[发明专利]一种交互式冠状动脉虚拟血管镜的实现方法

权利要求书

1.一种交互式冠状动脉虚拟血管镜的实现方法，其特征是，它通过将由近似正交的X射线冠状动脉造影CAG图像获得的管腔三维几何形态信息与由血管内超声获得的管腔横截面数据相融合，得到血管的三维模型，然后运用虚拟现实建模语言VRML交互地描述血管模型，实现内镜漫游模式的冠状动脉可视化，具体步骤如下：

A、利用同时采集的血管内超声IVUS图像和X射线冠状动脉造影CAG图像建立血管的三维模型；

所述血管内超声IVUS图像是在将机械式超声导管探头置于感兴趣血管段的远端，匀速等距回撤导引钢丝的过程中，利用血管内超声成像仪以ECG门控的方式在相同的心脏相位处采集到的等距的血管内超声IVUS图像序列，所述X射线冠状动脉造影CAG图像是利用C型臂单面X射线血管造影机在导管回撤路径的起点拍摄记录相同心脏状态的两幅近似垂直角度的X射线冠状动脉造影CAG图像；

所述建立血管三维模型的具体步骤如下：

a、根据两个成近似垂直角度的X射线冠状动脉造影CAG图像，重建出三维超声导管回撤路径；

b、从X射线冠状动脉造影CAG图像中重建出三维血管管腔：

将重建出的三维超声导管回撤路径向左右两个X射线冠状动脉造影CAG图像的成像平面反投影，得到对应的两维超声导管回撤路径，对于两维超声导管回撤路径上的每个点，通过在垂直于两维超声导管回撤路径的方向上，寻找灰度梯度的两个极大值，得到血管管腔左右边缘，然后在假设管腔的横截面是椭圆的前提下，完成整个三维血管管腔的重建，所述三维血管管腔用于后续确定各帧血管内超声IVUS图像的空间方向；

c、血管内超声IVUS图像序列中血管壁轮廓的提取：

在首帧血管内超声IVUS图像中手动选择血管壁内、外膜轮廓上的几个特征点，以连接这些特征点所形成的多边形作为初始位置，通过snake变形获得血管壁内、外膜的轮廓，分割出血管壁和可能存在的斑块，对于后续帧，则将前一帧的提取结果作为snake的初始位置，完成对连续多帧血管内超声IVUS图像的分割；

d、确定各帧血管内超声IVUS图像的轴向位置：

按照血管内超声IVUS图像的采集顺序和间距，沿重建出的三维超声导管回撤路径将各帧血管内超声IVUS图像顺序排列，确定出各帧血管内超声IVUS图像的轴向位置；

e、确定各帧血管内超声IVUS图像的空间方位：

在重建后的三维超声导管回撤路径上建立各帧血管内超声IVUS图像的局部坐标系，即Frenet-Serret标架，三个坐标轴分别为单位切矢量t、单位主法矢量n和单位副法矢量b，导管的位置位于血管内超声IVUS图像的中心；

将各帧血管内超声IVUS图像绕导管旋转至其正确的方向以确定血管内超声IVUS图像的空间方位：

用ρ表示血管壁轮廓的重心偏离导管位置的离心向量，把从X射线冠状动脉造影CAG图像重建出的血管管腔的椭圆轮廓投影到对应的血管内超声IVUS图像上，用μ来表示血管管腔椭圆轮廓中心线偏离导管位置的离心向量，ε为向量ρ的模，θ为ρ与μ的夹角，用统计优化方法确定血管内超声IVUS图像序列的空间方位，目的是使θ最小：

设定一个固定宽度w的移动窗口，在该窗口中进行统计分析，对于N帧组成的血管内超声IVUS图像序列，存在n_w＝N-(w-1)个移动窗口，在每个窗口位置m处，累计偏心距离∑ε_m、加权偏心夹角平均值以及偏心夹角的加权标准偏差σ(θ_m)分别由下式计算：

Σϵm=Σi=mm+(w-1)ϵi,]]>θ‾m=1ΣϵmΣi=mm+(w-1)ϵiθi,]]>σ(θm)2=1ΣϵmΣi=mm+(w-1)ϵi(θi-θ‾m)2]]>

利用这些数值，在每一个窗口位置处，计算可靠性权重因子：r_m＝∑ε_m/σ(ε_m)，在偏心距离较大的位置给予较大的权重因子，同时限制σ(θ_m)较大的位置，通过下式计算出一个校正偏心角

θ‾corr=1ΣrΣm=0nw-1rmθ‾m,]]>Σr=Σk=0nw-1rk]]>

并将其应用到序列的所有血管内超声IVUS图像中，从而获得各帧血管内超声IVUS图像的空间方位；

f、利用基于NURBS曲面拟合的表面提取法完成血管表面的绘制；

B、运用虚拟现实建模语言VRML实现冠状动脉血管重建结果的内镜漫游模式的可视化：

具体步骤如下：

①漫游路径的计算：

根据三维超声导管回撤路径的重建结果，以沿导管的第i帧血管内超声IVUS图像采集点的坐标Pi为当前视点位置，P_i+1为下一个视点位置，以z轴负半轴的方向矢量为初始视点方向，则在VRML中，当前视点的位置矢量为旋转轴为当前视点方向为的单位矢量旋转轴为旋转角为

②将血管内超声IVUS图像像素数据插入到虚拟场景中，并采用半透明的显示方式显示；

③开发交互式的用户图形接口。