（通信与信息系统专业论文）基于血管内超声和x射线血管造影融合的血管三维重建.pdf

i 声明尸明 1 1 1 1 11 111 1 11 11 1 1t l i iiii 17 8 5 5 7 0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于血管内超声和x 射线血管造影融 合的血管三维重建，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教 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 已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： 靡l 查日期：丝l 垒垒! 至盥! 目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 c 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：坠l 旦生! 至虽! 目 导师签名： ，1illlii11111。习1。 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 x 射线血管造影和血管内超声( u s ) 是目前临床普遍采用的诊断血管病变的介 入性影像手段，二者具有优势与不足互补的特点。本文提出一种基于血管造影和i v u s 图像融合的血管三维重建方法：首先从在两个近似垂直角度采集的造影图像中三维重建 出导管路径和管腔轴线；然后沿三维导管路径确定各帧超声图像的轴向位置和空间方 位；最后采用n u r b s 曲面拟合技术完成管腔内外表面的拟合。通过将血管造影提供的 管腔和超声导管的空间几何信息以及从i v u s 图像序列中获取的管腔横切面信息融合起 来，得到感兴趣血管段的准确三维重建，辅助血管疾病特别是冠心病的诊治。 本文的研究受到国家自然科学基金项目( 编号：3 0 5 0 0 1 2 9 和6 0 9 7 3 0 8 7 ) 的资助。 关键词：血管内超声，x 射线血管造影，融合，三维重建 a b s t r a ct x - r a ya n g i o g r a p h y a n di n t r a v a s c u l a r u l t r a s o u n d ( i v u s ) a r ec o m p l e m e n t a r y i n t e r v e n f i o n a lc a t h e t e rb a s e di m a g i n gm o d a l i t i e sw h i c ha r ew i d e l yu s e di nc l i n i c a ld i a g n o s i s o fv a s c u l a rd i s e a s e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , am e t h o df o r3 dr e c o n s t r u c t i n gv e s s e l sb a s e do n f u s i o no fa n g i o g r a p h i ca n di 、哪si m a g e si sp r o p o s e d f i r s t ，3 dv a s c u l a rl u m e na x i sa n d c a t h e t e rp u l l b a c kp a t hi sr e c o n s t r u c t e df r o map a i ro fa n g i o g r a m sa c q u i r e df r o mt w on e a r l y o r t h o g o n a lv i e w s t h e n ，a x i a lp o s i t i o na n ds p a t i a l o r i e n t a t i o no fe a c hi v u ss l i c ea r e d e t e r m i n e da l o n gt h e3 dc a t h e t e rp a t h f i n a l l y , f i t t i n go fi n t e ra n do u t e rs u r f a c eo ft h ev e s s e l l u m e ni si m p l e m e n t e dw i t ht h en u r b sf i t t i n gt e c h n i q u e v e s s e l so fi n t e r e s ta r ea c c u r a t e l y r e c o n s t r u c t e db a s e do nf u s i o no