基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法技術

本發明專利技術提出了基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，包括以下步驟：(1)圖像預處理：獲得冠狀動脈分割圖像及中心線；(2)剪枝操作；(3)球心及球空間的定義；(4)左、右冠狀動脈的劃分規則；(5)左冠狀動脈解剖學命名算法；(6)右冠狀動脈解剖學命名算法。該發明專利技術利用心臟形似倒置圓錐體的特征，以血管分叉點為球心建立球坐標系，根據冠狀動脈各分支節段的解剖學走形和相互之間的幾何結構關系，在球空間中對血管進行定位剖分，達到自動分段與解剖學標記的目的。解決現有的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法計算時間較長，算法復雜度較高，以及無法窮舉冠狀動脈分布類型導致分支匹配不準確等問題。相比于將所提取的血管與先驗模型匹配的方法，這種方法的優點在于節省時間、標記準確，且能對更多的節段進行識別和標記。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及醫學圖像處理
，特別是用于冠狀動脈圖像的基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記。
技術介紹
近年來心血管疾病的發病率和死亡率都高居疾病榜首位且呈年輕化趨勢，其中較為嚴重的冠狀動脈粥樣硬化等會直接導致心肌梗死和心臟受損。早期冠狀動脈血管壁上微小的病灶并不容易被發現，這類病灶之后迅速發展將引起嚴重后果，甚至危及生命。因此微小病灶的早期診療，冠狀動脈血管各節段情況的進展管理尤為重要。作為無創的影像獲取方式，冠脈CTA被廣泛地應用于冠狀動脈疾病的診斷。按照2009年《SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary computed tomographic angiography[1]》的要求，放射科醫生和心外科醫生通常會報告解剖學的相關檢查信息，例如冠狀動脈的分形和各節段情況，硬化斑塊的節段位置，以及每條動脈或每個分支的鈣化、狹窄和閉塞等。由于冠狀動脈的微小病變不容易被人眼所識別，人工解讀冠脈CTA圖像時醫生要借助多種成像模式才能診斷，耗時、費勁且容易引起誤差。因此需要高效準確的方法，可以自動為冠狀動脈分段并標記其解剖學名稱。利用解剖學信息對冠脈樹進行標記是冠狀動脈樹自動標記可用的方法，已有的研究側重于利用建立先驗模型來表征解剖信息，然后求待標記模型和先驗模型之間的相似性來確定冠脈節段解剖學分類。Claire Chalopin等人[2]設計了二維X射線血管造影的冠狀動脈樹標記方法，他們利用三維拓撲模型建立了三維仿真人體形態模型Coronix，在其不同視角下進行分析得到二維拓撲模型數據基礎，再將病人造影圖像中提取的血管骨架與具有最相似血管網形狀的二維拓撲模型進行比較，以分層的方式從主要動脈到分支逐步標記左冠狀動脈，該方法的不足之處在于二維圖像中存在冠狀動脈重疊的現象，在匹配解讀時可能產生誤差；Guanyu Yang等人[3]構建了一個基于統計學結果先驗知識的右優勢型冠狀動脈樹三維模型，將從冠脈CTA數據集中提取的冠狀動脈樹與三維模型配準，主要分支利用關鍵點的權重因子進行配準，所有分段利用代價函數進行配準，最后根據臨床標準對以上配準標記結果進行調整，得到最優的冠狀動脈樹自動標記結果；Roman Goldenberg等人[4]創建了基于冠脈CTA訓練數據集人工標記的概率解剖模型，根據最大可能性方法和一系列檢查主要動脈間的預期空間關系的測試，對冠狀動脈四條主要分支(左冠脈主干、前降支、旋支和右冠脈)進行標記。以上方法都是根據一定的解剖學先驗知識模型，利用數學方法尋找待命名冠狀動脈樹與模型之間的最近似方案并進行匹配，得到分段和解剖學標記。此類方法計算時間較長，算法復雜度較高，由于冠狀動脈的個體差異較大，無法窮舉所有的冠狀動脈分布類型，對與模型不是同一分布類型、分支較為復雜或因病變而發生明顯改變的冠狀動脈并不適用，所得結果中還可能存在較多未能找到相應匹配的分支。[1]Raff G L,Abidov A,Achenbach S,et al.SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary computed tomographic angiography.[J].Journal of Cardiovascular Computed Tomography,2009,3(2):122-136.[2]Chalopin C,Finet G,Magnin I.Modeling the 3D coronary tree for labeling purposes.[J].Medical Image Analysis,2002,5(4):301-315.[3]Yang G,Broersen A,Petr R,et al.Automatic coronary artery tree labeling in coronary computed tomographic angiography datasets[C].Computing in Cardiology,2011,38:109-112.[4]Roman G,Dov E,Grigory B,et al.Computer-aided simple triage(CAST)for coronary CT angiography(CCTA)[J].International Journal of Computer Assisted Radiology & Surgery,2012,7(6):819-827.
