（光学工程专业论文）冠状动脉树三维骨架重建方法的研究.pdf

摘要 冠心病是目前危害人类健康的首要疾病之一。冠脉造影图像是临床诊治冠心病 的主要依据之一，被称为诊断冠心病的“金标准”。血管的三维重构技术不仅能为医 生提供形象、直观的三维血管形状图像，而且可以辅助测量血管的有关参数( 如直 径大小、血管长度和截面积等) ，从而有助于冠心病的诊断和治疗。因此基于单而冠 脉造影图像重建冠状动脉的三维骨架具有很好的临床意义和很高的应用价值，目前 已成为国内外研究的热点。本文采用数字图像分析的方法，从两幅不同角度的单面 冠脉造影图像中提取冠状动脉树的三维信息，重建冠状动脉树的三维骨架，辅助冠 心病的诊治。 本文的研究内容主要包括： 阐述冠脉造影系统的成像原理，研究冠心病严重程度的评价标准，并说明二 维定量分析的局限性和三维定量分析的意义。 根据透视投影原理建立冠脉造影系统的投影模型，推导两幅不同角度的造影 图像之间的几何变换关系，建立重建三维冠状动脉树的理论模型。 推导空间点的三维重建方法，并对其重建误差进行了分析。 研究骨架树特征点的自动识别方法，分割二维僭架树，采用“有向二叉树” 描述冠状动脉树的拓扑结构。 综合利用拓扑约束和外极线约束匹配二维骨架树的分支点和端点，从而实现 两幅造影图像上血管段的匹配。 通过优化几何变换矩阵，提高匹配精度，并对血管段的象素点进行匹配、插 值等处理，最后成功地实现了冠脉树三维骨架的重建。 运用面向对象思想创建刈重用图形类c o p e n g l ，显示冠状动脉树三维骨架。 分别利用冠状动脉树模型和临床单面冠脉造影图像进行三维骨架的重建实 验，对重建结果的二维投影误差进行统计，并分析了三维重建的误差源。 关键词： 三维重建单面冠脉造影几何变换矩阵匹配o p e n g l i i i a b s t r a c t d e s p i t eo fa d v a n c e si n c a r d i o v a s c u l a ri m a g i n g ，c o r o n a r ya n g i o g r a p h yr e m a i n st h e “g o l ds t a n d a r d f o rt h ea s s e s s m e n to fc o r o n a r ya r t e r y d i s e a s e 3 d ( t h r e ed i m e n s i o n a l ) r e c o n s t r u c t i o no fc o r o n a r ya r t e r i a lt r e eb a s e do nt h et w os i n g l ep l a n ea n g i o g r a m sh a sb e e n a na c t i v ea r e ao fr e s e a r c ho v e rt h ep a s t y e a r s t h ea u t o m a t i cc o m p u t a t i o no ft h e 3 d c o r o n a r ya r t e r i a lt r e ea l l o w st h ec l i n i c i a n st ov i s u a l i z et h ea r t e r i e sa n dc a l la l s os u p p o r t t h eg e o m e t r i cm e a s u r e m e n t sf o rb e t t e rp r e d i c t i o no fs t e n o s i s c l e a r l y , 3 dr e c o n s t r u c t i o n o ft h ea r t e r i a lt r e ei ss i g n i f i c a n tf o rp r o v i d i n ga c c u r a t eq u a n t i f i c a t i o no ft h ec o r o n a r y v a s c u l a 臼l r ea n ds t e n o s j sa s s e s s m e n t m a j o r c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ： d i s c u s s i o no ft h e i m a g i n gt h e o r y o fc o r o n a r y a n g i o g r a m ，i n t r o d u c t i o n o f a s s e s s m e n to fs t e n o s i sa n d c o m p a r i s o n o f 2 d q c a ( q u a n t i t a t i v ec o r o n a r ya r t e r i a l ) a n d3 d q c a t h ep r o j e c t i o nm o d e lo fc o r o n a r ya n g i o g r a mi s p