多分支感兴趣血管段的最佳视角优化方法

摘要

本发明公开了一种多分支感兴趣血管段的最佳视角优化方法，属于冠脉树造影技术领域。本方法包括如下步骤：一，使用流向跟踪法选取感兴趣血管段，并计算其真实狭窄率；二，获取使感兴趣血管段投影缩短率小于设定阈值的投影角度范围A；三，以A内角度对感兴趣血管段作二维投影，计算狭窄率值；四，选择与真实狭窄率的差在设定阈值范围内的狭窄率值，其对应投影角度范围B；五，在B内，找到感兴趣血管段与其他血管段的二维投影的重叠区域小于一定阈值时所对应投影角度范围C；六，获得能将感兴趣血管段分支有效分开的超平面；在C内，选择投影方向正交于超平面的法向量的最优投影角度。本方法所获得的最优投影角度可用于多分支感兴趣血管段的投影。

说明书

技术领域

本发明是一种针对多分支感兴趣血管段的最佳视角优化方法，适用于血管 疾病的临床诊断和治疗计划等重要决断过程中，属于冠脉树造影技术领域。

背景技术

冠脉（X-Ray Angiography，XRA）图像能够清晰地显示出冠脉的解剖学结 构，血管的狭窄部位和狭窄程度，以及侧支循环与左心室的功能情况等。

冠状动脉造影术（Coronary Angiography Artery,CAA）是指经皮穿刺动脉后 选择性的向左和向右冠脉开口插入导管并注射造影剂，从而显示冠脉解剖结构 和病变的一种心血管成像方法。冠状动脉造影通常简称为冠脉造影，其具体操 作方法是：从病人大腿根部的股动脉或上臂的肘动脉传入一根心导管，在X射 线造影图像的指导下将导管的尖端一直送到主动脉根部置于冠脉入口，然后注 入一定剂量高密度的造影剂，连续快速摄影，得到冠脉造影图像。

通过冠脉XRA检查，可以有效地对患者冠心病的严重程度进行评价。根据 检查结果制定最佳的治疗方案，指导冠心病的介入性治疗。

在冠脉XRA过程中，某段血管可能与图像平面垂直，也可能与图像平面成 一角度，这就造成一定程度的失真。该现象使其与实际的血管尺寸和形态不一 致，容易造成误诊或漏诊。在临床诊断中，医生关心的通常不是血管的整体信 息，而是具有狭窄病变情况的局部血管段信息。为了诊断感兴趣血管段病变的 严重程度，医生通常选择多个角度进行X射线投影，从中选择最合适观察病变 的投影图像进行分析。这就无形中增加了医生的工作量，此方法一方面对医生 的经验要求很高，诊断结果有受主观性的影响较大；另外，多角度投影使得患 者所需投影剂量增多，不利于患者健康。

由于X射线透视投影引起的血管投影缩短和血管遮盖，严重影响血管临床 医学参数定量分析和诊断，近年来，感兴趣血管段最佳视角的研究成为热点。 但是目前的最佳视角优化方法存在以下方面的局限性：

1.通常选择整支血管为感兴趣血管段，当遇到分叉点处的血管病变问题时， 不能准确提取病变血管段。在计算血管最佳视角的过程中，会增加不必要的计 算量。同时，由于多余血管段的选取，使得血管最小投影缩短角度的计算复杂 化且产生较大的误差；

2.在利用B样条曲线所拟合的感兴趣血管段三维骨架曲线上均匀采样数据 点。但由于血管段的中心线是带有不同曲率和挠率的空间曲线，曲线上的均匀 采样有可能出现方向向量不准确的情况；

3.在选择具有最小投影缩短角度范围时，阈值的选择直接影响后续最小血 管遮盖投影角度的优化。而通常在阈值选择中，没有考虑到有可能出现具有最 小投影缩短但不满足最大狭窄率的角度范围；

