文摘

研究血液流动的数量分析使用固耦合(FSI)分析正在增加。虽然三维血管模型,包括内膜和外膜FSI需要分析,生成有困难它只使用一种类型的医学影像。在本文中,我们提出一个3 d建模方法对准确FSI分析。血管内超声图像(治疗作用是使用双翼飞机x线血管造影图像计算血管的位置和姿态。然而,这些图像表明,血管畸形的导管插入IVUS图像的血管。为了消除这种变形,增加了CT图像和两个模型注册。首先,一个3 d模型的未变形的内膜生成使用CT图像。在第二阶段,内膜和外膜变形的模型生成导管结合IVUS图像和x线血管造影图像。内膜和外膜的三维模型变形引起的插入导管的消除是通过匹配这些3 d血管生成模型在不同的州。此外,三维血管模型包括分岔是使用该方法生成。

1。介绍

多亏了先进的计算和分析技术,研究循环系统疾病使用CFD(计算流体动力学)分析现在使用FSI(固耦合)的分析,可以考虑血管壁的运动(1- - - - - -4]。与CFD分析,只需要内膜的3 d模型,包含信息的三维模型血管厚度需要分析血管内的血流量和应用于血管壁的力量使用FSI分析(5- - - - - -9]。然而,有困难在血管生成三维模型,包括内膜和外膜只使用单一类型的医学图像,由于成像技术的特点。为了实现这一点,许多研究提出了血管的三维建模方法,包括内膜和外膜结合不同的成像技术或通过假设。代表血管成像技术用于这种建模方法是CT(计算机断层扫描)和IVUS(血管内超声)。

虽然血管内膜的形状可以很容易地获得使用CT图像,可以获得任何信息关于血管动脉外膜。此外,由于低精度的CT图像,血管内膜模型使用CT图像将会生成一个不均匀的表面。Antiga提议的方法计算中心线的血管血管模型的模型来解决问题使用这样的CT图像生成(10,11]。三维血管模型使用CT图像生成自动纠正使用血管中心线的3 d模型,和一个三维血管生成模型,该模型包括内膜和外膜与假设血管壁的厚度成正比的内径。

IVUS图像是一个图像显示血管的横截面将微型超声仪器插入血管。作为IVUS图像周围血管,更多详细信息可获得血管比CT图像。此外,因为使用一个超声波,它的优点是血管动脉外膜的信息也可以获得。然而,IVUS图像只显示血管的横截面,而显示的位置和方向IVUS图像。鲸鱼提出了顺序三角测量法计算IVUS图像的位置和姿态使用双翼飞机x线血管造影图像(12- - - - - -17]。IVUS图像的三维路径以及生成使用双翼飞机拍摄x线血管造影图像,和这些IVUS图像的位置和方向计算仅使用这条道路的几何形状。

然而,导管插入血管IVUS图像严重变形,如图1。因此,IVUS图像和双翼飞机x射线造影图像用导管插入图片显示的信息由导管插入血管畸形。此外,结合这些图像所产生的血管模型也将处于变形状态。

血管的初始状态有很大影响血管模型的分析结果。因此,在这项研究中,我们提出一个3 d建模方法的内膜和外膜的变形引起的插入导管准确FSI分析消除。

2。概述

图2三维血管的显示了整个流程建模方法提出了研究。

这种方法主要可以分为三个阶段。

首先,一个3 d模型的未变形的内膜生成使用CT图像。CT图像只需要对比剂来进行管理,因此没有任何变形引起的插入导管。

然后,3 d内膜和外膜模型在变形通过生成一个导管结合IVUS和双翼飞机x线血管造影图像。如前所述,IVUS图像和双翼飞机x线血管造影图像显示血管畸形的状态信息的插入导管。

最后阶段涉及到转换的三维模型变形内膜和外膜成3 d模型的未变形的内膜和外膜通过注册。

最后阶段涉及到转换的三维模型变形内膜和外膜成3 d模型的未变形的内膜和外膜通过注册。为此,3 d模型的横截面是提取和注册。首先,随着intimae存在在不同的州,畸形的内膜注册与未变形的内膜。横截面的未变形的内膜和外膜应用注册结果计算了截面的变形动脉外膜。

血管生成如图复制品3(一)促进所需的医学图像的采集方法。硅胶管是用作复制血管和明胶用于修复它,使它变形导管插入时。图3(b)显示了CT、IVUS和双翼飞机使用血管副本x射线图像。