fc r o s s s e c t i o n a li n f o r m a t i o no fv e s s e ll u m e no b t a i n e df r o m i v u si m a g e sa n ds p a t i a lg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o no fc a t h e t e rp u l l b a c kp a t hd e r i v e df r o m a n g i o g r a m st oa s s i s t c l i n i c a ld i a g n o s i so fv a s c u l a rd i s e a s e se s p e c i a l l yc o r o n a r ya r t e r y d i s e a s e s 1 1 1 er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nw a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o s 3 0 5 0 012 9a n d6 0 9 7 3 0 8 7 ) k a n gy u a n y u a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o s u nz h e n g k e yw o r d s ：i n t r a v a s e u l a ru l t r a s o u n d ( i v u s ) ，x - r a y a n g i o g r a p h y , f u s i o n ，3 - dr e c o n s t r u c t i o n -r j 1 j j 华北电力人学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 冠心病1 1 1 2x 射线冠状动脉造影2 1 1 3 血管内超声2 1 2 本课题研究的目的和意义3 1 2 1 目的和意义3 1 2 2 研究现状和进展4 1 3 本文的主要研究内容6 第二章x 射线血管造影和血管内超声的成像原理及临床应用8 2 1x 射线冠状动脉造影成像系统8 2 1 - lx 射线冠脉造影系统的构成8 2 1 2 造影角度9 2 1 3x 射线血管造影成像的临床应用9 2 2 血管内超声1 0 2 2 1i v u s 成像仪1 0 2 2 2i v u s 成像过程1 l 2 2 3i v u s 的临床应用1 2 2 3 本章小结1 3 第三章x 射线血管造影图像中管腔轴线和导管路径的三维重建1 4 3 1x 射线血管造影图像的二维信息提取1 5 3 1 1 图像预处理1 5 3 1 2 二维信息的提取1 5 3 2x 射线血管造影图像中管腔轴线和导管路径的三维重建1 7 3 2 1 几何变换矩阵1 8 3 2 2 点的三维重建2 1 i 华北电力火学硕士学位论文目录 3 2 3 两个角度造影图像之间投影点的匹配2 2 3 3b 样条曲线拟合2 3 3 4 实验结果2 4 3 5 本章小结2 6 第四章lv u s 图像的轴向位置和空间方位的确定2 7 4 1i v u s 图像的预处理和分割2 7 4 1 - l 降噪处理2 7 4 1 2 分害l j 2 8 4 2 确定各帧i v u s 图像的轴向位置2 9 4 2 1 现有方法的优势和不足2 9 4 2 2 确定各帧i v u s 图像的轴向位置3 0 4 2 3 实验结果：3 2 4 3 确定相邻i v u s 帧之间的相对方向3 3 4 3 1 参数曲线及活动标架3 3 4 3 2 建立各帧i v u s 图像的活动标架3 4 4 3 3 将各帧i v u s 图像映射到导管路径上3 5 4 3 4 实验结果3 6 4 3 4 1 采用i v u s 图像序列的实验结果3 8 4 3 4 2 采用从i v u s 图像中分割出的内外膜轮廓序列的实验结果3 9 4 4 确定各帧i v u s 图像的绝对方位4 l 4 4 1 算法流程4 2 4 4 2 实验结果及分析4 4 4 5 管腔内外表面的拟合4 7 4 5 1n u r b s 曲面4 7 4 5 2 基于n u r b s 曲面的血管腔内外表面的拟合4 8 4 5 3 实验结果5 1 4 6 误差分析与估计5 2 4 6 1 误差源分析5 2 4 6 2 重建误差的定量估计5 4 4 7 本章小结5 8 第五章结论与展望5 9 t t 。，ij。j，_节：l扎_kre弘_。-榭，_一。oo；o_丸，蔓彰强o长再电毒“川叫叫一 华北电力大学硕十学位论文目录 5 1 结论5 9 5 2 展望5 9 参考文献6 l 致谢6 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 7 一 ， d ? 