r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h e p e r s p e c t i v ep r i n c i p l e a n dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo f 3 dr e c o n s t r u c t i o ni sb u i l tu p b a s e do nt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h et w o a n g i o g r a m s t h em e t h o df o r3 dr e c o n s t r u c t i n ga s p a t i a lp o i n t i s p r e s e n t e d w i t ht h e r e c o n s t r u c t i o ne r r o r a n a l y s i s s t u d yo na u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o no ft h ef e a t u r ep o i n t s s e g m e n t a t i o no f2 d s k e l e t o nt r e ea n dd e s c r i p t i o no f t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eu s i n gd i r e c t e db i n a r yt r e e r e g i s t r a t i o nb i f u r c a t i o n sa n de n d p o i n t sa c c o r d i n gt ot h et o p o l o g i c a lc o n s t r a i n t s a n d e p i p o l a rc o n s t r a i n t s ，a n dm a t c h i n g t h ev e s s e ls e g m e n t s i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fm a t c h i n gb yo p t i m i z i n gt h et r a n s f o r m a t i o n a f t e r r e g i s t r a t i o n o f p i x e l s a n d i n t e r p o l a t i o n ，3 dc o r o n a r y a r t e r i a ls k e l e t o ni s r e c o n s t r u c t e d b a s e do nt h e o b j e c t - o r i e n t e di d e a ar e p r o d u c i b l eg r a p h i cc l a s si se s t a b l i s h e d c a l l e dc o p e n g l ，w i t hw h i c ht os h o w3 ds k e l e t o n r e s u l t sa r ep r o v i d e dw i t he r r o ra n a l y s i so nt h ec o m p u t e r - s i m u l a t e da n dh u m a n a n g i o g r a m d a t at oc r i t i c a l l ye v a l u a t ep e r f o r m a n c eo f t h i sm e t h o d k e y w o r d s ：3 d r e c o n s t r u c t i o n ；c o r o n a r ya r t e r i a lt r e e ；s i n g l e p l a n ec o r o n a r ya n g i o g r a m ； t r a n s f o r m a t i o n ；m a t c h ；o p e n g l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：鸸年占月舛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 鑫盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：谢 签字日期：z 弓年6 月烨日 导师签名 儡犯 签字日期：伽) 年6 月舻日 第一章绪论 第一章绪论 冠心病是危害人类健康的首要疾病之一，已成为目前危害人类健康的第一杀手。 据卫生部和世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 公布的资料，我国冠 心病发病率很高，3 5 岁以上人群冠心病率为4 8 6 4 ，冠心病已成为主要死亡 病因。