基于动态阈值的冠状动脉三维重建方法、系统及存储介质与流程

本发明属工程中的心脏区域的数字影像计算机后处理技术，尤其是涉及了一种基于动态阈值的冠状动脉三维重建方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、在医学界，冠状动脉造影是目前临床诊断冠心病的最准确方法，其获得的ct数据由一序列的二维图像组成，而二维图像不能直接提供血管的三维空间信息。冠状动脉的三维形态不仅能够更好地对冠状动脉的结构和血管狭窄进行量化描述，而且还能够指导冠心病的介入性治疗，因此如何利用不同角度的二维造影图像重建三维的冠状动脉具有重要的研究意义。

2、目前针对冠状动脉重建的方法主要有以下几类：一是基于阈值分割的方法，这种方法的理论依据是在ct图像中，冠脉组织和其他组织器官具有一定的灰度差别，通过寻找合适的灰度阈值可分离出独立、完整的冠脉信息；二是基于边缘检测的重建方法，这种方法利用冠脉组织在结构、纹理等方面上的差异提取冠脉的边缘特征；三是基于中心线的冠脉重建方法，这种方法通过形态学的操作或者深度学习的方法提取冠脉的中心线，再利用中心线的信息，配合水平集的方法重建冠脉的三维结构。

3、由于图像的ct值在不同的患者、不同的组织器官和不同的位置上具有较大的差异，因此很难找到一个合适的、统一的阈值来分割出正确的冠脉，阈值设置的过高会导致冠脉断裂和小分支无法重建，阈值设置的过低会导致冠脉粘连其他的组织器官。基于边缘检测的重建方法也容易因为各个组织的粘连导致冠脉重建的失败。由于血管末端及狭窄处与其他冠脉存在较大的差异，基于中心线的冠脉重建方法也容易发生冠脉断裂和丢失的问题，另外水平集的方法需要对中心线的切片进行逐个处理，因此导致运行时间很长。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于动态阈值的冠状动脉三维重建方法、系统及存储介质，可用于涉及针对诸如电子计算机断层扫描(ct)影像，核磁共振影像(mri)等的数字图像后处理分析。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种基于动态阈值的冠状动脉三维重建方法：

4、s1、基于医学影像成像技术获取冠状动脉的医学影像数据，对医学影像数据进行分类；

5、s2、根据分类结果对医学影像数据进行进一步处理，去除不包含主动脉和冠脉的大组织器官的数据；

6、s3、修复切片上冠脉末端、狭窄处易断裂的冠脉；

7、s4、根据修复后的结果进行冠状动脉三维重建。

8、所述医学影像数据具体为ct图像或者核磁共振图像mri。

9、所述的分类是指将医学影像数据分为造影剂浓度低和造影剂浓度正常的两类。

10、所述s1包括：

11、根据医学影像数据中的左右冠脉的入口点的ct值设置二值化阈值对左冠脉入口点的切片图像进行二值化操作获得二值化图像，再在腐蚀操作后提取主动脉轮廓区域，根据主动脉轮廓区域的ct值对三维ct图像进行分类，分为造影剂浓度低和造影剂浓度正常的两类。

12、造影剂浓度的高低会严重影响ct图像的数据分布，本发明对造影剂浓度低和造影剂浓度正常的数据先进行分类处理，进而帮助后续的大组织器官去除和修复切片。

13、所述s1具体为：

14、原始输入的医学影像数据包含三维ct图像和左右冠脉的入口点(即种子点)，根据原始输入的医学影像数据中的左右冠脉的入口点坐标获得左右冠脉的入口点处对应的ct值；

15、选取左冠脉入口点的切片图像为操作对象，将左右冠脉的入口点处的ct值求平均值作为二值化操作的阈值，对切片图像进行二值化操作以去除无关ct值的干扰获得二值化图像，再对二值化图像进行腐蚀操作从而减少冠脉数据对主动脉的影响；

16、对腐蚀操作后的二值化图像进一步提取主动脉轮廓区域，根据主动脉轮廓区域的位置坐标获得主动脉轮廓区域中每个点在原始输入的医学影像数据中坐标下的ct值，然后按以下条件对主动脉轮廓区域中所有点的ct值进行处理进而对三维ct图像进行分类：