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 x 射线血管造影( x r a ya n g i o g r a p h y ) 和血管内超声( i n t r a v a s c u l a ru l t r a s o u n d ， i v u s ) 是目前临床诊断血管病变，尤其是冠心病的两种主要介入性影像技术。血管 造影仅显示血管内腔长轴方向的二维投影图像，需要采用正常血管段作为参照，来 估算病变血管段的相对狭窄程度，易受投射角度及参考血管段的影响。i v u s 是一 种超声显像技术，是无创伤的超声技术和有创伤的导管介入技术相结合的血管病变 诊断方法，它不仅能显示血管内腔的形态，同时也能反映含斑块在内的管腔横断面 结构、血管壁厚度和形态以及斑块成分( 包括钙化、纤维化、脂质池) 等【l l 。 本文的主要研究目的是根据x 射线血管造影和血管内超声具有优势和不足互补 的特点，通过将血管造影提供的血管和超声导管的空间几何信息以及从i v u s 图像序列 中获取的管腔横截面信息融合起来，得到对感兴趣血管段的准确三维重建，辅助血管 疾病特别是冠心病的诊治。 1 1 1 冠心病 冠状动脉是供给心脏血液的动脉，它起始于主动脉根部，分为左、右两支，行 走于心脏表面( 图卜1 ) 。冠状动脉及其分支常发生粥样硬化，即脂肪物质侵入血管 壁，在管壁上逐渐形成粥样斑块，堆积在血管内膜上，久而久之越积越多，使血管 腔越来越狭窄甚至堵塞，当管腔狭窄超过5 0 - - - , 7 0 时( 图卜2 ) ，会导致心肌缺血、 缺氧而引起心脏病，它和冠状动脉功能性改变( 痉挛) 一起，统称冠状动脉性心脏 病，简称冠心病，亦称缺血性心脏病【2 1 。冠心病的主要临床表现是心肌缺血、缺氧 而导致的心绞痛、心律失常，严重者可发生心肌梗塞，使心肌大面积坏死，危及生 命。 右 左奠支 左曾降支 正常蕾巾度狭窄重度狭窄 图卜1 冠状动脉主要分支的解剖示意图图卜2 冠状动脉狭窄示意图 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2x 射线冠状动脉造影 如图1 - 3 所示，x 射线冠状动脉造影( x r a yc o r o n a r y a n g i o g r a p h y , c a g ) 的具 体操作方法是：利用特制的导管，经皮穿刺从股动脉或上臂的桡动脉逆行插入至主 动脉根部，在x 射线透视图像的指导下将导管推送至主动脉根部置于冠状动脉开口 处。然后快速注入少量高密度的造影剂，利用造影机从不同的角度进行电影摄影或 快速连续摄片。图1 - 4 为一帧典型的左冠c a g 图像。冠脉造影图像可以清晰地显 示出冠状动脉的解剖结构、血管狭窄部位和程度，以及侧支循环与左心室功能情况， 从而辅助医生诊断冠心病及指导介入治疗。 ? 插入冠 导管 图1 - 3x 射线冠脉造影导管工作示意图 图1 - 4 一帧典型的左冠c a g 图像 冠脉造影的原理是将具有一定压力的造影剂快速充盈血管腔，通过x 射线显影 血管内腔，因此这项技术本身存在一定的局限性。它只能显示由造影剂填充的管腔 的二维轮廓，不能显示病变所在的管壁和粥样硬化斑块，不能提供斑块形态和性质 的详细信息，有可能使医生低估管腔狭窄的程度，从而使得依据冠脉造影评价冠心 病和介入治疗疗效的准确度降低【3 制。 1 1 3 血管内超声 血管内超声显像是将微小的超声探头镶嵌于心导管的顶端，置于血管腔内，从 腔内获得血管切面图像的一种新技术，是无创伤的超声技术和有创伤的导管介入技 术相结合的新型血管病变的诊断方法。图1 - 5 为血管内超声检查示意图，图卜6 为 一帧典型的冠状动脉i v u s 图像，它能清晰显示血管壁的组织形态、内膜下各层结 构、管腔横断面形态、以及动脉粥样硬化斑块的形态、分布及其组织学特征等，可 提供异常血管壁形态学的详细信息。 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 5 血管内超声成像示意图图1 - 6 一帧典型的血管内超声图像 大量研究结果表明，血管内超声对于血管疾病，特别是冠脉疾病的诊治具有重 要作用，对冠脉成形术疗效的评价、判断并发症及有无血管再狭窄等方面比x 射线 冠脉造影更敏感准确。 尽管血管内超声有其独特的成像特点和临床价值，但其成像过程需在x 射线投 影的监视下进行，也就是说，x 射线血管造影和血管内超声是同时进行的。并且冠 脉造影能够显示整个冠脉系统的轴向投影轮廓，而i v u s 一次只能对某一段血管段 进行检查，且无法直接获得各个截面的轴向位置和空间方位。因此，血管内超声不 能替代x 射线血管造影，它作为造影的补充手段，为冠心病的诊断和治疗提供有价 值的参考信息【1 7 1 。 