基于CAG的血管三維重建與IVUS圖像融合角度校正研究.pdf

1、近年來，冠狀動(dòng)脈疾病（亦稱“冠心病”）的發(fā)病率和死亡率在全球均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，是影響人類壽命的首要疾病之一。冠心病是指冠狀動(dòng)脈血管發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化病變而引起血管腔狹窄或阻塞，造成心肌缺血、缺氧或壞死而導(dǎo)致的心臟病。世界衛(wèi)生組織將冠心病分為5大類:無癥狀心肌缺血（隱匿性冠心病）、心絞痛、心肌梗死、缺血性心力衰竭（缺血性心臟?。┖外佬?種臨床類型[1]。
　　臨床用于診療冠心病的主要影像手段有X射線冠狀動(dòng)脈造影術(shù)(CoronaryA

2、ngiography, CAG，簡(jiǎn)稱“冠脈造影術(shù)”)和心血管內(nèi)超聲(IntravascularUltrasound，IVUS，簡(jiǎn)稱“心內(nèi)超聲”)[2]。冠脈造影術(shù)是一種有創(chuàng)檢查，通過特制定型的心導(dǎo)管經(jīng)皮從股動(dòng)脈（或肱動(dòng)脈）進(jìn)行穿刺，沿降主動(dòng)脈逆行至升主動(dòng)脈根部，然后探尋左或右冠狀動(dòng)脈口插入，注入造影劑，通過觀察造影劑在血管內(nèi)的充盈情況來觀測(cè)血管的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，冠脈造影術(shù)可清楚地將整個(gè)左或右冠狀動(dòng)脈（簡(jiǎn)稱“冠脈”）的主干及其分支的血管腔顯示

3、出來，可以了解血管有無狹窄病灶存在和心臟的供血功能狀態(tài)，而且隱藏著心臟搏動(dòng)周期中的血管變形，方便臨床醫(yī)生對(duì)病變部位、范圍、嚴(yán)重程度等作出明確診斷，決定治療方案。因此，被稱為檢測(cè)冠心病診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。IVUS技術(shù)一般是根據(jù)臨床醫(yī)生在進(jìn)行選擇性CAG檢查后，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)患者進(jìn)行的一種有創(chuàng)斷層成像技術(shù)。在冠脈造影的指引下，經(jīng)導(dǎo)絲將IVUS導(dǎo)管送至靶病變部位的遠(yuǎn)端，在勻速馬達(dá)的牽引下回撤超聲探頭，借由超聲顯示屏即可觀測(cè)到一系列的血管橫斷面圖

4、像。IVUS圖像分辨率高，能準(zhǔn)確獲取管壁厚度、管腔形態(tài)及動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分等信息。定量分析IVUS序列血管及管腔的各類參數(shù)，可以明確在冠脈造影中不確定的狹窄范圍，同時(shí)觀測(cè)冠脈粥樣硬化的進(jìn)展與消退狀況[3]，是臨床醫(yī)生用于動(dòng)脈粥樣硬化的影像學(xué)評(píng)估的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，藥物治療、冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)和介入治療是治療冠心病的三大主要手段，而其中尤其以介入治療發(fā)展最為迅速，成為緩解由冠心病所引起心絞痛的重要治療手段。冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)和介入治療技術(shù)離不

5、開冠狀動(dòng)脈造影的輔助，而心血管內(nèi)超聲作為新型的影像檢查技術(shù)也已經(jīng)成為了冠心病診斷中重要的技術(shù)手段，這兩者在醫(yī)療診斷、術(shù)前計(jì)劃、術(shù)后監(jiān)控，治療等醫(yī)療環(huán)節(jié)中扮演著重要的角色。
　　CAG和IVUS兩種圖像從二維視角出發(fā)觀察冠脈血管存在種種的局限，冠脈血管醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化重建已成為目前研究的熱點(diǎn)。最早由Wahle[4]提出融合CAG和IVUS這兩種圖像進(jìn)行冠脈的三維模型重建，是基于這兩種醫(yī)學(xué)圖像從不同層面反映了冠脈血管的形態(tài)特征。一

