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基于造影图像的冠状动脉三维重建和定量分析方法的研究

作　者: 黄家祥
导　师: 郁道银
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 冠状动脉三维重建单面造影图像几何变换矩阵三维定量分析
分类号: R318.0
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 312次
引　用: 6次
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内容摘要

冠状动脉造影图像是临床诊治冠心病的主要依据之一,被称为诊断冠心病的“金标准”,但基于二维造影图像的传统诊治方法存在很大的局限性。本文在二维血管提取的基础上,主要研究冠状动脉树的三维重建方法,并进行主干血管三维定量分析方法的研究,对于提高冠心病诊治的准确程度具有很高的临床应用价值。本论文研究课题受高等学校博士学科点专项科研基金的资助(“心血管造影图像中血管网的提取与三维重建”,20030056018),主要研究工作包括以下几个方面: 1.建立三维重建的理论模型根据造影系统的运动特征建立透视投影的简化模型,并采用几何变换矩阵描述两幅图像的空间几何关系。在此基础上提出了空间点三维坐标的两种计算方法,即最小二乘解和几何解。2.二维骨架树的分割和血管段的匹配在二维血管提取的基础上,采用有向图、有向树和二叉树描述骨架树的拓扑结构。同时提出结点权值和相似结点的概念,实现两幅图像中血管段的匹配。3.几何变换矩阵的优化将几何变换矩阵表示为七元数的形式,提出利用分支点坐标、分支血管方向矢量和分支夹角三类数据优化几何变换矩阵的方法。4.冠状动脉树骨架的三维重建提出一种以B样条曲线为基元重建三维骨架的方法,采用B样条曲线拟合二维骨架,在B样条曲线透视不变性的假设下对三维控制点进行优化。5.冠状动脉三维表面的重建在假设血管为广义圆柱体的前提下,建立血管横截面的椭圆模型,并提出顶点融合技术很好地解决了相邻横截面相交的问题。同时分别采用球包络方法、三角形拼接法和NURBS曲面拟合方法重构血管的三维表面。6.冠状动脉树的三维重建实验分别采用计算机模拟图像、临床造影图像和实物模型造影图像进行三维重建实验,并对重建误差进行统计分析,验证本文重建方法的正确性。7.冠状动脉的三维定量分析在冠状动脉树三维重建的基础上,研究冠状动脉的三维定量分析方法。提出血管三维直径、分支夹角、血管段长度和体积的三维测量方法,并利用冠状动脉树实物模型进行三维定量分析实验,验证该方法的有效性和准确性。

全文目录

第一章绪论  9-18
  1.1 研究背景  9-13
    1.1.1 冠状动脉的解剖结构  9-10
    1.1.2 冠心病现状与治疗  10-12
    1.1.3 冠状动脉造影  12
    1.1.4 传统造影图像诊断方法的缺点  12-13
  1.2 本课题的目的和意义  13-15
  1.3 基于造影图像重建三维冠状动脉的研究现状  15-16
  1.4 本文的主要研究内容  16-18
第二章造影系统原理及二维血管提取  18-30
  2.1 冠状动脉造影系统  18-23
    2.1.1 造影系统的基本原理  18-19
    2.1.2 造影系统的分类  19-20
    2.1.3 单面冠脉造影图像的选择  20-21
    2.1.4 造影角度  21-22
    2.1.5 造影系统的标定  22-23
  2.2 X 射线成像的基本原理  23-25
  2.3 冠脉造影图像的预处理和二维血管提取  25-29
    2.3.1 造影图像的噪声  25-26
    2.3.2 造影图像的畸变校正  26
    2.3.3 二维血管区域提取方法  26-28
    2.3.4 血管骨架和直径  28-29
  2.4 本章总结  29-30
第三章三维重建的理论基础  30-52
  3.1 造影系统的几何关系  30-37
    3.1.1 系统简化模型  30-32
    3.1.2 四个坐标系的定义  32-33
    3.1.3 坐标系间几何转换关系  33-37
  3.2 对应点的匹配  37-41
    3.2.1 外极线约束  37-38
    3.2.2 外极线方程  38-40
    3.2.3 外极线约束匹配的误差  40-41
  3.3 空间点三维坐标的两种重建方法  41-51
    3.3.1 三维坐标的最小二乘解  41-43
    3.3.2 三维坐标的几何解  43-47
    3.3.3 最小二乘解和几何解目标函数的比较  47-49
    3.3.4 三维坐标的重建误差  49-51
  3.4 三维重建所需的参数  51
  3.5 本章总结  51-52
第四章冠状动脉树的三维重建  52-106
  4.1 二维骨架树的分割和血管段的匹配  53-61
    4.1.1 骨架树的有向图和有向树描述  53-55
    4.1.2 骨架树的二叉树描述  55-56
    4.1.3 血管段的匹配  56-61
  4.2 几何变换矩阵的优化  61-71
    4.2.1 几何变换矩阵的“七元数”表示  62-64
    4.2.2 优化GT 的主要思想  64-67
    4.2.3 目标函数的求解  67-68
    4.2.4 优化参考点的数目  68-69
    4.2.5 优化几何变换矩阵的实验  69-71
  4.3 三维骨架树的重建  71-83
    4.3.1 B 样条曲线基本原理  73-75
    4.3.2 以B 样条曲线为基元重建三维骨架  75-81
    4.3.3 三维骨架的重建实验  81-83
  4.4 血管树三维表面重建  83-101
    4.4.1 血管横截面的计算  84-92
    4.4.2 三维表面的重构  92-101
  4.5 绘制与显示  101-104
  4.6 本章总结  104-106
第五章三维重建实验  106-130
  5.1 计算机仿真模型图像的重建实验  106-110
  5.2 临床造影图像的重建实验  110-122
    5.2.1 三维重建实例1  110-114
    5.2.2 三维重建实例2  114-118
    5.2.3 三维重建实例3  118-122
  5.3 冠脉树实物模型图像的重建实验  122-127
  5.4 误差分析  127-129
  5.5 本章总结  129-130
第六章冠状动脉的三维定量分析  130-146
  6.1 冠状动脉的二维定量分析  130-131
  6.2 冠状动脉的三维定量分析  131-145
    6.2.1 三维血管直径的定量分析  132-139
    6.2.2 血管段长度的的定量分析  139-141
    6.2.3 血管分支夹角的定量分析  141-144
    6.2.4 血管段体积的定量分析  144-145
  6.3 本章总结  145-146
第七章工作总结与展望  146-150
  7.1 本文的主要工作  146-147
  7.2 创新点  147-148
  7.3 展望  148-150
参考文献  150-159
攻读博士学位期间发表的学术论文  159-160
致谢  160

基于造影图像的冠状动脉三维重建和定量分析方法的研究

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