1 2 本课题研究的目的和意义 1 2 1 目的和意义 随着医学影像处理技术和计算机技术的不断发展，出现了许多先进的成像设备，为 临床诊断提供了多种模态的医学图像，它们分别从不同角度反映人体组织和病变的不同 信息。单一模态的图像往往不能提供医生所需要的足够信息，因此，将不同模态的医学 图像进行适当的融合，可以更准确地表达人体组织或结构特征信息，便于医生作出准确 诊断和制定最佳诊疗方案。 x 射线血管造影可显示血管内腔长轴方向的二维投影图像，提供血管和超声导 管的空间几何信息，但无法得到血管壁的形态结构和粥样硬化斑块的确切位置和组 织学特征。血管内超声可完整显示血管横断面，以及管壁结构和斑块的详细信息。 本文的主要目的是利用x 射线血管造影和血管内超声具有优势和不足互补的特点， 将血管造影提供的血管和超声导管的空间几何信息以及从i v u s 图像序列中获取的管腔 横截面信息融合起来，得到对感兴趣血管段的准确三维重建，辅助冠心病的诊治。 3 华北电力大学硕十学位论文 1 2 2 研究现状和进展 基于x 射线血管造影图像的血管三维重建 基于x 射线造影的血管三维重建不仅能为医生提供形象、直观的三维血管形状 图像，而且可以对血管的有关参数( 如血管长度、曲率和挠率等) 进行定量测量【8 】。 目前有十多个研究团体正致力于该项技术的研究，例如美国c o l o r a d o 大学【9 】、德国 心脏研究酣1 0 1 、荷兰e r a s m u s 大学【1 l 】和美国u t a h 大学【1 2 】等。 x 射线血管造影是投影成像，无法显示管腔横截面的具体形状，因而无法判断 斑块的具体形态和位置，而且在重建过程中一般假设管腔横截面为圆或椭圆( 图 1 - 7 ( a ) ) 。事实上，冠状动脉发生狭窄时管腔的形状复杂多样，狭窄多呈偏心型和不 规则型( 图1 - 7 ( b ) ) ，因而这种假设是不准确的，基于此假设重建出的血管腔也不 能反映血管的真实形态。 勺b 嗒 苯 q 中 c = ， 毋母密 ( a ) 图卜7 ( a ) 血管的三维简化模型；( b ) 病变的血管腔示意图 基于i v u s 图像序列的血管三维重建 与造影相比，血管内超声以其独特的图像方位能提供血管的横截面图像。所以， 基于血管内超声的三维重建能够清楚显示血管壁结构以及斑块的形态和位置。传统 的i v u s 三维重建主要是通过把i v u s 图像序列按采集顺序排列起来形成一个三维 直血管段【1 3 1 4 】( 图1 - 8 ) ，完全不考虑血管本身的弯曲和扭曲、导管在回撤过程中的 扭曲所造成的图像旋转、以及由于心脏运动和血流所导致的运动伪影。由于i v u s 本身 不能提供每一帧图像的空间几何信息( 如轴向位置和空间方向，采集点处导管的曲率和 挠率等) ，因此采用此类方法往往将弯曲的血管重建成直的血管，其结果是不准确的。 4 皋 0 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 8i v u s 图像序列的三维重建结果 基于x 射线血管造影和i v u s 图像融合的血管三维重建 由前述分析可知，x 射线血管造影和i v u s 在对冠状动脉显像和冠心病的诊治方面 具有互补性。因此，将由i v u s 图像序列获得的血管横截面信息和由造影图像获得 的血管和超声导管的空间几何信息结合起来，可克服分别独立采用二者重建血管时的 不足，获得对血管三维形态的真实再现，辅助冠心病的诊治【| 7 1 。 目前国外有数个研究组在从事此方面的工作，例如美国i o w a 大学【l5 】和 c l e v e l a n d 临床医学基金会【1 6 1 、希腊i o a n n i n a 大学【17 1 、荷兰e r a s m u s 大学1 8 】以及加 拿大g o d b o u t 研究组【1 9 】等。国内在此方面的研究尚为空白。 l a b a n 等【2 0 】在1 9 9 5 年首次提出将c a g 和i v u s 图像进行融合得到更准确的三 维血管结构。采用高斯一牛顿优化法得到导管路径，在导管路径上建立f r e n e t s e r r e t 标架，即各帧i v u s 图像的局部坐标系。依据三维导管路径长度和f r e n e t s e r r e t 标 架，将超声图像中心( 即导管中心) 等间隔垂直映射到导管路径上并确定各帧图像 的空间方位。p r a u s e 等【2 l 】采用解剖学标志( 如血管分叉点) 确定各帧图像的旋转角， 显然在造影图像中有时很难清晰地识别出血管分叉点。s h e l d a a r 等【1 6 】【2 2 】首先从造影 图像序列中重建出超声换能器的三维路径，根据系统的标定信息得n - 维空间点到 三维空间位置的转换矩阵；然后对所有超声换能器的二维位置点进行三维重建，得 到三维路径，根据回撤速度和图像采集时刻计算各帧超声图像的位置，将超声图像 垂直置于三维路径的位置点处；最后采用投影法并结合线性回归分析法确定绝对方 向。