3所示。模型重建未变形的内膜

CT图像可以获得没有将一根导管插入血管通过注射对比剂,因此显示了血管的未变形的形状。然而,它只显示了对比剂通过血管,血管的动脉外膜的信息不能被收购。因此,我们打算利用血管的整体形状没有catheter-induced变形通过使用这样的CT图像的特征。为此,3 d内膜没有catheter-induced变形模型使用的CT图像血管生成副本。

CT图像由体元数据由人体堆积的x线断层照片。血管生成3 d模型,提取相对应的多边形数据的过程的血管体元数据是必需的。血管的生成多边形数据体元数据的等值面具有相同的强度值的部分对应的血管提取每个x线断层照片。血管生成的多边形模型叠加这些等值面和近似NURB表面。图4显示了3 d模型的未变形的内膜使用血管的CT图像生成副本。

4所示。畸形的内膜和外膜模型的重建

4.1。提取血管内膜和外膜的横截面的变形状态

IVUS图像更详细地显示血管的内比CT成像获得的图像是内部的血管超声设备插入到血管。此外,它提供了关于血管动脉外膜的形状信息。图5显示血管内膜和外膜的横截面从IVUS图像中提取。

作为一个IVUS图像不包括颜色值,但点灰度值,自动提取相对应的区域有困难血管的内膜和外膜。因此,在这项研究中,我们检查了IVUS图像和手动分割部分对应于血管的内膜和外膜,分别如图6。

4.2。恢复3 d导管路径

尽管IVUS图像包含的血管横截面信息,图像的位置和姿态收购是未知的。因此,生成三维血管模型使用血管内膜和外膜的横截面从IVUS图像提取的早些时候,IVUS图像的位置和姿态已经实际上应该推测使用其他医学成像技术。为此,双翼飞机x线血管造影图像被用于这项研究。

IVUS图像时的路径在IVUS图像将被提前插入导管固定IVUS超声波设备在成像是开始的地方。当IVUS超声波设备到达期望的位置,它遵循了导管和获得图像的血管横截面,与IVUS图像匹配的路径的路径导管。获得导管路径,x射线造影被立即从不同方向IVUS超声波设备撤出之前采取图片。3 d导管路径生成如图7使用两个2 d导管路径从双翼飞机x射线造影图像中提取图像。

4.3。计算IVUS图像位置和姿态

IVUS图像获取时,IVUS超声波设备的导管在一个恒定的速度移动设备使用IVUS回落。因此,如果使用双翼飞机的3 d导管路径恢复x线血管造影图像分为许多部分随着IVUS图像使用相同数量的间隔,IVUS图像的位置已经可以很容易地获得了计算。然而,随着IVUS超声波设备周围旋转导管弯曲血管周围旅行,IVUS图像获得处于旋转状态。

鲸鱼已提议的顺序三角测量法可以确定IVUS图像的扭曲角使用(IVUS图像的特点。通过这种方法,IVUS图像的方向计算只使用导管的几何形状恢复3 d。3 d导管路径被划分成小块假设它是由无数的关节和链接。IVUS图像的位置和方向确定,如图8连续使用3点3 d路径分成小块。每个IVUS图像的方向是由飞机的连续3点现有的导管。每一个点的位置,IVUS图像的位置,是两个点的中心如以下所示(12- - - - - -17]:

另外,切向量在计算如下:

法向量,这是每一个设在方向的2 d IVUS图像,计算通过计算两个相邻的产品外切线向量:

通过这种方法,IVUS图像所在的位置和姿态确定取自3 d导管的路径。图9(一个)显示的结果应用使用顺序三角测量法的位置和姿态计算横截面的血管内膜和外膜从2 d IVUS图像,提取和图9(b)显示生成多边形模型在三维空间中使用的点。这些模型通过结合生成IVUS和双翼飞机x射线造影图像拍摄的图像由导管处于变形状态,血管内膜和外膜模型变形的插入导管。

5。计算未变形的内膜和外膜模型通过注册

在这一章,我们打算计算3 d内膜和外膜模型没有catheter-induced变形。为了达到这个目标,生成的三维模型变形内膜和外膜结合IVUS和双翼飞机x线血管造影图像注册的3 d模型未变形的内膜生成使用CT图像。当这两个3 d模型不仅存在于不同的坐标系统,也有不同的尺度,有困难直接注册这些3 d模型。因此,在这项研究中,我们提出一个方法确定两者之间的对应关系三维血管模型提取横截面在相应的位置和匹配。

