專利名稱：一種基于模型插值補償的心臟實時動態重建技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及標志點識別與空間定位技術，具體涉及一套具有唯一特征、容易識別的標志點和一種基于真實心臟模型先驗值的插值補償算法，適合于醫學心臟重建領域。
背景技術：
利用放置于心臟附近和心臟相對位置固定不透X線的標志點作為定位參考點，將導管緊貼心內膜，分別對導管頂端和定位參考點進行不同角度的X線投照獲得兩個包含定位參考點和該心內膜點投影的平面。該重建問題轉化為二視幾何模型，該模型如圖I所示，這兩個投影視圖之間的位置關系可以通過一個旋轉矩陣R和一個平移矢量t來表示。于是空間點Xi到兩個視圖間的投影關系可以表示為Ulji = P1Xi = K1Ll I 0]Xi； u2ji = P2Xi = K2 [RltjXi (I)其中U1YP1和K1分別為第一幅視圖的圖像坐標、投影矩陣和內參矩陣；與之對應，U2, i、P2和K2為第二幅視圖的圖像坐標、投影矩陣和內參矩陣。[R| t]為確定這兩個視圖位置關系的外參矩陣。在實際操作中，由于我們是采用單C型臂兩個時間段，在兩個空間位置的成像結果，所以兩次成像的內參矩陣K1, K2為相同的K。用放置于心臟附近和心臟相對位置固定的不透X線的標志點作為定位參考點，利用這些參考點的三維坐標信息及其在不同視角的投影圖像中的圖像坐標信息，基于投影方程PX = K[R|t]X，實現對X射線透視投影成像系統的標定，從而完成心臟內膜點的空間點重建。在投影方程PX = K[R|t]X中，K是成像設備中的內部參數，為系統已知，可從投影圖像的DICOM數據流中的頭文件中得到這些設備常規參數；R為3X3的旋轉矩陣，t為3X I的平移向量，這些參數需要通過成像系統標定來計算，共有6個獨立變量需要標定計算，為此我們只需設計6個外部標志點，即可完成X射線透視投影成像系統的外部參數標定。為了進行三維重建，需要設計一套具有唯一特征，容易識別的標志點。但是，設計簡單，不具有唯一特征的人工標志點能夠被較容易的方法自動識別，但自動匹配往往相對困難。目前，標志點的識別和匹配通常由手工完成，這不僅費時費力，而且容易產生標記錯誤或者匹配錯誤。對于本研究而言，心內膜探測點多，需重復進行實驗，手工方式無法滿足心臟四維重建的實時需求。要獲得具有真實感的心臟四維模型，需研究視點變換、投影變換、濃淡陰影處理、紋理生成等技術。心臟的四維模型不同于剛性物體，我們還要充分注意其活體的特殊性，在計算機三維場景中，通過數學計算生成模擬的面型。人體軟組織模型以曲面為主，幾何形狀復雜。另外，醫生在對心內膜進行標測時獲取標測特征點的數目是有限的，通常為200至300個之間，從重建空間點云構建心內膜三維表面的過程通常使用散亂點三角化的方法。通過有限標測特征點重建的心內膜表面結構往往比較粗糙，密度不足難以形成連續平滑的心室表面圖像。綜上，目前心臟四維重建存在的主要問題是
I.不具有唯一特征的人工標志點自動匹配難以實現。2.人工完成的標志點的識別和匹配技術不滿足心臟實時重建的基本要求。3.重建獲得的心臟四維模型誤差較大 ，很少具有真實感。

發明內容
本發明提供一種基于模型插值補償的心臟實時動態重建技術，由四個關鍵技術構成，其中包括(I)標志點設計和識別技術，設計獨特標志板，采用細鉛絲鋪成具有高區分度的圖案依附在有機玻璃上，有效提取XRA圖像上標志點精確位置；(2)心臟模型重建，將不透X線的電生理導管送入心內緊貼心內膜，對導管頂端空間點進行三維重建獲取該點三維坐標，重復該過程移動導管到達心內膜各點，分別進行定位，得到心內膜上的空間點三維坐標集合，經過B樣條插值等處理，重建完整的心臟內部模型。(3)重建過程中將加入時間考量，使心臟的三維圖像的各個點的空間位置與心動周期的各個時間點一一對應，從而能夠實現了心臟三維模型的動態變化即心臟四維重建。(4)基于真實心臟模型先驗值的插值補償算法，便于在現有重建點云中實時動態地填充虛擬點，引導操作者完成心內膜探測點的選取，從而獲得更高精度的心內膜模型。