6、方面，CAG雖然能顯示冠狀動(dòng)脈管腔的二維輪廓，但客觀上限制了對(duì)病變部位截面的詳細(xì)分析，無法對(duì)病變程度，粥樣斑塊的性質(zhì)作出準(zhǔn)確判斷。另一方面，IVUS圖像能夠很好地表現(xiàn)動(dòng)脈血管壁復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，但缺少了對(duì)動(dòng)脈血管的整體性觀察，除此之外，超聲導(dǎo)管的物理大小在嚴(yán)重狹窄和血管中可能會(huì)導(dǎo)致血管擴(kuò)張，限制了精確的血管測(cè)量。鑒于CAG與IVUS圖像功能上的互補(bǔ)性，融合CAG和IVUS圖像，對(duì)動(dòng)脈血管三維重建，不僅保留了血管的徑向信息，同時(shí)為醫(yī)生提供直

7、觀，形象，易于分析的三維血管圖像，還能反映動(dòng)脈血管壁的形態(tài)學(xué)特征[5]，更好地輔助臨床醫(yī)生對(duì)冠心病進(jìn)行臨床評(píng)估[6]。
　　目前，應(yīng)用這兩種圖像構(gòu)造冠脈三維模型的方法有很多，主要可以分為四個(gè)階段[7,8,9]:①圖像采集:指CAG和IVUS圖像的采集。②IVUS圖像預(yù)處理:包括去除噪聲和描繪血管邊緣輪廓提取兩個(gè)部分。③CAG血管圖像三維重建:應(yīng)用CAG圖像所反映冠脈血管的空間結(jié)構(gòu)信息重建冠脈血管的三維輪廓。④IVUS圖像融合CAG

8、三維模型:經(jīng)過不同算法將IVUS圖像融合至三維模型對(duì)應(yīng)的位置上。
　　應(yīng)用CAG構(gòu)造三維血管模型，Prause等人[10]指出將導(dǎo)管路徑近似看作冠狀動(dòng)脈血管中軸線，實(shí)際上，導(dǎo)管路徑并不一致保持在血管中軸線上，對(duì)于一些曲率較小的血管段，這種方法看似易于實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于一些曲率較大，管壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的血管段會(huì)直接導(dǎo)致重建的三維血管模型嚴(yán)重失真，此外，該方法也忽略了超聲探頭在血管內(nèi)的偏轉(zhuǎn)情況，嚴(yán)重影響了重建結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。一部分文獻(xiàn)[1

9、0,11,12]采用多角度投影冠脈血管，獲得不同角度的造影圖像，根據(jù)成像距離和角度等參數(shù)以及在不同角度下的多個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)（血管分支點(diǎn)，支架等），利用SNAKE模型完成血管模型的重建。可是在實(shí)際操作中，多角度投影下，對(duì)于混疊嚴(yán)重，偽影較多的圖像選取合適可靠的標(biāo)識(shí)點(diǎn)是相當(dāng)耗時(shí)的，要在兩幅甚至多幅圖像中需找同一標(biāo)志點(diǎn)亦是十分困難的，對(duì)于血管三維模型的重建精度影響很大。除此之外，還需要將導(dǎo)管的路徑作空間重建，來輔助對(duì)血管中軸線的矯正，增加了計(jì)算量。

10、
　　在融合階段中，根據(jù)IVUS圖像的采集特點(diǎn)以及聲學(xué)特性，標(biāo)準(zhǔn)的血管內(nèi)超聲系統(tǒng)顯示為單張橫斷面圖像幾何而成的視屏序列，文獻(xiàn)[12]認(rèn)為IVUS圖像在融合過程中應(yīng)垂直于血管輪廓表面插入，包括Ma等人[13]在IVUS圖像融合至三維血管模型過程中，假定IVUS圖像的采集平面正交于血管表面，而直接將IVUS圖像放置于血管模型當(dāng)中。實(shí)際上，在臨床采集IVUS圖像過程中，由于心臟搏動(dòng)或其他生理、物理因素造成超聲機(jī)械探頭的擾動(dòng)[14,15,