我国心血管病人己超过1 亿人口，其中冠心病患者达4 3 0 0 万，且冠心病的发 病率和死亡率还在呈逐渐上升的趋势。流行病学研究显示，仅北京地区急性冠心 病事件发病率每年以3 增氏率递增日】。 冠脉造影图像是目前医院临床广泛采用的诊断和治疗冠心病的主要依据之一， 被称为诊断冠心病的“金标准”【”。基于二维造影图像重建三维冠状动脉树已成为 国内外研究的热点。血管的三维重构技术不仅能为医生提供形象、直观的三维( t h r e e d i m e n s i o n a l ，3 d ) 血管形状图像，而且可以对血管的有关参数( 如直径大小、血管 长度和截面积等) 进行定量测量，更重要的是在放射治疗计划、放射介入治疗、放 射外科、多设备图像融合( m u l t i - m o d a l i t yi m a g ef u s i o n ) 和计算机辅助教学中有独特 的应用【4 j 。 本文主要研究目的是：采用数字图像分析的方法，从两幅不同角度的单面冠脉 造影图像中提取冠状动脉树的三维信息，重建冠状动脉树的三维骨架，辅助冠心病 的诊治。 1 1 研究背景 在诊断医学中，获取病人各种医疗信息的技术手段是及时、准确地诊断决策的 前提。血管的形态结构反映了多种心血管病变的基本信息，因而通过成像技术获取 的心血管影像具有重大的临床价值，用于血管成像的技术通常被称为血管造影术 ( a n g i o g r a p h y ) 。尽管现代医学成像设备( 例如超声，核磁共振，核医学和x 射线 图像) 已经能够提供多种血管成像，但目前医学临床中应用最为普遍的仍然是x 射 线血管造影术( x - r a ya n g i o g r a p h y ) 。 对冠状动脉进行的x 射线造影称为冠状动脉造影，简称“冠脉造影”。通过冠 状动脉造影检查，可以准确判断患者冠状动脉狭窄的情况，包括狭窄程度、部位等， 从而评价患者冠心病的严重程度，根据检查结果制定最佳的治疗方案，并指导冠心 病的介入性治疗。 1 1 1 冠心病及其治疗方法 第一章绪论 冠心病是冠状动脉粥样硬化导致冠状动脉狭窄、闭塞，引起心肌缺血的疾病。 又称冠状动脉粥样硬化性心脏病。冠状动脉狭窄大多由于脂肪物质沿血管内壁堆积 所致，这一过程称为动脉硬化。动脉硬化发展到一定程度，冠状动脉狭窄逐渐加重， 限制流入心肌的血流。冠状动脉的狭窄程度是冠心病存在及严重程度的重要评价依 据，目前医院临床主要采用“直径狭窄百分比”进行评价，本文第二章将详细讨论 冠状动脉狭窄的评价方法。冠状动脉的解剖结构如图卜1 所示，大体可分为左冠状 动脉和右冠状动脉p j 。 图卜1 冠状动脉解剖结构图 图1 2 冠脉造影导管工作示意倒 耳前，冠心病1 ) 勺治疗方法主要包括三种方法：“药物治疗”、“介入性治疗” 和“外科手术治疗”。药物治疗是所有治疗的基础，介入性治疗和冠状动脉搭桥手 术总称为心肌血运重建术。 药物治疗指使用降脂药物、改善冠脉供血药物以及溶栓药物、抗心律失常药物 等等，减缓冠心病的发展或使其向好的方面转变，主要适用于轻度冠心病人。 所谓冠心病的介入性治疗就是通过心导管技术在不开胸情况下，对冠状动脉病 变部位进行机械性扩张和塑形，使原先狭窄或已经闭塞的冠状动脉部分或完全疏通， 从而改善心肌血液供应，消除或减轻症、从，降低冠心病的死亡危险。目前应用最j l 泛的是经皮穿刺冠状动脉腔内成形术( p e r c u t a n e o u st r a n s l u m i n a lc o r o n a r ya n g i o p l a s t v p t c a ) 和冠脉支架术。 p t c a 术首先在股动脉穿刺并插入导管，将导管送至冠状动脉开口后，在体外 通过导管将根导引钢丝插入冠状动脉( 如图1 - 2 所示) ，通过狭窄部位。然后将 一根顶端带有球囊的导管沿导引钢丝送至阻塞部位。当球囊到达欲扩张的位置，将 第一章绪论 球囊加压扩张，通过机械扩张压迫动脉壁上的粥样硬化斑块，将斑块压迫成小的撕 裂，使血管管腔扩张增大，改善心脏血流，最后撇出球囊导管。 冠状动脉内支架是专为植入冠状动脉内而设计制造的，具有相当支撑力的网状 管样金属支架。利用p t c a 技术将支架植入冠状动脉狭窄处并扩张开支架，依靠支 架的金属支撑力消除狭窄来治疗冠心病的。 冠状动脉搭桥术( c o r o n a ya r t e r yb y p a s sg r a f t i n g ，c a b g ) 是治疗冠心病的外科手 术方法，取自体血管( 动脉或静脉) ，将其两端分别与“升主动脉”和病变远端的冠 状动脉相吻合，形成一个跨越病变的“桥样”供血通道。 上述三种治疗方法中，介入性治疗是目前应用最为广泛的冠心病治疗方法，而 冠脉造影是冠心病介入性治疗必不可少的辅助手段。 1 1 2 冠状动脉造影 冠状动脉造影检查是目前国际上公认的诊断冠心病最佳方法，被称为冠心病诊 断的“金标准” 6 1 。通过冠状动脉造影检查，可以准确判断患者冠状动脉狭窄的情 况，根据检查结果制定最佳的治疗方案，并指导冠心病的介入性治疗。