CN105913479B - 一种基于心脏ct图像的血管曲面重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，包括以下步骤：载入获取的三维心脏CT体数据以及其中冠脉血管的中心线数据；对冠脉中心线上的每个点依次分别沿着线方向及其反方向按照一定距离延伸得到指定数目的点，再从左至右依次将相邻的四个点相连成四边形，组成一个曲面；将得到的曲面在体数据中探测获取曲面上的各点的灰度信息；将曲面向视平面进行投影映射获得投影点，然后将获得的投影点从左至右依次相邻的四点相连成四边形，组成最终曲面。血管在最后的单张图像上显示时不会出现重叠交叉情况。能清晰地展示血管的内部细节，便于更好的观察血管的异常情况。

Description

一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法

技术领域

本发明涉及冠状动脉血管曲面重建(CPR)方法领域，具体地涉及一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法。

背景技术

管状结构组织(如血管)的可视化问题是医学图像领域中的一个重要客题，由于CT图像和磁共振图像可为研究人员提供人体的三维体数据序列，这些序列中包含了上述研究人员们对其感兴趣的管状结构组织。因此研究人员可以通过读取人体的三维体数据序列，从而对管状结构组织进行可视化研究。

但是通过该方法实现可视化研究也会遇到相应的难题，那就是这些三维体数据序列中也包含了一些研究人员不感兴趣的其它结构组织。并且如果对这个三维体数据序列不经过预处理，直接进行体绘制(如最大密度投影MIP、光线投射和表面遮盖等)，由于这些被感兴趣的管状结构组织不可能整体都位于一个单一平面内，将会得到不精确的呈像结果。

研究人员可以采用曲面重建这种方法，使管状结构的整个长度在一个单张图像中显示出来。这样内科医生就可以根据这个图像来观察血管是否出现异常(例如狭窄、闭塞、动脉瘤、血管壁钙化等)。

为了可以精确研究这些管状结构组织，研究人员首先需要从三维体数据序列中获取结构组织的中心线数据。管状结构组织拥有较小的直径，它们中心线的不同属性如最小血管直径、最大血管直径、平均衰减系数等数据，通常也可以用来做进一步的血管分析。

通过获取的结构组织的中心线数据，就可以在此基础上进行曲面重建的可视化。原因是假设中心线是在子体素空间中的一段连续点，一般来说，中心线的空间位置和形状决定了三维空间中的哪一部分将被显示出来。而曲面重建(CPR)可视化的目标即是让整个管状结构能在一幅单张图像中显示出来，血管中心线这样的高级信息就用来重采样和可视化这些数据。

由于目前普遍实现曲面重建的方法是通过血管的中心线以纵切面的方式来观察血管内部。但是使用这种方法得到的平面可能并不能很好的包括到血管的异常部分，因此这些异常部分将不会显示在生成的图像中。

本发明方法的原理是基于Avants and Williams提出的血管跟踪算法以及抽象血管模型的理论之上。Avants and Williams的血管跟踪算法包含两部分。用户首先定义一些种子点，然后通过光程偏微分方程计算曲面的扩展，然后从这些区域中计算最小代价路径，由这个路径可以产生一个横截面的轮廓。所以他提出的路径提取方法是基于一个二维区域增长算法，然后再运用最短路径算法来完成的。结果所得的路径使用多尺度中间响应会变得更精确。这种以半自动化方式摊平血管树的方法可为中心线重组。而采用抽象血管模型的理由是因为它可以进行快速渲染，能产生低复杂度的多边形网格，而且非真实感的渲染技术也可以突出血管树的全局属性。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明目的是：提供一种全新的基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，能清晰地展示血管的内部细节。

本发明的技术方案是：

一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：载入获取的三维心脏CT体数据以及其中冠脉血管的中心线数据；