4.考虑感兴趣血管段为多分支血管段时，忽略了感兴趣血管内部多支血管 段距离太近且投影狭窄率太小而影响观测角度的问题。

当前最佳视角的研究存在以上主要缺陷，不能较好实现多分支感兴趣血管 段的最佳视角优化。多分支感兴趣血管段的最佳视角研究能够直接将最利于观 测血管狭窄病变角度的图像呈现给医生，辅助医生精确的病情诊断和治疗。因 此多支感兴趣血管段的最佳视角研究具有很好的临床意义和应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种多分支血管段的最佳视角优化方法，本方法 能够准确提取病变血管段，最佳观测视角，有利于直接观测血管狭窄病变。

为达到上述目的，本方法包括如下步骤：

第一步，在冠脉树中，选取感兴趣血管段，得到多分支的感兴趣血管段， 并计算感兴趣血管段的狭窄率，即为真实狭窄率；

其中选取感兴趣血管段时采用流向跟踪的方法，该方法具体如下：

步骤101、获取冠脉树的血管中心线骨架图像，在骨架图像上任意设置一个 种子点，在血管中心线上找到与此种子点距离最近的像素点，并将其设为第一 像素点；

步骤102、在骨架图像上任意设置第二个种子点，并在血管中心线上找到与 第二个种子点距离最近的像素点，将其设为第二像素点；

步骤103、利用血管趋势流的方向性自动跟踪出第一像素点和第二像素点之 间的血管段，并将其定义为感兴趣血管段的第一分支血管段；

步骤104、在骨架图像上任意设置第三个种子点，并在血管中心线上找到与 第三个种子点距离最近的像素点，将其设为第三像素点；

步骤105、利用血管趋势流的方向性自动跟踪出第二像素点和第三像素点之 间的血管段，并将其定义为感兴趣血管段的第二分支血管段；

步骤106、以此类推，得到多个分支血管段组成感兴趣血管段；

第二步，获取感兴趣血管段投影缩短率小于设定阈值的投影角度范围A；

第三步，按照一定的步长在投影角度范围A内选取角度值，使用所选取的 多个角度值作为投影角度，对感兴趣血管段进行二维投影，对应每一投影角度 得到一个二维投影图像，针对每一个二维投影图像计算感兴趣血管段在其上的 狭窄率值；

第四步，对于第三步中所计算的多个狭窄率值，选择与真实狭窄率的差在 设定阈值范围内的狭窄率值，将所选择的狭窄率值对应的角度范围定义为满足 最大狭窄率的投影角度范围B；

第五步，按照设定的步长在投影角度范围B内选取角度值，使用所选取的 多个角度值作为投影角度，将冠脉树中的感兴趣血管段以及除感兴趣血管段之 外的其它血管段分别进行二维投影，得到对应感兴趣血管段以及其他血管段在 各个投影角度下的多个二维图像及对应投影坐标；

将每一投影角度下的感兴趣血管段的投影坐标与其他血管段的投影坐标进 行对比，计算二者的重叠区域，选取重叠区域小于一定阈值所对应的投影角度 范围，并将其定义为满足最小投影遮盖的角度范围C；

第六步，将感兴趣血管段按照其分支划分多个数据集；求得将该多个数据 集有效分开的超平面；在第五步中获得的满足最小投影遮盖的角度范围C内， 选择投影方向正交于超平面的法向量的投影角度，即为最优投影角度。

进一步地，第二步获取投影角度范围A的具体方法为：在感兴趣血管段中 心线上选取多个点；针对每一点，计算中心线在其上的切向量；基于各点切向 量计算感兴趣血管段投影缩短率，对投影角度范围进行优化，获取感兴趣血管 段投影缩短率小于设定阈值的投影角度范围A；

优选地，第二步中在感兴趣血管段上选取的点的数量由血管段中心线的曲 率和挠率确定，曲率越大个数越多，挠率越大个数越多；确定所选取的点的数 量之后，在感兴趣血管段上随机进行点的选择。

