專利名稱：用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)ct血管造影術(shù)重建算法性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體地說，是一種用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法。
背景技術(shù)：
CT血管造影術(shù)的主要原理是在目標(biāo)周圍靜脈內(nèi)以一定速度注入團(tuán)注造影劑，經(jīng)時(shí)間延遲，至靶血管內(nèi)造影劑充盈至高峰期，用CT設(shè)備對(duì)其進(jìn)行高速、連續(xù)的容積數(shù)據(jù)采集，然后通過適當(dāng)?shù)膱D像重建算法做后處理完成二維及三維圖像的重建。最終重建圖像的質(zhì)量受到造影劑的劑量，注射速度，延遲時(shí)間，CT設(shè)備和重建算法這多方面的影響。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M.Piotin等在CT angiography，MRangiography and rotational digital subtraction angiography forvolumetric assessment of intracranial aneurysms.An experimental study(CT血管造影術(shù)，MR血管造影術(shù)，數(shù)字減影血管造影術(shù)對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤體成像的初步研究)，Neuroradioragy(神經(jīng)放射學(xué))，2003，Vol.45，No.6，pp404-409中通過對(duì)實(shí)物血管模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)不同的血管造影術(shù)重建算法的性能進(jìn)行了比較。采用實(shí)物血管模型的不足指出在于實(shí)物模型架設(shè)復(fù)雜，且對(duì)硬件設(shè)備要求高；對(duì)實(shí)物模型的清潔和維護(hù)麻煩；每次實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)和參數(shù)不易控制，存在人為誤差，最終影響算法性能指標(biāo)間的可比性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法。本發(fā)明采用三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，便于操作和重復(fù)定量執(zhí)行地檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法，以判斷不同重建算法的優(yōu)劣或同一種算法在不同的參數(shù)條件下的性能差異，進(jìn)而找出最佳參數(shù)設(shè)置。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用包含運(yùn)動(dòng)的造影劑團(tuán)注和簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，利用計(jì)算機(jī)按實(shí)際設(shè)備中的參數(shù)設(shè)置對(duì)模型進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)采集，再用得到的仿真數(shù)據(jù)按算法重建，最后比較重建圖像與模型之間的差異，以檢測(cè)算法的性能。
本發(fā)明包括以下步驟(1)用橢球和半圓柱體組合構(gòu)成三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型。所述三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，包括模擬造影劑團(tuán)注的動(dòng)態(tài)橢球，其各軸長(zhǎng)固定，橢球中心坐標(biāo)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，可表示為X＝x(t)，Y＝y(tǒng)(t)，Z＝z(t)；以及由4個(gè)半圓柱和2個(gè)圓柱組成的柱狀模型。
所述的橢球、半圓柱體和圓柱體組合構(gòu)成三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，其具體過程如下設(shè)該數(shù)字模型整體為一長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，定義其三維直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于該長(zhǎng)方體的中心，X軸、Y軸、Z軸分別延長(zhǎng)方體各棱，并以LX、LY、LZ分別代表長(zhǎng)方體X軸、Y軸和Z軸的各棱長(zhǎng)。以下所表示的各幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)均以該坐標(biāo)系內(nèi)歸一化數(shù)值描述。
所述歸一化數(shù)值a是指，a=PL,]]>其中P指是指坐標(biāo)系中某一分量的實(shí)際坐標(biāo)值，L指該分量P所屬的坐標(biāo)軸的半棱長(zhǎng)。
