基于心臟ct圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，包括通過提取心肌圖像，提取冠狀動脈口，對冠狀動脈精確分割；通過對冠狀動脈體數(shù)據(jù)的邊緣檢測，生成FFR計算所需要的三角網(wǎng)格模型；最后通過公式計算血流儲備分數(shù)，其中，Paorta是主動脈平均壓，(Poutlet)i是三維網(wǎng)格圖像中點i的壓力值。本發(fā)明基于心臟CT圖像，能快速準確的全自動得到血流儲備分數(shù)FFR。
【專利說明】
基于心贓CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及冠狀動脈影像學評價領域，具體地設及一種基于屯、臟CT圖像的全自動 冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法。
【背景技術】
[0002] 冠狀動脈造影及血管內超聲均被認為是診斷冠屯、病的"金標準"，但它們只能對病 變狹窄程度進行影像學評價，而狹窄到底對遠端血流產生了多大影響卻不得而知;血流儲 備分數(shù)(FFR)現(xiàn)已經(jīng)成為冠脈狹窄功能性評價的公認指標，其最重要的功能是對一個未知 影響的冠脈狹窄的功能后果進行準確評價。
[0003] 血流儲備分數(shù)(FFR)是指在冠狀動脈存在狹窄病變的情況下，目標測量血管所供 屯、肌區(qū)域能獲得的最大血流量與同一區(qū)域理論上正常情況下所能獲得的最大血流量之比。 FFR主要通過計算冠狀動脈狹窄遠端壓力與主動脈根部壓力之比來獲得。狹窄遠端壓力可 W通過壓力導絲在最大灌注血流(通過冠脈內或靜脈內注射磐粟堿或腺巧或ATP)時測得。
[0004] FFR = Pd/Pa(Pd為指引導管測量的主動脈壓，Pa為壓力導絲測量的冠脈狹窄遠端 壓力)一般來說，F(xiàn)FR是指最大充血狀態(tài)下，不存在"靜息FFR"運個概念。
[0005] 正常的屯、外膜冠狀動脈對血流的阻力很小，F(xiàn)FR的正常值為1.0 ;Fra的值將小于 1.0時即表明當前屯、外膜冠脈有狹窄病變的存在。
[0006] FFR<0.75的情況時，所代表的狹窄情況幾乎都會導致屯、肌缺血，F(xiàn)FR^O. 75的情 況時，所代表的狹窄則造成屯、肌缺血的可能性非常小。
[0007] 冠脈CTA能準確評估冠脈狹窄程度，且能辨別管壁斑塊性質，是一種無創(chuàng)、操作簡 單的診斷冠狀動脈病變檢查方法，可作為篩查高危人群的首選方法。因此，如果對于冠屯、病 患者的血管進行干預，前期應該對患者冠脈進行CTA的評價。冠狀動脈慢性完全閉塞病變 (CTO)如果采用CTA進行評價，評價結果肯定有一些有價值的信息。
[000引通過冠狀動脈CT血管造影CCTA計算無創(chuàng)獲得的FFR(CTFFR)不僅無需額外影像檢 查或藥物，與造影時測定的FFR相關性良好，運種一體化技術能從根本上避免不必要的冠脈 血管造影與血運重建治療。DeFacto試驗結果也清楚地表明，在冠狀動脈CT中，CTFFR結果的 分析提供了那些真正限制血流及增加病人危險性的病變的生理信息。CTFFR結合了冠脈CTA 和FH?的優(yōu)勢，可W從結構和功能兩方面來評估冠狀動脈狹窄，成為一種提供冠脈病變解剖 學和功能學信息的嶄新無創(chuàng)性檢測體系。

【發(fā)明內容】

[0009] 為了解決上述的技術問題，本發(fā)明目的是:提供一種全新的基于屯、臟CT圖像的冠 狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，基于屯、臟CT圖像，能快速準確的全自動得到血流儲備分數(shù) FFR。
[0010] 本發(fā)明的技術方案是：
[0011] -種基于屯、臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征在于，包括W下 步驟：
