[发明专利]一种单臂X射线造影图像的动态三维重建方法

说明书

技术领域

本发明属于数字图像处理与医学成像的交叉领域，具体涉及一种单臂X射线造影图像的三维重建方法。

背景技术

血管树三维重建是通过不同视角的X射线二维投影图像中相应的图像信息恢复血管三维空间结构的过程。它与普通可见光图像三维重建有很大不同。X射线成像是投射到人体的X射线经过人体中不同组织的衰减后在荧光屏上形成的图像，每个像素点的值是由在X射线路径上所有组织的衰减的叠加，背景复杂，而且噪声很强，要从X射线造影图重建得到三维心血管树难度很大。

常见的X射线造影成像系统有单臂造影系统和双臂造影系统两种。由于双臂系统保证了两个不同角度的造影图对在时间上的对应性，适合于进行冠脉血管的三维重建，以往的冠状动脉三维重建方法大都是基于双臂造影系统的重建。但由于双臂造影系统占用空间大、成本高，目前临床上大都采用单臂造影系统，通过旋转造影臂得到对应于不同造影角度的造影图或造影图序列。单臂造影系统可以很方便对病人进行不同角度的造影，但是对于重建来说，它存在一个很大的缺陷，即无法得到对应于同一时刻的不同视角的造影图。由于心脏不停地周期运动，而且还是非刚体运动，加上人体的呼吸运动，不同时刻的造影图像中心脏和冠状动脉的形态都发生了变化，还有造影剂到达时刻不同。在此情况下，要获得较高的冠状动脉血管三维重建精度将会十分困难。

为了解决单臂造影重建难题，我们提出了“动态重建”的概念。所谓动态的血管三维重建，就是指被选择用来做血管三维重建的两幅造影图A和B对应于不同时刻。由于冠状动脉血管的运动，造影图A和B对应的冠状动脉的空间三维形态会发生变化，实际上对应两个不同的空间三维形态，此时对造影图A和B的三维重建是一个不适定的问题，目前的静态的血管三维重建方法就不适用了，需要发展新的动态的血管三维重建途径。

目前国内外还没有其他人明确地提出动态的血管三维重建这样的概念，但是也有一些关于血管运动补偿的研究，主要包括两个方面：(1)通过二维图像序列对序列中的某帧图像进行运动补偿。这类方法通常是通过光流或滤波的方法从造影图序列提取血管的二维运动。Curwen利用卡尔曼滤波的方法结合蛇形(snake)模型进行血管运动的估计，Jolly通过光流计算的方法对造影图序列中血管的运动进行估计，Rong将感兴趣血管段用多线段表示，利用纹理信息在相邻造影图进行图形搜索，估计血管二维运动信息并对其进行跟踪补偿。(2)利用从造影图中提取的三维的心脏与呼吸运动模型进行补偿。Shechter等人提出了一种方法从双臂的X射线造影图序列中获得冠脉血管三维的运动，然后通过B样条展开和最小二乘拟合的方法对冠脉三维运动进行分解得到独立的心脏和呼吸运动的模型，并将模型用于同一个病人的其他角度的造影图序列的心脏和呼吸运动补偿。

上述补偿算法对序列图像进行处理然后估计得到血管的二维和三维运动，都是从图像到图像的单纯的图像处理，并没有从冠状动脉血管的三维运动模型出发来指导冠脉的动态的血管三维重建。从图像来谈图像，并没有从本质上解决动态的血管三维重建问题。同时，通过二维图像序列进行运动补偿的方法对成像序列的质量要求较高，这在实际中难以保证，而且也没有考虑到呼吸运动补偿的问题；而利用从造影图中提取三维心脏与呼吸运动模型进行补偿的方法虽然考虑了两种补偿方式，但是需要首先对病人进行双臂造影，得到心脏与呼吸运动的模型，然后利用它来指导单臂造影的重建。由于X射线造影本身是一种介入性检测手段，在实际情况中要尽量避免多次造影，而且这里还要分别用到双臂和单臂两种造影系统，因此在临床上很难得到应用。

本发明是对前中国专利“动态模型指导下的血管造影三维重建方法”(ZL200810047853.5)的深化和扩展。上述专利仅考虑到心脏运动补偿，补偿方法简单且过于依赖三维冠脉运动模型。其做法是直接以模型投影图血管点的运动矢量作为造影图对应点的补偿矢量，因而没有顾及到不同个体心脏运动的特异性。本发明所提出的单臂X射线造影图像的动态重建方法，先将X射线造影图中冠脉血管的运动分为心脏周期运动引发部分与呼吸运动引发部分，然后分别进行补偿，使之更符合实际情况；其过程中，冠脉三维运动模型只提供初始补偿矢量，并在此基础上以心包约束和重建反投影误差构成代价函数，局部搜索找到最优补偿矢量，这样便既利用了模型作为指导，又兼顾了个体心脏运动特异性，提高了重建精度，可以解决由不同时相的多视角血管造影图进行可靠的自动三维重建难题，满足临床医学心血管疾病辅助检测和手术导航的应用要求。

发明内容

本发明提供了一种单臂X射线造影图像的动态三维重建方法，其步骤包括：