S02：对冠脉中心线上的每个点依次分别沿着线方向及其反方向按照一定距离延伸得到指定数目的点，再从左至右依次将相邻的四个点相连成四边形，组成一个曲面；

S03：将步骤S02得到的曲面在体数据中探测获取曲面上的各点的灰度信息；

S04：将曲面向视平面进行投影映射获得投影点，然后将获得的投影点从左至右依次相邻的四点相连成四边形，组成最终曲面。

优选的，所述步骤S02具体包括：假设线方向向量为指定点数为c，那么曲面线方向及其反方向上的总点数为2*c-1，线方向上的延伸总距离假设为d，那么线方向的各点之间的间距为那么中心线上任意一点P_i(i＝0,1,…,n-1)在线方向延伸的各点X_j(j＝0,1,…,2*c-1)的坐标由如下公式求得：

将线方向和中心线方向的点依次相连即可形成曲面，由此可得，曲面的总点数为n*(2*c-1)。

优选的，所述步骤S03中各点的灰度信息通过插值法得到。

优选的，所述步骤S04中的视平面以线方向为法向量，以坐标原点为中心来定义。

优选的，还包括步骤将投影之后的两点距离保持与投影前的两点距离相等；对于中心线上任意一点P_i，根据向视平面投影映射，其结果映射点记为P_i'，如果P_i是中心线的第一个点，那么P_i在视平面上的直接投影点就是P_i'；如果P_i不是中心线上的第一个点，那么需要先获得上一个处理过的点P_i-1及其对应的映射点P_i'_-1，按照以下等式：

|P_i'P′_i-1|＝|P_iP_i-1| (2)

P_i、P_i-1、P′_i-1都已知，即可求得P_i'的坐标，依此类推，直到所要投影映射的曲面所对应的中心线的最后一个点为止。

本发明的优点是：

本方法重点实现的不是将曲面上的点直接投影到视平面上作为最后的图像点，而是要使投影点之间的距离等于原曲面上的对应点之间距离，即等距性。这样血管在最后的单张图像上显示时不会出现重叠交叉情况。能清晰地展示血管的内部细节，便于更好的观察血管的异常情况(如狭窄，斑块等)。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法的流程图；

图2为本发明求投影映射对应点坐标的流程图；

图3为使用本发明的血管曲面重建方法的效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，曲面重建离不开血管的先验信息即血管中心线，由前所述中心线是由图像体空间的一段连续点连接而成。假设获得的中心线由n个点组成。那么具体重建步骤如下：

第一步：载入获取到的病人三维心脏CT体数据以及其中某条冠脉的中心线数据。三维心脏CT体数据可由CT机扫描所获得的序列图像来得到，而冠脉血管的中心线数据是由冠脉血管上的中心点组成，这些点反映了其在体数据中的相对空间位置信息，当前在该方面已经出现了很多成熟的计算中心线的方法。本发明旨在讲述冠脉血管的曲面重建过程，因此不再赘述计算中心线的这些算法；

第二步：生成曲面。想要确定三维体系中的面，不仅仅需要通过一个曲线来定义，还需要一个额外的向量来共同决定，这个向量被统称为兴趣向量。兴趣向量与中心线上一点共同定义了一条直线，被统称为兴趣线。沿着兴趣线，所有经过的体素将被用来重采样三维体。

对冠脉中心线上的每个点依次分别沿着某个方向(统称为线方向)及其反方向按照某个距离延伸得到指定数目的点，再从左至右依次将相邻的四个点相连成四边形，这些四边形就组成了一个曲面。具体来说，假设线方向向量为指定点数设为c，那么曲面线方向及其反方向上的总点数为2*c-1，线方向上的延伸总距离假设为d，那么线方向的各点之间的间距为那么中心线上任意一点P_i(i＝0,1,…,n-1)在线方向延伸的各点X_j(j＝0,1,…,2*c-1)的坐标可按如下公式求得：

