[發明專利]一種基于稀疏主成分分析的心臟軟組織三維重建方法

有效

• 申請號: 201711131208.7
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107909653B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 劉珊;楊波;鄭文鋒;曹婷婷
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06T19/00
• 分類號: G06T19/00;G06T17/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

本發明公開了一種基于稀疏主成分分析的心臟軟組織三維重建方法，首先使用傳統的高復雜度薄板樣條模型提取歷史影像數據中的感興趣區域的三維歷史形態數據；然后將提取的感興趣區域的三維形態數據進行相對坐標處理和均值化處理；對處理后的數據進行稀疏主成分分析，提取出稀疏主分量；最后用獲得的稀疏主分量建立新的形態模型，從當前獲取的心臟表面立體影像中通過立體匹配獲得該模型參數，進而重建當前心臟表面目標區域的三維形態。

技術領域

本發明屬于心臟建模技術領域，更為具體地講，涉及一種基于稀疏主成分分析的心臟軟組織三維重建方法。

背景技術

心臟疾病一直是致死率最高的疾病，而且近年來心臟手術的數量一直呈一個上升的趨勢。針對這種情況，開發微創心臟手術機器人并為醫生提供醫療器械方面的輔助，成為了一件非常有意義同時也非常具有挑戰性的任務。相比于傳統的開腔式心臟手術，機器人輔助微創手術以其瘡口小，身體恢復速度快，而深受病人的青睞。

現在的微創醫療手術機器人進行心臟手術的時候，為了能夠減輕心臟停跳對人體的傷害，放棄了使用體外血液循環的方式。通常利用一種穩定裝置對心臟進行固定，這樣就能夠在心臟進行跳動的時候完成心臟手術的工作。但是，這種穩定心臟跳動的技術只能初步固定住心臟，心臟還會留有一部分殘余運動，這種運動對醫生操作的精準度有很大的影響，醫生無法準確的感知到跳動心臟表面目標區域的三維形態，這是決定著手術成敗的關鍵因素。所以，這種手術需要具有豐富經驗的醫生來進行操作，對于新的醫生需要設計專門的培訓系統對其進行培訓，而且需要很長的培訓周期。這對于患者而言，需要巨大的經濟壓力和心理壓力。

為了給醫生提供準確的跳動心臟的三維形態，海內外專家學者嘗試利用多種經典的空間形變模型對心臟表面進行三維重建。如Y.Bo等在文獻《A triangular radial cubicspline deformation model for efficient 3D beating heart tracking》中使用的三角形徑向三次樣條變形模型，Wong.W K等在文獻《A Quasi-Spherical Triangle-BasedApproach for Efficient 3-D Soft-Tissue Motion Tracking》中使用的準球形三角形模型，R.Richa等在文獻《Three-dimensional motion tracking for beating heartsurgery using a thin-plate spline deformable model》中提出的薄板樣條模型等。但是，上述方法中所采用的形變模型為通用性模型，并非針對特定心臟表面而設計。這些模型在描述和表示心臟表面三維形態時，均存在實時性與準確性之間的矛盾。由于心跳運動的準周期性，心臟表面目標區域在不同時刻的三維形態具有一定規律性。而上述模型均未能有效的利用這些心臟運動特性和統計規律，降低模型復雜度。另外，Bebek O等在文獻《Whisker-like position sensor for measuring physiological motion》中提出的利用晶須傳感器來估計心臟運動；Ott L等人在文獻《Robotic assistance to flexibleendoscopy by physiological-motion tracking》中提出一種基于微型機械結構的運動估計方法；這些方法都需要器械接觸心臟，會對心臟有一定的傷害，在實際應用中受到一定限制。楊波等人在專利《一種低復雜度的心臟表面三維形態在線建模系統及方法》中公開了一種低復雜度模型，然而這種基于主成分分析的低復雜度模型是原始變量的線性組合，并且其負載向量的元素都是非零的，這導致無法解釋每個主成分代表的含義。本發明中的利用稀疏載荷重建心臟表面可以更有效得解釋心臟表面三維形態的實際意義，并且不僅實現了降維的目標，還減少了使用變量的數量，在計算速度方面也有一定的提升。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于稀疏主成分分析的心臟軟組織三維重建方法，通過提取待建模心臟表面目標區域的三維形態歷史數據的稀疏主成分，建立新的適應該心臟表面形態特性和運動規律的低復雜度的形態模型，實現對心臟表面目標區域快速、準確的三維重建。