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提出了基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法。該專利技術利用心臟形似倒置圓錐體的特征，以血管分叉點為球心建立球坐標系，根據冠狀動脈各分支節段的解剖學走形和相互之間的幾何結構關系，在球空間中對血管進行定位剖分，達到自動分段與解剖學標記的目的。解決現有的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法計算時間較長，算法復雜度較高，以及無法窮舉冠狀動脈分布類型導致分支匹配不準確等問題。相比于將所提取的血管與先驗模型匹配的方法，這種方法的優點在于節省時間、標記準確，且能對更多的節段進行識別和標記。基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，該方法包括以下步驟：步驟1、圖像預處理：獲得冠狀動脈分割圖像及中心線；步驟2、剪枝操作；步驟3、球心及球空間的定義；步驟4、左、右冠狀動脈的劃分規則；步驟5、左冠狀動脈解剖學命名算法；步驟6、右冠狀動脈解剖學命名算法。所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，所述步驟1具體執行以下步驟：(1)從原始心臟連續斷層影像中分割出冠狀動脈，再對分割圖像進行血管中心線(也稱為血管骨架)提取；(2)將上述血管骨架轉換為由鄰接矩陣、節點和邊來描述的三維樹形結構。其中節點和邊的定義如下：葉節點：只和一個節點相連接的節點；連接節點：和兩個節點相連接的節點；分叉節點：和兩個以上節點相連接的節點；游離邊：只有一端和節點相連接的邊；連接邊：兩端都和節點相連接的邊。所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，所述步驟2具體執行以下步驟：保留血管骨架中含有體素數目最大的兩個連通塊，并將血管骨架中長度小于T的游離邊剪枝置零(T的取值取決于想保留樹枝細節的程度，在18節段命名方式中T可取值為15)，再將所得血管骨架采用上述方法重新轉換為三維樹形結構。所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，所述步驟3具體執行以下步驟：(1)以確定的某點O(x0,y0,z0)為球心建立球坐標系，將原笛卡爾坐標空間中所有點的坐標值轉換為球坐標值，得到球空間。其中將笛卡爾坐標轉換為球坐標的方法示意圖如圖1，空間中任意一點P(x,y,z)的球坐標(θ,r)的計算方法為： θ = a r c t a 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、圖像預處理：獲得冠狀動脈分割圖像及中心線；步驟2、剪枝操作；步驟3、球心及球空間的定義；步驟4、左、右冠狀動脈的劃分規則；步驟5、左冠狀動脈解剖學命名算法；步驟6、右冠狀動脈解剖學命名算法。

【技術特征摘要】
1.基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、圖像預處理：獲得冠狀動脈分割圖像及中心線；步驟2、剪枝操作；步驟3、球心及球空間的定義；步驟4、左、右冠狀動脈的劃分規則；步驟5、左冠狀動脈解剖學命名算法；步驟6、右冠狀動脈解剖學命名算法。2.根據權利要求1所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，所述步驟1具體執行以下步驟：從原始心臟連續斷層影像中分割出冠狀動脈，再對分割圖像進行血管中心線(也稱為血管骨架)提取；將上述血管骨架轉換為由鄰接矩陣、節點和邊來描述的三維樹形結構。3.根據權利要求1所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，所述步驟2具體執行以下步驟：保留血管骨架中含有體素數目最大的兩個連通塊，并將血管骨架中長度小于T的游離邊剪枝置零，再將所得血管骨架采用上述方法重新轉換為三維樹形結構。4.根據權利要求1所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，所述步驟3具體執行以下步驟：(1)以確定的某點O(x0,y0,z0)為球心建立球坐標系，將原笛卡爾坐標空間中所有點的坐標值轉換為球坐標值，得到球空間；其中將笛卡爾坐標轉換為球坐標的方法示意圖如圖1，空間中任意一點P(x,y,z)的球坐標的計算方法為： θ = arctan y - y 0 x - x 0 , x ≥ x 0 arctan y - y 0 x - x 0 + π , x < x 0 ∩ y ≥ y 0 arctan y - y 0 x - x 0 - π , x < x 0 ∩ y < y 0 ]]> r = ( x - x 0 ) 2 + ( y - y 0 ) 2 + ( z - z 0 ) 2 ]]>其中θ為方位角，是從以點O為原點的x軸正半軸測得的點P的角位移弧度；為仰角，是從以點O為原點的X-Y平面測得的點P的角位移弧度；r為半徑，是從點O到點P的距離；三個參數的取值范圍為：方位角θ＝(-π,π]，仰角半徑r＝[0,+∞)；(2)根據方位角θ的取值方位，球空間中方位的定義如下表：即：以確定的某點O為球心建立球坐標系，空間中任意一點P的球坐標當時，視P點位于O點左前側，即區域A1內；當時，視P點位于O點左后側，即區域A2內；當時，視P點位于O點右后側，即區域A3內；當時，視P點位于O點右前側，即區域A4內。5.根據權利要求1所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，所述步驟4具體執行以下步驟：根據左、右冠狀動脈竇口兩點的坐標，識別步驟2所得三維樹形結構中左、右冠狀動脈連通塊，左冠狀動脈主干與前降支、旋支、中間支(若存在)的分叉節點NL和右冠狀動脈起始節點NR。6.根據權利要求1所述基于球空間劃分的冠狀動脈自動分段與解剖學標記方法，其特征在于，所述步驟5具體執行以下步驟：(1)計算三維樹形結構左冠狀動脈的游離邊和葉節點，并計算節點NL到左冠狀動脈所有葉節點的最短路徑節點和路徑上的邊；其中最短路徑節點的計算，使用Dijkstra算法；路徑上的邊，通過計算路徑相鄰兩節點共有的邊得到；(2)計算所得所有游離邊、路徑上的邊相對于其連接的起始節點的球空間中值角度；其中某邊的球空間中值角度的計算方法為：在以某邊連接的起始節點(近心端的節點)為球心建立的球坐標系下，計算邊上各點的球坐標值并將方位角弧...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李穎，王如意，張紹祥，譚立文，
申請(專利權)人：中國人民解放軍第三軍醫大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50