一種基于骨架線的腦血管定量分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于骨架線的血管定量分析方法。本發(fā)明采用基于腦血管DICOM數(shù)據(jù)定量分析的方法，在原始數(shù)據(jù)中對(duì)腦血管進(jìn)行分割，并識(shí)別出Wills環(huán)部分，采用骨架線提取算法進(jìn)行Wills環(huán)骨架線提取，得到Wills環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)半徑幾何模型。對(duì)骨架上的每段血管進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)和規(guī)律采樣，并計(jì)算采樣點(diǎn)處的特征量信息并保存在數(shù)據(jù)庫中。與傳統(tǒng)的二維投影圖像定量化分析和血管三維體積的定量化分析相比，本發(fā)明能夠得到更加精確的結(jié)果。本發(fā)明采用B樣條曲線方法擬合原始離散骨架，使血管骨架形態(tài)連續(xù)化，從而可以獲取血管上任意一點(diǎn)的特征量，得到更為精確的特征量計(jì)算結(jié)果。
【專利說明】
一種基于骨架線的腦血管定量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，涉及醫(yī)學(xué)圖像在圖形幾何形態(tài)上的定量分析，尤其涉及一種基于骨架線的腦血管定量分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腦血管疾病是一種腦血管對(duì)大腦供應(yīng)功能障礙疾病，嚴(yán)重腦血管疾病可導(dǎo)致中風(fēng)并很有可能因此使病人殘疾或死亡。中風(fēng)通常是由腦血管動(dòng)脈瘤破裂導(dǎo)致的。腦血管動(dòng)脈瘤經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在Wills環(huán)(大腦動(dòng)脈環(huán))上。所以關(guān)于Willis環(huán)的研究及其定量分析對(duì)于動(dòng)脈瘤破裂和腦梗塞等疾病來說是非常重要的。Wi 11 s環(huán)由大腦前動(dòng)脈的左右支(ACAs)、前交通動(dòng)脈(ACo)、大腦中動(dòng)脈的左右支(MCAs)、頸內(nèi)動(dòng)脈左右支(ICAs)、大腦后交通動(dòng)脈的左右支(PCos)、大腦后動(dòng)脈的左右支(PCAs)以及基底動(dòng)脈(BA)構(gòu)成。
[0003]隨著醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像對(duì)于醫(yī)生診斷腦血管疾病來說，已經(jīng)成為一個(gè)必不可少的工具。磁共振血管造影(Magnetic Resonance Ang1graphy，MRA)用來評(píng)判頸內(nèi)血管時(shí)，不需要像導(dǎo)管血管造影術(shù)一樣侵入體內(nèi)，可以檢測(cè)到不易檢查到的血栓，以避免其引發(fā)像中風(fēng)等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)镸RA的高特異性和敏感性，可以保證關(guān)于Wills環(huán)各種形態(tài)變化的回顧性研究。通過亮血成像的TOF MRA圖像經(jīng)常用于診斷腦血管疾病，所以在當(dāng)前的研究中多使用TOF圖像。Wills環(huán)有大量各種各樣不同的形態(tài)，這種不同不僅僅體現(xiàn)在幾何上，也體現(xiàn)在拓?fù)渖?。從拓?fù)渖蟻砜?，環(huán)上血管有旁生有缺失等各種情況出現(xiàn)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的Wi 11 s環(huán)的拓?fù)湫螒B(tài)有83種。標(biāo)準(zhǔn)的、完整的和對(duì)稱的Wi 11 s環(huán)估計(jì)只存在于40%?50%的健康人群中。從幾何形態(tài)上來看，在Wills環(huán)中，每根血管都有不同的曲率、撓率和半徑的變化，具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。正常人群Wills環(huán)血管在幾何形態(tài)上呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律，患病人群Wills環(huán)的幾何特征又和疾病有怎樣的關(guān)系等都是非常值得關(guān)注的方向。
[0004]目前，針對(duì)Wills環(huán)形態(tài)分析的研究大多數(shù)停留在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，定量分析方法技術(shù)上有欠缺;大部分關(guān)于血管特征量的測(cè)量停留在片數(shù)據(jù)上，而不是基于三維骨架數(shù)據(jù)。而且測(cè)量方法比較粗糙，結(jié)果不連續(xù)，不夠精確;測(cè)量的特征量不夠全面。大部分都是測(cè)量血管長(zhǎng)度、最大橫截面積處或具體位置處的半徑、根據(jù)血流量測(cè)量的體積。這是針對(duì)環(huán)上血管擴(kuò)張延長(zhǎng)癥的研究涉及到的特征量;針對(duì)Wills環(huán)上血管迂曲的研究大都沒有依據(jù)計(jì)算特征量評(píng)判。根據(jù)特征量來進(jìn)行迂曲評(píng)判的大都是視網(wǎng)膜血管及一些病變組織(如腫瘤)上，也有一些在冠狀動(dòng)脈、胸動(dòng)脈等血管上的迂曲研究。但是這些迂曲上的研究最多涉及到曲率和弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)比等特征，沒有涉及到撓率的計(jì)算；目前醫(yī)生對(duì)于疾病的診斷都還只是通過看片主觀判斷，并沒有一個(gè)精確的數(shù)據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種基于骨架線的血管定量分析方法，該方法通過對(duì)不同人群(正常人群和患病人群)腦血管數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到正常人群大腦動(dòng)脈環(huán)血管的幾何形態(tài)規(guī)律、血管之間的相關(guān)性、患病人群和大腦動(dòng)脈環(huán)幾何形態(tài)規(guī)律的相關(guān)性。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007 ] 一種基于骨架線的血管定量分析方法，包括以下步驟:
