[发明专利]一种基于隐式拉伸曲面的冠脉血管几何模型重建方法

说明书

一种基于隐式拉伸曲面的冠脉血管几何模型重建方法，涉及计算机医学图像处理与三维重建领域。可根据已经提取出的冠脉血管各分枝结构的中轴线，构造与其相垂直的血管横截面信息，并利用2D PSPS函数实现对各个血管截面管腔轮廓的精确表达；然后，根据这些截面构造其相应的隐式拉伸曲面IES，并沿着中轴线将这些IES平滑地混合起来形成三维的血管分枝模型；最后，采用SPBBO将这些隐式表达的血管分枝模型平滑地混合起来，构成血管分枝结构，进而实现对整个冠脉血管树管腔表面模型的三维重建。

技术领域

本发明涉及计算机医学图像处理与三维重建领域，尤其是涉及一种基于隐式拉伸曲面(Implicit Extruded Surfaces，IES)的冠脉血管几何模型重建方法。

背景技术

冠状动脉疾病(Coronary Artery Disease,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。冠脉CT血管造影术(Computed TomographyAngiography,CTA)具有无创伤、检查快捷、费用低廉等优点，已经成为评估CAD的一种很有前途的影像检查方式。与单纯的可视化相比较，从CTA影像中精确地重建出个体化冠状动脉的三维几何模型，能够极大方便医生定量分析重要的冠脉血管形态参数(包括血管段长度、容积、斑块体积和狭窄程度等)，这对冠状动脉疾病的可视化诊断、治疗决策的判定和介入治疗效果的评价等都是极为重要的。

利用分割方法提取出的血管结构信息一般是由一些离散的点表示，其可视化效果极为不好，而且难于满足后续的血管形状分析、血流动力学模拟、血管手术规划与模拟等临床应用的需求。因此，很有必要利用建模技术重建出连续的、实体的血管几何模型。根据血管表面模型的表达方式，血管几何建模的方法可归纳为两大类：显式建模(explicitmodeling)方法与隐式建模(implicit modeling)方法。显式建模方法是指利用显式的表达方式，即多边形网格或者参数化函数，如非均匀有理B样条(NURBS)函数，来表示血管表面模型信息。另一方面，隐式建模方法是指利用隐函数(implicit function)来表示血管的几何模型信息。一种典型的方法是文献1(Oeltze,S.and Preim,B.,Visualization ofVascular Structures with convolution surfaces:Method,Validation andEvaluation,IEEE Transactions on Medical Imaging,vol.25,no.3,pp.540–549,2005)提出的基于Convolution Surfaces的血管模型重建。该方法可以实现分枝结构的平滑过渡而达到高质量的血管可视化效果图，然而，由于其假设血管截面是圆形的，所以其构造出来的血管几何模型只是形态学上的近似，并不是精确的血管重建。另一种方法是文献2(Schumann,C.,Neugebauer,M.,Bade,R.,Peitgen,H.-O.,and Preim,B.,Implicit vesselsurface reconstruction for visualization and CFD simulation,InternationalJournal of Computer Assisted Radiology and Surgery,vol.2,no.5,pp.275-286,2008)提出的基于MPUI(Multi-level Partition ofUnity Implicits)算法的隐式血管表面重建技术。该技术可以较精确地重建出血管的表面结构，而不用拘泥于任何假设模型。然而，由于血管结构的复杂性，其重建后的血管表面质量并不是很理想。为达到较高质量的重建效果，文献3(Hong,Q.Q.,Li,Q.,and Tian,J.,Implicit reconstruction ofvasculatures using bivariate piecewise algebraic splines,IEEE Transactions onMedical Imaging,vol.31,no.3,pp.543-553,2012)提出了基于分段代数样条函数(PAS)的血管建模方法，其能够构造出高质量且相对精确的血管几何模型，但当血管中轴线较为弯曲时，构建模型的精确性会受到较大影响。文献4(Kretschmer,J.,Godenschwager,C.,Preim,B.,and Stamminger,M.,Interactive Patient-Specific Vascular Modelingwith Sweep Surfaces,IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,vol.19,no.12,pp.2828-2837,2013.)提出了一种基于Sweep Surfaces的血管建模方法，该方法可以构造出相对精确的血管模型，但是其只能保证模型表面的C1连续性，且无法构造一个明确的数学表达式。