專利名稱：一種人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理與醫(yī)學(xué)成像的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種人體冠狀動(dòng)脈血 管的遞推建模方法。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外在人體心血管建模這方面做的不是很深入，最常用到的一個(gè)冠狀動(dòng)脈血管 模型是Dodge依據(jù)很多個(gè)病人的造影圖像重建得到的冠狀動(dòng)脈三維結(jié)構(gòu)，建立一個(gè)具有共 性的冠狀動(dòng)脈血管模型。但是它是一個(gè)靜態(tài)的模型，而且只考慮到了不同個(gè)體冠狀動(dòng)脈的 共性，不能表達(dá)個(gè)體的特異性。至于在動(dòng)態(tài)冠狀動(dòng)脈建模方面，也并未明確強(qiáng)調(diào)模型的建 立，其主要是通過(guò)從醫(yī)學(xué)圖像(如X射線造影圖)序列中提取出血管的運(yùn)動(dòng)信息，再將該信 息作為可變模型的約束條件，并作用于被初始化的三維靜態(tài)冠狀動(dòng)脈樹使之發(fā)生形變，在 一定程度下可以理解為動(dòng)態(tài)血管模型。但由于它受到所選取醫(yī)學(xué)圖像的限制，因而僅能反 映出個(gè)體的特異性，而不能代表共性。顯然，如何建立既具有共性又具有個(gè)性的冠狀動(dòng)脈血 管模型是一個(gè)難題。另外，國(guó)外也有人做過(guò)心臟動(dòng)態(tài)模型的研究，且以雙心室建模較為常見。一般做法 是，根據(jù)心臟的電生理學(xué)建立心臟的電生理方程，利用心臟的心肌模型，通過(guò)電傳導(dǎo)建立心 臟的運(yùn)動(dòng)。但是由于很難直接得到人體的心臟的心肌模型，大部分這種心臟動(dòng)態(tài)模型都是 通過(guò)一些動(dòng)物(如狗等)的數(shù)據(jù)建立的，不能表達(dá)人體冠狀動(dòng)脈血管的特殊性，更不能滿足 指導(dǎo)X射線血管造影三維重建的醫(yī)學(xué)成像診斷需求。申請(qǐng)人:于2008年5月28日提交了“動(dòng)態(tài)模型指導(dǎo)下的血管造影三維重建方法”中 國(guó)專利文獻(xiàn)(公開號(hào)為CN101301207A，
公開日為2008年11月12日)。該方法通過(guò)對(duì)提取 的每層心臟切片輪廓采樣，獲取心臟表面的三維采樣點(diǎn)，再利用B樣條對(duì)這些采樣點(diǎn)進(jìn)行 曲面擬合，建立心臟三維靜態(tài)模型。而之后在建立心臟動(dòng)態(tài)模型時(shí)只考慮到腔室表面法向 的運(yùn)動(dòng)，未考慮切向運(yùn)動(dòng)，這便導(dǎo)致了在心臟動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上建立起來(lái)的冠狀動(dòng)脈血管三 維動(dòng)態(tài)模型也存在著同樣運(yùn)動(dòng)信息不準(zhǔn)的缺陷，進(jìn)而影響到血管造影三維重建的效果。此 外，在冠狀動(dòng)脈血管模型更新部分的差異性判據(jù)僅利用到個(gè)體與個(gè)體之間對(duì)應(yīng)血管間的平 均距離，而未結(jié)合個(gè)體在生理坐標(biāo)系下的分布情況，所以，在有些情況下，并不能準(zhǔn)確的反 映出實(shí)際差異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，利用該方法可以得到一個(gè) 更加接近人體生理實(shí)際的動(dòng)態(tài)的冠狀動(dòng)脈血管模型。本發(fā)明提供的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，該方法包括下述步驟第1步建立冠狀動(dòng)脈血管三維靜態(tài)模型，其過(guò)程為(1. 1)提取冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓；(1. 2)提取冠狀動(dòng)脈血管的中軸點(diǎn)與半徑，中軸點(diǎn)為冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓的形心，同時(shí)假設(shè)冠狀動(dòng)脈為圓形，冠狀動(dòng)脈血管的半徑為輪廓的內(nèi)切圓半徑；(1. 3)重建冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型把步驟(1. 2)提取的冠狀動(dòng)脈血管各個(gè) 分支的中軸點(diǎn)用B樣條曲線進(jìn)行擬合得到冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型，即初始時(shí)刻下的冠 狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型；(1. 4)構(gòu)建帶半徑的冠狀動(dòng)脈三維模型在所述的冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型上 使用廣義圓柱模型加入半徑信息，建立帶半徑的冠狀動(dòng)脈三維模型，即冠狀動(dòng)脈血管三維 靜態(tài)模型；第2步建立冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型，其過(guò)程為(2. 1)建立冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型利用冠狀動(dòng)脈血管與心包的附著關(guān)系，將心包動(dòng)態(tài)模型的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為冠狀動(dòng) 脈血管的運(yùn)動(dòng)信息，該運(yùn)動(dòng)信息包括法向運(yùn)動(dòng)矢量和切向運(yùn)動(dòng)矢量；在冠狀動(dòng)脈血管中軸 取等間隔的點(diǎn)作為冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)，在冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)上添加冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn) 動(dòng)信息，以建立心動(dòng)周期的七個(gè)階段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型，得到它們?cè)谡麄€(gè)心臟周期的運(yùn)動(dòng)模型； 然后對(duì)這些取樣點(diǎn)在同一時(shí)刻的位置進(jìn)行B樣條曲線擬合得到對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻的冠狀動(dòng) 脈血管中軸三維靜態(tài)模型，一個(gè)周期中所有時(shí)刻的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型組成冠 狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型；(2. 2)在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型上加半徑信息，得到冠狀動(dòng)脈血管三維 動(dòng)態(tài)模型；第3步利用從不同個(gè)體的單臂X射線造影圖像重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹， 補(bǔ)充和更新冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型，其過(guò)程為(3. 1)利用單臂X射線造影圖像，構(gòu)建造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系下的不同個(gè)體的 三維冠狀動(dòng)脈血管樹；在重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹中找到與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維 靜態(tài)模型中血管對(duì)應(yīng)的血管段為參考血管段；(3. 2)對(duì)重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹進(jìn)行空間變換，計(jì)算變換后的參考血管段與 其在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中的對(duì)應(yīng)血管段的平均距離，當(dāng)該距離最小時(shí)得到最 佳變換矩陣；(3. 