[0012] SOI:提取屯、肌圖像:對屯、臟CT圖像進行分割，通過形態(tài)學操作得到屯、臟圖像，對該 屯、臟圖像進行直方圖分析得到屯、室屯、房圖像，通過屯、臟圖像與屯、室屯、房圖像做差得到屯、肌 圖像；
[0013] S02:提取冠狀動脈口：對主動脈圖像的二值化圖像進行形態(tài)學膨脹，得到全主動 脈的二值圖像，并通過像素取反得到全主動脈互補圖像，根據(jù)主動脈中屯、線上點的平均灰 度進行區(qū)域生長，得到含有冠狀動脈口的主動脈圖像，用含有冠狀動脈口的主動脈圖像與 全主動脈互補圖像做圖像乘法，得到含有冠狀動脈口的圖像，并確定冠狀動脈口；
[0014] S03:提取冠狀動脈:在屯、肌圖像上W冠狀動脈口為種子點，通過區(qū)域生長提取冠 狀動脈，計算冠狀動脈的平均灰度和平均方差，根據(jù)冠脈灰度分布，沿著冠狀動脈方向提取 冠脈樹；
[0015] S04:生成冠狀動脈網(wǎng)格模型:將冠狀動脈圖像進行二值化，然后繪制等值面圖像， 得到冠狀動脈=維網(wǎng)格圖像；
[0016] S05:冠狀動脈FFR計算:通過公
h算血流儲備分數(shù)，其中， Paorta是主動脈平均壓，（Poutlet ) i是S維網(wǎng)格圖像中點i的壓力值。
[0017] 優(yōu)選的，所述步驟S02中確定冠狀動脈口通過如下步驟得到:對含有冠狀動脈口的 圖像進行連通域分析，用不同的灰度標簽標識各個連通域，確定冠狀動脈口。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟S02中的主動脈圖像為在屯、臟圖像上，利用主動脈截面成圓形的 特征，提取升主動脈及中屯、線，得到主動脈圖像。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟S04中冠狀動脈圖像二值化包括:遍歷冠狀動脈圖像Vl中體素， 如果像素 Al等于0,則該像素值不變;如果Al不等于0,則將Al的像素值設為1，得到一個新的 數(shù)據(jù)V2。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0021] 基于屯、臟CT圖像，能快速準確的全自動得到血流儲備分數(shù)FFR。
【附圖說明】
[0022] 下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述：
[0023] 圖1為屯、臟CT圖像；
[0024] 圖2為屯、臟圖像；
[0025] 圖3為主動脈圖像；
[0026] 圖4為本發(fā)明的基于屯、臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)(FFR)計算方法的流程 圖；
[0027] 圖5為屯、肌圖像；
[002引圖6為含有冠狀動脈口的主動脈圖像；
[0029] 圖7為分割的冠狀動脈口；
[0030] 圖8為冠狀動脈圖像；
[0031 ]圖9為冠狀動脈的S維網(wǎng)格圖像。
【具體實施方式】
[0032] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參 照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應該理解，運些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā) 明的范圍。此外，在W下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，W避免不必要地混淆本 發(fā)明的概念。
[0033] 給定屯、臟CT圖像如圖1，根據(jù)逆向方法，提取屯、臟：W非目標區(qū)域的降主動脈、脊 椎、肋骨為對象進行處理，通過逐步的去除胸腔壁、肺部、椎骨和降主動脈等非屯、臟組織來 提取得到屯、臟圖像，如圖2所示。