[0008]步驟I，根據(jù)米集到的腦血管DIC0M(DigitalImaging and Communicat1ns inMedicine，醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信)數(shù)據(jù)，得到所述數(shù)據(jù)的最大密度投影圖，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，得到分割體數(shù)據(jù)和Mesh數(shù)據(jù)。
[0009]步驟2，從分割處理后的數(shù)據(jù)中人工識(shí)別出Wills環(huán)部分，并采用骨架線提取算法進(jìn)行Wills環(huán)骨架線提取，得到Wills環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)血管半徑幾何模型。
[0010]步驟3，參照最大密度投影圖對(duì)Wills環(huán)骨架線上的血管分支進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)，并設(shè)定采樣規(guī)則。
[0011]步驟4，對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行擬合，計(jì)算每段血管的特征量。
[0012]步驟5，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
[0013]進(jìn)一步地，步驟3中設(shè)定的采樣規(guī)則為:在單段血管上按長(zhǎng)度進(jìn)行均勻采樣。
[0014]進(jìn)一步地，步驟4采用B樣條擬合法對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行擬合。
[0015]優(yōu)選地，計(jì)算血管的特征量的方法如下:
[0016]步驟4.1，計(jì)算采樣點(diǎn)處的局部特征量；
[0017]步驟4.1.1，計(jì)算半徑，方法如下:
[0018]采用球B樣條擬合原始離散點(diǎn)骨架；
[0019]對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣；
[0020]將血管區(qū)域的邊界看作是單參數(shù)球體的包絡(luò)面，根據(jù)解析幾何知識(shí)求解血管的半徑。
[0021]步驟4.1.2，計(jì)算長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值，方法如下:
[0022 ]采用B樣條曲線擬合法進(jìn)行曲線擬合；
[0023]對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣；
[0024]根據(jù)解析幾何知識(shí)求解長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值；
[0025]步驟4.2，計(jì)算全局特征量；
[0026]分別計(jì)算曲率和撓率對(duì)弧長(zhǎng)的積分:根據(jù)步驟I分割出的體數(shù)據(jù)計(jì)算每段血管的體積，根據(jù)步驟I分割出的Mesh數(shù)據(jù)計(jì)算每段血管的表面積。
[0027]進(jìn)一步地，步驟5對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)容包括:計(jì)算特征量的基本統(tǒng)計(jì)量，對(duì)基本統(tǒng)計(jì)量與血管或疾病、性別年齡因素的相關(guān)性分析?；窘y(tǒng)計(jì)量包括均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、四分距以及特征量參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0029]本發(fā)明采用基于腦血管DICOM數(shù)據(jù)定量分析的方法，在原始數(shù)據(jù)中對(duì)腦血管進(jìn)行分割，識(shí)別出Wills環(huán)部分，采用骨架線提取算法進(jìn)行Wills環(huán)骨架線提取，得到Wills環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)半徑幾何模型。對(duì)骨架線上的每段血管進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)和規(guī)律采樣，并計(jì)算采樣點(diǎn)處的特征量。與傳統(tǒng)的二維投影圖像定量化分析和血管三維體積的定量化分析相比，本發(fā)明能夠得到更加精確的結(jié)果。本發(fā)明采用B樣條曲線方法擬合原始離散骨架，使血管骨架形態(tài)連續(xù)化，從而可以獲取血管上任意一點(diǎn)的特征量，得到更為精確的特征量計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明的應(yīng)用使得在人群中進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析變得不再困難，比如進(jìn)行正常人群大腦動(dòng)脈環(huán)幾何形態(tài)規(guī)律的研究、大腦幾何形態(tài)同疾病、性別、年齡、種族等因素的相關(guān)關(guān)系等。還可以為醫(yī)生的臨床診斷提供參考，使疾病診斷更加客觀。