p e l l o t 等【2 3 提出结合c a g 图像中的先验知识建立血管表面的马尔可夫随机场模型， 然后采用模拟退火算法，根据i v u s 图像序列中的内腔轮廓信息进行模型优化。w a h l e 等【2 4 。2 5 】则在e c g 门控下恒速回撤导管，采集各心动周期中心脏舒张末期的i v u s 图 像，并依据各帧超声图像的采集时刻计算出它们与首帧图像之间的距离，从而得到 更准确的轴向位置，采用动态规划法或启发式图搜索算法提取导管回撤路径的二维 信息，同时提取出血管内腔的轮廓，作为确定i v u s 帧空间方向的参考信息。b e n o i t 5 华北电力大学硕士学位论文 【1 9 】采用弹性配准法重建血管的三维结构，首先依据从i v u s 图像序列中分割出的 管壁内膜轮廓和外膜轮廓，重建出血管的内外膜表面，作为“可变形模型 的初 表面模型，并计算表面模型中的虚拟导管路径：然后选择适当的能量函数，将虚 导管与c a g 图像中的血管腔中心线进行弹性配准，使能量函数达到最小，最终 到表面模型的最优位置。 3 本文的主要研究内容 本文的主要内容是根据x 射线血管造影和血管内超声在血管疾病的诊治方面具 优势和不足互补的特点，通过将同一段血管的两类图像数据融合起来，得到血管 的准确三维重建。主要研究内容包括以下几个方面： 一、简介冠心病及其诊疗方法 首先介绍本文的研究背景，概述冠心病的发病机理和目前的主要诊疗方法，介 x 射线血管造影和血管内超声的成像原理、图像特点和临床应用现状，简述国内 相关领域的研究现状。 二、x 射线血管造影图像中管腔轴线和导管回撤路径的三维重建 依据两幅近似垂直角度的x 射线血管造影图像，重建血管腔轴线和导管回撤路 的三维结构。首先获取空间点在两个不同角度造影成像平面上的投影坐标，然后 据坐标平移变换理论，利用这两个投影坐标反算出空间点的三维坐标，进而完成 管回撤路径和血管腔轴线的三维重建。 三、各帧i v u s 图像轴向位置的确定 根据i v u s 图像序列的采集速度和采样间隔，将完成图像分割的各帧i v u s 图 沿重建出的三维导管回撤路径等间隔垂直排列，从而确定各i v u s 切片的空间轴 位置。 四、相邻帧i v u s 图像之间相对方位的确定 确定各相邻i v u s 帧问的相对方向，也就是考虑导管在回撤过程中的扭转问题。 据微分几何知识，在重建出的三维导管路径上建立各帧超声图像的f r e n e t s e r r e t 部坐标系，由三维导管路径的空间几何信息确定相邻i v u s 帧间相对方向的变化 况。 五、各帧i v u s 图像绝对方位的确定 利用由造影图像三维重建出的血管腔中心线、导管回撤路径和由超声图像序列 取的管腔横截面轮廓信息，采用统计优化方法计算各i v u s 帧的绝对方位角，进 6 华北电力人学硕士学位论文 行方位校正，从而得到各帧超声图像的空间方位。 六、管腔内外表面的拟合和重建结果的显示 采用n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 曲面拟合管腔横截面上的采样点，得到光滑连 续的三维血管腔的内外表面。利用o p e n g l 完成对三维重建结果的显示。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章x 射线血管造影和血管内超声的成像原理及临床应用 x 射线冠状动脉造影和血管内超声是目前临床诊断冠心病的两种主要介入性影 像技术。冠脉造影只显示管腔的投影图像，不能显示粥样硬化性斑块的形态和组织 学特性，而血管内超声可直观地显示包含斑块在内的管腔横截面，是诊断冠心病新 的“金标准 。本章介绍x 射线血管造影和血管内超声的成像原理和临床应用现状， 为后续工作奠定基础。 2 1x 射线冠状动脉造影成像系统 、 2 1 1x 射线冠脉造影系统的构成 当x 射线透过人体时，因为注入造影剂的冠状动脉和其它人体组织对x 射线的吸 收程度不同，接收端便得到不同强度的射线，然后利用电影、电视等图像设备进行动态 观察，并利用磁带录像装置获得录像，得到造影图像序列，协助医生对病情作出诊断。 随着电子技术的发展，影像数字化已成为现代医疗技术的一个重要应用，在传统x 射线 机后加上电视摄像系统和模数转换系统即可获得数字化的影像，图2 1 是典型的数字x 射线摄影系统结构，整个系统在计算机的控制下协调工作【j 7 1 。 图2 - 1 数字x 射线摄影系统 c a g 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( 图 2 - 2 ) 有两套x 射线成像设备，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图像序列。单面造影系统( 图2 - 3 ) 只有一套x 射线成 像设备，在某一时刻从一个角度对冠状动脉成像，得到一幅静止的图像或者造影图 8 - 量 童 华北电力火学硕士学位论文 像序列。 