17、

18、其中，为主动脉轮廓区域，ctij为主动脉轮廓区域内的点对应的ct值，w0为预设的灰度阈值，ntotal为预设的小于灰度阈值w0的总数，w1为另一预设的灰度阈值，qratio为预设的大于灰度阈值w1的比例，表示主动脉轮廓区域内的第i行第j列点；

19、若同时满足以上两个条件，则三维ct图像存在造影剂浓度低的问题，归为造影剂浓度低的分类，反之则造影剂浓度正常，归为造影剂浓度正常的分类。

20、本发明所述的ct值为点在三维ct图像中的数据值。

21、所述s2包括：

22、针对原始输入的医学影像数据，将一部分点的ct值置零，获得三维截取图像image3d_clip；

23、针对三维截取图像image3d_clip，分别根据步骤s1中分类结果所设置的自适应阈值化算法和差异化二值阈值分别进行不同的二值化处理分别获得三维自适应图像image3d_adaptive和三维二值化图像image3d_binary；

24、在三维二值化图像image3d_binary中作切片和外接矩形提取获得三维大组织器官图像image3d_large；

25、根据三维大组织器官图像image3d_large和三维二值化图像image3d_binary处理获得三维非冠脉组织图像image3d_other；

26、最后根据三维非冠脉组织图像image3d_other和三维自适应图像image3d_adaptive处理获得三维初步结果图像image3d_clean。

27、所述s2具体为：

28、针对原始输入的医学影像数据，即复制一份原始输入的医学影像数据，将其中ct值在100以下的点的ct值置零，获得三维截取图像image3d_clip，并在不影响特征边缘信息的情况下去除图像的噪声；

29、根据三维ct图像在步骤s1中的分类设置自适应阈值化算法的参数，再利用自适应阈值化算法对三维截取图像image3d_clip二值化，获得三维自适应图像image3d_adaptive；根据造影剂浓度正常和造影剂浓度低的两种类型的数据，自适应阈值化算法设置的参数不同。

30、所述的自适应阈值化算法根据邻域块的像素值分布来确定该区域上的二值化阈值，可以动态的去除冠脉组织器官和非冠脉器官的粘连。

31、以左右冠脉入口点的平均ct值(记为gray)为参照，在冠脉的ct图像中，右心室、右心房的平均ct值比gray小，主动脉、左心房的平均ct值比gray大。

32、然后针对三维截取图像image3d_clip，即另取一份三维截取图像image3d_clip，用预设的差异化二值阈值进行二值化处理获得三维二值化图像image3d_binary；所述差异化阈值是根据造影剂浓度低的数据和造影剂浓度正常的数据设置。

33、在三维二值化图像image3d_binary中提取切片的轮廓，截取能包含左右冠脉入口点之间中点的且面积最小的轮廓的外接矩形作为三维大组织器官图像image3d_large；三维大组织器官图像image3d_large包含只包含冠脉的大组织器官，所述外接矩形的长、宽分别平行于切片的横纵坐标。

34、根据三维大组织器官图像image3d_large结合三维二值化图像image3d_binary按照以下方式处理获得三维非冠脉组织图像image3d_other：

35、image3d_other＝|image3d_binary-image3d_large|

36、其中，||表示取绝对值；

37、然后按照以下公式将三维非冠脉组织图像image3d_other应用在得三维自适应图像image3d_adaptive上去除可能粘连的大组织器官，获得三维初步结果图像image3d_clean：

38、image3d_clean＝|image3d_adaptive-image3d_other|。

39、本发明上述处理能够动态地去除切片上不包含主动脉和冠脉的大组织器官，有利于后续的冠脉三维重建。

40、所述s3包括：

41、针对原始输入的三维ct图像，将其中一部分点的ct值置零，再用自适应二值化算法将三维ct图像进行二值化处理获得三维低阈值图像image3d_small；

42、根据三维低阈值图像image3d_small和步骤s2获得的三维非冠脉组织图像image3d_other处理得到三维去粘连图像image3d_de_adhesion：

43、然后利用image3d_de_adhesion和步骤s2获得的三维初步结果图像image3d_clean处理获得三维修复后图像image3d_repair：

