基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法与流程

本发明涉及冠脉狭窄检测技术领域，具体涉及一种基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法。

背景技术：

心血管疾病有“人类健康的第一大杀手”之称，疾病死亡率常年居高不下，引发大多数心血管疾病的原因是冠状动脉的狭窄或阻塞，如何对冠状动脉的狭窄情况进行检测是医生及科研人员关注的焦点，当前检测血管狭窄的方法主要有基于血管截面面积的检测方法和基于血管半径的检测方法。

基于血管截面面积的检测方法将血管截面面积的变化信息作为狭窄的判别标准，计算插值截面的面积，找出面积较相邻处明显减小的血管段，受血管弯曲形态的影响，该类方法在对截面进行投影和插值时，不可避免地会产生一些误差。

基于血管半径的检测方法是根据血管中心线方向上各血管截面半径大小的变化情况来判定狭窄，在计算血管半径时，往往需借助于中心线点的位置信息，将中心线点与血管截面轮廓的最近点或最远点连线的长度作为血管的半径，然而在血管狭窄处，尤其狭窄程度严重的位置，实际中心点将会产生偏移，得到的半径参数会有所偏差。

例如中国发明专利申请号为cn201110101248.3的专利文件公开了一种用于提供对3dct图像数据中的冠状狭窄进行检测和分类的方法和系统，从ct图像数据中提取冠状血管的中心线，检测非血管区域并将其从冠状血管中心线移除，基于冠状血管中心线，使用受训回归函数来估计内腔的横截面积，基于所估计的内腔横截面积检测冠状血管中的狭窄候选，并且将显著狭窄候选自动分类为钙化的、非钙化的或混合的。

上述现有技术即通过血管中心线来估计血管的横截面积，存在如上的技术问题，鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法。

技术实现要素：

本发明提供一种基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法，上述判定方法考虑了中心线点位置、血管截面狭窄位置、血管截面的凹凸性及凹凸程度的血管的几何形状信息，对血管狭窄进行判定，克服了传统算法的缺陷，同时利用对几何形变信息参数的比对，对狭窄位置和狭窄等级的进行自动标注。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：冠脉重建；

步骤1.1：计算血管中心线点处的切线，对中心线上的每个点的邻近点进行主成分分析，计算血管在点处的行进方向；

步骤1.2：血管截面重建，在三维冠脉ct血管造影图像中采集以血管行进方向为法线的血管横截面轮廓，进行三维至二维的坐标空间变换，把原来三维冠脉ct血管造影图像中各截面体素点的坐标集映射到每个新建立的二维空间中，重建血管截面；

步骤2：冠脉狭窄判断；

步骤2.1：第一重判断，可疑狭窄截面检测，根据优劣角判断准则，通过计算血管截面边界上相邻向量的点乘结果(负或正)，获取各向量间边界点相对于邻点的趋势，凹陷即缺失(优角)或者突出(劣角)，同时，考虑血管截平面上边界点、中心点的分布信息，将位于病变处的边界点和中心点的距离以非凹陷处(此处采用狭窄边界区段的端点)为标准进行比对，得出血管截面形变几何信息(包括血管截面凹凸信息、凹凸程度和凹角的范围信息)，检测出血管截面的可疑狭窄区段；针对血管的平直狭窄区段，检测其极角信息，去除缺失程度较小，不足以构成狭窄的可疑平直狭窄区段，有效排除在平直狭窄区段上的误差，达到对检测结果进行完善的目的；

步骤2.2：第二重判定，血管段狭窄等级判定，对整条血管上的检测数据进行综合分析，检验被判定为狭窄的血管位置邻近处的狭窄情况(是否为离散点)，判定含有连续多个在相同或邻近极角位置处出现可疑狭窄区段的血管截面的血管段为狭窄血管段。

进一步地，步骤1.1中，在三维坐标系中选取在x，y，z轴上均与点距离在2个体素单位内的中心线点为邻近点，即：

其中，o³为三维坐标空间，p为中心线上的点，pi为近邻点，(xp,yp,zp)为中心点在三维坐标空间o³中的坐标，(xpi,ypi,zpi)为近邻点的坐标值，abs代表绝对值函数，对pi(i＝1～n)和p点进行主成分分析，计算中心线在p点处的行进方向，即中心线在该点处的切线方向。