图2 - 2 双面冠脉造影系统图2 - 3 单面冠脉造影系统 双面造影系统和单面造影系统工作过程的最大区别在于：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。显然双面造影系统给冠状动脉的三维重建研究带来了很大的方便，国外研 究人员大多采用双面造影图像进行血管三维重建的研究，但目前我国双面造影系统的二- 临床应用并不广泛，其原因主要有以下两个方面：一是双面造影系统限制了医务入 “ 员操作的空间，临床操作不太方便；二是双面造影系统的成本相对单面系统而言比 较高【2 6 1 。 2 1 2 造影角度 造影角度是x 射线血管造影的重要参数。临床上采用x 射线成像设备相对于病 人的“左右角度 和“前后角度 表示成像系统的方向。左右角度用l a o r a o ( l e f t a n t e r i o ro b l i q u e r i g h ta n t e r i o ro b l i q u e ) 表示，常用口记录，当口 0 时代表r a o 角 度，当口 0 时代表c r a n 角度，当 0 时代表c a u d 角度。 临床应用时，造影角度及其大小通常由操作人员根据心脏的形态、病人的状态 和医生观察的习惯等来选择。但由于机械装置的限制，造影角度一般在l a 0 1 2 0 。 r a 0 1 2 0 。和c a u d 6 0 。 c r a n 6 0 。的范围内。实际操作过程中，造影角度一般选 择在l a 0 9 0 。 - 一r a 0 9 0 。和c a u d 4 5 。c r a n 4 5 。的范围内【2 7 1 。 2 1 3x 射线血管造影成像的临床应用 自出现以来，x 射线冠脉造影一直被作为冠心病诊治的“金标准 ，对冠状动脉 9 华北电力大学硕士学位论文 病变的长度和狭窄程度的判定，以及确定治疗方案都起着重要作用。但是在临床应 用中，冠脉造影术也有其不足之处，例如【2 8 之9 】： ( 1 ) 观察者变异性与组织学的比较：造影术是通过显示造影剂充盈血管腔的二维平面轮 廓来反映冠脉三维解剖结构的，而冠脉病变常常是复杂的，管腔明显畸形或呈偏心 性狭窄，故从任何角度获取平面图像都有可能错误估计狭窄程度。 ( 2 ) 物理局限性：现代血管造影设备的最高分辨力为4 对5 对线m m ，故不能发现 0 2 m m 的冠脉内血栓和小钙化灶。只能显示血管长轴的管腔投影影像，对管腔的实 际形态无法分清，对病变位于腔内或壁内无法区别，无法了解斑块的组织结构特性。 对狭窄病变的直径及直径狭窄率的检测容易出现低估现象。 ( 3 ) 冠脉血流储备问题：研究发现冠脉病变的血管造影狭窄程度与其对生理学的影响明 显不一致。中度与重度病变的造影管径差别可能仅为几个丝米，目前很难检出这种 微小差别。因此临床上同样程度的狭窄对某一例患者不产生症状，而对另一例患者 有可能引起严重的功能受限。 ( 4 ) 并发症：c a g 是有创诊断技术，本身有一定潜在的危险性，可发生严重并发症甚至 死亡。 2 2 血管内超声 血管内超声是2 0 世纪8 0 年代后期问世的一种新的超声成像技术，是无创性的 超声技术和有创性的心导管技术相结合而产生的一种新的心血管疾病超声诊断方 法。该方法从血管腔内观察管腔和血管壁的形态及构造，它不仅使冠脉粥样硬化病 变的定性、定量诊断成为可能，而且对冠状动脉管腔狭窄及其严重程度的客观评价 提供了可靠依据。 2 2 1i v u s 成像仪【1 4 】【3 0 】 i v u s 是将超声探头安装在导管的顶端，并将其直接插入血管内腔，从管腔内 获得血管及其周围结构的横断面图像，能够清晰地显示血管的组织形态、内膜下各 层结构、血管的横断面形态、血管腔径、动脉壁厚度，以及动脉粥样硬化斑块的形 态、分布及其组织学特征等，可提供异常血管壁形态学特征的详细信息。 血管内超声成像仪主要由超声导管和电子成像系统两部分组成。 超声导管： 超声导管的种类很多，一般可根据靶血管来选择不同外径和长度的导管，其核 心部件是安装于导管顶端的超声晶体换能器。超声导管分为机械旋转和电子相控阵 列式两类。前者又可分为单晶体旋转型和旋转反射镜型。单晶体旋转型，其导管的 1 0 华北电力人学硕士学位论文 探头装在导管的顶端，以1 2 0 0 - 1 8 0 0 转分钟的速度旋转，超声束环绕血管周径作 3 6 0 度扫描，以每秒3 0 帧的速度获取血管横切面的超声图像，具有高分辨率，可实 时显示血管断面的二维图像，临床应用广泛。电子相控阵列式，此型导管有3 2 - - - 6 4 个超声晶体，环状有序地排列于顶端，以一定的时间差由各晶体发射超声束获得血 管横断面图像，且具有管径小，柔软性好的优点。目前的导管探头频率通常为2 0 3 0 m h z ，对血管内膜等组织结构清晰可辨。若频率增加，轴向分辨率可增加，但探 测深度会下降。此外，频率在3 0 m h z 以上时血液中红细胞的散射可产生较多伪像， 会过高估计斑块。相对低的频率( 1 0 - - 2 0 m h z ) 主要用于心脏内结构的显像，如心 瓣膜和房间隔等。 