3)利用最佳變換矩陣將冠狀動(dòng)脈血管模型歸一化到造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系 后，計(jì)算重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的坐標(biāo)矢量角，當(dāng)坐標(biāo)矢量角大于坐標(biāo)矢量角門限h1; 或平均距離大于平均距離門限h2時(shí)，則將該個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹作為具有特異 性的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到具有特異性 的冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型；當(dāng)坐標(biāo)矢量角小于坐標(biāo)矢量角門限Ii1，且平均距離小于平 均距離門限h2，則將重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行融 合，得到更加通用化的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息， 得到更加通用化的冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型。本發(fā)明方法通過(guò)人體的心臟切片圖像，利用B樣條曲面擬合方法建立心臟與冠狀 動(dòng)脈血管的三維靜態(tài)模型，然后通過(guò)心臟上每個(gè)點(diǎn)的法向和切向的運(yùn)動(dòng)建立冠狀動(dòng)脈血管 三維動(dòng)態(tài)模型，并利用從真實(shí)的單臂X射線造影圖像重建得到的較詳細(xì)冠狀動(dòng)脈血管結(jié)構(gòu) 補(bǔ)充或建立新的冠狀動(dòng)脈血管模型。具體而言，本發(fā)明具有如下四個(gè)方面的技術(shù)效果(1)通過(guò)心臟上各點(diǎn)的切向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，獲得心臟整體的旋轉(zhuǎn)和局部扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信
7息，進(jìn)而得到附著于心臟表面的冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn)動(dòng)信息，使得冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模 型模型更接近現(xiàn)實(shí)情況；(2)通過(guò)將建立的冠狀動(dòng)脈血管模型的運(yùn)動(dòng)與文獻(xiàn)中的做標(biāo)記實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果進(jìn)行 比較，驗(yàn)證我們所建立冠狀動(dòng)脈血管模型的正確性，并在兩者出現(xiàn)較大差異時(shí)，能以相對(duì)真 實(shí)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作為參考來(lái)指導(dǎo)冠狀動(dòng)脈血管模型的遞推建模，使冠狀動(dòng)脈血管模型的運(yùn)動(dòng) 不斷趨近于現(xiàn)實(shí)中人體冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn)動(dòng)；(3)在利用一組人體的心臟切片圖像建立的冠狀動(dòng)脈血管模型基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際 單臂X射線造影圖重建個(gè)體的三維冠狀動(dòng)脈血管樹，并通過(guò)圖像分析上述三維冠狀動(dòng)脈血 管樹與冠狀動(dòng)脈血管模型結(jié)構(gòu)的差異，補(bǔ)充原有冠狀動(dòng)脈血管模型細(xì)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可通 過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異分析建立具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型，對(duì)于冠狀動(dòng)脈血管的共性與個(gè) 體差異性都有很好的詮釋；(4)通過(guò)建立人體心臟不同年齡段的動(dòng)態(tài)(或靜態(tài))的冠狀動(dòng)脈血管模型，分析人 體心臟在不同年齡段發(fā)生的變化，逐步建立不同人種、不同個(gè)體、不同年齡段的具有特異性 的人體動(dòng)態(tài)心臟模型，對(duì)冠狀動(dòng)脈血管乃至心血管的發(fā)展和病變進(jìn)行分析，為我們的臨床 治療或研究提供客觀的指導(dǎo)和參考，從而實(shí)現(xiàn)定量的醫(yī)學(xué)診斷。


圖1是本發(fā)明方法的流程框圖；圖2是建立心臟三維動(dòng)態(tài)模型流程圖；圖3是心臟三維模型圖，其中最外面的輪廓是心包，區(qū)域Bl是左心室，區(qū)域B2是 右心室，區(qū)域B4是左心房，區(qū)域B3是右心房；
圖4(a) 4(c)是通過(guò)改變控制點(diǎn)的位置模擬具有個(gè)體特異性的心臟圖 0 4(a)是正常心臟圖； 圖4(b)是心臟局部擴(kuò)張圖； 圖4(c)是心臟局部?jī)?nèi)縮圖； 圖5是心動(dòng)周期各時(shí)期圖 圖6是左心室容積線性變化圖7是文獻(xiàn)中心臟心底和心尖部分的旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的曲線；
圖8(a 圖8(a 圖8(b 圖8(c 圖8(d 圖8(e 圖8(f 圖8(g 圖9 (a 圖9(b 圖9 (c
8(g)心臟在心動(dòng)周期各時(shí)期的模型圖 是心臟處于等容收縮期模型圖 是心臟處于快速射血期模型圖 是心臟處于緩慢射血期模型圖 是心臟處于等容充盈期模型圖 是心臟處于快速充盈期模型圖 是心臟處于緩慢充盈期模型圖 是心臟處于心房收縮期模型圖 是心臟切片序列中第48個(gè)切片圖像 是對(duì)(a)提取的血管截面圖像； 是心臟切片序列中第50個(gè)切片圖像
圖9 (d)是對(duì)(C)提取的血管截面圖像；圖10(a) 10(g)是冠狀動(dòng)脈血管在心動(dòng)周期各時(shí)期的模型圖示例；圖10 (a)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟等容收縮期模型圖示例；圖10(b)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟快速射血期模型圖示例；圖10(c)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟緩慢射血期模型圖示例；圖10(d)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟等容充盈期模型圖示例；圖10(e)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟快速充盈期模型圖示例；圖10 (f)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟緩慢充盈期模型圖示例；圖10 (g)是左冠狀動(dòng)脈血管處于心臟心房收縮期模型圖示例；圖11是左冠狀動(dòng)脈主支的根節(jié)點(diǎn)(LMO)，左旋支和前室間支的交叉點(diǎn)(LMb)，左旋 支上離根部5mm的血管點(diǎn)(LCX5)，前室間支上離根部5mm的血管點(diǎn)(LAD5)四個(gè)點(diǎn)分別在方 向后前(Posterior-Anterior)，下上(Inferior-Superior)，禾口左右(Left-Right)上一個(gè) 心動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)曲線；表1是圖11中四個(gè)特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移；表2是文獻(xiàn)中被選取四個(gè)對(duì)應(yīng)于表1的特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移；圖12是冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型更新流程圖；圖13 (a)是個(gè)體A重建的三維血管樹結(jié)構(gòu)圖；圖13 (b)是個(gè)體B重建的三維血管樹結(jié)構(gòu)圖；圖13 (C)是個(gè)體C重建的三維血管樹結(jié)構(gòu)圖；圖13 (d)是個(gè)體D重建的三維血管樹結(jié)構(gòu)圖；圖13 (e)是冠狀動(dòng)脈血管模型三維結(jié)構(gòu)圖；圖14(a)是個(gè)體A與模型的三維融合圖；圖14(b)是在圖13(a)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行細(xì)節(jié)補(bǔ)充，其中紅色血管段即為添加血管。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法通過(guò)同時(shí)考慮心臟的法向和切向的運(yùn)動(dòng)，在建立心臟模型的基礎(chǔ)上構(gòu) 建冠狀動(dòng)脈血管模型，并利用不同個(gè)體的單臂X射線造影圖像數(shù)據(jù)，重建個(gè)體冠狀動(dòng)脈血 管的三維樹，然后將重建后的結(jié)構(gòu)與冠狀動(dòng)脈血管模型作差異比較，若拓?fù)洳町愝^大，則構(gòu) 建新的具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型，反之，則對(duì)兩者進(jìn)行融合，以獲得更具一般性的冠 狀動(dòng)脈血管模型。