进一步地，步骤1.2中包括如下步骤：

步骤1.21：输入中心线点，按血管延伸方向构成的有序点集p，p＝{p0,p1…pn}，其中，n为中心线点数目；

步骤1.22：中心线起始点为p0，设中心线在p0处切线为z'轴，p0所在的垂直于z'轴的平面为x'oy'平面，建立新的三维空间坐标系(x,y,z)；

步骤1.23：以x'oy'平面所在位置建立二维空间坐标系(x',y')，计算由二维空间(x',y')到原三维空间(x,y,z)的坐标转换矩阵；

步骤1.24：在二维空间坐标系(x',y')中,以p0所在位置为中心，建立大小为m*m像素的采集平面s，p0在s中的坐标为(m/2,m/2)，遍历平面上像素点，用坐标转换矩阵将像素点在s下的坐标取值转换至原三维坐标系(x,y,z)中，寻找像素点在原坐标系中的对应点；

步骤1.25：若在原坐标系中的对应点存在，即经过转换后的坐标点为整数点，则整数点在新坐标系下的取值即为在原坐标系下的取值(0或1)，若整数点不存在，即经过转换后的坐标点为非整数，则在转换后的坐标点附近26邻域内，对转换后的坐标点进行近邻插值，结果为转换后的坐标点在新作坐标系下的取值，插值算法具体实现中，将26邻域内的各点至转换后的坐标点的距离d为权重进行加权，权重为1/d，且存在的邻域点记为1，不存在的点记为0，假设26邻域内的点均存在，加权和记为d_sum，若实际加权和p_sum超过d_sum的一半，则视为存在，即位于血管截面内，1代表转换后的坐标点位于血管截面内，0代表转换后的坐标点不位于血管截面内；

步骤1.26：记录在采集平面s中值为1的像素点位置，值为1的像素点构成血管在p0处的血管截面；

步骤1.27：对p1,p2…重复以上步骤，直到中心线终点pn为止，输出血管截面序列。

进一步地，血管截面形变几何信息包括血管中心线点位置、血管截面狭窄位置、血管截面的凹凸性及血管凹陷程度。

进一步地，步骤2.2中，还包括对离散狭窄区段标记的数据予以忽略的步骤。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

本发明所述的基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法，综合考虑了血管中心线位置、狭窄位置及血管几何形状等信息，充分利用血管截面区段、血管截面、血管段三个维度，能够对冠脉狭窄进行鲁棒精准的判定。

附图说明

图1是本发明实施例1中血管截面狭窄的示意图；

图2是本发明实施例1中血管截面边界凸凹性分析示意图；

图3是本发明实施例1中输出血管截面序数-截面极角位置-狭窄判定等级的关系图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，一种基于截面形变几何信息的冠脉狭窄双重判定方法，包括如下步骤：

步骤1：冠脉重建；

步骤1.1：计算血管中心线点处的切线，对中心线上的每个点，对其邻近点进行主成分分析，计算血管在该点处的行进方向，在三维坐标系中，选取在x，y，z轴上均与该点距离在2个体素单位内的中心线点为近邻点，即：

其中，o³为三维坐标空间，p为中心线上的点，pi为近邻点，(xp,yp,zp)为中心点在三维坐标空间o³中的坐标，(xpi,ypi,zpi)为近邻点的坐标值，abs代表绝对值函数，对pi(i＝1～n)和p点进行主成分分析，计算中心线在p点处的行进方向，即中心线在该点处的切线方向；

步骤1.2：血管截面重建，在三维冠脉ct血管造影图像中采集以血管行进方向为法线的血管横截面轮廓，进行三维至二维的坐标空间变换，把原来三维冠脉ct血管造影图像中各截面体素点的坐标集映射到每个新建立的二维空间中，重建血管截面：

步骤1.21：输入中心线点，按血管延伸方向构成的有序点集p，p＝{p0,p1…pn}，其中，n为中心线点数目；

步骤1.22：中心线起始点为p0，设中心线在p0处切线为z'轴，p0所在的垂直于z'轴的平面为x'oy'平面，建立新的三维空间坐标系(x,y,z)；

步骤1.23：以x'oy'平面所在位置建立二维空间坐标系(x',y')，计算由该二维空间(x',y')到原三维空间(x,y,z)的坐标转换矩阵；

步骤1.24：在二维空间坐标系(x',y')中,以p0所在位置为中心，建立大小为20*20像素的采集平面s，p0在s中的坐标为(10,10)，遍历平面上像素点，用坐标转换矩阵将像素点在s下的坐标取值转换至原三维坐标系(x,y,z)中，寻找该点在原坐标系中的对应点；