[0034] 在得到的屯、臟圖像上，通過利用主動脈截面成圓形的特征，提取升主動脈及中屯、 線，得到主動脈圖像，如圖3所示。
[0035] 如圖4所示，本發(fā)明的基于屯、臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)(FFR)計算方法包 括提取屯、肌圖像、提取冠狀動脈口、提取冠狀動脈、生成冠狀動脈網(wǎng)格模型、冠狀動脈FFR計 算。
[0036] 1:提取屯、肌圖像：
[0037] 對屯、臟CT圖像進行分割，通過形態(tài)學操作得到屯、臟圖像，對該屯、臟圖像進行直方 圖分析得到屯、室屯、房圖像，通過屯、臟圖像與屯、室屯、房圖像做差得到屯、肌圖像，如圖5所示。
[0038] 2:提取冠狀動脈口：
[0039] 對主動脈圖像的二值化圖像進行形態(tài)學膨脹，得到全主動脈的二值圖像，并通過 像素取反得到全主動脈互補圖像。
[0040] 根據(jù)主動脈中屯、線上點的平均灰度進行區(qū)域生長，得到含有冠狀動脈口的主動脈 圖像，如圖6所示。
[0041] 用含有冠狀動脈口的主動脈圖像與全主動脈互補圖像做圖像乘法，得到含有冠狀 動脈口的圖像，對含有冠狀動脈口的圖像進行連通域分析，用不同的灰度標簽標識各個連 通域，確定冠狀動脈口，如圖7所示。
[0042] 3:提取冠狀動脈：
[0043] 在屯、肌圖像上，W冠狀動脈口為種子點，通過區(qū)域生長提取冠狀動脈，計算冠狀動 脈的平均灰度和平均方差，根據(jù)冠脈灰度分布，沿著冠狀動脈方向提取冠脈樹，如圖8所示。
[0044] 4:生成冠狀動脈網(wǎng)格模型：
[0045] 通過步驟=，得到冠狀動脈圖像數(shù)據(jù)VI，該數(shù)據(jù)中的體素在空間上構成一個立方 體，屬于冠狀動脈部分的體素像素值不為〇(像素值大約在-3000到3000之間），其余體素像 素值都為0。
[0046] 本步驟需要把數(shù)據(jù)變成空間S維網(wǎng)格數(shù)據(jù)V3, W便于步驟五中的FFR計算。
[0047] (1)冠狀動脈數(shù)據(jù)二值化
[0048] 遍歷冠狀動脈圖像數(shù)據(jù)Vl中體素，做簡單的像素值判斷，如果像素 Al等于0,則該 像素值不變;如果Al不等于0，則將Al的像素值設為1。
[0049] 最終會得到一個新的圖像數(shù)據(jù)V2,該圖像中，屬于冠狀動脈部分的體素像素值為 1，其余部分為0。
[0050] (2)等值面生成
[0化1] 本方法中，等值面生成使用Marching化bes算法。
[0052] 該算法中，體素被定義為一個極小的六面體，相鄰上下層之間的四個像素組成的 立方體上的八個頂點。而等值面就是在空間中所W具有某個相同屬性值的點的集合。它可 W表示成：
[0053] {(x，y，z) |f(x，y，z)=c}，c是常數(shù) [Al]
[0054] 本方法中的C是在=維重構過程中給定的像素值1。
[0化日]Marching化bes算法提取等值面的流程如下：
[0056] (1)將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理之后，讀入特定的數(shù)組中；
[0057] (2)從網(wǎng)格數(shù)據(jù)體中提取一個單元體成為當前單元體，同時獲取該單元體的所有 f目息；
[0058] (3)將當前單元體8個頂點的函數(shù)值與給定等值面值C進行比較，得到該單元體的 狀態(tài)表；
[0059] (4)根據(jù)當前單元體的狀態(tài)表索引，找出與等值面相交的單元體棱邊，并采用線性 插值的方法計算出各個交點的位置坐標；
[0060] (5)利用中屯、差分法求出當前單元體8個頂點的法向量，再采用線性插值的方法得 到=角面片各個頂點的法向；
[0061] (6)根據(jù)各個=角面片頂點的坐標和頂點法向量進行等值面圖象的繪制。
[0062] 最終得到冠狀動脈的=維網(wǎng)格圖像數(shù)據(jù)V3,如圖9所示。