冠状动脉造 影的基本原理是；当x 射线透过人体时，因为注入冠状动脉的造影剂和人体组织对 x 射线的吸收程度不同，所以在接收端得到不同强度的射线，利用胶片或数字化技 术记录得到冠状动脉造影图像，本文第二章将详细讨论冠脉造影系统原理。 1 9 5 8 年s o n e s 利用特制的造影导管，经肱动脉切开成功进行了冠脉造影，随着 对导管的改进尤其是经皮股动脉穿刺的应用，使冠状动脉造影得以推广。目前，冠 脉造影已经广泛应用于诊断、评价冠心病，指导冠脉的介入性治疗和手术治疗。 冠脉造影的具体方法是口】：从病人大腿根部的股动脉或上臂的肱动脉，送入一 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心脏的冠状动脉。然 后注入高比重的造影剂，采用冠脉造影机分别对左、右冠状动脉进行造影检查。根 据冠脉造影图像可以清晰地分辨冠状动脉及其分支有无狭窄，狭窄的部位利程度， 以及侧支循环与左心室功能情况。因此，冠状动脉造影是一种有创性的介入性诊断 技术，具有以下重要的临床意义； ( 1 ) 可以明确诊断冠心病，对于有不典型心绞痛症状，临床难以确诊，尤其是治 疗效果不佳者，以及怀疑有冠状动脉病变或畸形，对无创检查结果不能确诊 者，冠状动脉造影可提供有力的诊断依据。 ( 2 ) 用于指导介入性治疗：对临床上确诊的冠心病患者，在内科保守治疗效果不 佳而考虑采用经皮冠状动脉腔内成形术( p t c a ) 、或冠状动脉旁路移植术 ( c a b g ) 时，必须先进行冠状动脉及心室造影，明确冠状动脉狭窄的部位、 第一章绪论 程度及心室的功能情况，从而制定治疗方案。 1 2 基于冠脉造影图像的三维重建 由于人体脏器结构是个三维空间分布，因此仅仅依靠一幅或几幅二维图像来 理解三维结构是有一定的局限性的，它不能完全满足i 临床上在疾病诊断、治疗决策 及外科手术研究中的需要。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医 学三维成像在近十年中有了很大的发展。目前，三维图像已应用于放射学诊断、肿 瘤学、心脏学与外科手术的研究中，并已成为计算机辅助制定治疗方案的得力工具。 基于二维造影图像的冠状动脉三维重建具有很好的临床意义和很高的应用价值，目 前已成为国内外研究的热点。 1 2 1 三维重建的目的 x 射线造影成像的最大缺陷在于把三维空问结构重叠到二维的图像上，即投影 成像。由于投影成像，血管结构可能在造影图像中相互重叠而影响医生观察图像。 如果一幅血管造影图像中病变区域被其它血管或组织遮蔽，那它就几乎完全丧失了 诊断价值。更本质地，二维造影图像丢失了大部分三维空间信息，而这些三维信息 恰恰是i 临床诊断中十分需要的。即使是个临床经验丰富的医生，也只能在相当有 限程度上估计血管的空间方向。为了诊断并规划血管狭窄的治疗，医生希望精确地 对病灶定位并定量地估计狭窄的程度。血管的空间行走方向和直径狭窄信息无疑是 做出这些判断的重要依据。 事实上，平面冠脉造影图像巾隐含着实际血管的三维空问信息。医生可以利_ = | j 解剖、病理等专门知识和临床经验，从实际血管在多个方向的投影想象冠状动脉树 的三维形态，从而做出更加准确的评价。人工分析的缺点和其它医学图像的人工分 析一样，结果不够客观，难以重复，不能定量化。分析结果密切依赖于医生是否具 有丰富的临床经验以及能否恰当地利用专业知识，而且可以用于三维分析的皿管空 间信息非常有限。 因此，本文研究的问题是能否用计算机辅助的方法来客观、定量、精确地从平 面血管造影图像中提取隐含的三维信息，供临床诊断使用。 冠状动脉树的三维重建主要指从冠脉造影图像重构实际血管的空间特征。三维 重建技术的目的是用数字图像分析的方法去提取这些信息，并以恰当的方式表达出 来，用于临床诊断，例如以图形的方式给出血管断面的形状、血管系统的三维形态、 空间方向和曲率，甚至完整的计算机三维血管几何模型。 1 2 2 三维重建的方法 第一章绪论 利用现代医学成像技术，医生不仅能观察人体器官的形态结构，而且还能得到 有关组织和功能信息。由于三维信息在医学诊断中的重要意义，三维医学成像及图 像处理已成为目前研究和发展的重点。 一般说来，现代成像设备能提供诊断用的三维医学图像可以分为两类_ j 。第一 类的典型代表是各种c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 图像。根据一系列c t 图像可以用 计算机图形学技术得到对象的三维形状，并在屏幕上显示出来，这类图像称为“显 式的三维数据”。另一类医学图像并不直接定义对象的三维形态，但以某种方式隐含 了对象的三维信息，我们称它为“隐式的三维数据”。一个典型的例子就是同一对象 的多个不同方向的x 射线投影图像，如血管造影图像。 冠状动脉树的三维空间信息隐含在二维的冠脉造影图像中，所以基于冠脉造影 图像的三维处理中，关键是如何提取隐含的三维信息，并将它们恰当地表示出来， 辅助医学诊断。 冠脉造影系统主要分为两类：双面造影系统和单面造影系统。双面造影系统有 两套x 射线成像系统，单面造影系统只有一套x 射线成像系统。由于单面造影系统 在两个不同角度获取的造影图像是在不同时刻获取的，而造影过程中冠状动脉随着 心脏运动不断改变其空间位置，这将给冠状动脉树的三维重建带来很多困难，例如 两幅造影图像上血管的匹配难度增大等等。