心臟的運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的，根據(jù)醫(yī)學(xué)觀察和生物醫(yī)學(xué)工程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，室壁 運(yùn)動(dòng)由心肌的內(nèi)向收縮運(yùn)動(dòng)、心臟的水平移動(dòng)及心臟繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)三種主要運(yùn)動(dòng)方式組成， 此外還有局部扭轉(zhuǎn)、局部伸展等局部運(yùn)動(dòng)。由于心臟的水平移動(dòng)不會(huì)造成心臟的形變，同時(shí) 其運(yùn)動(dòng)也較小，這里暫對(duì)其不予考慮。在建立心臟三維動(dòng)態(tài)模型時(shí)，我們主要考慮心臟的收 縮與旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)。冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型(即冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型)加入半徑信息 構(gòu)成冠狀動(dòng)脈血管三維靜態(tài)模型；冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型加入運(yùn)動(dòng)信息后構(gòu)成冠 狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型(即冠狀動(dòng)脈血管中軸的周期運(yùn)動(dòng)模型)，在冠狀動(dòng)脈血管 中軸三維動(dòng)態(tài)模型加入半徑信息構(gòu)成冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型，上述各類關(guān)于冠狀動(dòng)脈血管的模型統(tǒng)稱為冠狀動(dòng)脈血管模型。在建模前我們先對(duì)心臟的運(yùn)動(dòng)做如下合理假設(shè)①由于心臟的心底部分與大血管相連，因此可將心底看作是固定的；②左右心房和左右心室的運(yùn)動(dòng)分別同步；③心房與心室之間的運(yùn)動(dòng)不會(huì)互相影響；④心包隨著腔室運(yùn)動(dòng)；⑤忽略心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)對(duì)心臟腔室的影響；⑥將心壁上心肌的方向取為心壁中間心肌的方向，即沿著心壁圓周方向；⑦心臟腔室和心包表面上的各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)由法向和切向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成；⑧設(shè)心動(dòng)周期為0. 8秒，分別按下述八個(gè)時(shí)間點(diǎn)0，0. 1 s，0. 15s，0. 25s，0. 40s， 0. 47s, 0. 58s, 0. 8s (記為te，e e
)將心動(dòng)周期分為7個(gè)時(shí)間段，并合理假定每一時(shí)間 段內(nèi)心臟腔室和心包都近似為線性運(yùn)動(dòng)。其中，①、③和⑦是在CN101301207A的基礎(chǔ)上，針對(duì)于心臟切向運(yùn)動(dòng)的添加而提 出的。根據(jù)心臟運(yùn)動(dòng)的生理特性，我們把心動(dòng)周期分為七個(gè)時(shí)間段，分析每個(gè)心動(dòng)周期 中各個(gè)時(shí)間段的腔室壓力和容積變化。圖5為心動(dòng)周期各時(shí)期壓力變化和心室容積變化 圖，其中Cl表示心房收縮，C2表示等容收縮期，C3表示快速射血，C4表示緩慢射血期，C5表 示舒張前期，C6表示等容舒張期，C7表示快速充盈相，C8表示緩慢充盈相，C9表示主動(dòng)脈 壓力，ClO表示心室容積，Cll表示心房壓力，C12表示心室壓力，C13表示心電圖。圖6是 我們將左心室的容積變化線性化的結(jié)果。本發(fā)明方法通過(guò)人體心臟切片建立心臟三維靜態(tài)模型與冠狀動(dòng)脈血管模型，然后 根據(jù)心臟上每個(gè)點(diǎn)的法向和切向的運(yùn)動(dòng)來(lái)建立心臟運(yùn)動(dòng)模型，并根據(jù)冠狀動(dòng)脈血管與心臟 的附著關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)的冠狀動(dòng)脈血管模型。同時(shí)，本發(fā)明還根據(jù)從實(shí)際的X射線造影圖中 重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹補(bǔ)充或建立新的具有個(gè)體特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型。以下結(jié)合附圖，并以左冠狀動(dòng)脈血管為例對(duì)本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程作進(jìn)一步說(shuō) 明如圖1所示，本發(fā)明方法包括以下幾個(gè)步驟(1)建立心臟三維靜態(tài)模型通過(guò)對(duì)提取的每層心臟切片輪廓采樣，獲取心臟表面的三維采樣點(diǎn)，再利用B樣 條對(duì)這些采樣點(diǎn)進(jìn)行曲面擬合，建立心臟三維靜態(tài)模型，包括腔室靜態(tài)模型和心包靜態(tài)模 型。圖3是將心臟腔室與表面合在一起構(gòu)成心臟的三維靜態(tài)模型。最外面的輪廓是心 包，區(qū)域Bl是左心室，區(qū)域B2是右心室，區(qū)域B4是左心房，區(qū)域B3是右心房。圖4是通過(guò) 改變控制點(diǎn)的位置模擬的具有個(gè)體特異性的心臟。(2)構(gòu)建腔室動(dòng)態(tài)模型基于前面的假設(shè)和近似，動(dòng)態(tài)心臟建模的大體步驟可以分為三步首先在腔室靜 態(tài)模型基礎(chǔ)上建立腔室動(dòng)態(tài)模型，接著利用腔室動(dòng)態(tài)模型和心包靜態(tài)模型建立心包動(dòng)態(tài)模 型，最后將它們組合在一起構(gòu)成心臟三維動(dòng)態(tài)模型。由于在建立腔室動(dòng)態(tài)模型的過(guò)程中會(huì) 考慮到了相鄰腔室之間的作用，因此不會(huì)出現(xiàn)組合在一起發(fā)生沖突的情況。最后可將心臟三維動(dòng)態(tài)模型用可視化工具(VTK)進(jìn)行顯示。腔室上的各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)由法向和切向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成，即= + ，其中 表示腔室上的任意一點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)矢量，表示該點(diǎn)的法向運(yùn)動(dòng)矢量，表示該點(diǎn)
的切向運(yùn)動(dòng)矢量，t表示時(shí)間。下面分別講述這兩種運(yùn)動(dòng)矢量的求取方法(a)法向運(yùn)動(dòng)矢量 (0的求取對(duì)于法向的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向就是腔室表面上的點(diǎn)的法線方向，當(dāng)腔室收縮時(shí)，沿 法線反方向向里運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其舒張時(shí)，沿法線方向向外運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)大小是通過(guò)腔室體積的變 化推導(dǎo)得到的腔室的形變，即廠⑴，這里V⑴表示時(shí)間t時(shí)腔室的體積，rv(t)表示 腔室在法向方向的形變。具體步驟為1)在時(shí)間t時(shí)，根據(jù)曲線V (t)求出相對(duì)于時(shí)間tpM的體積變化AV，tpM表示原始 的心臟三維靜態(tài)模型在心動(dòng)周期中對(duì)應(yīng)的時(shí)間，tpre在、與t7之間取值。2)計(jì)算tpM時(shí)左心室表面(不包括腔室連接處)的曲面面積S。所謂的腔室連接 處就是房室瓣和室間隔這些地方。3)計(jì)算從時(shí)間tpre到t時(shí)每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的沿著該點(diǎn)法線方向的位移量為d = AV/ S04)對(duì)曲面上(不包括腔室連接處)的每一個(gè)取樣AP1，計(jì)算在點(diǎn)P1處的曲面法線 方向巧，那么，JL^則為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間t下的法向運(yùn)動(dòng)矢量;⑴。在左心室中，時(shí)間t時(shí)每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的沿著該點(diǎn)法線方向的位移量d可通過(guò)如下公 式計(jì)算得出 d
2\0t/S{t), 0,
470(0.15-0/5(0, 460
ieOoO
e
3 0
■(0.25-/)
、^^ Λ.