標志點設計規格，正面標記采用“L”型標記板，背面采用圓形標記板，具有唯一特征、一定編碼形狀、容易識別；X射線成像系統不同視角成像后，能自動檢測圖像中標志點，提取每個圖像中標志點坐標精確值，利用這些參考點的三維坐標信息完成X射線透視投影成像系統的外部參數標定。基于模型的插值補償實時動態重建大大增強重建模型的采樣效率以及輪廓的真實感與平滑度，醫生可以實時根據虛擬點位置信息調整樣點采集的分布，避免了盲目的重復樣點采集而最終分布不均勻的情況，提高樣點采集效率及準確性；動態地顯示每一時刻的心室表面三維圖像，區分顯示真實探測點以及模型補償虛擬點，醫生可參考虛擬補償點的位置進行下一個探測點的選取，直至醫生對重建效果滿意時停止系統運算。本發明設計的標志點特征唯一、容易識別，基于真實心臟模型先驗值的插值補償算法效果明顯。這些方法可方便應用于三維重建其他領域。


圖I是本發明所提出的背面標記2是本發明所提出的正面標記3是本發明所使用的三維重建原理4是本發明所提出的系統流程圖
具體實施例方式關于本發明的優點可以通過以下的發明詳述及附圖得到進一步的了解。附圖I為設計的背面標記規格圖，采用細鉛絲鋪成的圖案依附在有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)上。
主 要參數如下基板厚(有機玻璃板厚度)0. 5cm左右,不宜過厚,否則不利于固定及標定,行列分割線采用細鉛絲嵌入有機玻璃載體制作。此圓形標記板共制作3種①線寬1mm，dl = 4cm, d2 = lcm, d3 = 3mm②線寬1mm，dl = 3cm, d2 = 0. 75cm, d3 = 3mm③線寬1mm，dl = 2cm, d2 = 0. 5cm, d3 = 3mm這樣的設計具備幾點優勢，首先環形圖案設計易于識別，在存在少量交叉遮擋情況下同樣能夠被識別出，同時圓環上配備非對稱圓點設計，可以根據不同圓點的位置及小圓環的相對位置提取編碼標志點坐標，確定標志點的對應關系。附圖2為設計的正面標記規格圖,其中主要參數線寬1mm, d3 = 3mm, LI = lcm。該設計中，直角拐角點易于被精確識別，因此將其作為基準點。在其兩個方向分別存在一個和兩個等間距圓點，用以區分兩側方向的區別，基于此，該標志點上的四個圓形標志點可以在識別出的同時進行區分編號，實現標志點的有區分識別匹配。同時，由于此標記圖形設計為直角，在三維重建中所需要的世界坐標系可以由該圖案的直角對應的兩軸及垂直于該平面的軸確定三軸方向。本專利中標志點設計中主要采用了線或者圓的圖案，在二維圖像檢測領域，對直線和圓心位置的檢測和識別方法已經較為成熟，并且根據設計圖案的拓撲結構很容易分辨各個位置點之間的對應關系。因此，這種標志點設計的方式能有效識別以及區分標志點，實現三維重建過程中參考點定位功能。得到能夠有效識別以及區分的標志點后，對心臟內膜導管頂端進行三維定位是心臟四維重建的基礎。三維定位的原理基于計算機視覺中的二視圖幾何相關知識，其原理圖如附圖3所示。定位過程如下將本專利中設計的不透X線的標志點固定在心臟附近且與心臟相對位置固定不變的位置；隨后將不透X線的電生理導管送入心內緊貼心內膜，導管頂端G點作為感興趣點，頂端G點與心內膜某點接觸，使用X射線從不同角度SI方向和S2方向進行照射，使用二視圖幾何的方法對導管頂端的空間位置進行定位，即相當于對心內膜G點進行定位。從而實現對心臟內膜導管頂端進行三維定位。移動導管均勻地到達心內膜各點，并按上述方法分別對心內膜其它各點進行定位，將諸點的空間位置進行曲面連接，則形成心臟四維圖像重建。基于模型的插值補償算法實時動態重建可用系統流程圖(附圖4)說明。在算法中，核心操作就是將檢測過程中探針已探測過的心內膜特征點云與基準心臟模型的抽樣點集合進行配準，獲得一一對應的映射關系。此時，以真實探測點為主，模型中未被匹配的其余虛擬補償點為輔共同進行心臟三維可視化，使重建模型更加平滑逼真。同時直觀的反應目前探測的心臟內膜探測點的分布，便于操作者選取探測較少的區域進行下一步探測。配準過程如下，在完成X射線成像系統的標定之后，即獲取了攝像機參數與旋轉參數，由于P = K(R，t)，也就可以經過投影變化將心內膜特征點坐標轉換到基準心臟模型的坐標系下，形成模型坐標系下的特征點云。對于事先確定的真實心臟三維模型，我們對其進行平均抽樣，獲取一定數量均勻分布的抽樣點云。在此抽樣點云與特征點云之間建立一一對應的映射關系，則有