有益效果：

1.本方法利用流向跟踪的方法准确提取病变血管段，确保了分叉点处多支 血管段的精确选取，并通过最小投影缩短、最大狭窄率、最小投影遮盖和最大 邻近间距的层层筛选，获取最佳视角，有利于直接观测血管狭窄病变。

2、本方法提出了最大狭窄率投影角度优化方法，以真实狭窄率来确定对角 度范围进行筛选，从而使获得的观测角度对单边狭窄的血管段具有更好的视角。

3.本方法构建了基于分级优化冠脉造影图像的模拟方法，提高了冠脉投影 图像的对比度。

附图说明

图1是本发明提出的多分支血管段最佳视角优化方法流程图；

图2是本发明中投影图像缩短率计算示意图；

图3是本发明中投影图像仿真系统及投影角度示意图；

图4是本发明的系统实例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种如附图1所示，多分支血管段最佳视角优化方法流程图， 具体包括以下几个步骤：

第一步，在冠脉树中选取感兴趣血管段，得到多分支的感兴趣血管段，并 计算感兴趣血管段的狭窄率，即为真实狭窄率。其中在计算真实狭窄率时使用 的是感兴趣血管段的三维数据。

其中选取感兴趣血管段时采用流向跟踪的方法，该方法具体如下：

步骤101、获取冠脉树的血管中心线骨架图像，在骨架图像上任意设置一个 种子点，在血管中心线上找到与此种子点距离最近的像素点，并将其设为第一 像素点；

步骤102、在骨架图像上任意设置第二个种子点，并在血管中心线上找到与 第二个种子点距离最近的像素点，将其设为第二像素点；

步骤103、利用血管趋势流的方向性自动跟踪出第一像素点和第二像素点之 间的血管段，并将其定义为感兴趣血管段的第一分支血管段；

步骤104、在骨架图像上任意设置第三个种子点，并在血管中心线上找到与 第三个种子点距离最近的像素点，将其设为第三像素点；

步骤105、利用血管趋势流的方向性自动跟踪出第二像素点和第三像素点之 间的血管段，并将其定义为感兴趣血管段的第二分支血管段；

步骤106、以此类推，得到多个分支血管段组成感兴趣血管段。

上述流向跟踪的方法有效解决了分叉点处狭窄病变的单支血管提取问题， 在此过程中，当遇到血管分叉点时，以分叉点两端两种子点之间的斜率确定血 管中心线的趋势流方向范围，根据此方向性确定血管中心线跟踪的趋势流，准 确实现病变处多支感兴趣血管段的选择。

第二步，获取感兴趣血管段投影缩短率小于设定阈值的投影角度范围A； 具体方法为：在感兴趣血管段中心线上选取多个点；针对每一点，计算中心线 在其上的切向量；基于各点切向量计算感兴趣血管段投影缩短率，对投影角度 范围进行优化，获取感兴趣血管段投影缩短率小于设定阈值的投影角度范围A。

如附图2所示，以电光源为原点建立摄像机坐标系，则射线束由点光源发 出，投影平面垂直于射线束方向，感兴趣血管段L的中心线C(t)处于射线束方向 上，θ是射线束方向与血管段首尾连线方向之间的夹角，感兴趣血管段的首尾 连线长度为L，假设L投影到投影图像上的血管长度为l，此时L和l的关系是：

l＝ηLsinθ     （1）

其中，η为透视放大系数，它可以由下面公式计算：

$\eta =\frac{\mathrm{SID}}{\mathrm{SOD}}\times 100\%---\left(2\right)$

其中SID是点光源到投影平面的距离，SOD是点光源到感兴趣血管段的三 维数据中心之间的距离。则血管投影缩短百分比可由下式计算：

$F_f=\frac{L-l}{L}=(1-\sin \theta )\times 100\%---\left(3\right)$

为使所选取的点的数量能够表达感兴趣血管段的弯曲程度，选取的点的个 数可以根据血管中心线的曲率和挠率来确定，曲率越大个数越多，挠率越大个 数越多。在本实施例中，根据血管中心线C(t)的曲率和挠率，在C(t)上选择m 个点t_j，j=1、2、…、m，。则投影缩短百分比F_f可以用下式表示：