5.1。计算截面的中心线和提取

定义一个平面提取所需的二维横截面的三维血管内膜管形式模型,一个3 d点和法向量是必需的。为此,中心线,很可能表达血管的形状应该计算。

研究由卢卡,中心线现有两点之间在一个模型管形式定义的线最远的边界。因此,一个物体的中心线存在的一个3 d空间可以表示为路径两点之间和最大限度地减少

为此,德劳内三角的对象通过计算,最大球体上的血管模型计算。三维血管模型的中心线提取使用这些球体的中心点。

5.2。对应的定义和提取三维血管模型之间的横截面

注册两个血管模型在不同的国家,应该首先定义两个模型之间的对应关系。为此,前面两个内膜模型计算中心线。因为CT、IVUS和双翼飞机x线血管造影图像的成像获得的都是相同的部分血管复制品,早些时候模型生成的三维血管模型的相同部分血管虽然在不同的州。因此,这两个内膜模型之间的对应关系是定义为这两个内膜模型的中心曲线划分成使用相同的时间间隔相同数量的行,和3 d模型提取的横截面定义的位置。

5.3。在不同的州注册之间的横截面

在这项研究中,我们打算生成3 d内膜和外膜模型的catheter-induced变形通过注册被移除。因此,我们试图把横截面变形的内膜和外膜提取横截面的早些时候未变形的内膜和外膜。为此,畸形的内膜和外膜的横截面是注册的横截面的未变形的内膜。

登记是坐标变换的计算,可以最小化两个点集之间的距离。因此,注册在这个研究是计算翻译(),旋转()和范围(),最大限度地减少两个点集之间的距离(:目标点云,:源点云),构成二维血管横截面。在这项研究中,坐标变换矩阵最小化两个点集之间的距离和使用优化方法计算后设置这四个元素作为变量。此外,做出结果线性的旋转值前一帧注册横截面时,旋转值最接近的值前一帧的计算。 在哪里

为了达到这个目标,使用GNU的multiminimizer功能科学图书馆(18]。图10显示了注册两个内膜横截面的结果。

的,,,计算登记内膜横截面之间的价值观畸形内膜横截面的变化未变形的内膜横截面。因此,计算,,,也同样适用于改变畸形动脉外膜未变形的外膜截面的截面。图11显示所有注册的横截面的旋转值使用优化方法。更多的线性变换的旋转值,趋势线是使用所有的旋转值计算,和每个截面的旋转值修正趋势线值。

5.4。代的一个未变形的内膜和外膜模型

横截面的未变形的内膜和外膜计算通过一个类似的过程。最后生成一个模型在一个未变形的状态使用这样的横截面,截面应位于正确的位置和正确的方向。为此,从三维模型中提取中心线的内膜导管不变形,从CT图像生成,使用。三维血管多边形模型,其中包括内膜和外膜,如图12,是通过将计算横截面生成的未变形的内膜和外膜未变形的中心线。

6。分叉血管模型

事实上,人类血管并不是由单一的血管,但与许多分支血管的组合。因此,模型血管的病人,而不是单一血管模型三维血管模型,包括分支应该生成。因此,三维血管模型包括分支不变形的导管使用拟议中的血管生成的建模方法在这一章。为此,包括分支血管复制品是如图13。不同于单一血管的情况下,这个复制品是由创建一个3 d模型使用一个实际的病人的CT图像和生产模具使用3 d打印机。血管的复制品所需的形式是由注入硅模具。对于这个副本,明胶再次用于修复血管管。

CT、IVUS和双翼飞机x线血管造影图像被使用产生血管副本作为每一个血管的情况下。副本包括分支,IVUS图像和x线血管造影图像的每个血管分支。图14显示了医学图像使用血管复制品。

6.1。代的3 d内膜模型包括分支不变形的导管和提取横截面

在血管,包括分支的情况下,三维模型的内膜不变形的导管也使用CT图像生成按单一血管。图15显示了3 d模型由导管内膜不变形,使用CT图像生成。

提取3 d内膜的横截面模型,每个分支的中心线是使用3 d泰森多边形法计算图。图16显示每个分支和横截面的中心线提取使用它们。

6.2。生成三维模型的内膜和外膜不变形的导管,包括分支和提取横截面

生成血管模型,包括分支,IVUS图像的血管分支机构应采取获得数据的内膜和外膜血管分支。此外,计算的位置和姿态IVUS图像的每个分支,当每个血管分支的IVUS图像,插入导管应该从不同的角度拍摄。因此,随着血管副本用于这项研究有两个血管分支,2套双翼飞机x线血管造影图像拍摄获得的导管插入每个血管分支两次从不同的方向,是用于生成两个三维路径的导管,如图17。