将线方向和中心线方向的点依次相连即可形成曲面，由此可得，曲面的总点数为n*(2*c-1)；

第三步：探测获取灰度信息。将方法第二步得到的曲面在体数据中探测获取曲面上的各点的灰度信息，这个过程可通过插值法来完成；

第四步：将曲面向某个视平面进行投影映射。视平面以线方向为法向量，以坐标原点为中心来定义。将曲面上每个点全部向视平面进行投影获得投影点，然后也是从左至右依次相邻四点相连成一个四边形，从而得到我们最终要的平面。

由于曲面弯曲的原因，这里就会存在一个问题，就是如果某个角度直接投影，很有可能血管中心线上的某两个点的投影点重叠或非常接近，这就导致最终的冠脉血管被缩短，为此，需要在此基础上加以修改来对血管进行拉伸处理，使得投影后的血管能尽可能的保持原空间血管的长度。

本发明采取的策略是确保投影之后的两点距离保持与投影前的两点距离相等。具体来说，如图2所示，对于中心线上任意一点P_i，根据向某个视平面投影映射，其结果映射点记为P_i'，如果P_i是中心线的第一个点，那么P_i在视平面上的直接投影点就是P_i'；如果P_i不是中心线上的第一个点，那么需要先获得上一个处理过的点P_i-1及其对应的映射点P_i'_-1，按照以下等式：

|P_i'P′_i-₁|＝|P_iP_i-1| (2)

P_i、P_i-1、P′_i-1都已知，即可求得P_i'的坐标，依此类推，直到所要投影映射的曲面所对应的中心线的最后一个点为止。

依据本方法所重建出的曲面重建效果如图3所示。

本方法重点实现的不是将曲面上的点直接投影到视平面上作为最后的图像点，而是要使投影点之间的距离等于原曲面上的对应点之间距离，即等距性。这样血管在最后的单张图像上显示时不会出现重叠交叉情况。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：载入获取的三维心脏CT体数据以及其中冠脉血管的中心线数据；

S02：对冠脉中心线上的每个点依次分别沿着线方向及其反方向按照一定距离延伸得到指定数目的点，再从左至右依次将相邻的四个点相连成四边形，组成一个曲面；

S03：将步骤S02得到的曲面在体数据中探测获取曲面上的各点的灰度信息；

S04：将曲面向视平面进行投影映射获得投影点，将投影之后的相邻两点距离保持与投影前的相邻两点距离相等，然后将获得的投影点从左至右依次相邻的四点相连成四边形，组成最终曲面。

2.根据权利要求1所述的基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S02具体包括：线方向向量为指定点数为c，那么曲面线方向及其反方向上的总点数为2*c-1，线方向上的延伸总距离为d，线方向的各点之间的间距为中心线上任意一点P_i(i＝0,1,…,n-1)在线方向延伸的各点X_j(j＝0,1,…,2*c-1)的坐标由如下公式求得：

将线方向和中心线方向的点依次相连即可形成曲面，由此可得，曲面的总点数为n*(2*c-1)。

3.根据权利要求1所述的基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S03中各点的灰度信息通过插值法得到。

4.根据权利要求1所述的基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S04中的视平面以线方向为法向量，以坐标原点为中心来定义。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于心脏CT图像的血管曲面重建方法，其特征在于，所述将投影之后的两点距离保持与投影前的两点距离相等的步骤包括：

对于中心线上任意一点P_i，根据向视平面投影映射，其结果映射点记为P_i'，如果P_i是中心线的第一个点，那么P_i在视平面上的直接投影点就是P_i'；如果P_i不是中心线上的第一个点，那么需要先获得上一个处理过的点P_i-1及其对应的映射点P′_i-1，按照以下等式：

|P_i'P′_i-1|＝|P_iP_i-1| (2)

P_i、P_i-1、P′_i-1都已知，即可求得P_i'的坐标，依此类推，直到所要投影映射的曲面所对应的中心线的最后一个点为止。