一种基于隐式建模技术的冠脉血管模型修正方法与流程

本发明涉及计算机医学图像处理和几何建模与编辑领域，尤其是涉及一种基于隐式建模技术的冠脉血管模型修正方法。

背景技术

冠状动脉疾病(coronaryarterydisease,cad)，又称冠心病，是全世界公认的严重威胁人类生命和健康的三大疾病之一。当前治疗cad的主要手术包括冠状动脉介入手术(即支架术，stenting)与冠状动脉搭桥手术(即虚拟旁路移植术，bypassgrafting)。介入手术的主要原理是用正常的管状结构来代替病变部位的血管模型，以使血流可以正常地流动。搭桥手术的原理是在血管病变部位的旁边移植入一根管状结构，其两端连接正常的血管部位，用于改善病变部位远端心肌的血流供应状况。虽然这两种手术可以在短时间内有效地改善心脏的血流供应效果，但是据研究表明，经过一定时间(5～10年)，手术部位很容易出现再狭窄等问题。而且，手术过程中对支架大小与弯曲程度的选取、搭桥位置的选择等，都极大地依赖于外科医生的经验与主观判断，存在着较大的主观性，这些都会极大地影响到手术的治疗效果。因此，有必要以计算机断层扫描的cta影像为基础，借助计算机图形学技术，重建出病人个性化的冠脉血管几何模型，利用计算机虚拟现实技术在此几何模型上方便地构造想象中的手术模型，然后进行血流动力学数值模拟，分析不同术式或手术参数对术后血流动力学的影响，从而达到从血流动力学的角度来优化手术的目的。

与血管几何模型重建相比，致力于个性化血管几何模型编辑，并用于预测和评估手术效果的研究报道还少得多(xiong,g.,choi,g.,andtaylor,c.a.,virtualinterventionsforimage-basedbloodflowcomputation,computer-aideddesign,2012，44：3-14)。典型的报道有：丁金正、刘有军等开发了心血管手术虚拟建模工具，实现血管疾病手术中的搭桥、补片等模拟操作，并从搭桥血管几何多样性角度研究了不同手术方式的血流动力学特征(丁金正,心血管手术规划的血流动力学数值研究,博士学位论文,北京工业大学,2013)；appanaboyina等(windecker,s.,maier-rudolph,w.,andbonzel,t.,interventionalcardiologyineurope1995,eurheartj,1999，20(7)：484-495)利用自适应嵌入非结构化网格技术，在虚拟血管镜治疗颅内动脉瘤手术中，实现不同支架设计与个性化血管模型的映射；xiong等(xiong,g.,choi,g.,andtaylor,c.a.,virtualinterventionsforimage-basedbloodflowcomputation,computer-aideddesign,2012，44：3-14)开发了基于三角片网格的几何编辑方法，对个性化血管几何模型进行虚拟支架部署与虚拟支架移植手术。在这些报道中，血管或支架的几何模型是由三角片网格或nurbs函数来显式表达的，对其进行各种几何编辑与优化操作是一项较为繁琐且困难的工作(marsden,a.l.,optimizationincardiovascularmodeling,annualreviewoffluidmechanics,2014，46(1)：519-546)。

对冠脉狭窄的治疗方式主要有冠状动脉的支架术(stenting)和旁路移植术(bypassgrafting)两种。这两种治疗方式的手术规划与评估过程中，有必要对病变部位的血管几何模型进行编辑再塑，然后进行血流的计算流体力学(cfd)模拟，分析不同术式或手术参数对术后血流动力学的影响。这对于寻求最优的手术方案极为重要。然而，当前针对血管几何模型编辑再塑以评估手术效果这方面的研究还比较少。因此，研究有效的算法，专门用于冠脉几何模型的虚拟修正，是具有重要科研与临床意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对人体血管结构的形状特征，并结合隐函数建模与编辑技术的优势，对病变冠脉血管模型进行方便快捷虚拟修正，提供一种基于隐式建模技术的冠脉血管模型修正方法。

本发明包括虚拟支架术(stenting)和虚拟旁路移植术(bypassgrafting)。

所述虚拟支架术的主要原理是用正常的管状结构来代替病变部位的血管模型，以使血流可以正常地流动。

所述虚拟支架术的具体步骤如下：

1)输入重建后的冠脉血管模型；

2)用户选择需要进行修正的病变血管段的两个端点，获取该病变血管段的中轴线；

3)根据该病变血管段的中轴线及前后两端的截面信息，构造表示虚拟支架的管状模型；

在步骤3)中，所述根据该血管段的中轴线及前后两端的截面信息，构造表示虚拟支架的管状模型的具体方法可为：设c1(x,y)为第一段区域的横截面，c2(x,y)为另一段区域的横截面，b1(t)和b2(t)为对应的样条基函数；f1(x,y,z)＝0和f2(x,y,z)＝0为根据中轴线构造出的两个垂直相交隐式曲面，即其交线为拉伸路径；构造的管状模型可由以下表达式实现：

fs(x,y,z)＝c1(f1(x,y,z),f2(x,y,z))b1(t)+c2(f1(x,y,z),f2(x,y,z))b2(t)＝0

4)采用平滑分段多项式混合因子(smoothpiecewisepolynomialblendingoperators，sppbo)(li,q.,smoothpiecewisepolynomialblendingoperationsforimplicitshapes,computergraphicsforum,2007，26(2)：157-171)将构造的管状模型fs与原始的血管模型fo段平滑地混合：