此外,获得详细的血管的形状,两套IVUS图像成像获得的每个血管分支。分支机构包括,在CT图像的情况下,IVUS图像同时显示的部分血管分叉,如图18。当横截面在IVUS图像注册的横截面从CT图像中提取相关的内膜和外膜的横截面都从IVUS图像中提取这支部分可以精确地匹配。此外,即使在血管内膜和外膜的形状在另一边不完全获得,内膜和外膜提取的形状重叠,如图18。

三维模型的内膜和外膜不变形的导管插入生成如图19通过应用顺序三角测量法的结果使用每个3 d导管路径的每个截面的内膜和外膜提取IVUS图像。

6.3。计算的三维模型变形的内膜和外膜包括分支导管引起的通过注册了

血管的情况,包括分岔,内膜和外膜变形的三维模型生成一个导管以单一的形式为每个分支血管,和横截面也发现类似的情况下一个血管。因此,使用这些横截面进行登记,内膜的横截面提取每个分支在未变形的内膜模型,通过CT图像生成的早些时候,被直接使用。横截面的未变形的内膜和外膜被注册的横截面变形计算内膜和外膜的横截面未变形的内膜,包括这些分支点。图20.显示的结果登记横截面之间的未变形的在一个分支点和畸形的内膜。可以看出,即使包含分支点,横截面可以正确匹配使用本研究提出的注册方法。

注册横截面的旋转值修正,使旋转横截面的变化是线性的使用趋势线方程的旋转值横截面当所有的横截面的左、右血管分支机构注册。改造后内膜和外膜的横截面变形状态的横截面内膜和外膜处于未变形的状态通过这样的注册过程,所有的横截面都是放置在中心线从三维模型中提取的未变形的状态,如图21(a)的模型内膜和外膜,其中包括一个分支点生成如图21(b),使用所有的点对应左和右血管分支,它被用来生成一个三维血管模型,包括内膜和外膜。

7所示。结论和讨论

在本文中,我们提出了一个方法生成三维模型的内膜和外膜对准确FSI分析消除插入导管引起的变形。IVUS图像和双翼飞机x射线造影图像相结合的方法,广泛用于生成3 d图像血管模型和生成一个三维模型的内膜和外膜变形的插入导管。消除这种变形,内膜的3 d模型没有catheter-induced变形是另外从CT图像生成,和这两个模型是注册来消除catheter-induced变形。

注册,3 d模型不能直接注册但是每个模型的横截面是注册。的横截面变形内膜注册的横截面未变形的内膜,横截面的未变形的动脉外膜被应用注册转换结果的横截面变形动脉外膜。三维血管模型,包括未变形的内膜和外膜终于将横截面生成的未变形的内膜和外膜计算通过这样一个过程的中心线提取未变形的内膜模型。

建模的方法,提出了三维血管研究各种限制。确定的位置和方向内膜和外膜截面提取IVUS图像,这些横截面是注册的横截面内膜从CT图像中提取。运动(的值),旋转()和范围()通过计算两者之间的登记内膜横截面也同样应用于动脉外膜的横截面提取IVUS图像。然而,这样的方法计算出一个理想的结果没有考虑血管的材料特性。对于一个实际的血管,动脉外膜和内膜同样不会变形,因为血管壁的材料特性。此外,对于患者动脉粥样硬化,血管壁不会各向同性由于瘟疫现有血管墙上。因此,内膜和外膜模型计算方法在本研究中包含此类错误。

另一个限制是,很难准确评估血管模型的准确性通过该方法生成的。这是因为只有医学图像的信息可获得血管动脉外膜是IVUS图像。

如果10月(光学相干断层扫描),可以更清晰地照片腔IVUS是用于进一步研究中,血管内膜可以获得更准确的信息。然而,正如10月使用光,有困难获取准确信息动脉外膜与IVUS使用超声波。因此,更精确的三维血管生成模型预计将通过使用10月获得内膜数据和IVUS获得动脉外膜数据。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由科技部,ICT和未来规划(NRF - 2012 r1a2a2a01047366和联盟- 2015 r1d1a1a01060486)。