论文部分内容阅读
冠心病是一个全球性的健康问题，是威胁人类健康的主要疾病之一，五十年代以来，冠心病已经成为世界上各个国家致死的一种主要疾病之一，近年来发病率仍呈上升趋势，已经成为当今人类一大灾难性疾病。世界卫生组织最新统计数据表明2012年全球有740万人死于冠心病，排在全球所有死因的首位。冠状动脉计算机断层血管造影是一种非创伤性血管成像技术，它不仅能提供冠状动脉的解剖结构，而且能提供钙化程序和范围、软斑边界、畸形、狭窄和梗塞等病理信息，是诊断冠状动脉粥样硬化性心脏病的一种常用而且有效的方法。如何充分利用冠状动脉计算机断层血管造影图像，为冠状动脉粥样硬化临床诊断、评级、治疗和手术规划提供有价值的信息具有重要的意义。冠状动脉分割是医学血管图像分割的一个重要应用方向，也是图像分割的研究热点之一，它不仅能能够把医生从手动勾勒冠状动脉这一繁琐又耗时的工作中解脱出来，而且是冠状动脉三维可视化、多平面重建和曲面重建等图像后处理工具的必不可少的组成部分,是正确评价、特别是精确地可视化和量化冠状动脉血管的重要手段。由于冠状动脉是一个在空间上弯曲的管道所构成的复杂管网，加上受冠状动脉计算机断层血管造影图像中的噪声、运动伪影及病变组织的模糊性等因素的影响，使得准确快速地提取出冠状动脉中心线变得十分困难。尽管目前已经有很多学者对冠状动脉分割进行了大量研究工作，也提出了许多冠状动脉分割方法，但是仍没有哪一种方法能够完全胜任这一任务，对冠状动脉造影图像进行快速精确地自动或半自动三维分割仍是一项富有挑战的任务。本论文主要关注冠状动脉计算机断层血管造影图像中三维冠状动脉中心线抽取方法的研究，提出一种新颖的基于球模型的三维冠状动脉中心线半自动抽取方法，并将其中心线抽取结果与现存的冠状动脉中心线抽取方法进行对比分析，比较结果表明了本文提出的算法具有较快的抽取速度、较强的抽取能力与高的抽取精度。本文主要贡献有：1、本文提出一种基于球模型的三维冠状动脉中心线抽取方法(SM3DCACE)。冠状动脉是供给心脏血液的动脉管网，起源于主动脉根部，分左右两支，行于心脏表面。冠状动脉是一个富有弹性、可扩张的管道系统，而垂直于管腔内血流流向的血管横截面又近似为圆形。根据冠状动脉血管系统的上述特点，本文在抽取冠状动脉中心线时，从冠状动脉的某个指定位置开始，按照预先指定的条件，假想用一个大小可变的球体沿着冠状动脉血流方向前行，并根据所到位置处血管内径的大小不断调整球体的半径，使得当前球体为该位置处半径最大的内接球体，当球体在移动过程中遇到冠状动脉分叉点时，此球体分裂为两个球体，分别沿着冠状动脉的各个分支继续按此方法前行，直到搜索不到满足条件的球体时算法停止，最后将已经得到的各个位置上的球体的球心连接起来，此连接线就构成整个冠状动脉的中心线。将此方法用于真实冠状动脉血管造影图像进行测试，方法基本能准确抽取出冠状动脉的三个主要分支。2、本文首次提出带分支探测球模型的三维冠状动脉中心线抽取方法(SM3DCACEBD)。SM3DCACE方法在搜索下一个球体时均假定冠状动脉从根部开始，其管腔直径一直是逐渐减小的，在搜索下一个球体时，如果有一个以上的球体符合要求时即认为当前位置存在血管分支，保存符合度最大和次大的两个球体并将它们分别作为血管中心线树的左右子树。当搜索球体的半径减小时，都要从树根结点重新开始，以确定是否存在与当前半径所对应的血管分支，这样一方面增加了中心线的抽取时间，另一方面也会导致假血管分支的产生，影响血管中心线抽取的准确性。针对SM3DCACE方法缺少对血管分支探测的过程，首次提出一种结合射线投射和聚类的分支探测算法，首先将处于某个搜索位置的球体的半径依次增加1、2和3，得到三个新的相互包含的球面，然后从原球体的球心向外均匀发出射线，符合预先定义准则并到达最外层球面的射线得以保留，最后保留射线与球面的交点根据某个标准进行聚类，通过所得到的类的个数就可以确定当前球体所处位置是否存在分支，存在几个分支。使用真实冠状动脉造影图像对此方法进行验证，结果表明本方法能抽取出比SM3DCACE方法更多的血管分支且分支形态更清晰。3、本文首次提出基于经纬度球模型的三维冠状动脉中心线抽取方法(LLCSM3DCACE)。SM3DCACE和SM3DCACEBD中所使用的球模型均是基于碳60(C60)分子模型的，由于C60表面总共只有60个点，这使得探测点过于稀疏，难以探测到冠状动脉的一些小分支，可能错过对临床冠状动脉疾病的诊断有价值的小分支。针对此问题，本文借助地球经纬度坐标系统提出了一种新的经纬度球模型，通过适当的调节经纬度球模型相邻经度圈和纬度圈的经纬度差可以改变球表面的探测点数目，从而提升抽取小分支的能力。使用鹿特丹冠状动脉算法评价框架(Rotterdam Coronary ArteryAlgorithm Evaluation Framework，RCAAEF)提供的数据对本文提出的方法进行测试，并与框架中相关的算法进行比较，结果表明本文方法具有比较好的性能。