所以国外研究人员大多采用双面造影系 统的二维图像进行三维重建的研究，并已取得了很大进展。 由于双面造影系统的高成本限制了其推广应用，目前国内医院临床广泛采用单 面造影系统，因此基于二维单面造影图像重建三维冠状动脉树具有很好的临床意义 和很好的应用前景。如何消除或减小心脏运动的影响将是本课题首先需要解决的问 题，本文根据造影过程中同步记录的心电图信号选取冠脉造影图像，详细方法将在 2 2 2 中介绍。 本文研究的目的就是利用两幅不同角度的单面冠脉造影图像，重建冠状动脉树 的三维骨架，辅助冠心病的诊治。从投影数据重构空间函数的意义上讲，两个角度 的造影图像所提供的投影数据非常有限，由此重构血管的三维形态面临着严重的困 难。即使在非完整投影数据图像重建( i m a g er e c o n s t r u c t i o n f r o m i n c o m p l e t e p r o j e c t i o n s ) 的研究领域( 例如基于c t 图像的三维重建) ，通常也需要几十乃至上 百的投影数_ j 。因此，在数据源过于简单的前提下实现的冠状动脉树三维重建，必 须从目标至手段恰当地规划，以达到最优的结果。 首先，从这些极有限的投影数据不可能期望如同传统c t 所做那样，重构任意 复杂的空间函数，来一般地表达三维血管。因此必须简化重构的目标来降低问题的 复杂性，使它在有限的数据下具有良好的定义，从而减小求解难度。血管所特有的 第一章绪论 空间形态特征，可以帮助我们简化问题( 简化方法将在第四章重点介绍) 。 其次，在重建的算法手段上必须尽可能利用目标的先验知识来增加重建问题的 约束条件。图像重建问题一般可以表达为一个优化问题，在投影数据有限的情况下， 增加约束是减少优化问题复杂性的有效手段。当然，我们希望使用尽可能一般的先 验知识，而不至于对算法的有效范围引入过多的限制。一些常用的心血管知识自助 于引入对冠状动脉树三维重建问题的附加约束，而不会导致对应用问题本身定义的 不恰当限制。例如血管的三维骨架是具有树状结构的连续的空间曲线，血管的断面 由于充盈了造影剂是一个连通的区域，其轮廓线是一条平滑的、i 面封闭曲线，等等。 因此通过简化重建目标和引入附加约束，可以弥补数据有限的局限性，从而降 低三维重建的难度，提高重建的精度和速度。 重构血管的中轴线是血管的三维重构最主要的任务，可以归纳为两个问题，即 两幅图像中血管匹配的问题和由两幅2 d 图像中轴线计算3 d 中轴线的问题。其中对 应血管的匹配是最复杂的问题之一，也是三维重建研究的重点。上述两个问题解决 后就得到血管树的空间坐标，经过插值或曲线拟合，从而实现血管3 d 中轴线的重 建，即重构冠状动脉树的三维骨架。 1 2 3 三维重建的意义 目前冠心病的临床诊断中，医生一般选择多个角度进行冠脉造影，根据二维冠 脉造影图像上动脉的直径狭窄百分比评价冠心病的存在及其严重程度。介入性治疗 过程中，通常根据狭窄动脉的二维长度测量值和临床经验选择球囊的大小或植入支 架的长度。诊治的结果密切依赖于医生是否具有丰富的临床经验以及能否恰当地利 用专业知识。另外，造影过程中血管的重叠和成像导致的长度缩短等都会影响冠脉 造影的二维定量分析的精度，进而影响诊断的准确性和治疗的效果。 因此，根据两幅不同角度的单面冠脉造影图像重建三维冠状动脉树，有助于提 高冠心病诊治的客观性、定量性、快速性和准确性等，具有以下优点： ( 1 ) 提供更加丰富准确的诊断信息，使图像更为直观，有利于病情诊断及辅助治 疗； ( 2 ) 通过消除不必要的造影操作，减少总的放射剂量和造影剂的使用，有利于病 人健康： ( 3 ) 实现冠状动脉狭窄的三维量化描述，包括直径和狭窄长度等，指导心血管的 介入性治疗： ( 4 ) 寻找感兴趣血管段的最佳视角，指导造影角度的选择，以获得更多有效信息； ( 5 ) 结合冠状动脉树模型，模拟手术过程，研究制定外科手术的方案； 第一章绪论 ( 6 )通过图像融合技术，可以与以前的投影图像进行纵向比较，以观察病情发展 情况； ( 7 ) 将造影图像的重建结果和其他相关医学图像信息( 如血管内超声图像) 进行 融台，提供更加丰富的医学信息。 1 2 4 基于血管造影图像三维重建技术的发展前景 血管3 d 重构技术发展很快，特别是新型医学成像设备如数字减影( d i g i t a l s u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ，d s a ) ，螺旋c t ，可以直接得到血管的3 d 数据，实现真正 意义上的3 d 重构，而不需事先假设血管的形态。但这并不是说由不同角度的x 射 线造影图像重构3 d 血管已经没有发展前途了，事实上，它的应用还在不断扩大， 而且具有非常美好的前景，这是因为： ( 1 ) 血管造影术是目前能实时记录运动血管图像的最实用、可靠的技术【4 1 。 ( 2 ) 与高速c t 或d s a 相比，x 射线造影成像系统己相当普遍地应用于医院i 瞄床， 而且造影的成本相对小很多。 ( 3 ) 基于血管造影图像的三维重构速度快： ( 4 ) 计算机重建技术已在该领域取得了很大的成功。