[發明專利]一種單臂X射線造影圖像的動態三維重建方法

有效

• 申請號: 200910273526.6
• 申請日: 2009-12-31
• 公開（公告）號: CN101799935A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 張天序;鄧覲鵬;孫祥平;肖晶;黎云;曹治國;桑農;王國鑄;王芳
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/20;A61B6/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于數字圖像處理與醫學成像的交叉領域，具體涉及一種單臂X射線造影圖像的三維重建方法。

背景技術

血管樹三維重建是通過不同視角的X射線二維投影圖像中相應的圖像信息恢復血管三維空間結構的過程。它與普通可見光圖像三維重建有很大不同。X射線成像是投射到人體的X射線經過人體中不同組織的衰減后在熒光屏上形成的圖像，每個像素點的值是由在X射線路徑上所有組織的衰減的疊加，背景復雜，而且噪聲很強，要從X射線造影圖重建得到三維心血管樹難度很大。

常見的X射線造影成像系統有單臂造影系統和雙臂造影系統兩種。由于雙臂系統保證了兩個不同角度的造影圖對在時間上的對應性，適合于進行冠脈血管的三維重建，以往的冠狀動脈三維重建方法大都是基于雙臂造影系統的重建。但由于雙臂造影系統占用空間大、成本高，目前臨床上大都采用單臂造影系統，通過旋轉造影臂得到對應于不同造影角度的造影圖或造影圖序列。單臂造影系統可以很方便對病人進行不同角度的造影，但是對于重建來說，它存在一個很大的缺陷，即無法得到對應于同一時刻的不同視角的造影圖。由于心臟不停地周期運動，而且還是非剛體運動，加上人體的呼吸運動，不同時刻的造影圖像中心臟和冠狀動脈的形態都發生了變化，還有造影劑到達時刻不同。在此情況下，要獲得較高的冠狀動脈血管三維重建精度將會十分困難。

為了解決單臂造影重建難題，我們提出了“動態重建”的概念。所謂動態的血管三維重建，就是指被選擇用來做血管三維重建的兩幅造影圖A和B對應于不同時刻。由于冠狀動脈血管的運動，造影圖A和B對應的冠狀動脈的空間三維形態會發生變化，實際上對應兩個不同的空間三維形態，此時對造影圖A和B的三維重建是一個不適定的問題，目前的靜態的血管三維重建方法就不適用了，需要發展新的動態的血管三維重建途徑。

目前國內外還沒有其他人明確地提出動態的血管三維重建這樣的概念，但是也有一些關于血管運動補償的研究，主要包括兩個方面：(1)通過二維圖像序列對序列中的某幀圖像進行運動補償。這類方法通常是通過光流或濾波的方法從造影圖序列提取血管的二維運動。Curwen利用卡爾曼濾波的方法結合蛇形(snake)模型進行血管運動的估計，Jolly通過光流計算的方法對造影圖序列中血管的運動進行估計，Rong將感興趣血管段用多線段表示，利用紋理信息在相鄰造影圖進行圖形搜索，估計血管二維運動信息并對其進行跟蹤補償。(2)利用從造影圖中提取的三維的心臟與呼吸運動模型進行補償。Shechter等人提出了一種方法從雙臂的X射線造影圖序列中獲得冠脈血管三維的運動，然后通過B樣條展開和最小二乘擬合的方法對冠脈三維運動進行分解得到獨立的心臟和呼吸運動的模型，并將模型用于同一個病人的其他角度的造影圖序列的心臟和呼吸運動補償。

上述補償算法對序列圖像進行處理然后估計得到血管的二維和三維運動，都是從圖像到圖像的單純的圖像處理，并沒有從冠狀動脈血管的三維運動模型出發來指導冠脈的動態的血管三維重建。從圖像來談圖像，并沒有從本質上解決動態的血管三維重建問題。同時，通過二維圖像序列進行運動補償的方法對成像序列的質量要求較高，這在實際中難以保證，而且也沒有考慮到呼吸運動補償的問題；而利用從造影圖中提取三維心臟與呼吸運動模型進行補償的方法雖然考慮了兩種補償方式，但是需要首先對病人進行雙臂造影，得到心臟與呼吸運動的模型，然后利用它來指導單臂造影的重建。由于X射線造影本身是一種介入性檢測手段，在實際情況中要盡量避免多次造影，而且這里還要分別用到雙臂和單臂兩種造影系統，因此在臨床上很難得到應用。

本發明是對前中國專利“動態模型指導下的血管造影三維重建方法”(ZL200810047853.5)的深化和擴展。上述專利僅考慮到心臟運動補償，補償方法簡單且過于依賴三維冠脈運動模型。其做法是直接以模型投影圖血管點的運動矢量作為造影圖對應點的補償矢量，因而沒有顧及到不同個體心臟運動的特異性。本發明所提出的單臂X射線造影圖像的動態重建方法，先將X射線造影圖中冠脈血管的運動分為心臟周期運動引發部分與呼吸運動引發部分，然后分別進行補償，使之更符合實際情況；其過程中，冠脈三維運動模型只提供初始補償矢量，并在此基礎上以心包約束和重建反投影誤差構成代價函數，局部搜索找到最優補償矢量，這樣便既利用了模型作為指導，又兼顧了個體心臟運動特異性，提高了重建精度，可以解決由不同時相的多視角血管造影圖進行可靠的自動三維重建難題，滿足臨床醫學心血管疾病輔助檢測和手術導航的應用要求。

發明內容

本發明提供了一種單臂X射線造影圖像的動態三維重建方法，其步驟包括：