电子成像系统： 电子成像系统是由高速并具有极大功率的电子计算机组成，能够对高频超声波 及其产生的图像进行增强、显示、测量等处理，从而得到高分辨率的血管实时切面 图像。 ： 2 2 2i v u s 成像过程 血管内超声导管的插入方法同x 射线血管造影术，常规i v u s 的操作要求经右 股动脉或上臂的桡动脉穿刺，插入引导导管至冠状动脉口，行选择性冠脉造影。然 后在x 射线透视下沿靶血管插入引导钢丝至血管远端，沿引导钢丝将超声探头导管 插入靶血管远端，在透视下缓慢回撤探头导管。当探头导管以1 8 0 0 转分作3 6 0 度 旋转时可连续获得每秒3 0 帧的高分辨率血管横轴实时切面图像。导管回撤的方法 有手动和自动两种【3 0 】。 手动是由经验丰富的医生匀速手动回撤，速度一般为12 m m s ，每2 - - - 3 m m 停 顿一下，同时记录探头位置，必要时注射造影剂。例如k l e i n 等【3 i 】选择血管分支点 作为回撤起点，手动等间隔回撤导管。显然这种方式会引入人为误差，影响数据分 析和重建的精度。 机械自动回撤法可实现自动匀速回撤，速度可调节至0 5 l m m s 。回撤时，超 声导管近端固定于步进器上，在恒速马达的控制下以己知速度沿靶血管段回撤导 管。回撤也可在位移传感器的控制下进行，采集一系列固定间距的横断面图像。另 外一种方法是采用心电门控的图像获取法，由于心脏的舒张与收缩影响获取图像的 准确性，因而采用在每个心动周期的舒张末期( 心电r 波) 采集图像的方法，以克 服心脏运动的影响。首先确定导管的位置和血管长度，启动驱动马达，当r 波触发 后以2 5 - 3 0 帧秒的速度摄取图像，数字化后存储。之后导管移动，再重复上述步 骤。 11 华北电力火学硕士学位论文 在i v u s 的操作过程中，造影和i v u s 分别同步显示导管探头在管腔内的部位 和相应血管壁的形态结构。对于造影图像的采集，主要有两种方式： ( 1 ) 在导管回撤的同时进行连续造影摄片【1 6 】【3 2 1 ，用以记录导管路径或超声换能器的 位置。例如s l a g e r 等【1 8 】在e c g ( 心电) 门控下利用步进电机每间隔o 5 m m 回撤 导管记录i v u s 图像，同时以每秒2 5 帧连续x 射线摄片以记录导管位置。连续 摄片虽能记录更多信息，但由于x 射线的剂量大，因而对病人和操作人员均有 很大伤害，并增加了临床操作的复杂性。 ( 2 ) 在导管回撤路径的起始点记录一对造影图像。例如w a h l e 等【3 3 1 和l a b a n 等【2 0 1 采 用带有鞘管的超声导管，以l m m 秒的速度匀速回撤，保证了回撤路径的稳定性， 因此只需在回撤路径起点处采集一对造影图像即可。 2 2 3i v u s 的临床应用 血管内超声的临床应用主要包括【3 4 。3 8 】： ( 1 ) 诊断早期冠状动脉病变： 由于冠脉造影只显示血管腔的投影，因此其难以诊断早期冠状动脉病变。血管 内超声能够清晰地显示血管壁的三层结构，在血管腔狭窄不严重，而存在粥样硬化 斑块时，血管内超声可以做出明确诊断。 ( 2 ) 狭窄严重程度不清的中间病变： 对狭窄严重程度不清的中间病变，血管造影由于投射方位的不同而显示不同程 度的狭窄，因此难以做出准确的诊断。血管内超声能够清晰地显示血管腔并精确测 量管腔的直径和截面积，根据参照血管，对中间病变进行精确定量分析，以确定其 狭窄程度。 ( 3 ) 指导冠状动脉内支架置入和评价支架置入的效果： 造影不能显示血管的外膜，因此难以选择适当大小的支架。根据血管内超声图 像可以精确地测量血管的腔径，指导支架尺寸的选择。在支架置入术后，通过i v u s 成像，可以清晰地显示支架的扩张情况，测量扩张支架的大小，确定是否需要再次 扩张支架，评价支架是否贴壁，观察支架是否对称等。 ( 4 ) 评价介入治疗后再狭窄的机制 冠脉造影难以显示支架内再狭窄，难以评价p t c a 再狭窄的机制，而根据血管 内超声，可准确地判断支架内再狭窄是由支架回缩、内膜增生、还是支架内血栓形 成所致。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 本章小结 目前，临床上广泛采用血管内超声和x 射线冠脉造影作为诊断冠心病的主要介 入性影像手段，它们也是本文的研究基础。本章主要包括以下内容： ( 1 ) 介绍了x 射线冠脉造影系统的结构、造影角度和临床应用现状。 ( 2 ) 介绍了血管内超声成像技术，并分析了其成像特点和临床应用现状。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章x 射线血管造影图像中管腔轴线和导管路径的三维重建 如图3 - 1 所示，基于i v u s 和c a g 图像融合的血管三维重建主要包括五个步骤： 图像采集、图像预处理、血管腔轴线和导管回撤路径的三维重建、融合、重建结果 的显示。