[發明專利]基于CTA圖像的動態心臟各腔室分割方法

在審

• 申請號: 201710562186.3
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107330888A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 李穎;張紹祥;譚立文;席陽;張小勤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍第三軍醫大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/11;G06T7/55
• 代理公司: 重慶中流知識產權代理事務所(普通合伙)50214
• 代理人: 陳立榮

技術領域

本發明涉及醫學圖像處理技術領域，具體涉及一種基于CTA圖像的動態心臟各腔室分割方法。

背景技術

心臟是人體心血管系統的關鍵器官，內部組織結構較復雜，活體處于不斷的舒縮中，而目前心臟的影像資料多為正交的二維平面影像像，每個平面都是在某個時刻的心臟運動過程中的某個采樣，臨床醫師較難通過二維圖像去想象病變部位的三維形態和空間毗鄰關系，這就決定了心臟疾病在影像學上定位和定性診斷較困難。中國可視化人(CVH)項目，于2002年10月，由第三軍醫大學發起，該項目是從尸體獲得包含豐富解剖學信息的高分辨率、連續斷層切片圖像的數據集。此數據集的優點是，它不僅可以清楚地觀察到的心臟纖維骨架(該數據集中連續斷層圖像中各個組織呈自然的紋理顏色，容易區分不同組織的邊界)，而且保持了解剖結構的原始空間關系。CVH數據集層間距小于臨床連續斷層影像。水平分辨率越大，層間距越小，能夠呈現的解剖細節就越豐富，特別是二尖瓣、三尖瓣等結構需要在心臟軸面來觀察的結構。通過數字化人體數據集建立高精度的心臟可視化解剖模型可以反應心臟毗鄰解剖結構原位的空間關系^[1]，但是如何將這些信息用于活體的斷層解剖圖像，以指導臨床的診斷和資料，這是心臟可視化面臨的一個挑戰。

借助醫學影像技術，定性和定量分析心臟的解剖及運動規律，進而研究其與心臟疾病之間的關系是現代醫學研究的熱點。利用計算機模型對形態進行仿真，模擬真實心臟的運動過程及病理狀態，進一步認識心血管系統的運動規律和本質，深入了解心血管系統疾病和兩次表現之間的關系。關鍵問題是形變模型要適應心臟組織的周期性變化和不同的心臟個體，即以模型為引導的分割，用模型去適應圖像特征的變化。心臟CTA(Cardiac Computed Tomography Arteriography，計算機斷層造影術)以成像速度快、分辨率高、信息量大，作為心臟檢查的重要手段。基于CTA圖像的量化評估對心功能的評估上具有重要的作用，特別是在動態定量評估方面能通過較高的時間分辨率捕捉心動周期內心臟內部形態變化特征，進而評估心臟生理功能。因此，基于CTA的心臟量化評估引起國內外學者的高度關注。定量評估的核心是對心臟區域的分割。心臟分割的目的主要是從復雜的心臟圖像中提取出心臟感興趣區域的輪廓曲線，然而由于醫學圖像的復雜性與多樣性，成像質量常受到噪聲、運動偽影、局部體效應的干擾，在很多場合下還是會選擇人工手動分割的方式進行處理^[2]。目前國內外學者提出了許多針對心臟中某些解剖結構的分割算法，其主要關注點在于心室的分割^[3]。

由于心臟形態結構的復雜性，心臟分割的準確性和實時性一直是研究的熱點。在CTA圖像中,單一心腔的分割相對比較容易特別是左心室，但是對于四個腔室的同時分割比較困難。其原因是心腔在解剖結構上具有特殊性，使醫學圖像呈現出一些不容易分割的狀態：1)單純依靠圖像特征難以完全實現解剖結構的分割。心腔的CTA圖像中的灰度變化與腔體的分隔線并非完全對應，某些在灰度上連通的區域在心臟解剖結構上是分離的，而心肌與周圍組織的灰度近似，僅依靠灰度難以區分；2)心臟一直處于運動狀態，成像偽影及噪聲會影響成像效果；3)由于心臟結構的特殊性，心臟圖像中會出現曲率很大的凹陷區域，這部分圖像難以分割^[4]。

因此，如何借助解剖知識實現心臟的分割是進行心臟各腔室量化評估的關鍵問題。心臟纖維骨架在心臟運動中起支點和穩定的作用，心臟纖維骨架既是幾何形態的中心，又是位于各方向運動的中心，其“雙中心”的地位對理解心臟運動規律有極其重要的意義。超聲能實時捕捉到瓣膜的運動但是對周圍解剖結構的顯示卻不理想，CT、MRI能顯示更詳細的解剖結構，但是重建出瓣膜的三維形態非常困難，關鍵在于其形態走行復雜從無法準確判斷二維的影像上起止點，特別是在心肌附著處難以區分其邊界。因此，建立人體心臟原位的心臟纖維骨架的三維模型是非常困難的。人們嘗試著使用動物和使用不同的技術，包括解剖或影像學檢查人的研究，已有學者研究了二尖瓣環和三尖瓣環的形態學特征及動態特征^[5]，然而已有的研究中少有對同一心臟四個瓣膜的情況進行分析的。對當前的成像后處理方式而言，同時定位和識別4個瓣膜仍然面臨困難。數字化人體是高精度的彩色紋理連續斷層圖像，對心腔內部精細結構的鑒別和區分具有較大優勢，在此基礎上建立的數字化模型維持了心臟內部毗鄰解剖結構的原位空間關系，組織間沒有相對的位移和形變，便于和臨床影像有機結合。可以將已建立的詳細的解剖結構模型結合CTA、MRI等多種模式下的可視化方式，從而全面了解心臟在生理、病理下的狀態。