[0063] 5:冠狀動脈FFR計算：
[0064] 1)S維模型
[0065] 基于CT重構的幾何結構，劃分S維網(wǎng)格，用數(shù)值法(如:有限差分、有限元、有限體 積法等)求解連續(xù)性和Navier-Stokes方程：
[0066] [A2]
[0067]
[A3]
[006引其中，f，P，P，y分別為流速、壓力、血流密度、血流粘性。
[0069] 入口邊界條件為PaDrta(主動脈平均壓，來自于患者的測量結果)-13毫米隸柱(靜脈 注入腺巧后的壓力降)-Po(零流壓，51毫米隸柱）。
[0070] 出口阻力巧巧條件的椎骨化下：
[0071] [A4]
[0072] [A5]
[007引其中，QtDta功屯、肌體積乘W屯、肌血流密度，（Qcmtlet)功出口 i的血流，Di為出口 i的 直徑，（Routiet)i為出口 i的阻力，冠狀動脈血流儲備CFR設為2.7。設想冠狀動脈血管正常情 況下從入口到出口有1毫米隸柱的壓力降。算出S維網(wǎng)格中各點的壓力(Pnutlet)I后，通過公 式A6得到FFR:
[0074]
[A6]
[00對其中，Paorta是主動脈平均壓，化加601是立維網(wǎng)格圖像中各點的壓力值。
[0076] 2)二維模型
[0077] 基于CT重構的幾何結構，把有狹窄的血管拉直(二維軸對稱模型），劃分二維網(wǎng)格， 用數(shù)值法(如:有限差分、有限元、有限體積法等)求解連續(xù)性和Navier-Stokes方程：
[007引 [A7]
[0079] [A8]
[0080] [A9]
[0081 ] 具甲，P巧不皿徽的登、巧，山、化分別巧不Z同、r萬同的滿化，y表示血液的動力粘度， P表不血液的壓強。
[0082] 入口邊界條件為PaDrta(主動脈平均壓，來自于患者的測量結果)-13毫米隸柱(靜脈 注入腺巧后的壓力降)-Po(零流壓，5 1毫米隸柱）。
[0083] 出口陽力巧界條件的椎導如下，
[0084] [A4]
[0085] [A5]
[0086] 其中，QtDta功屯、肌體積乘W屯、肌血流密度，（Qcutlet)功出口 i的血流，D功出口 i的 直徑，（Routiet) i為出口 i的阻力，冠狀動脈血流儲備CFR設為2.7。
[0087] 針對各種類型的彎曲，用S維模型計算從入口到出口的壓力差，對照二維軸對稱 模型計算，建立用于存儲各種類型的彎曲對二維軸對稱結果的修正系數(shù)的數(shù)據(jù)庫。運樣算 出壓力后對照數(shù)據(jù)庫中的修正系數(shù)，精確得到從入口到出口的壓力差，然后計算F!W。
[0088] 應當理解的是，本發(fā)明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的 原理，而不構成對本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何 修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。此外，本發(fā)明所附權利要求旨 在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者運種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修 改例。
【主權項】