血管三维重构技术经过l o 多 年的发展取得了很大的成功，例如在美国u t a h 大学、荷兰e r a s m u s 大学和德 国柏林心脏研究中心等，计算机三维分析技术已应用于双平面血管造影像f 7 。 此外，世界上大约有1 0 个研究组在积极投入这项技术的研究。 目前，国内基于冠脉造影图像的三维重建工作尚为空白，利用三维重建结果辅助冠 心病的诊断和治疗，将可以提高临床诊断的准确率和治疗的成功率。 1 3 本文的研究内容 本文研究的目的就是利用两幅不同角度的单面冠脉造影图像，采用图像处理方 法重建冠状动脉树的三维骨架，并实现其三维显示，以辅助冠一i l , 病的诊治。本文的 研究内容主要包括以下几个方面： 讨论冠脉造影系统的成像原理，介绍冠心病严重程度的评价标准，说明二维 定量分析的局限性和三维定量分析的意义。 根据透视投影原理建立冠脉造影系统的投影模型，推导两幅不同角度的造影 图像之间的几何变换关系，建立重建三维冠状动脉树的理论模型。 推导空间点的三维重建方法，并对其重建误差进行了分析。 研究骨架树特征点的自动识别方法，分割二维骨架树，采用“有向二叉树， 描述冠脉树的拓扑结构。 第一章绪论 综合利用拓扑约束和外极线约束匹配二维骨架树的分支点和端点，从而实现 两幅造影图像上血管段的匹配。 通过优化几何变换矩阵r r ，7 ，提高匹配精度，并对血管段的象素点进行匹 配、插值等处理，成功实现了冠脉树三维骨架的重建。 运用面向对象思想创建可重用图形类c o p e n g l ，实现冠状动脉树三维骨架 的显示。 分别利用冠状动脉树模型和临床单面冠脉造影图像进行三维骨架的重建实 验，对重建结果的反投影误差进行统计、分析。 一8 一 第二章冠状动脉造影成像系统 第二章冠状动脉造影成像系统 冠脉造影图像是目前临床诊治冠心病的主要依据之一，被称为诊断冠心病的 “金标准”。本章主要介绍x 射线血管造影的基本原理，简单介绍数字减影技术在 冠脉造影中的应用。通过比较双面和单面造影系统，说明了选择单面冠脉造影图像 重建三维冠状动脉树的原因。同时阐述冠心病严重程度的几种评价标准，对冠状动 脉狭窄的三种评价方法进行了比较，从而说明了冠状动脉树三维重建的应用价值和 重要意义。 2 1x 射线血管造影术 在医学诊断和治疗中，图像技术正在发挥着越来越重要的作用。医学图像以非 常直观的形式向人们展示人体内部的结构形态或脏器功能，目前它已成为临床诊断 与医学研究中不可缺少的工具。自从1 8 9 5 年r o n t g e n 发现x 射线以来，多种物理 或化学方法被成功地应用于生物医学成像，例如x 射线成像、超声成像、放射性i 刊 位素成像及磁共振成像等。这些不同的成像方式所提供的人体结构或生理参数的图 像为提高临床诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用极大地丰富了医学诊治的信 息来源，从而促进了人类健康事业的发展。 目前医学临床中广泛采用的x 射线血管造影术，通过成像技术获取血管形态结 构的图像，对于冠心病等心血管疾病的诊治具有重要的临床价值。 2 1 1x 射线血管造影的基本原理 x 射线血管造影术的基本原理与传统x 射线成像相同。x 射线穿透血管组织时 在空间不同位置的衰减程度不同，所以可以在接收端得到对象的投影图像。为了增 强图像中血管与组织背景的对比度，一般成像之前在目标血管( 在心血管研究中就 是冠状动脉) 中注入造影剂。八十年代初发展起来的数字减影技术( d i g i t a ls u b t r a c t i o n a n g i o g r a p h y , d s a ) ，能进步提高血管造影像的对比度1 8 】0 但它在心血管诊断中的 用途迄今仍比较有限，其原因是由于目标处于不断的运动中，更为复杂的是这种运 动常常是非线性的，因此难以用简单的方法加以补偿。 x 射线成像技术是目前临床应用中最传统、最广泛的医学影像技术之一。如图 2 - 1 所示，当x 射线透过人体时各种脏器与组织对x 射线的吸收程度不同，因而在 接收端可以得到不同强度的射线。传统方法是将x 射线图像记录在胶片上，得到x 胶片吼 随着电子技术的发展，影像的数字化技术也已经比较成熟，从而有利于影像的 第二章冠状动脉造影成像系统 保存、共享和处理等。目前常用的是影像增强管一电视系统( 如图2 - 2 所示) ，包含 影像增强管、光学图像分配系统、一个包括摄像机及虢视器的闭路视频系统和辅助 电子设备。闭路视频系统用导线或电缆传输图像，我们可以在正常光线下借助监视 器进行观察，也可以用录相带作为x 射线影像的永久记录。 x 、荧光肼 观察青 图2 - 1x 射线穿透人体示意图 图2 2 影像增强管一电视系统 2 1 2x 射线的衰减 由于人体组织对x 射线有一定的吸收作用，所以当x 射线穿过人体时将发生 一定程度的衰减。图2 - 3 是x 射线衰减的示意图，和，。分别表示入射及出射的x 射线的强度。 弋，xi 。 图2 - 3x 射线的衰减 第二章冠状动脉造影成像系统 图2 - 3 中假设点x 射线源在无穷远处，因此入射到人体的x 射线可以认为是一 束平行的射线。入射x 射线中的一部分被人体吸收或者由于散射而离开了原来的射 线束；其余部分沿直线穿过人体到达检测器。