●定義空間橢球方程為x2A2+y2B2+z2C2≤1,]]>一般情況下，橢球中心坐標(biāo)位于(EX，EY，EZ)，A、B、C分別代表橢球各軸長(zhǎng)。
●定義空間半圓柱方程為x2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>或x2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0,]]>一般情況下，半圓中心坐標(biāo)位于(CX，CY，CZ)，R代表圓的半徑長(zhǎng)。
●定義空間圓柱方程為x2+y2≤R2|z|≤ZLim,]]>一般情況下，半圓中心坐標(biāo)位于(CX，CY，CZ)，R代表圓的半徑長(zhǎng)。
●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>建立上半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0，0，0)；半徑R＝0.8；ZLim＝1.0；密度d＝d1。
所述的密度d代表各組織的相對(duì)平均密度結(jié)構(gòu)，不同的密度對(duì)應(yīng)的不同組織在模型中將反映為不同的灰度級(jí)，這里定義人骨的密度為2.00，其它各組織密度參考此密度給出。
●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0]]>建立下半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0，0，0)；半徑R＝0.8；ZLim＝1.0；密度d＝d2。
●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>建立上半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0.4，0，0)；半徑R＝0.4；ZLim＝1.0；密度d＝d3。
●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0]]>建立下半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(-0.4，0，0)；半徑R＝0.4；ZLim＝1.0；密度d＝d4。
●以圓柱體建立血管一，圓柱體的中心坐標(biāo)為(0.4，0，0)；半徑R＝0.1；ZLim＝1.0；密度d＝d5。
●以圓柱體建立血管二，圓柱體的中心坐標(biāo)為(-0.4，0，0)；半徑R＝0.1；ZLim＝1.0；密度d＝d6。
●以運(yùn)動(dòng)的橢球體構(gòu)成造影劑團(tuán)注一，其各軸長(zhǎng)A＝0.1，B＝0.1，C＝0.3；橢球體的中心坐標(biāo)為與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，其中X＝0.4，Y＝0，Z＝z(t)；密度d＝d7。
●以運(yùn)動(dòng)的橢球體構(gòu)成造影劑團(tuán)注二，其各軸長(zhǎng)A＝0.1，B＝0.1，C＝0.3；橢球體的中心坐標(biāo)為與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，其中X＝-0.4，Y＝0，Z＝z(t)；密度d＝d8。
(2)根據(jù)需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法所要求的數(shù)據(jù)采集方式(如基于團(tuán)注追蹤的多層螺旋CT掃描方式)，根據(jù)實(shí)際X射線采集原理，利用公式p＝∫ρ·dl(其中，dl為空間內(nèi)某一X射線經(jīng)過的路徑，ρ為該路徑上所經(jīng)過的物體密度，p則為采得的數(shù)據(jù))，用數(shù)字方法計(jì)算X射線路經(jīng)，并用模型密度替換實(shí)際物體密度，對(duì)公式離散化處理后按掃描模式獲得三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型在不同時(shí)刻下的仿真投影數(shù)據(jù)。
所述的仿真投影是根據(jù)實(shí)際投影數(shù)據(jù)采集原理，用解析式或數(shù)值積分的方法獲取仿真投影數(shù)據(jù)的過程。
(3)用需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法，對(duì)第(2)步中獲得的仿真投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。
(4)利用第(3)步中獲得的重建結(jié)果與模型原始圖像進(jìn)行比較分析，對(duì)需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法的性能指標(biāo)給出評(píng)定，如用重建圖像與模型之間的標(biāo)準(zhǔn)差以檢測(cè)重建圖像的空間分辨率，標(biāo)準(zhǔn)差越小說明圖像質(zhì)量越高。具體所選用的性能指標(biāo)和其數(shù)值隨重建算法不同和實(shí)際需要而變化。
(5)改變模型中的用于描述模型的參數(shù)(如造影劑密度和團(tuán)注運(yùn)動(dòng)速度)和重建算法中的參數(shù)，重復(fù)(1)-(4)步，進(jìn)一步檢測(cè)重建算法在不同參數(shù)條件下性能變化情況。