44、最后根据步骤s2获得的三维大组织器官图像image3d_large在三维修复后图像image3d_repair上填充包含冠脉的大组织器官获得三维最终结果图像image3d_finally作为修复结果。

45、所述s3具体为：

46、研究中发现，冠脉的末端、狭窄处容易发生断裂，还要在切片上修复可能断裂的冠脉，造成冠脉的末端、狭窄处容易发生断裂这一问题的原因在于之前步骤处理中ct图像截取的下限值100过高，因此本发明通过以下处理解决冠脉的末端、狭窄处容易发生断裂这一问题。

47、针对原始输入的三维ct图像，即另取一份原始输入的三维ct图像image3d，将其中ct值在100以下的点的ct值置零，去除切片上图像的噪声，再利用自适应二值化算法将三维ct图像进行二值化处理获得三维低阈值图像image3d_small；

48、根据三维低阈值图像image3d_small和步骤s2获得的三维非冠脉组织图像image3d_other按照以下方式处理，以去除可能存在的粘连，得到三维去粘连图像image3d_de_adhesion：

49、image3d_de_adhesion＝|image3d_small-image3d_other|

50、其中，||表示取绝对值；

51、利用image3d_de_adhesion和步骤s2获得的三维初步结果图像image3d_clean按照以下方式处理获得三维修复后图像image3d_repair：

52、image3d_repair＝image3d_clean+image3d_de_adhesion

53、其中，image3d_repair修复了冠脉末端、狭窄处可能断裂的冠脉且去除了不包含主动脉和冠脉的大组织器官。

54、三维大组织器官图像image3d_large包含冠脉信息，要在三维最终结果图像image3d_repair上填充包含冠脉的大组织器官，根据步骤s2获得的三维大组织器官图像image3d_large按照以下方式在三维修复后图像image3d_repair上填充包含冠脉的大组织器官，获得三维最终结果图像image3d_finally作为修复结果：

55、image3d_finally＝image3d_repair+image3d_large。

56、其中，以三维最终结果图像image3d_finally上非零的数据作为原始输入的三维ct图像中应保留的数据。

57、所述s4具体为：

58、以步骤s3获得的三维最终结果图像image3d_finally上非零ct值的点位置为蒙片过滤原始输入的三维ct图像image3d，得到最终的预处理图像；

59、根据最终的预处理图像，利用选取的左右冠脉的入口点进行3d区域生长，形态学操作去除主动脉，从而实现冠脉动脉的三维重建，最后的结果即为冠状动脉的3d重建结果。

60、二、一种用于实施方法的系统：

61、包括数据分类模块，用于对医学影像数据进行分类，将医学影像数据分为造影剂浓度低和造影剂浓度正常的两类；

62、包括组织去除模块，用于根据数据分类模块的分类结果对医学影像数据处理去除不包含主动脉和冠脉的大组织器官的数据；

63、包括修复冠脉模块，用于根据组织去除模块的结果对医学影像数据进行修复处理，修复切片上冠脉末端、狭窄处易断裂的冠脉；

64、包括三维重建模块，根据复冠脉模块修复后的结果进行冠状动脉三维重建。

65、三、一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。其中所述的计算机程序为对应实现所述方法的指令。

66、本发明的有益效果是：

67、1、技术的先进性：本发明根据各个器官实际的ct值得到经验阈值的范围，可动态的去除非冠脉组织的粘连保留冠脉的信息。另外，本发明中算法设置的参数具有较大的弹性，算法有很强的鲁棒性。

68、2、技术的实用性：本发明从现实角度出发，先去除了冠脉容易粘连的大组织器官，再修复了冠脉末端、狭窄处易断裂的冠脉，这种方法是极其实在的，最终冠脉的三维重建效果是极好的。

69、3、计算效率：本发明没有涉及复杂的计算方法，所以计算速度快，准确率可靠。

70、综合来说，本发明通过图像处理流程的改进，使得冠状动脉三维重建在去除大组织粘连和冠脉末端、狭窄处的断裂上的问题上取得更好的效果，图像处理效率提高，以应用角度出发，使得计算时间更短。