11、16]，使IVUS圖像的采集平面并非均垂直于血管表面（與血管長(zhǎng)軸呈非垂直位），從而造成IVUS圖像的斜面成像現(xiàn)象產(chǎn)生。特別是一些迂回的血管失真情況更為明顯。因此，這種假設(shè)是不正確的，對(duì)于一些斜面成像的IVUS圖像，會(huì)直接導(dǎo)致IVUS管腔面積大于真實(shí)對(duì)應(yīng)的CAG圖像橫截面管腔面積，若將其以垂直角度插入至三維模型中，會(huì)致使IVUS圖像溢出三維模型范圍，在這樣的前提下會(huì)導(dǎo)致三維重建的最終結(jié)果嚴(yán)重失真。
　　針對(duì)上述不足，本文在CAG的基

12、礎(chǔ)上，輔助于計(jì)算機(jī)的定量分析法(Quantitative Coronary Analysis，QCA)，僅需要在CAG圖像中獲得兩到三個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即可完成對(duì)動(dòng)脈血管作三維可視化重建。針對(duì)IVUS圖像的斜面成像，利用IVUS序列圖像中相鄰幀的信息，比較IVUS圖像中管腔中血管的徑向差異，計(jì)算IVUS圖像與血管橫截面的偏移角度，同時(shí)在判斷IVUS幀在冠脈血管中的朝向，對(duì)IVUS圖像在血管三維模型上作角度校正后，在冠脈三維模型的對(duì)應(yīng)位置融合IV

13、US圖像，使血管模型更為真實(shí)地反映冠狀動(dòng)脈血管的實(shí)際解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，為臨床診斷提供重要參考信息。
　　因此本文提出的關(guān)鍵技術(shù)和主要研究?jī)?nèi)容包括:第一、應(yīng)用CAG圖像構(gòu)建冠脈血管三維模型;第二、利用IVUS圖像前后幀信息對(duì)IVUS插入模型角度進(jìn)行校正。
　　一、應(yīng)用CAG圖像構(gòu)建冠脈血管三維模型，主要包括以下幾個(gè)步驟:①選擇兩幅投影角度至少為25。，并處于心臟舒張末期的冠狀動(dòng)脈造影圖像。②在兩幅造影圖像上選擇兩到三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，用于投

14、影校正。③人工選擇目標(biāo)血管，并標(biāo)示出目標(biāo)血管的輪廓，確認(rèn)血管中心線。④確認(rèn)兩幅圖像血管中心的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，重建血管中心線和血管輪廓。較于傳統(tǒng)的融合方法，本文的重建過程中不需要對(duì)導(dǎo)管路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明該方法不僅提供了可靠的冠脈血管模型，同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快等特點(diǎn)。
　　二、利用IVUS圖像前后幀信息對(duì)IVUS插入模型角度進(jìn)行校正，首先，分析CAG和IVUS圖像中冠狀動(dòng)脈血管的徑向信息差異，計(jì)算出IVUS幀在成像過程中超

15、聲機(jī)械探頭的偏移角度。其次，應(yīng)用Active Demons算法判斷IVUS幀在融合三維模型中的朝向。最后，將角度校正后的IVUS圖像數(shù)據(jù)融合至三維骨架模型當(dāng)中，完成兩種數(shù)據(jù)的融合。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法能大幅度改善因IVUS角度偏差而導(dǎo)致的IVUS圖像在三維模型中的失真情況，使冠狀動(dòng)脈三維重建結(jié)果更滿足臨床應(yīng)用的需要。
　　本文以廣東省南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院冠心病患者真實(shí)臨床數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，采用本文算法實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈三維血管重建和IVU