超声和CT图像融合的心脏影像建模方法、系统及设备

本发明涉及医学影像数据三维重建技术领域，特别涉及超声和ct图像融合的心脏影像建模方法、系统及设备。

背景技术：

目前心脏疾病已经成为危及人类健康和生命安全的头等疾病之一。心脏病有多种类型，常见的有冠心病、心律失常、心肌病变及瓣膜性心脏病等，其中瓣膜性心脏病，尤其是二尖瓣病变的发病率逐年上升。利用医学影像深入分析二尖瓣及其在心房心室中的模型结构，对于瓣膜性心脏病的预防和诊断具有重要意义。

随着医学成像技术的快速发展，越来越清晰的心脏断层和超声图像能够帮助医生对心脏疾病进行准确的诊断。ct图像可避免影像的重叠，清晰显示心脏腔室的解剖形态和连接关系；同时，ct电影扫描对显示心室壁的运动有利，有助于诊断各瓣膜疾病。至于超声图像，经食管三维超声心动图在显示心脏瓣膜(二尖瓣)上优于ct图像。超声三维重建心脏瓣膜结构具有较高的空间分辨率和准确率。然而，单一的ct图像或者超声图像在反映心脏腔室及二尖瓣总体结构上具有不可避免的缺陷。ct图像上二尖瓣模糊不清且边界难以界定，结构不能很好地反映出来；超声图像则难以完整地显示心脏腔室的解剖影像。单一模态影像技术虽然各有所长，但不能全方位且多层次地反映病人心脏的整体结构和评估疾病状态。

二维图像在表现三维物体上有着天然的缺陷，由强大的成像系统得到的图像所包含的丰富信息无法得到更好的利用，加之人体心脏结构十分复杂，所以对诊断医生的临床经验要求非常高。利用心脏医学图像来建立心脏的动态三维模型，能够为医生提供心脏的动态可视化效果，并由此三维模型计算出来的功能参数有利于医生对心脏疾病的诊断。

尽管已有学者根据心脏解剖学结构建立了心脏的数学模型，并利用医学影像建立了心脏的三维模型。但大部分研究仅仅使用单一模态的影像进行心脏建模，带有单一模态的固有缺陷(黄志勇,杭飞,庄建,岑坚正,黄美萍.一种心脏模型对结构性心脏病手术进行模拟与评估的方法[p].广东省：cn107126257b,2020-05-22.)。本发明将超声和ct图像建立的模型融合起来，充分发挥两种成像方式的优点并获得准确完整的心脏模型结构，方便医生分析处于心脏腔室大环境下的二尖瓣形态特征，进而便于对瓣膜性心脏病做评估。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的心脏三维重建模型不能够兼顾反映人体二尖瓣和心脏腔室结构的问题，因此提出超声和ct图像融合的心脏影像建模方法、系统及设备。

为解决上述技术问题，本发明提供了超声和ct图像融合的心脏影像建模方法，应用于集成了心脏影像建模及其融合系统的嵌入式设备，包括如下步骤：

获取人体心脏腔室的ct图像及二尖瓣超声图像数据；

对人体心脏的ct图像进行阈值分割；

基于阈值分割后的结果建立心脏腔室的三维模型；

在患者二尖瓣超声影像数据上选取点云数据，并利用样条曲线拟合二尖瓣叶的中间轮廓线，得到二尖瓣叶轮廓线；

基于二尖瓣叶轮廓线，通过曲面拟合得到二尖瓣叶的曲面模型；

对心脏腔室的三维模型和二尖瓣叶的曲面模型进行空间配准，得到基于超声-ct图像的心脏影像融合模型。

对本发明方案的进一步改进，所述获取人体心脏腔室的ct图像及二尖瓣超声图像数据中，运用医疗检测仪器采集患者的心脏腔室ct影像数据及二尖瓣膜超声数据。

对本发明方案的进一步改进，所述对人体心脏的ct图像进行阈值分割，包括：

根据患者心脏结构的灰度阈值情况，确定阈值分割范围；

为每个腔室指定阈值分割种子点的位置和直径大小；

进行阈值分割。

对本发明方案的进一步改进，所述建立心脏腔室的三维模型的过程中，利用区域增长将离散的体素从整体的心脏组织中去除，并去除与心脏结构不相关的组织。

对本发明方案的进一步改进，所述在患者二尖瓣超声影像数据上选取点云数据，并利用样条曲线拟合二尖瓣叶的中间轮廓线，包括：

将二尖瓣超声影像数据导入医学三维可视化软件；

选择处于舒张期的二尖瓣超声图像切片，在前瓣、后瓣分别取点，形成点云数据；

基于点云数据，利用样条曲线拟合二尖瓣叶的中间轮廓线。

对本发明方案的进一步改进，所述通过曲面拟合得到二尖瓣叶的曲面模型，包括：

基于二尖瓣叶轮廓线，分别将二尖瓣叶轮廓的起始点和终点各自连接起来并拟合形成二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线；