【附圖說明】
[0030]圖1為最大密度投影圖；
[0031 ]圖2為對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理得到的體繪圖；
[0032]圖3為對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理得到的Mesh圖；
[0033]圖4為Wills環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)血管半徑幾何模型；
[0034]圖5為WiI Is骨架及其語義標(biāo)識(shí)；
[0035]圖6為血管半徑的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0037]—種基于骨架線的血管定量分析方法，包括以下步驟:
[0038]步驟I，根據(jù)采集到的腦血管DICOM數(shù)據(jù)，通過透視得到所述數(shù)據(jù)的最大密度投影圖，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，得到分割體數(shù)據(jù)或Mesh數(shù)據(jù)，如圖1、2、3所示。
[0039]通過比較分割數(shù)據(jù)的形態(tài)結(jié)構(gòu)與最大密度投影圖，可以驗(yàn)證分割結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0040]步驟2，從分割處理后的數(shù)據(jù)中人工識(shí)別出Wills環(huán)部分，保留與Wills環(huán)相連的小段血管分支，刪除其他無關(guān)血管及噪點(diǎn)。采用Ll-medial骨架線提取算法進(jìn)行Wills環(huán)骨架線提取，得到Wi 11 s環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)血管半徑幾何模型。如圖4所示。
[0041]步驟3，參照最大密度投影圖對(duì)Wills環(huán)骨架線上的血管分支進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)，并設(shè)定采樣規(guī)則。
[0042]參照最大密度投影圖進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)，可以提高標(biāo)識(shí)的準(zhǔn)確性。Wills骨架及其語義標(biāo)識(shí)的示意圖如圖5所示，常用標(biāo)識(shí)的含義如下:
[0043]ACA1-大腦前動(dòng)脈左支，ACAr-大腦前動(dòng)脈右支，ACo-前交通動(dòng)脈，MCAl-中動(dòng)脈左支，MCAr-中動(dòng)脈右支，PCol-后交通動(dòng)脈左支，PCor-后交通動(dòng)脈右支，PCAl-大腦后動(dòng)脈左支，PCAr-大腦后動(dòng)脈右支，BA-基底動(dòng)脈。
[0044]步驟4，對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行曲線擬合，利用得到的連續(xù)的Wills環(huán)骨架線曲線計(jì)算每段血管的特征量。
[0045]步驟2獲得的Wills環(huán)骨架線是離散的，對(duì)離散點(diǎn)集進(jìn)行擬合，使離散點(diǎn)連續(xù)化。這樣處理有利于提高特征量的計(jì)算精度。
[0046]步驟5，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
[0047]所述步驟3中設(shè)定的采樣規(guī)則為:在單段血管上按長(zhǎng)度進(jìn)行均勻采樣。通常設(shè)定均勻采樣20個(gè)點(diǎn)，當(dāng)然，為了提高精度也可以進(jìn)行密度更高的均勻采樣。
[0048]所述步驟4采用B樣條擬合法對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行擬合。
[0049]優(yōu)選地，計(jì)算血管的特征量的方法如下:
[0050]步驟4.1，計(jì)算采樣點(diǎn)處的局部特征量；
[0051 ]步驟4.1.1，計(jì)算半徑，方法如下:
[0052]采用球B樣條擬合原始離散點(diǎn)骨架；
[0053]對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣；
[0054]將血管區(qū)域的邊界看作是單參數(shù)球體的包絡(luò)面，根據(jù)解析幾何知識(shí)求解血管的半徑。
[0055]步驟4.1.2，計(jì)算長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值，方法如下:
[0056]采用B樣條曲線擬合法進(jìn)行曲線擬合；
[0057]對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣；
[0058]根據(jù)解析幾何知識(shí)求解長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值。
[0059]步驟4.2，計(jì)算全局特征量；
[0060]計(jì)算曲率和撓率對(duì)弧長(zhǎng)的積分；