假设检测器平面离人体足够远，以至 于那些被散射的x 射线不能撞击检测器。如果被探查的物体为均匀介质，入射到一 个厚度为缸的薄片上的光子数为n ，作用后减少的光子数为a n ，则可以得出p j a n = 一u n a z( 2 一1 ) 式中，是线性衰减系数。是一个负值，因为它表示丢失的光子数。 在诊断x 射线的范围内( 能量低于2 0 0 k e v ) ，射线的衰减主要是由相干散射、 光电吸收和康普顿( c o m p t o n ) 散射引起的 9 】o 2 1 3 造影图像的对比度 为了检测出正常组织中的病灶，不仅要求病灶组织结构在x 射线照片中有较高 的亮度，更重要的是要求它与周围组织间存在较大的反差，这就是对比度的概念。 图2 - 4 对比度分析的简单模型 我们以图2 - 4 所示的简单模型来讨论投影x 射线成像系统中图像的对比度。厚 度为，线性衰减系数为。的均匀人体组织中，有一块厚度为，：，线性衰减系数为： 的异性物体作为观察对象。假定入射x 射线的强度为厶，经过均匀人体组织后的射 线强度为，经过均匀组织与观察对象后的射线强度为，。那么，对观察目标而言， 其对比度c 的定义为 c = ( ，1 ，2 ) ，l ( 2 - 2 ) 也有些场合下，对比度定义为 c = l n f ，i ) ( 2 3 ) 在一般意义下，上述关于对比度定义中的强度厶是指被检测物体在图像中的强 度，而，则是物体以外的背景在图像中的强度。只有在相邻区域问存在对比度，才 有可能检测出两个物体之间的界面。对比度的表达式为： c = ( i i x 2 ) x l = 1 - e x p 一( 2 一1 ) 1 2 ( 2 4 ) 上式说明，在投影x 射线成像系统中，图像对比度仅仅与被探查物体的厚度厶及被 第二章冠状动脉造影成像系统 探查物与周围组织问的线性衰减系数之差有关，而与照射对象的总厚度 无关。 然而实践经验表明，对比度一般随着病人人体厚度的增加而减小的。这是因为 在( 2 - 4 ) 式的计算中，隐含着假定x 射线是沿直线传播的，而不考虑射线与人体 作用时的散射或二次放射所造成的影响，但实际上散射对图像对比度的影响是很大 的。 投影x 射线成像系统中，图像的形成大致分为两个阶段：第一阶段是x 射线 穿过人体，形成肉眼不可见的x 射线图像：第二阶段是透射过来的x 射线作用于 记录器，最终形成可见的图像。在第一阶段中，图像对比度主要取决于被探查物本 身对x 射线衰减的差异( 这与入射x 射线光子的能量谱也有关系) 。此外x 射线散 射对图像对比度的影响也是比较大的。在第二阶段中，胶片的性能以及在处理过程 中各种参数的选择将直接影响图像的对比度。 为了提高图像的对比度，可在投影x 射线成像系统中采取以下一些措施【5 1 ： ( 1 ) 临床上采用一些高衰减系数的材料作为造影剂，将造影剂引入体内后，可获得 较大对比度的图像。例如，利用口服钡化合物进行消化道疾病的检查，在血管中 注入碘化合物可作血管造影检查： ( 2 ) 散射对图像对比度的影响与病人人体厚度、x 射线视野大小及射线光子能量等 复杂因素有关。采用二次射线滤线栅或遮线器，可滤除那些对成像不利的散射 线，克服或减小散射对造影图像对比度的影响。 2 1 4 数字减影血管图像 通常的x 射线投影图像中包含着血管、软组织、骨骼等结构信息。但在血管疾 病的诊断中，很希望只突出血管的结构信息，而去除周围组织的影像。为此，可以 将x 射线造影剂注入血管，并对同一部位在注入造影剂的前后分别摄下两幅图像， 再作相减处理，以获取清晰的血管图像。 图2 - 5 数字减影图像的工作原理示意圈 数字减影血管成像系统的工作原理如图2 5 所示。在注射造影剂之前，先摄取 一幅目标图像( 亦称为基像或掩膜像) m ( x ，y 1 。然后在控制目标不发生运动的条 箱二章冠状动脉造影成像系统 件下，将衰减系数较大的x 射线造影剂注入血管( 从动脉或者静脉) ，并对同一部 位再照一幅图像。此时所得到的图像强度为 i ( x ，y ) = m ( 工，y ) e x p i 一2 正( 工，y ) i ( 2 - 5 ) 式中坞为造影剂的衰减系数，瓦( z ，y ) 为注入造影剂处的血管厚度。 如果对两幅图像取对数并相减，就可得到相减后的图像： d ( x ，y ) = 尼1 1 1 吖( x ，y ) - l n i ( x ，y ) l = 七：正( 五y ) ( 2 - 6 ) 其中，d ( x ，y 1 称为对数差图像，为常数。 数字减影血管造影系统已在血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。在对大脑皮 层、肾脏等部位进行血管造影时，这些部位只存在微弱的运动，将造影图与掩膜图 进行适当的匹配减影就能得到清晰的减影图像，因而数字减影技术( d i g i t a l s u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y , d s a ) 在这些部位的疾病诊断中得到广泛运用h 0 o 但是在对 心脏冠状动脉进行数字造影时，由于心脏的剧烈运动，并且是非刚体运动，造影图 与掩膜图的匹配非常困难，因此目前一般不对冠脉造影图像进行减影操作，医生直 接根据造影图像进行分析诊断【l “。 