術介紹
冠狀動脈內超聲(intracoronary ultrasound, IOJS)是目前臨床常用的診治冠狀動脈粥樣硬化性病變的介入影像手段。由于二維圖像的種種局限性，對ICUS圖像數據予以三維重建，從而展示血管的整體觀，對于輔助冠心病的診斷、制定介入手術規劃、實現手術的精確定位等具有很好的臨床意義和應用如景。冠狀動脈附著在心外膜表面上，隨著心臟有節律地收縮和舒張，因而在心動周期的不同時相，血管的形態結構和空間位置都會發生很大變化。目前國內外對ICUS圖像序列中冠脈血管三維重建的研究僅限于重建某一個時相(通常是舒張末期)的血管形態，其基本原理是采用心電(ECG)門控的圖像采集方式，僅采集相同心臟時相(通常是R波，即舒張末期)的等間距ICUS圖像序列，并將其按照采集順序，沿從同步采集的X射線冠狀動脈造影(coronary angiography, CAG)圖像中重建出的超聲導管回撤路徑排列，完成該時相血管的重建。其代表性的方法包括“A. ffahle, G. P. M. Prause, S. C. DeJong, et al.Geometrically correct 3-D reconstruction of intravascular ultrasound imagesby fusion with biplane angiography—methods and validation.1EEE Transactionson Medical Imaging. 1999，18 (8) :686_699”、“C. J. Slager, J. J. ffentzel, J. C. H.Schuurbiers, et al. True 3-dimensional reconstruction of coronary arteriesin patients by fusion of angiography and ICUS (ANGUS) and its quantitativevalidation. Circulation. 2000, 102 (5): 511-516”和“一種血管三維模型的重建方法，中國專利技術專利，專利號ZL2008 I 0055037.9”。目前的重建方法僅能獲得一個特定心臟時相(通常是舒張末期)的重建結果，而研究冠脈血管組織的生物力學特性、分析血管壁受到的由搏動血流引入的剪應力分布情況、建立血管彈性圖等，都需要分析冠脈血管在心動周期中不同時刻的變形，因而限制了 ICUS在此方面的應用。同時，心電門控的圖像采集方式需要專門的ECG門控采集裝置，而目前臨床采用的多數血管內超聲成像系統并不包含此功能。并且由于每個心動周期只采集一幀，與連續回撤超聲導管的非門控采集方式相比，圖像采集時間延長至少三倍，這不僅增加了病人的痛苦，也延長了醫患暴露在X射線下的時間。總之，目前還沒有一種理想的、對非門控I⑶S圖像序列中的冠脈血管進行四維重建的方法，能夠準確重建出冠脈血管在心動周期中不同時刻的解剖結構，獲得對血管及其病變的全面了解。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術之弊端、提供一種對連續回撤超聲導管采集的非門控ICUS圖像序列中的靶血管段進行四維(即三維+時間)重建的方法，再現冠狀動脈血管(包含可能存在的斑塊)在心動周期中各時相的真實形態，從而為定量測量血流動力學參數、探討粥樣硬化斑塊的分布和發展規律、研究冠脈血管組織的生物力學特性、制定介入治療計劃以及評價介入治療效果等提供依據。本專利技術所述問題是以下述技術方案實現的: 一種非門控ICUS圖像序列中血管的四維重建方法，所述方法利用與ICUS圖像同步采集的一對近似正交的CAG圖像序列精確定位超聲導管回撤路徑，結合從ICUS圖像中提取的血管腔橫截面信息，對靶血管段(包含可能存在的斑塊)的形態結構進行四維重建，再現冠脈血管在心動周期中各時相的真實形態，具體步驟如下: a、采集靶血管段的I⑶S圖像序列和一對近似正交的CAG圖像序列，其中I⑶S圖像采用連續回撤超聲導管的非心電門控采集方式； b、從CAG圖像序列中三維重建出各時相的超聲導管回撤路徑； C、從各幀ICUS圖像中提取出血管壁的內外膜輪廓； d、補償ICUS圖像序列中存在的平面外運動偽像，對圖像序列進行分組，得到在各心臟時相處采集的子序列； 通過分析ICUS圖像序列灰度特征的周期性變化，為各幀圖像找到其在相鄰心動周期的相同時相采集的對應幀，將整個圖像序列劃分成在心動周期不同時相采集的子序列，以抑制ICUS縱向視圖中的鋸齒效應、補償平面外運動偽像； 具體步驟如下: ①計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值: 對于由/7幀組成的I⑶S圖像序列U1, /2，...，^}，進行逐幀比較，計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種非門控ICUS圖像序列中血管的四維重建方法，其特征是，所述方法利用與ICUS圖像同步采集的一對近似正交的CAG圖像序列精確定位超聲導管回撤路徑，結合從ICUS圖像中提取的血管腔橫截面信息，對包含可能存在斑塊的靶血管段的形態結構進行四維重建，再現冠脈血管在心動周期中各時相的真實形態，具體步驟如下：a、采集靶血管段的ICUS圖像序列和一對近似正交的CAG圖像序列，其中ICUS圖像采用連續回撤超聲導管的非心電門控采集方式；b、從CAG圖像序列中三維重建出各時相的超聲導管回撤路徑；c、從各幀ICUS圖像中提取出血管壁的內外膜輪廓；d、補償ICUS圖像序列中存在的平面外運動偽像，對圖像序列進行分組，得到在各心臟時相處采集的子序列；分析ICUS圖像序列灰度特征的周期性變化，為各幀圖像找到其在相鄰心動周期的相同時相采集的對應幀，將整個圖像序列劃分成在心動周期不同時相采集的子序列，抑制ICUS縱向視圖中的鋸齒效應，補償平面外運動偽像；具體步驟如下：①?