$F_f=\left(\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_j\right|(1-\sin {\theta }_j)}{\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_j\right|}\right)\times 100\%---\left(4\right)$

其中，为血管中心线C(t)在t_j点处的切向量。表示的模，0°≤θ_j≤180° 是和投影向量之间的夹角。

本实施例中的投影系统如图3所示，C型臂绕旋转中心O进行旋转成像，以 点光源S作为射线源。图中α描述投影成像时C型臂左右旋转的角度，其中当α 为正数时为左角度LAO，当α为负数时为右角度RAO；β描述投影成像时C型 臂前后旋转的角度，其中当β为正数时为前角度CRAN，当β为负数时为后角度 CAUD。

在图3中可以看出，该投影系统包含三个坐标系：世界坐标系O-x_Wy_Wz_W、 投影图像坐标系I-uv和摄像机坐标系S-x_Cy_Cz_C，将感兴趣血管段的三维立体视 为三维数据，则世界坐标系原点和三维数据中心重合。世界坐标系以实际物理 距离为单位，投影图像坐标系以像素为单位，摄像机坐标系以体素为单位。其 中为世界坐标系中沿投影方向的单位向量，

因此，找到使F_f最小的θ_j即为满足血管段L最小投影缩短的投影角度θ：

$\underset{\theta }{\min }{F}_f\left(\theta \right)=\left(\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_j\right|(1-\sin {\theta }_j)}{\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_j\right|}\right)\times 100\%---\left(5\right)$

若感兴趣血管段是r分支的血管段，则设L={L₁,L₂,…,L_r}为r支分支血管 段，m_i为L_i上根据曲率和挠率选取的点，其中i=1,2,…,r，θ_ij为第i支血管段的 血管中心线上第j个点的切向量与投影向量之间的夹角，则：

$\underset{\theta }{\min }{F}_f\left(\theta \right)=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{r}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_{\mathrm{ij}}\right|(1-\sin {\theta }_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{r}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_{\mathrm{ij}}\right|}\right)\times 100\%---\left(6\right)$

在F_f的最小值的一定范围之内，找到满足此时F_f值的θ_ij：

$\underset{\theta }{\min }{F}_f\left(\theta \right)=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{r}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_{\mathrm{ij}}\right|(1-\sqrt{1-{\cos }^2{\theta }_{\mathrm{ij}}})}{\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\Sigma }}\left|{\overrightarrow{v}}_{\mathrm{ij}}\right|}\right)\times 100\%---\left(7\right)$

其中

$\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}=\frac{\overrightarrow{v_{\mathrm{ij}}}·\overrightarrow{z_p}}{\left|\overrightarrow{v_{\mathrm{ij}}}\right|\left|\overrightarrow{z_p}\right|}=\frac{(\frac{\partial x}{\partial t}·(-\cos \beta \sin \alpha )+\frac{\partial y}{\partial t}(-\sin \beta )+\frac{\partial z}{\partial t}\left(\cos \beta \cos \alpha \right))}{\sqrt{{\left(\frac{\partial x}{\partial t}\right)}^2+{\left(\frac{\partial y}{\partial t}\right)}^2+{\left(\frac{\partial z}{\partial t}\right)}^2}·\sqrt{{\left(\cos \beta \sin \alpha \right)}^2+{\left(\sin \beta \right)}^2+{\left(\cos \beta \cos \alpha \right)}^2}}---\left(8\right)$

因此若要优化投影角度，必然需要对α和β角度进行优化。

第三步，按照一定的步长在投影角度范围A内选取角度值，使用所选取的 多个角度值作为投影角度，对感兴趣血管段进行二维投影，对应每一投影角度 得到一个二维投影图像，针对每一个二维投影图像计算感兴趣血管段在其上的 狭窄率值。