其中，n是平滑级数和δ是混合范围控制参数。

所述虚拟旁路移植术的原理是在血管病变部位的旁边移植入一根管状结构，其两端连接正常的血管部位，用于改善病变部位远端心肌的血流供应状况。

所述虚拟旁路移植术的具体步骤如下：

1)输入重建后的冠脉血管模型；

2)用户选择要进行旁路移植的病变血管段两个连接点以及一些控制点，以确定一中轴线路径，用于引导旁路移植的管状结构；

3)确定该管状结构的横截面大小，并根据其中轴线，构造表示虚拟旁路移植的管状模型；

在步骤3)中，所述确定该管状结构的横截面大小，并根据其中轴线，构造表示虚拟旁路移植的管状模型的具体方法可为：设c(x,y)为拟构造的管状模型横截面，b(t)为对应的样条基函数。f1(x,y,z)＝0和f2(x,y,z)＝0为根据中轴线构造出的两个垂直相交隐式曲面，即其交线为拉伸路径，构造的管状模型由以下表达式实现：

fb(x,y,z)＝c(f1(x,y,z),f2(x,y,z))b(t)＝0

4)采用平滑分段多项式混合因子(smoothpiecewisepolynomialblendingoperators，sppbo)(li,q.,smoothpiecewisepolynomialblendingoperationsforimplicitshapes,computergraphicsforum,2007，26(2)：157-171)将构造的管状模型fb与原始的血管模型fo段平滑地混合：

其中，n是平滑级数和δ是混合范围控制参数。

本发明针对人体血管结构的形状特征，并结合隐函数建模与编辑技术的优势，对病变冠脉血管模型进行方便快捷虚拟修正，提供一种基于隐式建模技术的冠脉血管模型修正方法。相比于传统的显示建模技术，隐式建模技术具有自然表达实体对象及固有的混合过渡等先天优势。本发明采用隐式建模技术来表示血管几何模型，因此，可以方便快捷地对病变血管模型进行各种几何编辑与优化操作，进而实现个性化冠脉病变血管模型的快速修正。

附图说明

图1是基于隐式建模技术的虚拟支架示意图。在图1中，(a)是标识的病变区域及其中轴线；(b)是基于该中轴线及确定的截面信息，构造的表示虚拟支架的管状模型；(c)采用虚拟支架修正的血管模型。

图2是基于隐式建模技术的虚拟旁路移植示意图。在图2中，(a)是定义的用于引导移植的管状结构中轴线路径；(b)是基于该中轴线及确定的截面信息，构造的管状模型；(c)采用虚拟旁路移植修正的血管模型。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明包括虚拟支架术(stenting)和虚拟旁路移植术(bypassgrafting)。

所述虚拟支架术的主要原理是用正常的管状结构来代替病变部位的血管模型，以使血流可以正常地流动。

参见图1，所述虚拟支架术的具体步骤如下：

1)输入重建后的冠脉血管模型；

2)用户选择需要进行修正的病变血管段的两个端点，获取该血管段的中轴线；

3)根据该血管段的中轴线及前后两端的截面信息，构造表示虚拟支架的管状模型，设c1(x,y)为第一段区域的横截面，c2(x,y)为另一段区域的横截面，b1(t)和b2(t)为对应的样条基函数；f1(x，y，z)＝0和f2(x,y，z)＝0为根据中轴线构造出的两个垂直相交隐式曲面，即其交线为拉伸路径；构造的管状模型可由以下表达式实现：

fs(x,y，z)＝c1(f1(x，y,z),f2(x,y，z))b1(t)+c2(f1(x，y，z)，f2(x，y,z))b2(t)＝0

4)采用平滑分段多项式混合因子(smoothpiecewisepolynomialblendingoperators，sppbo)(li,q.,smoothpiecewisepolynomialblendingoperationsforimplicitshapes,computergraphicsforum,2007，26(2)：157-171)将构造的管状模型fs与原始的血管模型fo段平滑地混合：

其中，n是平滑级数和δ是混合范围控制参数。

所述虚拟旁路移植术的原理是在血管病变部位的旁边移植入一根管状结构，其两端连接正常的血管部位，用于改善病变部位远端心肌的血流供应状况。

参见图2，所述虚拟旁路移植术的具体步骤如下：

1)输入重建后的冠脉血管模型；

2)用户选择要进行旁路移植的两个连接点以及一些控制点，以确定一中轴线路径，用于引导旁路移植的管状结构；

3)确定该管状结构的横截面大小，并根据其中轴线，构造表示虚拟旁路移植的管状模型，设c(x,y)为拟构造的管状模型横截面，b(t)为对应的样条基函数。f1(x,y,z)＝0和f2(x,y,z)＝0为根据中轴线构造出的两个垂直相交隐式曲面，即其交线为拉伸路径，构造的管状模型由以下表达式实现：

fb(x，y，z)＝c(f1(x，y，z),f2(x，y，z))b(t)＝0

4)采用平滑分段多项式混合因子(smoothpiecewisepolynomialblendingoperators，sppbo)(li,q.,smoothpiecewisepolynomialblendingoperationsforimplicitshapes,computergraphicsforum,2007，26(2)：157-171)将构造的管状模型fb与原始的血管模型fo段平滑地混合：

其中，n是平滑级数和δ是混合范围控制参数。