其中从x 射线血管造影图像中提取血管腔轴线和导管回撤路径的二维投影 信息，并对其进行三维重建，是血管三维重建的重要步骤，并且其准确性直接影响 后续步骤的精度。 x 射线血管造影i血管内超声i 一一一一一。书一一一一一。书一一 图像预处理图像预处理 上山 l = 维信息提取 。 。、 内外膜边缘提取 4 一五 山山 一 导管路径三维重建血管中心线三维重建 。1 一一一一一t f 一- - - - 专1： r： ；融缪卿蚓； f i - j l 一1 i 丽黼聪霍。耩阀i f e 绂 。i 一 。，瑾l! l _ 墨阍l m = 一、 k t j 2 鋈臻的三驻刁 图3 - 1 基于i v u s 和c a g 图像融合的血管三维重建流程图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1x 射线血管造影图像的二维信息提取 3 1 1 图像预处理 x 射线冠脉造影图像在获取、传输和存储过程中受到各种条件限制和噪声干扰， 很难直接用于提取血管信息，因此需要进行减小噪声和畸变校正的预处理【8 】。冠脉 造影图像属于强噪声图像，信噪比低，主要存在椒盐噪声、随机噪声和结构噪声等。 为了从造影图像中准确地提取血管和导管信息，需首先尽量减少图像的噪声。本文 采用中值滤波、高斯平滑、t o p h a t 变换和旋转高斯模板法【”l ，目的是消除干扰噪 声，保留并突出所需的图像信息。 3 1 2 二维信息的提取 行i v u s 检查时获得的造影图像，依据导管回撤路径信息可分为导管路径可见 ( 图3 2 ) 和不可见( 图3 - 3 ) 两种情况。若导管路径不可见，则一般把管腔中心 线作为对导管路径的近似，但事实上二者并不重合，如图3 4 所示。 造影图像中导管路径的提取类似于血管中心线的提取。并且i v u s 检查只针对 病变血管段而非整个血管树，所以本文只从造影图像中提取感兴趣血管段的中轴线 和导管路径。 图3 2 导管路径可见的造影图像 1 5 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 3 导管路径不可见的造影图像 超声换能器 图3 q 导管路径与血管中心线示意图 血管可看作一个弯曲的空间管状系统，因此血管中心线可用骨架来表达，且要 求其为连通的、单像素宽、逼近血管中轴线的曲线。文献 3 9 中将二维血管骨架提 取方法分为直接提取法和间接提取法两类： ( 1 ) 直接提取法： 利用造影图像中血管的灰度特性直接提取血管骨架。现有的直接法提取的骨架 结果均不理想，并且算法一般都比较复杂，实现起来比较困难【2 6 1 。最为典型的是s u n 算法和b o l s o n 算法，这两种算法都需要操作者的手动参与，提取的中心线为多段直 线构成的折线，且每次提取步长系数对结果影响很大。 ( 2 ) 间接提取法： 一种方法是利用图像细化( t h i n n i n g ) 技术对血管区域进行细化得到血管骨架， 1 6 华北电力大学硕士学位论文 将血管骨架提取问题转换为图像处理中常见的细化问题。骨架提取过程可分为两 步：血管区域提取；利用细化方法对血管区域进行细化得到血管骨架。图3 5 是采用细化方法对两帧c a g 图像提取血管骨架的结果。 图3 - 5 造影图像中二维血管中心线提取结果嘲 此外，文献 3 9 综合运用动态规划和小波变换方法间接提取血管骨架，文献 4 0 采用s n a k e 方法获得血管中心线，即首先获得血管中心线的近似形状和位置，作为 华北电力大学硕士学位论文 行三维重建结果的显示。 3 2 1 几何变换矩阵阳1 如图3 - 7 所示，x 射线造影机的成像过程包括四个运动：两个旋转运动和两个 平移运动。两个旋转运动为绕轴1 的旋转1 和绕轴2 的旋转2 ，轴l 和轴2 的交点 为系统中心。两个平移运动是指成像平面的平移和检测时病人床位的平移。x 射线 源到成像平面的距离为d 。图3 8 是x 射线血管造影系统在两个不同角度的成像示意 图。 图3 - 7 造影机成像运动示意图 而 图3 - 8 造影系统在两个不同角度的成像示意图 1 8 b 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 8 中，点s 和s ，是两次造影成像时的x 射线源焦点的位置，坐标系u k q 和以巧职所在平面分别代表两次造影过程中的图像平面( 图像a 和图像b ) ，口和d ： 分别表示x 射线源到对应图像平面的垂直距离。空间点p 在图像a 上的投影点p ，的 坐标为( ，m ) ，在图像b 上的投影点p ：的坐标为似：，屹) 。分别以s 和岛为原点建 立成像系统坐标系x l y l z l s l 和x 2 y 2 2 2 s 2 。z l 轴和z 2 轴分别沿s ld l 方向和s 2 0 2 方向，理 想情况下，二者相交于点d ，以d 为原点建立坐标系o x y z ，其中x o y 平面为病人 身体所处的平面。 行i v u s 检查时需