以得到的二尖瓣叶轮廓线为截面轮廓，以二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线为引导线，使用样条曲面工具来拟合并构造二尖瓣叶的曲面模型。

对本发明方案的进一步改进，所述对心脏腔室的三维模型和二尖瓣叶的曲面模型进行空间配准，得到基于超声-ct图像的心脏影像融合模型，包括：固定心脏腔室的三维模型，在二尖瓣叶的曲面模型选取多个配准点，通过坐标变换将二尖瓣叶的曲面模型上相应的配准点与心脏腔室的三维模型进行对齐并重合，得到超声-ct图像的心脏影像融合模型。

本发明还提供超声和ct图像融合的心脏影像建模系统，包括：

数据获取模块，用于获取人体心脏腔室的ct图像及二尖瓣的超声图像数据；

阈值分割模块，用于对人体心脏的ct图像进行阈值分割操作；

模型重建模块，用于对所述阈值分割后的心脏ct数据进行三维重建并优化，得到完整的心脏腔室三维模型；

曲线拟合模块，用于在患者二尖瓣超声影像数据上选取点云数据，并利用样条曲线拟合二尖瓣叶的中间轮廓线，得到二尖瓣叶轮廓线；

曲面构造模块，用于基于二尖瓣叶轮廓线，通过曲面拟合得到二尖瓣叶的曲面模型；

空间配准模块，对心脏腔室的三维模型和二尖瓣叶的曲面模型进行空间配准，得到基于超声-ct图像的心脏影像融合模型。

对系统的进一步改进，所述曲面构造模块包括：

瓣环瓣叶轮廓形成子模块，用于基于二尖瓣叶轮廓线，分别将二尖瓣叶轮廓的起始点和终点各自连接起来并拟合形成二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线；

二尖瓣叶的曲面模型构造子模块，用于以得到的二尖瓣叶轮廓线为截面轮廓，以二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线为引导线，使用样条曲面工具来拟合并构造二尖瓣叶的曲面模型。

本发明还提供一种嵌入式设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一所述的超声和ct图像融合的心脏影像建模方法的步骤。

本发明提供了超声和ct图像融合的心脏影像建模方法，在重建后的超声二尖瓣叶的曲面模型和心脏腔室的三维模型基础上，对其进行影像融合可以得到完整且清晰可视化的心脏模型。融合模型能够为医生提供心脏的动态可视化效果。

本发明还提供了一种超声和ct图像融合的心脏影像建模系统及设备，具有如上述方法相同的有益效果。

附图说明

图1为本发明实施例中一种心脏影像建模及其融合方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中二尖瓣叶中间轮廓线的样条曲线拟合示意图。

图3为本发明实施例中超声瓣膜及心脏腔室ct模型融合示意图。

图4是本发明实施例中超声和ct图像融合的心脏影像建模系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种心脏影像建模及其融合方法，应用于集成了心脏影像建模及其融合系统的嵌入式设备，包括如下步骤：

步骤1：获取人体心脏的ct图像及二尖瓣超声图像数据。

在本发明其中一个实施例中，本步骤具体包括：运用医疗检测仪器采集患者的心脏腔室ct影像数据及二尖瓣膜超声数据。采用ct增强扫描，从静脉注入造影剂，并将患者的ct影像保存为dicom格式。

步骤2：对人体心脏的ct图像进行阈值分割。

在本发明其中一个实施例中，本步骤具体包括：

步骤2.1：将得到的患者心脏的ct影像数据导入mimics软件中识别并保存，生成计算机可以识别的.mcs文件；

步骤2.2：在mimics软件中对步骤2.1导入的ct影像数据选择灰度阈值范围，为心脏的每个腔室指定种子点的位置和直径大小，进行阈值分割。

根据每个患者心脏结构的灰度阈值情况，选择适合的阈值分割范围使得大部分心脏组织能从其他无关组织分离出来；使用mimics软件的ctheartsegmentation工具，为每个腔室(如左心房、左心室等)指定阈值分割种子点的位置和直径大小，接着由软件进行自动阈值分割计算。

步骤3：对阈值分割后的结果处理并建立心脏腔室的三维模型。

在本发明其中一个实施例中，利用区域增长(regiongrowing)的方法将一些离散的体素从整体的心脏组织中去除，同时，利用软件中手动编辑(edit)的方法去除血管等与心脏结构不相关的组织，最后得到完整的心脏腔室的三维模型。