G
^M5)
4600
11 150
ΤΓ
( -0.47)/5(0,
e
( -0.58)/5(0
e [認(rèn))式中，S (t)為時(shí)間t時(shí)左心室表面(不包括腔室連接處)的曲面面積。(b)切向運(yùn)動(dòng)矢量G(Z)的求取對(duì)于切向的運(yùn)動(dòng)，它是繞著心臟的中心軸(實(shí)際建模中，一般可看作為左心室軸) 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。設(shè)心臟的中心軸為1，它的確定可通過(guò)以下幾步實(shí)現(xiàn)1)在已構(gòu)建好的左心室靜態(tài)模型上找到心尖處中心點(diǎn)A，并計(jì)算出左心室靜態(tài)模 型的體心B，連接A、B,做@的延長(zhǎng)線，令其與左心室腔室壁的交點(diǎn)為C，則獲得心臟的中心 軸1的初始值矢量冗；2)在線段AC上等間隔取k個(gè)點(diǎn)，k為大于等于3的正整數(shù)，經(jīng)過(guò)這k個(gè)點(diǎn)做k個(gè)垂直于^的垂面，然后找到每個(gè)垂面中包含的左心室腔室壁點(diǎn)，記為Pi (Pi是k個(gè)垂面中的任
意一個(gè)垂面與左心室腔室壁相交處的任意一個(gè)點(diǎn)，i是腔室壁點(diǎn)的序號(hào))，再分別計(jì)算出點(diǎn)
Pi與線段AC上對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)的距離，記為L(zhǎng)i,并求出Li的方差Oj (j是垂面的序號(hào)，j e [1，
k
k])，最后獲得所有面的方差和；
y=i3)固定心尖點(diǎn)A，移動(dòng)點(diǎn)B至B'，且要求@與^的夾角在ο到f之間，再做I
的延長(zhǎng)線，令其與腔室壁的交點(diǎn)為C'，即獲得矢量f，那么同理，經(jīng)2)中的運(yùn)算，求出任 意B'相對(duì)應(yīng)的方差和E'；4)當(dāng)方差和取最小值，即Emin = MIN(E, E')時(shí)，Emin對(duì)應(yīng)的中心軸即為心臟的中 心軸1。心臟的中心軸1確定后，心臟上某點(diǎn)P的旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間t的變化為θ (t) (其旋轉(zhuǎn)角度都是以舒張末期時(shí)點(diǎn)的位置作為參考)。則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之后點(diǎn)P的位置為 δ戸= (的，其中P'表示旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)，R1(Q)表示以1為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角度為θ的旋 轉(zhuǎn)矩陣，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算札(θ)=札―ZRZ( θ Ζ,其中R1I表示將直線1變到Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rz( θ )表示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)θ角度 的旋轉(zhuǎn)矩陣，那么切向運(yùn)動(dòng)矢量G⑴=頂-W。根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)心臟切向運(yùn)動(dòng)的生理研究，從心底到心包，心臟上的各點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)大小都不一樣。假設(shè)在心臟收縮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中從心底到心尖各點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度是線性變化 的，參考文獻(xiàn)中的結(jié)果可以得到心尖和心底這兩部分的冠狀動(dòng)脈血管各點(diǎn)在整個(gè)心臟運(yùn)動(dòng) 周期中每個(gè)時(shí)間段的旋轉(zhuǎn)角度，然后通過(guò)線性插值得到心臟上每一個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度。文獻(xiàn) 中心臟心底和心尖部分的旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示。根據(jù)公式萬(wàn)⑴⑴+ 得到腔室上的任意一點(diǎn)在心動(dòng)周期八個(gè)時(shí)間點(diǎn)的整體 運(yùn)動(dòng)矢量萬(wàn)仄)(e為0到7間的整數(shù))，利用各點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)矢量，獲得對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)、 下的各點(diǎn)新位置，即得到、時(shí)的腔室靜態(tài)模型，那么，將時(shí)間點(diǎn)、到時(shí)間點(diǎn)t7的腔室靜態(tài) 模型采用線性關(guān)系連接起來(lái)，從而得到腔室動(dòng)態(tài)模型。(3)構(gòu)建心包動(dòng)態(tài)模型心包的建模是基于腔室動(dòng)態(tài)模型和心肌收縮模型，其中，心肌收縮模型我們定義 為，在收縮過(guò)程中心肌體積保持不變。令心臟在收縮前、后的體積為V1和V2，H1和H2是心 肌收縮前、后在心包和腔室之間的厚度，L'工和！^' 2是心臟在收縮前、后的心肌纖維長(zhǎng)度。 根據(jù)之前的假設(shè)，我們可以得到下列公式 L' !^2=L' 2H22
V1 Ll —
H2
Λ
V2 Lt 構(gòu)建心包動(dòng)態(tài)模型的具體步驟如下
12
(3. 1)從時(shí)間tp,e開始。tp,e表示原始的心臟三維靜態(tài)模型在心動(dòng)周期中對(duì)應(yīng)的時(shí) 間，tpre在、與〖7之間取值。(3. 2)對(duì)心包上的每一個(gè)取樣點(diǎn)P2，計(jì)算在這一點(diǎn)的法線；ζ，找到法線ζ與腔室的 交叉點(diǎn)Q。(3. 3)在時(shí)間t = te時(shí)，根據(jù)腔室動(dòng)態(tài)建模中求取法向運(yùn)動(dòng)矢量和切向運(yùn)動(dòng)矢量 的方法得到交叉點(diǎn)Q的法向運(yùn)動(dòng)矢量J (與交叉點(diǎn)Q的法向運(yùn)動(dòng)矢量P(X)相同)以及該時(shí) 刻下的旋轉(zhuǎn)角度θ (te)，te表示心動(dòng)周期八個(gè)時(shí)間點(diǎn)中的任何一個(gè)，e e
。(3.4)根據(jù)心包和腔室之間的心肌層厚度計(jì)算心臟壁的厚度H= IP2Q |，然后得
到新的心臟壁厚度
，其中，\為時(shí)間點(diǎn)、時(shí)的心臟體積，Vpm為時(shí)間tpre時(shí)的
心臟體積。(3.5)
其中13' 2 為形變之后的取樣
點(diǎn)P2的新位置，O為模型所處坐標(biāo)系的原點(diǎn)，R1O (te))表示以1為心臟旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角度 為θ (te)的旋轉(zhuǎn)矩陣，θ (te)為時(shí)間點(diǎn)、時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度。(3. 6)根據(jù)新的取樣點(diǎn)構(gòu)建心包模型，保存該心包模型及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)、。(3. 7)移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)、+1，重復(fù)步驟(3. 2)到步驟(3. 6)，直到一個(gè)心動(dòng)周期結(jié)束。(3. 8)假定相鄰時(shí)間點(diǎn)間的心包上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為線性運(yùn)動(dòng)，將對(duì)應(yīng)于選取時(shí)間點(diǎn) te的心包模型連接起來(lái)，構(gòu)成心包動(dòng)態(tài)模型。心臟的動(dòng)態(tài)模型是由一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)一組不同時(shí)刻的三維模型構(gòu)成的。在上面的 假設(shè)中我們將心動(dòng)周期分成了 7段，并假設(shè)每段里的心臟近似為線性運(yùn)動(dòng)。由于我們的原 始數(shù)據(jù)是人體的解剖數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)資料關(guān)于心臟停止跳動(dòng)后的生理特性以及心臟三維靜 態(tài)模型中計(jì)算出來(lái)的體積大小推測(cè)前面所建立的原始靜態(tài)模型處于心房收縮期。利用步驟 (2)和(3)得到的腔室動(dòng)態(tài)模型和心包動(dòng)態(tài)模型，先建立八個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)三維模型。這八 個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著動(dòng)態(tài)模型的、到t7的八個(gè)時(shí)間點(diǎn)。