本發(fā)明用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法的原理在于用動(dòng)態(tài)的虛擬數(shù)字模型模擬造影劑團(tuán)注在血管中擴(kuò)散的過程，并通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程，獲取仿真投影，并對(duì)仿真投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，最后通過重建圖像與數(shù)字模型間的比較和分析，給出對(duì)重建算法優(yōu)劣和適用條件的檢測(cè)結(jié)果。
本發(fā)明的有益效果是(1)采用數(shù)字模型檢測(cè)算法性能，可以放棄實(shí)物模型，從而降低成本。(2)數(shù)字模型的初始狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置不會(huì)引入人為誤差，對(duì)算法檢測(cè)的可重復(fù)性和可比較性提高。(3)數(shù)字模型中參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單，可以對(duì)算法進(jìn)行全方位的檢測(cè)。


圖1模型截面三視圖，其中圖1-a為模型橫截面圖；圖1-b為模型失狀截面圖；圖1-c為模型冠狀截面圖其中，1血管1；2血管2；3團(tuán)注1；4團(tuán)注2。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例作進(jìn)一步描述，實(shí)施例中的被檢測(cè)重建算法為最大密度投影法(MIP)，使用的掃描模式為基于團(tuán)注追蹤的多層螺旋CT掃描方式，實(shí)施例的具體步驟如下1.建立三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型。
建立空間直角坐標(biāo)系，設(shè)該數(shù)字模型整體為一長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，空間直角坐標(biāo)系的中心為于該長(zhǎng)方體的中心，長(zhǎng)方體各棱長(zhǎng)分別為X軸方向棱長(zhǎng)256(像素)，Y軸方向棱長(zhǎng)256(像素)，Z軸方向棱長(zhǎng)256(像素)。
按下列各表參數(shù)依次建立模型注表中各參數(shù)均為歸一化數(shù)值，其中表二中t的單位為秒。
表1模型中各柱狀結(jié)構(gòu)

表2造影劑團(tuán)注模型參數(shù)表

模型實(shí)際效果如圖1中所示，按標(biāo)號(hào)，依次為1為血管1；2為血管2；3為團(tuán)注1；4為團(tuán)注2。
2.采用基于團(tuán)注追蹤(延遲時(shí)間4秒)的4層螺旋CT掃描方式，用公式p＝∫ρ·dl(其中，dl為空間內(nèi)某一X射線經(jīng)過的路徑，ρ為該路徑上所經(jīng)過的模型密度，p則為采得的數(shù)據(jù))對(duì)每條X射線計(jì)算仿真投影p(x，y，θ，t)，(x，y)代表投影平面內(nèi)某一點(diǎn)的位置，θ為投影平面內(nèi)射線的角度參數(shù)，t為時(shí)刻。設(shè)螺旋CT的螺距為1，進(jìn)床速度為4毫米/每圈。
3.采用最大密度投影法(MIP)對(duì)上步中的虛擬投影數(shù)據(jù)經(jīng)過多層螺旋CT慮波反投影重建算法獲得圖像進(jìn)行血管造影重建。
4.將重建后的三維體數(shù)據(jù)與數(shù)字模型進(jìn)行比較，重建的血管結(jié)構(gòu)較清晰，通過計(jì)算得到兩者間的標(biāo)準(zhǔn)差為2.032。
5.增大螺旋CT的螺距至4，重復(fù)1-4步，發(fā)現(xiàn)血管結(jié)構(gòu)較上步中模糊，重新計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差為6.341，說明圖像質(zhì)量下降。
6.改變團(tuán)注1中EZ(t)的方程為8t+4sint，螺旋CT的螺距仍未4，重復(fù)1-4步，重建結(jié)果中血管結(jié)構(gòu)清晰，模型與重建結(jié)果間的標(biāo)準(zhǔn)差為2.134。從而說明，只有當(dāng)造影劑注射速度與螺旋CT的螺距較好的匹配時(shí)，該算法才能發(fā)揮其作用，獲得清晰的血管結(jié)構(gòu)。
通過此例可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可以檢測(cè)不同參數(shù)設(shè)置對(duì)重建算法性能的影響，從而可以找出都應(yīng)與算法的最適參數(shù)或判斷算法是否適用一些特定情況。由于本方法中采用了數(shù)字模型，可以不用實(shí)物模型，進(jìn)而降低了檢驗(yàn)算法的成本。同時(shí)，模型的參數(shù)設(shè)置不會(huì)引入人為誤差，并可重復(fù)實(shí)現(xiàn)，提高了對(duì)算法檢測(cè)結(jié)果的可信性。
權(quán)利要求
