旋轉(zhuǎn)心血管造影系統(tǒng)模擬.pdf

1、旋轉(zhuǎn)冠狀動(dòng)脈造影是近年來(lái)問世的心臟成像技術(shù)，它能在幾個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)采集幾十乃至上百幅不同角度的血管造影圖像，由于它能夠?yàn)楣谛牟≡\斷提供更多的臨床信息而備受醫(yī)生青睞。針對(duì)這一造影序列的醫(yī)學(xué)圖像研究也被提上議事日程，三維血管重建算法就是其中熱點(diǎn)之一。但因?yàn)樵撝亟▎栴}涉及復(fù)雜的心臟運(yùn)動(dòng)，使得目前亟需一種直觀的量化手段來(lái)促進(jìn)算法的研究和評(píng)估。為此，本文將建立一個(gè)X射線旋轉(zhuǎn)冠狀動(dòng)脈造影的模擬系統(tǒng)，利用真實(shí)數(shù)據(jù)重建心臟動(dòng)態(tài)模型，并將其用于旋轉(zhuǎn)冠狀動(dòng)脈

2、造影的模擬。因此，本文的研究?jī)?nèi)容主要分為三部分：心臟靜態(tài)模型重建，冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)建模和X射線旋轉(zhuǎn)造影系統(tǒng)模擬。 心臟多層CT(MSCT)利用心電信號(hào)門控技術(shù)，能夠提供一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)具有較高時(shí)空分辨率的體數(shù)據(jù)序列，它們既可以顯示心臟的解剖結(jié)構(gòu)，更能夠反映心臟的運(yùn)動(dòng)狀況，這為心臟動(dòng)態(tài)建模創(chuàng)造了條件。因此，本文利用心臟MSCT數(shù)據(jù)序列，實(shí)現(xiàn)了一套完整的從圖像序列到動(dòng)態(tài)模型的冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)建模方法。 首先，分別考慮MSCT數(shù)據(jù)冠狀動(dòng)

3、脈和心腔分割，重建病人特異性心臟靜態(tài)模型。根據(jù)MSCT數(shù)據(jù)特點(diǎn)，我們提出一種冠狀動(dòng)脈中軸跟蹤算法。從人工給定的種子點(diǎn)出發(fā)，將中軸點(diǎn)沿血管走向逐一被跟蹤提取出來(lái)。算法借助局部血管模型，利用幾何矩迭代逼近血管重心并估計(jì)血管局部半徑，使用多尺度Hessian矩陣特征值分析估計(jì)血管局部走向。為了提高中軸提取算法的自動(dòng)化程度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套完整的中軸跟蹤流程，采用包括多尺度血管結(jié)構(gòu)濾波算子、跟蹤步長(zhǎng)自動(dòng)設(shè)定、跟蹤終止檢測(cè)、分叉點(diǎn)檢測(cè)以及中軸線自動(dòng)

4、連接等多項(xiàng)技術(shù)。接下來(lái)，利用提取的中軸線和血管局部半徑，在沿中軸線的一系列小體積中采用三維分水嶺算法分割出血管區(qū)域。對(duì)于心腔的分割，由于缺乏先驗(yàn)形狀約束，其分割主要依賴于交互式分割平臺(tái)，采用手工或半自動(dòng)方法分割四個(gè)心腔及主動(dòng)脈。這樣就完成了心臟靜態(tài)模型的重建。 接下來(lái)，利用從MSCT序列各時(shí)刻數(shù)據(jù)中提取的冠狀動(dòng)脈血管，重建冠狀動(dòng)脈樹運(yùn)動(dòng)模型。為配準(zhǔn)每?jī)蓚€(gè)相鄰時(shí)刻的血管中軸，我們提出一種基于特征點(diǎn)約束的中軸匹配算法，對(duì)冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)

5、參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。由于冠狀動(dòng)脈在運(yùn)動(dòng)過程中極少改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以血管開口及分叉等重要特征點(diǎn)應(yīng)該在配準(zhǔn)過程中保證匹配關(guān)系。因此，算法引入這些特征點(diǎn)約束，以保證配準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。利用確定性退火法優(yōu)化配準(zhǔn)能量函數(shù)，估計(jì)匹配點(diǎn)集之間的匹配度矩陣以及運(yùn)動(dòng)變換參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠保證較高的中軸匹配精度。接著，利用配準(zhǔn)算法估計(jì)的血管運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行插值，獲得兩個(gè)相鄰時(shí)刻間的血管中間狀態(tài)，重建冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)模型。文中給出了四個(gè)不同病

6、人的冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)模型，通過與已有冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果的比較，這些動(dòng)態(tài)模型能夠反映心跳運(yùn)動(dòng)的共有特征，逼真地重現(xiàn)冠狀動(dòng)脈的運(yùn)動(dòng)。 最后，根據(jù)真實(shí)旋轉(zhuǎn)造影系統(tǒng)的成像幾何結(jié)構(gòu)，建立虛擬成像環(huán)境。利用距離驅(qū)動(dòng)的投影算法計(jì)算錐形束投影圖像，并借助基于GPU的通用計(jì)算技術(shù)，將距離驅(qū)動(dòng)的投影算法改進(jìn)為GPU加速算法，在加快計(jì)算速度的同時(shí)保證了浮點(diǎn)計(jì)算精度。為了增強(qiáng)冠狀動(dòng)脈造影模擬的真實(shí)感，我們又采用MSCT原始數(shù)據(jù)模擬造影圖像的背景，采用血管