這里需要注意一點(diǎn)的就是相鄰時(shí) 間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔并不是相等的，而是根據(jù)實(shí)際心動(dòng)周期的時(shí)相來(lái)確定的。設(shè)置一個(gè)定 時(shí)器，來(lái)響應(yīng)不同時(shí)刻的心臟模型數(shù)據(jù)，可以把動(dòng)態(tài)心臟在可視化工具(VTK)中顯示出來(lái)。 然后用線性變化來(lái)描述八個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)三維模型之間的過(guò)渡過(guò)程，這樣就構(gòu)成了心臟整 個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，得到心臟三維動(dòng)態(tài)模型。圖8是我們將建立的周期包含7個(gè)階段的心臟動(dòng)態(tài)模型用VTK顯示的結(jié)果，每幅 子圖各為每個(gè)階段的一個(gè)實(shí)例。(4)建立冠狀動(dòng)脈血管三維靜態(tài)模型建立冠狀動(dòng)脈三維靜態(tài)模型是為了建立冠狀動(dòng)脈的三維運(yùn)動(dòng)模型，其步驟是(4. 1)提取冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓；根據(jù)解剖學(xué)的知識(shí)和人體橫斷解剖的圖片，在每幅原始圖片中分出冠狀動(dòng)脈血 管。圖9是原始心臟切片圖像及其冠狀動(dòng)脈血管提取結(jié)果對(duì)比圖。(4. 2)提取冠狀動(dòng)脈血管的中軸點(diǎn)與半徑；建立冠狀動(dòng)脈血管模型要先提取冠狀動(dòng)脈血管的中軸點(diǎn)和半徑兩個(gè)信息。中軸點(diǎn)為冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓的形心，同時(shí)假設(shè)冠狀動(dòng)脈血管為圓形，冠狀動(dòng)脈血管的半徑為 輪廓的內(nèi)切圓半徑。(4. 3)重建冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型把步驟(4. 2)提取的冠狀動(dòng)脈血管各個(gè) 分支的中軸點(diǎn)用B樣條曲線進(jìn)行擬合得到冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型，即初始時(shí)刻下的冠 狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型。(4. 4)構(gòu)建帶半徑的冠狀動(dòng)脈血管三維模型在所述的冠狀動(dòng)脈的三維骨架模型 上使用廣義圓柱(GC)模型加入半徑信息，建立帶半徑的冠狀動(dòng)脈血管三維模型，即冠狀動(dòng) 脈血管三維靜態(tài)模型。(5)建立冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn)動(dòng)是由心臟的運(yùn)動(dòng)引起的，它與心臟一樣進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)。假 設(shè)冠狀動(dòng)脈血管保持管狀，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中半徑不發(fā)生變化。將冠狀動(dòng)脈血管動(dòng)態(tài)建模分成 下述兩步(5. 1)建立冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型；在冠狀動(dòng)脈血管中軸上面取等間隔的點(diǎn)作為冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)，由于冠狀動(dòng)脈 血管附著于心包表面，因此，可按照心包運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即將心包上距離某上述取樣點(diǎn)最近的 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)作為該取樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，以獲得冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)在不同時(shí)間的新位置。根據(jù)心 臟生理學(xué)知識(shí)，心動(dòng)周期分為7個(gè)階段，合理地假設(shè)這些取樣點(diǎn)在這7個(gè)階段里分別近似為 線性運(yùn)動(dòng)。對(duì)冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)通過(guò)分別建立這7個(gè)階段內(nèi)的動(dòng)態(tài)模型，得到它們?cè)谡?個(gè)心動(dòng)周期的的動(dòng)態(tài)模型。然后對(duì)這些取樣點(diǎn)在同一時(shí)刻的位置進(jìn)行B樣條曲線擬合得到 對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，一個(gè)周期中所有時(shí)刻的冠狀動(dòng)脈血管 中軸三維靜態(tài)模型就組成了冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型。圖10是建立的一組對(duì)應(yīng)七 個(gè)階段的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型。(5. 2)在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型上加半徑信息這里同樣通過(guò)GC模型在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型上加入半徑信息，得到 冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型。為了對(duì)冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型的運(yùn)動(dòng)作進(jìn)一步分析，可以對(duì)冠狀動(dòng)脈血管三 維動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其方法為在左冠狀動(dòng)脈血管模型上選取4個(gè)點(diǎn)左冠狀動(dòng)脈主支的根節(jié)點(diǎn)(LM0)，左 旋支和前室間支的交叉點(diǎn)(LMb)，左旋支上離根部5mm的血管點(diǎn)(LCX5)，前室間支上 離根部5mm的血管點(diǎn)(LAD5)，在生理坐標(biāo)系下的后前(Posterior-Anterior)，下上 (Inferior-Superior)，和左右(Left-Right)三個(gè)方向分析其在一個(gè)心動(dòng)周期中的運(yùn)動(dòng)， 并與文獻(xiàn)中相應(yīng)四點(diǎn)在這三個(gè)方向的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖11所示分別為動(dòng)態(tài)的左冠狀動(dòng)脈血管模型驗(yàn)證中這四個(gè)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn) 動(dòng)曲線，表1中所示為模型中這些點(diǎn)在三個(gè)方向上以及三維空間中的最大位移，表2中所示 為文獻(xiàn)中的結(jié)果，該結(jié)果是通過(guò)對(duì)10個(gè)病人的雙臂X射線造影圖序列進(jìn)行標(biāo)記后提取獲得 的，具有較高的可信度。由兩表中數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，該左冠狀動(dòng)脈血管模型上血管點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與文獻(xiàn)中 標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一致的。除了在下上方向的位移較文獻(xiàn)結(jié)果略大些外，其余數(shù)據(jù)值均落在 它們相應(yīng)的置信區(qū)間內(nèi)。因此，總體上來(lái)說(shuō)，該左冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)模型是可接受的，它符合左冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。(6)利用從不同個(gè)體的單臂X射線造影圖像重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹，補(bǔ) 充和更新冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型。冠狀動(dòng)脈血管既存在共性也存在個(gè)體差異性，我們可以根據(jù)不同個(gè)體的共性按照 上面的方法建立動(dòng)態(tài)的冠狀動(dòng)脈血管模型，但是由于每個(gè)個(gè)體還是存在一定的差異性，也 需要建立一些具有個(gè)體特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型，因此可以通過(guò)對(duì)從實(shí)際的單臂X射線 造影圖像重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的分析，當(dāng)三維冠狀動(dòng)脈血管樹表現(xiàn)出的個(gè)體特 異性較大時(shí)，可作為具有個(gè)體特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型。