1. 一種基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征在于，包括以下步 驟： SOI:提取心肌圖像:對心臟CT圖像進行分割，通過形態(tài)學操作得到心臟圖像，對該心臟 圖像進行直方圖分析得到心室心房圖像，通過心臟圖像與心室心房圖像做差得到心肌圖 像； S02:提取冠狀動脈口：對主動脈圖像的二值化圖像進行形態(tài)學膨脹，得到全主動脈的 二值圖像，并通過像素取反得到全主動脈互補圖像，根據(jù)主動脈中心線上點的平均灰度進 行區(qū)域生長，得到含有冠狀動脈口的主動脈圖像，用含有冠狀動脈口的主動脈圖像與全主 動脈互補圖像做圖像乘法，得到含有冠狀動脈口的圖像，并確定冠狀動脈口； S03:提取冠狀動脈:在心肌圖像上以冠狀動脈口為種子點，通過區(qū)域生長提取冠狀動 脈，計算冠狀動脈的平均灰度和平均方差，根據(jù)冠脈灰度分布，沿著冠狀動脈方向提取冠脈 樹； S04:生成冠狀動脈網(wǎng)格模型:將冠狀動脈圖像進行二值化，然后繪制等值面圖像，得到 冠狀動脈三維網(wǎng)格圖像； S05:冠狀動脈FFR計算:通過公式f算血流儲備分數(shù)，其中，Paorta 是主動脈平均壓，（Pc1Utlet)1是三維網(wǎng)格圖像中點i的壓力值。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征 在于，所述步驟S02中確定冠狀動脈口通過如下步驟得到:對含有冠狀動脈口的圖像進行連 通域分析，用不同的灰度標簽標識各個連通域，確定冠狀動脈口。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征 在于，所述步驟S02中的主動脈圖像為在心臟圖像上，利用主動脈截面成圓形的特征，提取 升主動脈及中心線，得到主動脈圖像。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征 在于，所述步驟S04中冠狀動脈圖像二值化包括:遍歷冠狀動脈圖像Vl中體素，如果像素 Al 等于〇，則該像素值不變;如果Al不等于0，則將Al的像素值設為1，得到一個新的數(shù)據(jù)V2。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征 在于，所述步驟S05具體包括： 用數(shù)值法求解連續(xù)性和Navier-Stokes方程：其中，f, P，P，μ分別為流速、壓力、血流密度、血流粘性； 入口邊界條件為:Pacirta-13毫米汞柱-Po，其中，Po為零流壓； 出口阻力邊界條件的推導如下：其中，QtClteI為心肌體積乘以心肌血流密度，（Qcmtlet) i為出口 i的血流，Di為出口 i的直徑， (RciutIet)i為出口 i的阻力，冠狀動脈血流儲備CFR設為2 · 7;計算出三維網(wǎng)格中各點的壓力 (P。,,十，誦討公忒Afi得至IIFFR，[A6] 其中，Pa_是主動脈平均壓，（Pciutlet)1是三維網(wǎng)格圖像中各點的壓力值。6.根據(jù)權利要求5所述的基于心臟CT圖像的冠狀動脈血流儲備分數(shù)計算方法，其特征 在于，所述步驟S05還包括： 基于CT重構的幾何結構，將有狹窄的血管拉直，即構建二維軸對稱模型，劃分二維網(wǎng) 格，用數(shù)值法求解連續(xù)性和Navier-Stokes方程：其中，P表示血液的密度，uz、Ur分別表示z向、r方向的流速，μ表示血液的動力粘度，p表 示血液的壓強； 入口邊界條件為:Paorta-I 3暈米萊柱-Po ; 出口阻力邊界條件的推導如下：[A4] [A5] 其中，QtclteI為心肌體積乘以心肌血流密度，（Qcmtiet)i為出口 i的血流，Di為出口 i的直徑， (RciutIf3t) i為出口 i的阻力，冠狀動脈血流儲備CFR設為2.7; 針對不同類型的彎曲，用三維模型計算從入口到出口的壓力差，對照二維軸對稱模型 計算，建立用于存儲各種類型的彎曲對二維軸對稱結果的修正系數(shù)的數(shù)據(jù)庫； 算出壓力后對照數(shù)據(jù)庫中的修正系數(shù)，精確得到從入口到出口的壓力差，然后計算 FFR0
【文檔編號】G06T7/00GK106023202SQ201610339892
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】霍云飛
【申請人】蘇州潤心醫(yī)療科技有限公司