步骤1.25：若该点存在，该点在新坐标系下的取值即为在原坐标系下的取值(0或1)，若该点不存在，在该点附近26邻域内，对该点进行近邻插值，结果为该点在新作坐标系下的取值，其中，1代表该点位于血管截面内，0代表该点不位于血管截面内；

步骤1.26：记录在采集平面s中值为1的像素点位置，这些像素点构成血管在p0处的血管截面；

步骤1.27：对p1,p2…重复以上步骤，直到中心线终点pn为止，输出血管截面序列；

步骤2：冠脉狭窄判断，血管截面轮廓为闭合曲线，健康血管截面可近似看作圆，当出现斑块时，血管截面通常会在狭窄处向内形成一定程度的凹陷，如图1所示，虚线表示斑块形成前的截面轮廓，实线表示斑块形成后的截面轮廓，p0表示由骨架化产生的中心线点，虚线点表示狭窄产生前的中心线点位置；p1、p2表示血管截面边界上狭窄区段与非狭窄区段的边界点，p1、p2间凹陷的实线表示可疑狭窄区段；p3表示可疑狭窄区段中距离中心线点最近的体素点；l1表示狭窄区长度；l2表示p3与中心线点的距离，即狭窄截面的血管半径；l1，l2，l3共线；l4表示p1、p2距中心线点的最大距离，dis表示两像素间的欧式距离，则：

l4＝max(dis(p1,p0),dis(p2,p0))…………………………(2)

血管出现狭窄时，对应的血管边界上像素点间连线夹角角度增大，如图2所示，轮廓线上相邻像素点间连线夹角由劣角(α1)变为平角(α2)或优角(α3)，将这些由平角和凹角构成的截面边界区段定义为可疑狭窄区段，全为平角的区段定义为平直狭窄区段，其余为凹陷狭窄区段，含有可疑狭窄区段的血管截面称为可疑狭窄截面；

在本实施例中，血管截面近似为圆形，中心线点p0位于圆心位置，此时，l3和l1+l2的比值为1：1＝1，即100％(没有狭窄)，随着狭窄程度的增加，l3/(l1+l2)值不断减小，故狭窄百分比定义为：

依据斑块面积与狭窄区长度的对应关系，对狭窄等级做如下定义：

血管狭窄截面半径l2和l3近似被中心线点平分，在实际计算中，可使用l2的值代替l3以简化算法实现，l1+l2的值由l4替换，这些变量均为非狭窄区段体素点至中心线点的距离，故狭窄百分比为：

其中，sp与stenosis_percentage的含义相同；

步骤2.1：第一重判断，可疑狭窄截面检测；

步骤2.11：计算截面像素点间连线夹角，检测出可疑狭窄区段；

步骤2.12：重检可疑平直狭窄区段，排除极角小于阈值p的平直区段，余下记录构成第二次检测结果；

步骤2.13：计算各狭窄区段的l2和l4；

步骤2.14：计算各狭窄区段的sp值和狭窄等级；

步骤2.15：在截面上标定狭窄检测结果；

步骤2.2：第二重判定，血管段狭窄等级判定；

步骤2.21：按照血管截面序数，将整条血管上经截面可疑狭窄区段检测算法得出的检测结果逐一读入；

步骤2.22：x轴代表沿中心线方向采集到的各血管截面序数，y轴代表截面极角位置，输出血管截面序数-截面极角位置-狭窄判定等级的关系图，如图3所示，a、b、c、d四个圆圈圈出的区域为冠脉狭窄位置，其中，横坐标是截面数，纵坐标是极角位置，各区域狭窄等级为区域内最高狭窄标记的等级，并可以采用不同的颜色标记不同的狭窄等级。

步骤2.23：排除关系图中的离散标记点，获得冠脉狭窄检测的最终结果。

在本实施例中，判定极角大于1.5且与一级、二级非平直狭窄区段凹陷程度等同的平直狭窄区段为非狭窄区段。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。