由于冠状动脉的结构非常复杂，同时受心脏运动的影响，冠脉造影图像的对比 度较差，这就使二维图像处理面临着很大的难度，从而影响到后续三维重构的精度。 心血管减影成像技术可阻提供对比度较高的冠脉造影图像，因而具有很好的应用前 景。目前国内外已经有很多相关的研究报告1 1 2 】，但和临床应用仍存在一定的距 离。 周正东等人提出了种基于图像配准的数字减影图像增强算法。在注入造影 剂前，首先摄取一系列连续掩膜图像，然后选择差值图像直方图的能量作为相似测 度，将造影图像与掩膜序列图像进行全局配准，找到其中匹配的掩膜图，这两幅图 像就是心脏几乎位于同一相位摄取的图像，相对运动也就较小，最后再用块匹配方 法对该造影图像和匹配的掩膜图像进行局部配准。该算法为实现冠脉造影图像数字 减影奠定了良好的基础。 2 2 冠状动脉造影 对冠状动脉进行的x 射线造影，简称为冠脉造影。通过冠状动脉造影检查，可 以准确判断患者冠状动脉狭窄的情况，包括狭窄程度、部位等，从而评价患者冠心 病的严重程度，根据检查结果制定最佳的治疗方案，并指导冠心病的介入性治疗。 2 2 1 单面和双面造影系统 第二章冠状动脉造影成像系统 冠脉造影系统主要分为两类：双面造影系统和单面造影系统p 】【。如图2 - 6 所 示，双面造影系统有两套x 射线成像系统，同时从两个不同角度对冠状动脉成像， 得到两幅静止的冠脉造影图像或者两个造影图像序列。如图2 7 所示，单面造影系 统只有一套x 射线成像系统，某一时刻从一个角度对冠状动脉成像，得到一幅静止 的冠脉造影图像或者造影图像序列，然后从另一个角度成像，得到另一个静止的冠 脉造影图像或者造影图像序列。从双面造影系统和单面造影系统的工作过程可以看 出，两者最大的区别在于：前者得到的两个不同角度的造影图像是同时获取的；后 者得到的两个不同角度的造影图像是在不同时刻获取的，而造影过程中冠状动脉随 着心脏运动不断改变其空间位置，这将给冠状动脉树的三维重建带来很多困难，例 如两i 【呵造影图像上血管的匹配难度增大等。所以国外研究人员很多都是采用双面造 影系统的二维图像进行三维重建的研究，并已取得了很大的进步 4 1 1 6 7 】- 【2 0 1 。 图2 - 6 双面冠脉造影机 图2 7 单面冠脉造影机 但由于双面造影系统的高成本限制了其推，1 。应用，目前国内医院临床广泛采用单 面冠脉造影系统。因此，利用两幅不同角度的单面冠脉造影图像实现冠状动脉树 的三维重建，具有很好的临床意义和很高的应用价值。 2 2 2 单面冠脉造影图像的选择 目前医院临床广泛采用的单面冠脉造影系统可以在不同时刻获取多个角度的 造影图像序列。单面造影系统操作过程中，一般由操作人员根据病人状态、心脏形 态和医生的观察习惯等选择几个造影角度，在不同时刻获取多个造影图像序列，图 2 - 8 所示为两幅不同角度的单面冠脉造影图像。 本文研究的目的就是利用两幅不同角度的单面冠脉造影图像重建冠状动脉树 第二章冠状动脉造影成像系统 的三维骨架。但因为这两个角度的造影图像序列是在一；同时刻获取，心脏不停地收 缩和舒张，所以选择对应于心脏运动的同一状态下两幅造影图像就非常重要，将直 接影响到冠状动脉树三维重建的精度，甚至成功与否。如何消除或减小心脏运动的 影响将足本课题首先需要解决的问题，本文将根据造影过程中同步记录的心电图信 号选取冠脉造影图像。 图2 - 8 两幅不i 司角搜的单而冠脉造影图像 重建三维冠状动脉树的首先任务是选择两幅对应的单面冠脉造影图像，尽量避 免或减少心脏运动的影响。由于心脏的运动非常复杂，很难简单地描述和估计。在 心动周期中心脏舒张最大时刻，心脏运动速率相对较小，局部的复杂运动较少。而 且此时心脏处于舒张状态，更容易观察冠状动脉的结构和形态，所以选择心脏舒张 最大时刻的造影图像用于冠状动脉树的三维重建，可以减少心脏运动的影响。一般 根据造影过程中同步记录的心电图信号，在两个图像序列中分别选择和心脏舒张最 大时刻对应的造影图像，然后根据这两幅造影图像和记录的参数进行冠状动脉树的 三维重建。 2 3 冠脉狭窄的评价 冠脉狭窄程度是指存在粥样硬化斑块的病变血管段直径与正常血管段直径的 比值，代表病变的程度。国际上一般采用冠脉直径狭窄百分比或面积减少百分比来 评价冠脉狭窄的严重程度。临床及实验研究表明，直径狭窄5 0 ( 面积减少7 5 ) 以上为有意义病变。e 1 1 i sj j 1 将狭窄分为四种： ( 1 ) 轻度：直径狭窄3 0 4 9 ： ( 2 ) 中度：直径狭窄5 0 6 9 ： ( 3 ) 重度：直径狭窄7 0 9 9 ； 第二章冠状动脉造影成像系统 ( 4 ) 完全闭塞。 表2 - i 是美国心脏协会( a m e r i c a nh e a r ta s s o c i a t i o n ，a h a ) 制定的冠脉狭窄 严重程度的标准【1 。 表2 1a h a 关丁冠脉直径狭窄严重程度的分类 分类值直径狭窄百分比 1 0 0 9 9 9 0 7 5 5 0 2 5 冠一t l , 病严重程度的评价标准主要有以下几个： ( 1 ) 直径狭窄百分度 l e n g t hs t e n o s i s = 11 一_ l r i 1 0 0 ( ) ( 2 7 ) ( 2