步骤4：在将步骤1获得的患者二尖瓣超声影像数据上选取点云数据，并利用样条曲线拟合二尖瓣瓣叶的中间轮廓线。

在本发明其中一个实施例中，将二尖瓣超声影像数据导入医学影像三维可视化软件中。选择处于舒张期的二尖瓣超声图像切片，在前瓣、后瓣上各选择一定的点形成点云数据，然后利用样条曲线拟合二尖瓣瓣叶的中间轮廓线。

在本发明其中一个实施例中，采用的医学影像三维可视化软件为3dslicer软件。在该软件的扩展模块slicerheart中，可以使用valveview功能以心房到心室的方向为旋转轴进行360°旋转查看。使用样条曲线来拟合所查看切片的二尖瓣瓣叶轮廓线。

步骤5：基于样条曲线，通过曲面拟合得到二尖瓣叶的曲面模型。

在本发明其中一个实施例中，本步骤具体包括：

步骤5.1：将步骤4中获得的样条曲线导入到计算机辅助设计软件(如cad软件)中，分别将二尖瓣叶轮廓的起始点和终点各自连接起来并拟合形成二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线；

步骤5.2：以步骤4获得的二尖瓣叶轮廓线为截面轮廓，以瓣环轮廓线和瓣叶末端轮廓线为引导线，使用样条曲面工具来拟合并构造二尖瓣叶的曲面模型。

使用专业三维建模软件(如catia)，在创成式外形设计模块中，使用多截面曲面功能来拟合二尖瓣曲面模型。

步骤6：对心脏腔室的三维模型和二尖瓣叶的曲面模型进行空间配准，得到基于超声-ct图像的心脏影像融合模型。

在本发明其中一个实施例中，本步骤具体包括：固定步骤3得到的心脏腔室的三维模型，以步骤5获得的二尖瓣叶的曲面模型的前瓣瓣环中点、后瓣瓣环中点、前外侧联合点及后内侧联合点作为配准点，通过坐标变换将二尖瓣模型对应配准点与心房心室模型对齐并配准。配准后的心脏三维模型即为基于超声-ct图像的心脏影像融合模型。

在本发明其中一个实施例中，使用三维建模软件(如3-matic软件)，移动ct心腔图像与超声二尖瓣图像相融合。调整二尖瓣的空间位置和开口位置，先将瓣环平面大致匹配，然后逐个将瓣环上的配准点和心脏腔室上的点对齐并重合，反复微调使得二尖瓣超声模型与ct腔室模型中瓣环的位置相重合。

本发明中，将超声和ct图像融合的心脏影像建模系统集成在嵌入式设备中，可以有效降低设备的成本和操作难度，提高便携性。

本发明中，ct图像数据用于反映并建立心脏腔室模型的模型结构，超声图像用于反映并建立二尖瓣模型结构，两者的融合能全面反映并分析处于心脏腔室大环境下的二尖瓣形态特征。通过超声和ct图像融合的心脏影像建模方法，在重建后的超声瓣膜模型和ct心腔模型基础上，对其进行影像融合得到完整且清晰可视化的心脏模型。融合模型能够为医生提供心脏的动态可视化效果。

请参阅图4，在本发明其中一个实施例中，还提供了超声和ct图像融合的心脏影像建模系统，包括：

数据获取模块，用于采集并获取人体心脏腔室的ct图像及二尖瓣的超声图像数据；

阈值分割模块，用于对人体心脏的ct图像进行阈值分割；

模型重建模块，用于对所述阈值分割后的心脏ct数据进行三维重建并优化，得到完整的心脏腔室三维模型；

曲线拟合模块，在患者二尖瓣超声影像数据上选取点云数据，并利用样条曲线拟合二尖瓣叶的中间轮廓线；

曲面构造模块，用于基于样条曲线，通过曲面拟合得到二尖瓣叶的曲面模型；

空间配准模块，用于对心脏腔室的三维模型和二尖瓣叶的曲面模型进行空间配准，得到基于超声-ct图像的心脏影像融合模型。

在本发明其中一个实施例中，还包括：

数据导入模块，用于将所述患者的心脏ct影像数据和二尖瓣超声图像导入到医学影像可视化软件中，然后通过阈值分割模块进行阈值分割操作。

在本发明其中一个实施例中，所述曲面构造模块包括：

瓣环瓣叶轮廓形成子模块，用于基于二尖瓣叶轮廓线，分别将二尖瓣叶轮廓的起始点和终点各自连接起来并拟合形成二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线；

二尖瓣叶的曲面模型构造子模块，用于以得到的二尖瓣叶轮廓线为截面轮廓，以二尖瓣环轮廓线和二尖瓣叶末端轮廓线为引导线，使用样条曲面工具来拟合并构造二尖瓣叶的曲面模型。

本发明还提供一种嵌入式设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项超声和ct图像融合的心脏影像建模方法的步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的二尖瓣自动建模系统和嵌入式设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。