[发明专利]基于CTA图像的动态心脏各腔室分割方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术领域，具体涉及一种基于CTA图像的动态心脏各腔室分割方法。

背景技术

心脏是人体心血管系统的关键器官，内部组织结构较复杂，活体处于不断的舒缩中，而目前心脏的影像资料多为正交的二维平面影像像，每个平面都是在某个时刻的心脏运动过程中的某个采样，临床医师较难通过二维图像去想象病变部位的三维形态和空间毗邻关系，这就决定了心脏疾病在影像学上定位和定性诊断较困难。中国可视化人(CVH)项目，于2002年10月，由第三军医大学发起，该项目是从尸体获得包含丰富解剖学信息的高分辨率、连续断层切片图像的数据集。此数据集的优点是，它不仅可以清楚地观察到的心脏纤维骨架(该数据集中连续断层图像中各个组织呈自然的纹理颜色，容易区分不同组织的边界)，而且保持了解剖结构的原始空间关系。CVH数据集层间距小于临床连续断层影像。水平分辨率越大，层间距越小，能够呈现的解剖细节就越丰富，特别是二尖瓣、三尖瓣等结构需要在心脏轴面来观察的结构。通过数字化人体数据集建立高精度的心脏可视化解剖模型可以反应心脏毗邻解剖结构原位的空间关系^[1]，但是如何将这些信息用于活体的断层解剖图像，以指导临床的诊断和资料，这是心脏可视化面临的一个挑战。

借助医学影像技术，定性和定量分析心脏的解剖及运动规律，进而研究其与心脏疾病之间的关系是现代医学研究的热点。利用计算机模型对形态进行仿真，模拟真实心脏的运动过程及病理状态，进一步认识心血管系统的运动规律和本质，深入了解心血管系统疾病和两次表现之间的关系。关键问题是形变模型要适应心脏组织的周期性变化和不同的心脏个体，即以模型为引导的分割，用模型去适应图像特征的变化。心脏CTA(Cardiac Computed Tomography Arteriography，计算机断层造影术)以成像速度快、分辨率高、信息量大，作为心脏检查的重要手段。基于CTA图像的量化评估对心功能的评估上具有重要的作用，特别是在动态定量评估方面能通过较高的时间分辨率捕捉心动周期内心脏内部形态变化特征，进而评估心脏生理功能。因此，基于CTA的心脏量化评估引起国内外学者的高度关注。定量评估的核心是对心脏区域的分割。心脏分割的目的主要是从复杂的心脏图像中提取出心脏感兴趣区域的轮廓曲线，然而由于医学图像的复杂性与多样性，成像质量常受到噪声、运动伪影、局部体效应的干扰，在很多场合下还是会选择人工手动分割的方式进行处理^[2]。目前国内外学者提出了许多针对心脏中某些解剖结构的分割算法，其主要关注点在于心室的分割^[3]。

由于心脏形态结构的复杂性，心脏分割的准确性和实时性一直是研究的热点。在CTA图像中,单一心腔的分割相对比较容易特别是左心室，但是对于四个腔室的同时分割比较困难。其原因是心腔在解剖结构上具有特殊性，使医学图像呈现出一些不容易分割的状态：1)单纯依靠图像特征难以完全实现解剖结构的分割。心腔的CTA图像中的灰度变化与腔体的分隔线并非完全对应，某些在灰度上连通的区域在心脏解剖结构上是分离的，而心肌与周围组织的灰度近似，仅依靠灰度难以区分；2)心脏一直处于运动状态，成像伪影及噪声会影响成像效果；3)由于心脏结构的特殊性，心脏图像中会出现曲率很大的凹陷区域，这部分图像难以分割^[4]。

因此，如何借助解剖知识实现心脏的分割是进行心脏各腔室量化评估的关键问题。心脏纤维骨架在心脏运动中起支点和稳定的作用，心脏纤维骨架既是几何形态的中心，又是位于各方向运动的中心，其“双中心”的地位对理解心脏运动规律有极其重要的意义。超声能实时捕捉到瓣膜的运动但是对周围解剖结构的显示却不理想，CT、MRI能显示更详细的解剖结构，但是重建出瓣膜的三维形态非常困难，关键在于其形态走行复杂从无法准确判断二维的影像上起止点，特别是在心肌附着处难以区分其边界。因此，建立人体心脏原位的心脏纤维骨架的三维模型是非常困难的。人们尝试着使用动物和使用不同的技术，包括解剖或影像学检查人的研究，已有学者研究了二尖瓣环和三尖瓣环的形态学特征及动态特征^[5]，然而已有的研究中少有对同一心脏四个瓣膜的情况进行分析的。对当前的成像后处理方式而言，同时定位和识别4个瓣膜仍然面临困难。数字化人体是高精度的彩色纹理连续断层图像，对心腔内部精细结构的鉴别和区分具有较大优势，在此基础上建立的数字化模型维持了心脏内部毗邻解剖结构的原位空间关系，组织间没有相对的位移和形变，便于和临床影像有机结合。可以将已建立的详细的解剖结构模型结合CTA、MRI等多种模式下的可视化方式，从而全面了解心脏在生理、病理下的状态。