[0061]計(jì)算每段血管的體積和表面積。血管的表面積通過求分割數(shù)據(jù)中所有三角面片的總面積來計(jì)算。血管的體積通過求每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)表示的小立方體的總體積來計(jì)算。
[0062]所述步驟5對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)容包括:計(jì)算特征量的基本統(tǒng)計(jì)量，對(duì)各基本統(tǒng)計(jì)量與各血管或疾病、性別年齡因素的相關(guān)性分析?；窘y(tǒng)計(jì)量包括均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、四分距以及各特征量參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。
[0063]對(duì)血管半徑的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，大部分半徑值都位于區(qū)間[2，3](mm)，在相應(yīng)比例處的采樣點(diǎn)半徑呈現(xiàn)出幾乎一致的波動(dòng)趨勢(shì)。半徑值越大的位置越容易引起血管擴(kuò)張，半徑值越小的位置越容易發(fā)生血管狹窄。通過半徑這一特征量，可以進(jìn)行血管狹窄擴(kuò)張方面的疾病分析。
[0064]本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的對(duì)上述實(shí)施方式任何顯而易見的改進(jìn)或變更，都不會(huì)超出本發(fā)明的構(gòu)思和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于骨架線的血管定量分析方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，根據(jù)采集到的腦血管DICOM數(shù)據(jù)，得到所述數(shù)據(jù)的最大密度投影圖，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，得到分割體數(shù)據(jù)和Mesh數(shù)據(jù)； 步驟2，從分割處理后的數(shù)據(jù)中人工識(shí)別出Wills環(huán)部分，并采用骨架線提取算法進(jìn)行Wills環(huán)骨架線提取，得到Wills環(huán)骨架線及其采樣點(diǎn)血管半徑幾何模型； 步驟3，參照最大密度投影圖對(duì)Wills環(huán)骨架線上的血管分支進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)，并設(shè)定采樣規(guī)則； 步驟4，對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行曲線擬合，利用得到的連續(xù)的Wills環(huán)骨架線曲線計(jì)算每段血管的特征量； 步驟5，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨架線的血管定量分析方法，其特征在于，步驟3中設(shè)定的采樣規(guī)則為:在單段血管上按長(zhǎng)度進(jìn)行均勻采樣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨架線的血管定量分析方法，其特征在于，步驟4采用B樣條擬合法對(duì)Wills環(huán)骨架線上的每段血管進(jìn)行擬合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨架線的血管定量分析方法，其特征在于，步驟4計(jì)算血管的特征量的方法如下: 步驟4.1，計(jì)算采樣點(diǎn)處的局部特征量； 步驟4.1.1，計(jì)算半徑，方法如下: 采用球B樣條擬合原始離散點(diǎn)骨架； 對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣； 將血管區(qū)域的邊界看作是單參數(shù)球體的包絡(luò)面，根據(jù)解析幾何知識(shí)求解血管的半徑； 步驟4.1.2，計(jì)算長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值，方法如下: 采用B樣條曲線擬合法進(jìn)行曲線擬合； 對(duì)所要計(jì)算的一段血管按照設(shè)定的采樣規(guī)則進(jìn)行采樣； 根據(jù)解析幾何知識(shí)求解長(zhǎng)度、曲率、撓率、采樣點(diǎn)與首尾點(diǎn)連線的夾角值。 步驟4.2，計(jì)算全局特征量； 分別計(jì)算曲率和撓率對(duì)弧長(zhǎng)的積分，根據(jù)步驟I分割出的體數(shù)據(jù)計(jì)算每段血管的體積，根據(jù)步驟I分割出的Mesh數(shù)據(jù)計(jì)算每段血管的表面積。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨架線的血管定量分析方法，其特征在于，步驟5對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)容包括:計(jì)算特征量的基本統(tǒng)計(jì)量，對(duì)基本統(tǒng)計(jì)量與各血管或疾病、性別年齡因素的相關(guān)性分析?；窘y(tǒng)計(jì)量包括均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、四分距以及特征量參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK105931247SQ201610293725
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月5日
【發(fā)明人】王醒策, 劉恩惠, 武仲科, 周明全
【申請(qǐng)人】北京師范大學(xué)