在重建出三維冠狀動(dòng)脈血管樹后，將三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管模型進(jìn) 行差異比較，若差異較大，則構(gòu)建新的具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型，反之，則對(duì)兩者進(jìn) 行融合，以獲得更具一般性的冠狀動(dòng)脈血管模型，并補(bǔ)充冠狀動(dòng)脈血管模型中不存在的血 管。具體按照如下步驟進(jìn)行(6. 1)利用單臂X射線造影圖像，構(gòu)建造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系下的不同個(gè)體的 三維冠狀動(dòng)脈血管樹；在重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹中找到與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維 靜態(tài)模型中血管對(duì)應(yīng)的血管段為參考血管段。由于在用模型指導(dǎo)造影圖中冠狀動(dòng)脈血管標(biāo) 記時(shí)得到過(guò)造影圖中冠狀動(dòng)脈血管與模型中冠狀動(dòng)脈血管的對(duì)應(yīng)關(guān)系，三維冠狀動(dòng)脈血管 中軸三維靜態(tài)模型上的血管段與重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹上血管段的對(duì)應(yīng)關(guān)系也 因此可以確定；(6. 2)對(duì)重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹進(jìn)行空間變換(包括旋轉(zhuǎn)、平移)，計(jì)算變換 后的參考血管段與其在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中的對(duì)應(yīng)血管段的平均距離，當(dāng)該 距離最小時(shí)得到最佳變換矩陣；(6. 3)將重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的坐標(biāo)矢量角(該參數(shù)與左冠狀動(dòng)脈樹中左 旋支和前室間支的交叉點(diǎn)LMb或者右冠狀動(dòng)脈樹中銳緣支和后降支的交叉點(diǎn)RMb相關(guān)，反 映了在生理坐標(biāo)系中左冠狀動(dòng)脈樹或者右冠狀動(dòng)脈樹相對(duì)于心臟的分布情況，)以及上步 計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)血管段的平均距離作為差異性判據(jù)。上述坐標(biāo)矢量角門限和平均距離門限的獲取過(guò)程如下(6. 3. 1)利用最佳變換矩陣，將冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型歸一化到造影系 統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系下，分別計(jì)算冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型和重建的三維冠狀動(dòng)脈血 管樹在此坐標(biāo)系下的LMb或RMb，記為M，Ig，其中，點(diǎn)M為冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型 LMb或RMb，點(diǎn)Ig為不同個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的LMb或RMb，g為不同個(gè)體對(duì)應(yīng) 的編號(hào)；(6. 3. 2)記造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系的原點(diǎn)為O1，計(jì)算矢量@與矢量@的夾角 〈^？，^^，即坐標(biāo)矢量角，然后求和取平均，即玄^^，^^“，結(jié)果則作為坐標(biāo)矢量 角門限、，??！是不同個(gè)體的個(gè)數(shù)；(6. 3. 3)計(jì)算不同個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài) 模型間對(duì)應(yīng)血管段的平均距離，然后求和再取平均，那么，再取平均所得到的結(jié)果即為平均 距離門限h2；在實(shí)際操作中，坐標(biāo)矢量角門限Ii1可以取值為11. 1°，平均距離h2可以取值為
(6.4)差異較大，也就是當(dāng)求得的坐標(biāo)矢量角大于坐標(biāo)矢量角門限Ii1，或距離大于 平均距離門限h2時(shí)，則將該個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹作為具有特異性的冠狀動(dòng)脈血 管中軸三維靜態(tài)模型；差異不大時(shí)，即滿足求得的坐標(biāo)矢量角小于坐標(biāo)矢量角門限Ii1，且距 離小于平均距離門限h2，則將重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模 型進(jìn)行融合，得到更加通用化的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，其過(guò)程如下(6. 4. 1)將通過(guò)最佳變換矩陣變換后的參考血管段與其在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維 靜態(tài)模型中的對(duì)應(yīng)血管段以相同數(shù)目進(jìn)行等間隔取樣，并使這些取樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，將對(duì)應(yīng) 點(diǎn)對(duì)的坐標(biāo)取平均得到一系列新的取樣點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行B樣條曲線擬合得到新的冠狀動(dòng) 脈血管中軸三維靜態(tài)模型；(6. 4. 2)對(duì)冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)出現(xiàn)冠狀動(dòng)脈血管 中軸三維靜態(tài)模型中不存在的血管結(jié)構(gòu)時(shí)，如果它在對(duì)不同個(gè)體的單臂X射線造影圖進(jìn)行 重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹中都存在，則將它添加到冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中。 在添加的過(guò)程中，保持血管的相對(duì)走向不變，將整段血管連接到融合后的新冠狀動(dòng)脈血管 中軸三維靜態(tài)模型上，從而對(duì)冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行補(bǔ)充。(6. 5)在步驟(6. 4)得到的具有特異性或通用化的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模 型中加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到相應(yīng)的具有特異性或通用化的冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài) 模型。圖12為冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型更新的流程圖；利用最佳變換矩陣將冠狀動(dòng)脈血管模型歸一化到造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系后，計(jì) 算重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的坐標(biāo)矢量角，當(dāng)坐標(biāo)矢量角大于坐標(biāo)矢量角門限h，或平 均距離大于平均距離門限h2時(shí)，則將該個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹作為具有特異性的 冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到冠狀動(dòng)脈血管三 維動(dòng)態(tài)模型；當(dāng)坐標(biāo)矢量角小于坐標(biāo)矢量角門限Ii1，且平均距離小于平均距離門限h2，則將 重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行融合，得到更加通用化 的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到冠狀動(dòng)脈血管 三維動(dòng)態(tài)模型。通過(guò)四個(gè)不同個(gè)體(分別記為A、B、C和D)重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀 動(dòng)脈血管模型的分析，發(fā)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈血管模型與個(gè)體A和C重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹基 本的較大尺度的較高級(jí)別結(jié)構(gòu)很相似，只是重建得到的血管結(jié)構(gòu)分支即較小尺度較低級(jí)別 的結(jié)構(gòu)比冠狀動(dòng)脈血管模型中要多，因此可以通過(guò)重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹對(duì)冠狀動(dòng)脈 血管模型進(jìn)行補(bǔ)充。另外，個(gè)體B重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管模型相 差較大，表現(xiàn)在左旋支較短，且分支較少，而由個(gè)體D重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹則顯示該 個(gè)體的心包很狹窄，因而可以分別將C、D分別作為新的具有個(gè)體特異性的冠狀動(dòng)脈血管模 型，加入到模型庫(kù)中。圖13中分別為個(gè)體A，B，C，D重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹及冠狀動(dòng)脈血管模型三 維結(jié)構(gòu)圖。圖14中分別為個(gè)體A與冠狀動(dòng)脈血管模型的融合圖及其細(xì)節(jié)補(bǔ)充圖(虛線血管 即為添加血管)。