在本实施例所建立的投影系统中，假设感兴趣血管段立体的大小为 成像平面的大小为该投影系统中的三个坐标系中的齐次 坐标分别为：世界坐标系：p_W＝[x_W,y_W,z_W,1]^T，摄像机坐标系：p_C＝[x_C,y_C,z_C,1]^T， 投影图像坐标系：p_I＝[u,v,1]^T。各坐标系间可通过左乘变换矩阵实现相互变换。 设M_C、M_I表示坐标变换矩阵，分别实现O-x_Wy_Wz_W坐标系到S-x_Cy_Cz_C坐标系的 变换、S-x_Cy_Cz_C坐标系到I-uv坐标系的变换：p_C=M_Cp_W，p_I=M_Ip_C。则有 p_I＝M_IM_Cp_W。

在摄像机的成像模型中有：$p_I=K\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0_3^T& 1\end{array}\right)p_W/z_C.$其中K代表摄像机的内参矩 阵，$\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0_3^T& 1\end{array}\right)$代表摄像机的外参矩阵。p_w表示体素在世界坐标系中的原始坐标相 对X射线源世界坐标点对称处理后的坐标，z_c为体素在摄像机坐标系中的Z轴 坐标。

在摄像机的成像模型中,矩阵K的表达形式如下：

$K=\left(\begin{array}{cccc}f/\mathrm{dx}& 0& u_0& 0\\ 0& f/\mathrm{dy}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)---\left(9\right)$

在该投影系统中，f对应点光源到成像平面的距离SOD，dx和dy为三维数 据在投影平面两轴的分辨率。

使用矩阵R和t分别描述世界坐标系到摄像机坐标系的旋转和平移。表示如 下：

$R=\left(\begin{array}{ccc}-\cos \alpha & \sin \alpha \sin \beta & -\cos \alpha \sin \beta \\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha \\ \sin \beta & \sin \alpha \cos \beta & -\cos \alpha \cos \beta \end{array}\right)---\left(10\right)$

t＝[00SOD]        (11)

本实施例中设定X射线源在世界坐标系的第四象限，在其它象限只需改变 相关的平移矩阵t。

则本投影系统的投影模型可表示如下：

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)·Z_C=\left(\begin{array}{cccc}f/\mathrm{dx}& 0& u_0& 0\\ 0& f/\mathrm{dy}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}-\cos \beta & \sin \alpha \sin \beta & -\cos \alpha \sin \beta & 0\\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha & 0\\ \sin \beta & \sin \alpha \cos \beta & -\cos \alpha \cos \beta & \mathrm{SOD}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_W\\ y_W\\ z_W\\ 1\end{array}\right)---\left(12\right)$

其中dx和dy为三维数据在投影平面上的分辨率。α、β为投影角度，f对 应点光源到投影平面的距离SOD。(u、v)为投影图像像素坐标。x_W,y_W,z_W是世界 坐标系。

因此在本实施例中可使用上述投影模型对感兴趣血管段进行投影。

第四步，对于第三步中所计算的多个狭窄率值，选择与真实狭窄率的差在 设定阈值范围内的狭窄率值，将所选择的狭窄率值对应的角度范围定义为满足 最大狭窄率的投影角度范围B。

在对感兴趣血管段进行观测时，只有具有狭窄病变区域投影面积较小时才 有可能达到最佳观测角度，而当狭窄病变区域投影面积较小时其狭窄率必定大， 当狭窄率大到接近第一步中所得真实狭窄率的值时，则可以视为满足最大狭窄 率的条件。

在本实施例中，假设具有狭窄病变区域的感兴趣血管段L，在血管段L的血 管中心线上选择N_L个点，每个点用q表示，则q=1、2、…N_L，q在投影平面上 的对应像素投影坐标为L_q(u、v)。投影面积为S_L，则在投影面积最小值的设定范 围之内时可能满足最大狭窄率：