Cii=J (Xi — X-) 2 + (yt - y[) 2 + {zt - z[)(2)其中di為匹配兩點之間的距離，XiyiZi分別為第i個特征點的空間坐標，xi' yi' Zi'則分別為模型抽樣點的空間坐標。算法的目的則是尋求一種最優匹配，使
得- JESL1(Cif)取得最小值。那么這個問題可以使用Kuhn-Munkras最優匹配算法求取。
匹配后即可獲得目前已采集的心內膜點與基準心臟模型上抽樣點的匹配關系，至此，配準過程完成。基于此能夠對混合真實探測點和基準模型的虛擬點協同進行實時三維可視化，得到更加平滑真實的心臟三維模型。動態地顯示每一時刻的心室表面三維圖像，區分顯示真實探測點以及模型補償虛擬點，操作者可參考虛擬補償點的位置進行下一個探測點的選取，直至操作者對重建效果滿意時停止系統運算。雖然參考優選實施例對本發明進行描述，但以上所述實例并不構成本發明保護范圍的限定，任何在本發明的精神及原則內的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種基于模型插值補償的心臟實時動態重建技術，由四個關鍵技術構成，其中包括 (1)標志點設計和識別技術，設計獨特標志板，采用細鉛絲鋪成具有高區分度的圖案依附在有機玻璃上，有效提取XRA圖像上標記點精確位置； (2)心臟模型重建，將不透X線的電生理導管送入心內緊貼心內膜，對導管頂端空間點進行三維重建獲取該點三維坐標，重復該過程移動導管到達心內膜各點，分別進行定位，得到心內膜上的空間點三維坐標集合，經過B樣條插值等處理，重建完整的心臟內部模型； (3)重建過程中將加入時間考量，使心臟的三維圖像的各個點的空間位置與心動周期的各個時間點一一對應，從而能夠實現了心臟三維模型的動態變化即心臟四維重建； (4)基于真實心室模型先驗值的插值補償算法，便于在現有重建點云中實時動態地填充虛擬點，引導操作者完成心內膜探測點的選取，從而獲得更高精度的心內膜模型。
2.如權利要求I所述標志點設計規格，正面標記采用“L”型標記板，背面采用圓形標記板，具有唯一特征、一定編碼形狀、便于有效識別區分。
3.如權利要求I所述的標記點識別技術，X射線成像系統不同視角成像后，能自動檢測圖像中標記點，提取每個圖像中標記點二維坐標精確值，利用這些參考點的二維坐標信息及其在兩幅圖像中的對應關系完成X射線透視投影成像系統的外部參數標定。
4.如權利要求所述I的基于模型的插值補償算法，大大增強重建模型的采樣效率以及輪廓的真實感與平滑度。
5.如權利要求所述I的基于模型的插值補償算法，醫生可以實時根據虛擬點位置信息調整樣點采集的分布，避免了盲目的重復樣點采集而最終分布不均勻的情況，提高樣點采集效率及準確性。
6.如權利要求所述I的基于模型的插值補償實時動態重建，動態地顯不每一時刻的心室表面三維圖像，區分顯示真實探測點以及模型補償虛擬點，醫生可參考虛擬補償點的位置進行下一個探測點的選取，直至醫生對重建效果滿意時停止系統運算。
全文摘要
本專利描述了一種基于模型插值補償的心臟實時動態重建技術，提出基于X射線透視投影的接觸式心臟四維標測重建方案，旨在彌補心室標測設備在成像方面的不足。專利中設計了一套具有唯一特征、容易識別的標志點的識別匹配技術，同時將一種基于真實心臟模型先驗值的插值補償算法應用于心臟四維重建技術，使得心臟四維重建結果更準確、操作更簡單。在該技術的引導下，能夠實時對心臟進行四維解剖重建，從而彌補當前心臟三維重建技術設備的不足并填補四維心臟重建技術設備的空白，提高手術效率。對提高我國心血管三維可視化水平、推動相關疾病的診治和科研的發展具有重要意義。
文檔編號G06T17/00GK102622775SQ201210009190
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉越, 楊健, 王涌天, 范敬凡 申請人:北京理工大學