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以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是在不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明 保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步建立冠狀動(dòng)脈血管三維靜態(tài)模型，其過(guò)程為(1.1)提取冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓；(1.2)提取冠狀動(dòng)脈血管的中軸點(diǎn)與半徑，中軸點(diǎn)為冠狀動(dòng)脈血管切片輪廓的形心，同時(shí)假設(shè)冠狀動(dòng)脈為圓形，冠狀動(dòng)脈血管的半徑為輪廓的內(nèi)切圓半徑；(1.3)重建冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型把步驟(1.2)提取的冠狀動(dòng)脈血管各個(gè)分支的中軸點(diǎn)用B樣條曲線進(jìn)行擬合得到冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型，即初始時(shí)刻下的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型；(1.4)構(gòu)建帶半徑的冠狀動(dòng)脈三維模型在所述的冠狀動(dòng)脈血管三維骨架模型上使用廣義圓柱模型加入半徑信息，建立帶半徑的冠狀動(dòng)脈三維模型，即冠狀動(dòng)脈血管三維靜態(tài)模型；第2步建立冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型，其過(guò)程為(2.1)建立冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型利用冠狀動(dòng)脈血管與心包的附著關(guān)系，將心包動(dòng)態(tài)模型的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn)動(dòng)信息，該運(yùn)動(dòng)信息包括法向運(yùn)動(dòng)矢量和切向運(yùn)動(dòng)矢量；在冠狀動(dòng)脈血管中軸取等間隔的點(diǎn)作為冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)，在冠狀動(dòng)脈血管取樣點(diǎn)上添加冠狀動(dòng)脈血管的運(yùn)動(dòng)信息，以建立心動(dòng)周期的七個(gè)階段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型，得到它們?cè)谡麄€(gè)心臟周期的運(yùn)動(dòng)模型；然后對(duì)這些取樣點(diǎn)在同一時(shí)刻的位置進(jìn)行B樣條曲線擬合得到對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，一個(gè)周期中所有時(shí)刻的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型組成冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型；(2.2)在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維動(dòng)態(tài)模型上加半徑信息，得到冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型；第3步利用從不同個(gè)體的單臂X射線造影圖像重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹，補(bǔ)充和更新冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型，其過(guò)程為(3.1)利用單臂X射線造影圖像，構(gòu)建造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系下的不同個(gè)體的三維冠狀動(dòng)脈血管樹；在重建得到的三維冠狀動(dòng)脈血管樹中找到與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中血管對(duì)應(yīng)的血管段為參考血管段；(3.2)對(duì)重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹進(jìn)行空間變換，計(jì)算變換后的參考血管段與其在冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中的對(duì)應(yīng)血管段的平均距離，當(dāng)該距離最小時(shí)得到最佳變換矩陣；(3.3)利用最佳變換矩陣將冠狀動(dòng)脈血管模型歸一化到造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系后，計(jì)算重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的坐標(biāo)矢量角，當(dāng)坐標(biāo)矢量角大于坐標(biāo)矢量角門限h1，或平均距離大于平均距離門限h2時(shí)，則將該個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹作為具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型；當(dāng)坐標(biāo)矢量角小于坐標(biāo)矢量角門限h1，且平均距離小于平均距離門限h2，則將重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行融合，得到更加通用化的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型，然后再加入半徑信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到更加通用化的冠狀動(dòng)脈血管三維動(dòng)態(tài)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于，步驟(2.1)中按照下述過(guò)程建立心包動(dòng)態(tài)模型(2. 1. 1)從時(shí)間tpM開始；tpre表示步驟⑴中得到的原始的心臟三維靜態(tài)模型在心動(dòng) 周期中對(duì)應(yīng)的時(shí)間；(2. 1. 2)對(duì)心包的每一個(gè)取樣點(diǎn)P2,計(jì)算在這一點(diǎn)的法線5，找到法線ζ與腔室的交叉 點(diǎn)Q;(2. 1. 3)在時(shí)間t =、時(shí)，在腔室動(dòng)態(tài)模型中求取交叉點(diǎn)Q在時(shí)間點(diǎn)、的法向運(yùn)動(dòng)矢量 ，以及時(shí)間點(diǎn)te時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度θ (、)，、表示心動(dòng)周期八個(gè)時(shí)間點(diǎn)中的任何一個(gè)，e e