計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值：對于由n幀組成的ICUS圖像序列{I1,?I2,…,In}，進行逐幀比較，計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值di,j：?????式中，i,?j=1,2,…,n；Ii和Ij分別表示圖像序列中的第i幀和第j幀，其圖像大小均為N×M像素，平均灰度值分別為μi和μj；Ii(x,?y)和Ij(x,?y)分別表示第i幀和第j幀在像素(x,?y)處的灰度值；②?確定首幀I1在第二個心動周期的對應幀：分析圖像序列的第一幀I1和其它幀的差異值{d1,1,?d1,2,…,?d1,n}，將該函數除d1,1=0之外的第一個局部極小值所對應的i值作為第二個心動周期中與I1在相同時相采集的幀的序號，記為F；③?估計平均心率的近似值和心動周期長度：計算第m幀和第m+k幀（m=1,2,…,n?k）之間的平均差異值，將函數（k=0,1,2,…,n?1）的幅度譜曲線峰值所對應的頻率作為平均心率的近似值R（單位：次/分鐘），心動周期長度的近似值為CC=(60×FR)/R（單位：幀），其中FR為ICUS圖像的采集速率（單位：幀/秒）；④?為后續幀找到其在相鄰心動周期中的對應幀：在矩陣D=[di,j]（i,?j=1,2,…,n）中搜索一條具有最小累計差異值的路徑，該路徑連接互為對應幀的兩幀圖像的差異值，該路徑的起點為d1,F，即首幀與第F幀之間的差異值，搜索范圍Δ，即相鄰心動周期對應幀序號之差的搜索范圍，設定為Δ∈[CC/2,?2CC]；e、對于各時相的子序列，分別補償其平面內運動偽像，確定各幀圖像的空間方向：對于由步驟d得到的各時相的ICUS子序列，在以導管中心為坐標原點的坐標系中，分別計算各幀圖像中血管壁內膜輪廓的幾何中心，作為對其重心的近似，并計算相鄰幀之間內膜輪廓重心的位移(Δxk,?Δyk)和旋轉角Δαk（k=2,3,…,n），采用中心頻率為近似平均心率R、通帶區間為[R?R/2,?R+R/2]的帶通濾波器分別對序列{Δxk}、{Δyk}和{Δαk}進行濾波，從中分離出運動分量{Δxk,d}、{Δyk,d}、{Δαk,d}；然后，對各幀圖像中的平面內運動進行補償，具體方法是：對于圖像序列中的第k幀（k=2,3,…,n），將其血管壁內外膜輪廓上各像素點的坐標，所述坐標為基于以導管中心為坐標原點的坐標系，先反向平移，再反向旋轉，即得到補償平面內運動偽像之后的血管壁輪廓；f、對于補償了平面內運動偽像之后的各時相的子序列，按照采集順序，沿對應時相的三維導管路徑，確定各幀ICUS圖像的軸向位置：對于由步驟e得到的各時相的ICUS子序列，根據采集圖像時記錄的相鄰幀之間的切面間距，確定在對應時相的三維導管路徑上各幀ICUS圖像的采集點，然后，計算導管路徑上各采集點處的單位切矢量，使各幀ICUS圖像平面垂直于其采集點處的單位切矢，并且圖像中心與采集點重合，將其等間隔地排列于對應時相的導管路徑上；g、對于沿導管路徑準確排列的各時相的子序列，采用曲面擬合技術，得到光滑連續的血管腔內外表面。2012105272817100001dest_path_image001.jpg,442867dest_path_image002.jpg,2012105272817100001dest_path_image003.jpg,828849dest_path_image004.jpg,2012105272817100001dest_path_image005.jpg...
【技術特征摘要】
1.一種非門控ICUS圖像序列中血管的四維重建方法，其特征是，所述方法利用與ICUS圖像同步采集的一對近似正交的CAG圖像序列精確定位超聲導管回撤路徑，結合從ICUS圖像中提取的血管腔橫截面信息，對包含可能存在斑塊的靶血管段的形態結構進行四維重建，再現冠脈血管在心動周期中各時相的真實形態，具體步驟如下: a、采集靶血管段的I⑶S圖像序列和一對近似正交的CAG圖像序列，其中I⑶S圖像采用連續回撤超聲導管的非心電門控采集方式； b、從CAG圖像序列中三維重建出各時相的超聲導管回撤路徑； C、從各幀ICUS圖像中提取出血管壁的內外膜輪廓； d、補償ICUS圖像序列中存在的平面外運動偽像，對圖像序列進行分組，得到在各心臟時相處采集的子序列； 分析ICUS圖像序列灰度特征的周期性變化，為各幀圖像找到其在相鄰心動周期的相同時相采集的對應幀，將整個圖像序列劃分成在心動周期不同時相采集的子序列，抑制ICUS縱向視圖中的鋸齒效應，補償平面外運動偽像； 具體步驟如下: ①計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值: 對于由幀組成的I⑶S圖像序列U1, J2，…，厶}，進行逐幀比較，計算兩幀圖像之間灰度特征的差異值2.根據權利要求1所述的非門控ICUS圖像序列中血管的四維重建方法，其特征是，從CAG圖像序列中三維重建出各時相的超聲導管回撤路徑的具體步驟是: a、對原始CAG圖像進行初步的濾波、去噪、畸變校正等處理，增強視覺效果； b、建立X射線血管造影系統在兩個角度的投影模型，推導兩幅不同角度的造影圖像之間的幾何變換關系: 設點A和&為兩個...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫正，白樺，紀四穩，周雅，董藝，
申請(專利權)人：華北電力大學保定，
類型：發明
國別省市：
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