$S_L=\underset{\alpha ,\beta }{\min }\left(\underset{q=1}{\overset{N_L}{\Sigma }}{L}_q(u,v)\right)---\left(13\right)$

第五步，按照设定的步长在投影角度范围B内选取角度值，使用所选取的 多个角度值作为投影角度，将冠脉树中除感兴趣血管段之外的其它血管段进行 二维投影，每个血管段均得到对应各个投影角度的多个二维图像及对应投影坐 标；

将上述各投影角度下的感兴趣血管段投影的坐标信息与该投影角度下其他 血管段的投影坐标对比，找到重叠区域小于一定阈值所对应的投影角度，并将 该角度范围定义为满足最小投影遮盖的角度范围C。

假设冠脉树中，可能在投影图像上遮盖感兴趣血管段L的其他血管段有n 个，表示为：K_j，j=1、2、3…n。在计算血管遮盖百分比时，S_i可由其在投影图 像所包含的像素点表示，因此，L的遮盖率为：

$F_o(\alpha ,\beta )=\frac{{\Pi }_{\alpha ,\beta }(S_L\cap \left(\underset{j=1}{\overset{n}{\cup }}{S}_{K_j}\right))}{{\Pi }_{\alpha ,\beta }\left(S_L\right)}\times 100\%---\left(14\right)$

其中，Π_α,β(S_L)表示在感兴趣血管段L投影角度α和β下的投影S_L包括的 像素点数目，表示其他血管段K_j在投影图像上的面积。

第六步，将同时满足最小投影缩短、最大狭窄率及最小投影遮盖的角度范 围作为初始条件，采用寻找最优超平面的方法得到满足最大邻近间距的投影角 度。

将感兴趣血管段按照其分支划分多个数据集，求得将该多个数据集有效分 开的超平面；在第五步中获得的满足最小投影遮盖的角度范围C内，选择投影 方向正交于超平面的法向量的投影角度，即为最优投影角度。

本发明寻找超平面的方法具体为：定义两支分支血管段之间的超平面p(x) 表达式为：

p(x)＝w^Tx+b=0         （15）

其中，w为超平面的法向量，b为超平面到投影系统中感兴趣血管段中心坐 标的距离。为了确保观测角度清晰，分别求此平面与两支分支血管段的距离d₁和d₂，并设置一个阈值γ，使平面到两支分支血管段的距离和(d₁+d₂)与两支分 支血管段中心连线的距离d相差不超过该阈值γ，由此可获得分支血管段之间 的超平面。

本步骤中所得到投影角度垂直于超平面法向量，有效消除了两分支血管段 距离太近对观测准确性的影响。

求最大邻近间距问题就是为了在同时满足最小投影缩短、最大狭窄率及最 小投影遮盖的角度范围内寻找能够使投影方向尽可能正交于超平面的法向量过 程。

根据以上步骤得到的最优投影角度，对感兴趣血管段进行二维投影，则可 以得到最佳观测角度下的二维投影图像。

本发明在实例中的优化投影结果如附图4所示。

当系统得到血管的三维数据后，用户可以在三维数据上选取自己感兴趣的 血管段，然后按照本发明所提供的步骤依次进行最小投影缩短角度优化、最大 狭窄率角度优化、最小投影遮盖角度优化和最大邻近间距角度优化过程得到最 优的投影角度。再利用图像的投影仿真系统得到具有最优角度的投影仿真图像。 其中，投影仿真图像结果如图4所示。

虚线圆圈内为用户选取的感兴趣血管段，每幅图的左上角为对应的投影角 度α和β；右上角显示了SID和SOD；左下角显示了由本系统计算出的缩短率。 从图中可以清楚的看出，图(e)是对应与用户选取的感兴趣血管段的最佳视角投 影图像。

以上仅为对本发明参考优选实施例的描述，并不构成本发明保护范围的限 定，任何在本发明的精神及原则内的修改、等同替换和改进等，均应包含在本 发明的权利要求保护范围内。