基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法

本发明涉及医学影像处理，尤其涉及一种从医学影像数据中提取血管中心线及其形态学参数的方法。

背景技术：

1、随着医学影像技术的快速发展，磁共振血管成像(magneticresonanceangiography,mra)和计算机断层扫描(computed tomography,ct)已经广泛应用于临床诊断和治疗中。(nagwan,elhussein,mohammed a alharbi,zuhal yhamd,2024,8,doi:10.1016/j.tcr.2024.101044)通过mra和ct技术，可以获得高质量的血管影像，为临床医生提供详细的血管结构信息。然而，mra图像和ct图像在直观上对于微小血管和细微结构的区分和显示存在一定的难度。噪声和伪影也会影响图像的质量，从而限制了直接利用这些图像进行诊断的有效性。

2、为了解决这些局限性，图像处理技术被应用于mra和ct图像的后处理，以提取血管中心线和相关形态学参数。这些处理技术可以有效地减少噪声和伪影的干扰，增强血管的细节，帮助临床医生更准确地分析血管结构。通过直接从mra和ct图像中提取血管中心线，可以得到中心线点的坐标信息。这些中心线点坐标进一步用于提取血管的形态学参数，如长度、直径、曲率等，从而提供更加精确和详细的血管几何形态数据。这些数据对于血管疾病的诊断和治疗具有重要意义。综合利用先进的图像处理算法和计算方法，不仅能提高血管影像的可用性和诊断准确性，还能为临床医生提供更可靠的决策支持，从而更好地服务于临床需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，用以提供更加精确和详细的血管几何形态数据。

2、本发明的技术方案：

3、基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，包括步骤如下：

4、s1、获取血管医学影像数据，获取磁共振血管成像(mra)数据和计算机断层扫描(ct)设备获取ct图像数据；

5、从医学成像设备获取mra数据和ct图像数据，将数据存储在计算机可读存储介质中，这些介质可以包括硬盘驱动器(hdd)、固态硬盘(ssd)、网络附加存储(nas)等，再通过网络接口(如以太网、wi-fi或其他网络连接方式)将存储的mra数据和ct图像数据传输至数据处理系统，这可以通过有线或无线方式进行，数据处理系统接收并处理所述的mra数据和ct图像数据，以生成对应的医学影像数据。

6、s2、基于血管医学影像数据对血管进行三维重建，使用软件3d slicer读取并处理所述的mra数据及ct数据文件，提取血管结构，生成血管的三维表面模型并将其导出为stl(standard tessellation language)文件保存；

7、使用3d slicer软件读取并处理磁共振血管成像(mra)数据及计算机断层扫描(ct)数据文件，对读取的mra数据和ct数据进行预处理，包括噪声去除、图像增强等步骤，以提高数据质量，为后续处理奠定基础，在3d slicer软件中，应用先进的图像分割算法，识别并分离血管结构，使用分割工具对血管进行精细化处理，确保血管模型的准确性和完整性。该处理步骤包括去除伪影、填补断裂等细节优化操作，并利用软件中的建模功能，生成血管的三维表面模型，对生成的三维模型进行优化处理，包括表面光滑度调整、网格密度优化等，以提高模型的精度和光滑度，将得到的三维模型导出为stl文件格式并保存至计算机可读存储介质，便于后续的查看、分析和使用。

8、s3、对重建后的血管数据进行分割处理，保留感兴趣的血管部分，提取分割后的血管中心线，计算血管中心线的形态学参数。

9、s3.1获得血管三维模型及中心线；

10、读取stl格式的3d模型文件，裁剪所述3d模型，从裁剪后的3d模型中提取中心线并保存为vtk文件，渲染和显示所述中心线；

11、s3.2依据血管中心线，获得中心线点的三维坐标及血管最大内切球半径；

12、所述的血管中心线文件为vtk文件，从vtk文件中提取特征点并保存为csv文件，读取指定路径的vtk文件，解释其中的polydata对象，检查所述的polydata对象是否包含数据点和最大内切球半径数据，提取所述polydata对象中的每个点的三维坐标和对应的最大内切球半径值，将其保存到csv文件中；