；(2. 1. 4)根據(jù)心包和腔室之間的心肌層厚度計(jì)算心臟壁的厚度H = IP2Ql，然后得到新 的心臟壁厚度= ^(’)"6，其中，Ve為時(shí)間點(diǎn)時(shí)的心臟體積，Vpre為時(shí)間tpre時(shí)的心pre臟體積；(2. 1. 5)令^7 = (W2+ Cs^2 + Η-Η')\\)*R1 (0(te))，其中P‘ 2為形變之后的取樣點(diǎn)P2的新位置，0為模型所處坐標(biāo)系的原點(diǎn)，Rx(e (te))表示以1為心臟旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角度為 θ (te)的旋轉(zhuǎn)矩陣，θ (te)為時(shí)間點(diǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度；(2. 1.6)以取樣點(diǎn)&的新位置作為新的取樣點(diǎn)，構(gòu)建心包模型，保存該心包模型及其對(duì) 應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)te ；(2. 1. 7)移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)te+1，重復(fù)步驟(3. 2)到步驟(3. 6)，直到一個(gè)心臟周期結(jié)束；(2. 1.8)假定相鄰時(shí)間點(diǎn)間的心包上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為線性運(yùn)動(dòng)，將對(duì)應(yīng)于選取時(shí)間點(diǎn)te 的心包模型連接起來(lái)，構(gòu)成心包動(dòng)態(tài)模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于，步驟 (2. 1. 3)中腔室動(dòng)態(tài)模型的建立過(guò)程為(Al)求取腔室上的各點(diǎn)的法向運(yùn)動(dòng)矢量;和切向運(yùn)動(dòng)矢量;^r)； (A2)根據(jù)公式5(0 =得到腔室上的任意一點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)矢量δω，禾U用各點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)矢量得到腔室動(dòng)態(tài)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于，步驟(2.1) 按照下述過(guò)程求取法向運(yùn)動(dòng)矢量;(Bi)在時(shí)間t時(shí)，計(jì)算腔室在時(shí)間t相對(duì)于時(shí)間tpM的體積變化Δ V, tpre表示原始心 臟三維靜態(tài)模型在心動(dòng)周期中對(duì)應(yīng)的時(shí)間；(B2)計(jì)算不包括腔室連接處在內(nèi)的左心室表面的曲面面積S ； (B3)計(jì)算從時(shí)間tpre到t后每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的沿著該點(diǎn)法線方向的位移量為d = Δν/S ； (B4)對(duì)不包括腔室連接處在內(nèi)的左心室表面上的每一個(gè)取樣點(diǎn)P1,計(jì)算在點(diǎn)P1處的曲 面法線方向g ； /氏則為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間t下的法向運(yùn)動(dòng)矢量;⑴。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于，步驟(2.1) 按照下述過(guò)程求取切向運(yùn)動(dòng)矢量;^i)(Cl)在左心室靜態(tài)模型上找到心尖處中心點(diǎn)A，并計(jì)算出左心室靜態(tài)模型的體心B，連接A、B，做@的延長(zhǎng)線，令其與左心室腔室壁的交點(diǎn)為C，則獲得心臟的中心軸1的初始值 矢量I;(C2)在線段AC上等間隔取k個(gè)點(diǎn)，k為大于等于3的正整數(shù)，經(jīng)過(guò)這k個(gè)點(diǎn)做k個(gè)垂直 于冗的垂面，然后找到每個(gè)垂面中包含的左心室腔室壁點(diǎn)，記為Pi, i是腔室壁點(diǎn)的序號(hào)， 再分別計(jì)算出點(diǎn)Pi與線段AC上對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)的距離，記為L(zhǎng)i,并求出Li的方差σ j是垂面的序號(hào)，j e [1，10，獲得所有垂面的方差和￡ = ；^。；；=1(C3)固定心尖點(diǎn)A，移動(dòng)點(diǎn)B至B'，且要求^與ι的夾角在0到*之間，再做@的延長(zhǎng)線，令其與腔室壁的交點(diǎn)為C'，即獲得矢量f，再利用步驟(B2)的方法計(jì)算出任意 B'相對(duì)應(yīng)的方差和E'；(C4)當(dāng)方差和取最小值，即Emin = MIN(E, E')時(shí)，Emin對(duì)應(yīng)的中心軸即為心臟的中心 軸1 ；(C 5)心臟的中心軸1確定后，心臟上任一點(diǎn)P的旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間t的變化 為θ (t)，設(shè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后的點(diǎn)置為P'，模型所處坐標(biāo)系的原點(diǎn)為0，點(diǎn)P'的位置為 δ戸代(的，，R1(Q)表示以1為旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)角度為θ的旋轉(zhuǎn)矩陣，切向運(yùn)動(dòng)矢量 _ = UP-^dF ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于， 第3. 3步中，坐標(biāo)矢量角門限Ii1和平均距離門限h2的獲取過(guò)程為(Dl)將冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型歸一化到造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系下，分別計(jì) 算冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型和重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹在此坐標(biāo)系下兩主支的 交叉點(diǎn)，記為M, Ig，其中，點(diǎn)M為左冠狀動(dòng)脈血管模型左旋支和前室間支的交叉點(diǎn)LMb，或者 為右冠狀動(dòng)脈血管模型銳緣支和后降支的交叉點(diǎn)RMb，點(diǎn)Ig為不同個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng) 脈血管樹的LMb或RMb，g為不同個(gè)體對(duì)應(yīng)的編號(hào)；(D2)記造影系統(tǒng)世界中心坐標(biāo)系的原點(diǎn)為O1，計(jì)算矢量 與矢量巧ζ的夾角〈^ ，^7^，即坐標(biāo)矢量角，然后求和取平均，即$〈^^，^0/"，結(jié)果則作為坐標(biāo)矢量角門限η是不同個(gè)體的個(gè)數(shù)；(D3)計(jì)算不同個(gè)體重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型間 對(duì)應(yīng)血管段的平均距離，然后求和再取平均，那么，再取平均所得到的結(jié)果即為平均距離門 限h2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，其特征在于， 第3. 3步中，重建的三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行融合的過(guò) 程如下(El)將通過(guò)最佳變換矩陣變換后的三維冠狀動(dòng)脈血管樹的參考血管段與其在冠狀動(dòng) 脈血管中軸三維靜態(tài)模型中的對(duì)應(yīng)血管段以相同數(shù)目進(jìn)行等間隔取樣，并使這些取樣點(diǎn) 一一對(duì)應(yīng)，將對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的坐標(biāo)取平均得到一系列新的取樣點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行B樣條曲線擬 合得到新的冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型；(E2)對(duì)冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)出現(xiàn)冠狀動(dòng)脈血管中軸三 維靜態(tài)模型中不存在的血管結(jié)構(gòu)時(shí)，如果它在對(duì)不同個(gè)體的單臂X射線造影圖進(jìn)行重建的 三維冠狀動(dòng)脈血管樹中都存在，則將它添加到冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型中；在添加 的過(guò)程中，保持血管的相對(duì)走向不變，將整段血管連接到融合后的新冠狀動(dòng)脈血管模型上， 從而對(duì)冠狀動(dòng)脈血管中軸三維靜態(tài)模型進(jìn)行補(bǔ)充。
全文摘要
人體冠狀動(dòng)脈血管的遞推建模方法，屬于數(shù)字圖像處理與醫(yī)學(xué)成像的交叉領(lǐng)域。本發(fā)明首先在由心臟切片圖像建立的心臟和冠狀動(dòng)脈血管靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮心臟的法向和切向的運(yùn)動(dòng)以建立它們的運(yùn)動(dòng)模型，然后進(jìn)一步將從實(shí)際單臂X射線造影圖像數(shù)據(jù)重建得到的個(gè)體三維冠狀動(dòng)脈血管樹與冠狀動(dòng)脈血管模型作差異比較，若拓?fù)洳町愝^大，則構(gòu)建新的特異性冠狀動(dòng)脈血管模型，反之，則對(duì)兩者進(jìn)行融合，以獲得更具一般性的冠狀動(dòng)脈血管模型。本發(fā)明可以通過(guò)遞推的方式不斷更新模型以得到一個(gè)更加接近人體生理實(shí)際的冠狀動(dòng)脈血管模型以及其他具有特異性的冠狀動(dòng)脈血管模型，為臨床治療或研究提供客觀的指導(dǎo)和參考。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101901498SQ200910273530
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者孫祥平, 張?zhí)煨? 曹治國(guó), 桑農(nóng), 王國(guó)鑄, 王芳, 肖晶, 鄧覲鵬, 黎云 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)