13、s3.3依据中心线点坐标，显示血管中心线点，获得血管分叉点和端点；

14、读取csv文件中的中心线点数据，检查并移除数据中的nan值和inf值，构建领域关系以寻找中心线点的分叉点，使用pca分析确定分叉点，计算唯一分叉点的估算值，通过距离矩阵寻找端点，并对分叉点和端点进行可视化显示；

15、s3.4利用血管分叉点和端点，获取血管长度；

16、计算每个端点到唯一分叉点的欧几里得距离，根据中心线点计算血管的总长度，通过累加每个相邻点之间的欧几里得距离来实现；

17、s3.5依据中心线点坐标，获取中心线点切线向量、血管曲率、曲率半径、分叉角度、曲度指数、平均曲度指数，利用下式进行：

18、切线向量(tangent vectors)描述了曲线在某一点的方向，是曲线一阶导数的组合，计算公式为：

19、

20、曲率(curvature)曲率描述了曲线在某一点的弯曲程度，它的计算涉及中心线点的一阶导数和二阶导数：

21、

22、曲率半径(radius of curvature)曲率半径是曲率的倒数，表示曲线在某一点的弯曲半径，计算公式为：

23、

24、曲度指数(tortuosity index,ti)是实际路径长度与起点到终点直线距离的比值，用于量化血管的弯曲程度，计算公式为：

25、

26、其中，lactual为中心线点之间的总长度，lstraight起点到终点的直线距离；

27、计算平均曲度指数(mti)，需要将中心线分成若干段，然后计算每段的曲度指数，并对这些曲度指数取平均值，将整个中心线分成若干段，每段包含相同数量的点，对于每一段，计算其曲度指数并取平均值：

28、

29、其中，n是中心线分段的数量，tii是第i段的曲度指数。

30、与现有技术相比，该发明的有益效果：

31、本发明无需建立精确数学模型、仅依赖血管中心线点的三维坐标即可获取血管中心线形态学参数，实现通过医学影像数据确定血管形态学参数，不仅提高血管影像的可用性和诊断准确性，便于分析病因与血管形态学参数之间的相关性，为临床医生提供更可靠的决策支持，从而更好地服务于临床需求。。

技术特征：

1.基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，其特征在于，步骤如下：

2.如权利要求1所述的基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，其特征在于，所述步骤s1中，从医学成像设备获取mra数据和ct图像数据，将数据存储在计算机可读存储介质中，通过网络接口将存储的mra数据和ct图像数据传输至数据处理系统，数据处理系统接收并处理所述的mra数据和ct图像数据，以生成对应的医学影像数据。

3.如权利要求1或2所述的基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，其特征在于，所述步骤s2中，利用3d slicer加载mra数据和ct数据文件，以进行图像预处理，应用图像分割算法，识别并分离血管结构，对分离出的血管进行细化处理保证血管模型的精确性，并利用软件中的建模功能，生成血管的三维表面模型，并对其进行优化处理，以提高模型的精度和光滑度，将得到的三维模型导出为stl文件格式并保存至计算机可读存储介质。

4.如权利要求1所述的基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，其特征在于，所述步骤s3中：

5.如权利要求3所述的基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法，其特征在于，所述步骤s3中：

技术总结
本发明属于医学影像处理技术领域，提出基于医学影像数据提取血管中心线及其形态学参数的方法。该方法包括以下步骤：S1、获取血管医学影像数据；S2、基于血管医学影像数据对血管进行三维重建；S3、对重建后的血管数据进行分割处理，提取分割后的血管中心线，计算血管中心线的形态学参数。本发明提供了一种无需建立精确数学模型、仅依赖血管中心线点的三维坐标即可获取血管中心线形态学参数的方法，实现通过医学影像数据确定血管形态学参数，提高血管影像的可用性和诊断准确性，便于分析病因与血管形态学参数之间的相关性，为临床医生提供更可靠的决策支持，从而更好地服务于临床需求。

技术研发人员：刘偲颖,秦攀,刘毅
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/4