1.一種用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法，其特征在于包括以下步驟(1)用橢球和半圓柱體組合構(gòu)成三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，所述三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，包括模擬造影劑團(tuán)注的動(dòng)態(tài)橢球，其各軸長(zhǎng)固定，橢球中心坐標(biāo)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，表示為X＝x(t)，Y＝y(tǒng)(t)，Z＝z(t)；以及由4個(gè)半圓柱和2個(gè)圓柱組成的柱狀模型；(2)根據(jù)需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法所要求的數(shù)據(jù)采集方式，根據(jù)實(shí)際X射線采集原理，利用公式p＝∫ρ·dl，其中，dl為空間內(nèi)某一X射線經(jīng)過的路徑，ρ為該路徑上所經(jīng)過的物體密度，p則為采得的數(shù)據(jù)，用數(shù)字方法計(jì)算X射線路經(jīng)，并用模型密度替換實(shí)際物體密度，對(duì)公式離散化處理后按掃描模式獲得三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型在不同時(shí)刻下的仿真投影數(shù)據(jù)；(3)用需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法，對(duì)第(2)步中獲得的仿真投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建；(4)利用第(3)步中獲得的重建結(jié)果與模型原始圖像進(jìn)行比較分析，對(duì)需要檢測(cè)的CT血管造影術(shù)重建算法的性能指標(biāo)給出評(píng)定，具體所選用的性能指標(biāo)和其數(shù)值隨重建算法而變化；(5)改變模型中的用于描述模型的參數(shù)和重建算法中的參數(shù)，重復(fù)(1)-(4)步，進(jìn)一步檢測(cè)重建算法在不同參數(shù)條件下性能變化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法，其特征是所述的橢球、半圓柱體和圓柱體組合構(gòu)成三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，其具體過程如下設(shè)該數(shù)字模型整體為一長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，定義其三維直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于該長(zhǎng)方體的中心，X軸、Y軸、Z軸分別延長(zhǎng)方體各棱，并以LX、LY、LZ分別代表長(zhǎng)方體X軸、Y軸和Z軸的各棱長(zhǎng)，以下所表示的各幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)均以該坐標(biāo)系內(nèi)歸一化數(shù)值描述；所述歸一化數(shù)值a是指，a=PL,]]>其中P指是指坐標(biāo)系中某一分量的實(shí)際坐標(biāo)值，L指該分量P所屬的坐標(biāo)軸的半棱長(zhǎng)；●定義空間橢球方程為x2A2+y2B2+z2C2≤1,]]>橢球中心坐標(biāo)位于(EX，EY，EZ)，A、B、C分別代表橢球各軸長(zhǎng)；●定義空間半圓柱方程為x2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>或x2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0,]]>半圓中心坐標(biāo)位于(CX，CY，CZ)，R代表圓的半徑長(zhǎng)；●定義空間圓柱方程為x2+y2≤R2|z|≤ZLim,]]>半圓中心坐標(biāo)位于(CX，CY，CZ)，R代表圓的半徑長(zhǎng)；●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>建立上半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0，0，0)；半徑R＝0.8；ZLim＝1.0；密度d＝d1；所述的密度d代表各組織的相對(duì)平均密度結(jié)構(gòu)，這里定義人骨的密度為2.00；●以方程x2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0]]>建立下半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0，0，0)；半徑R＝0.8；ZLim＝1.0；密度d＝d2?！褚苑匠蘹2+y2≤R2|z|≤ZLim0≤y≤R]]>建立上半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(0.4，0，0)；半徑R＝0.4；ZLim＝1.0；密度d＝d3?！褚苑匠蘹2+y2≤R2|z|≤ZLim-R≤y≤0]]>建立下半圓柱，半圓柱中心坐標(biāo)為(-0.4，0，0)；半徑R＝0.4；ZLim＝1.0；密度d＝d4?！褚詧A柱體建立血管一，圓柱體的中心坐標(biāo)為(0.4，0，0)；半徑R＝0.1；ZLim＝1.0；密度d＝d5?！褚詧A柱體建立血管二，圓柱體的中心坐標(biāo)為(-0.4，0，0)；半徑R＝0.1；ZLim＝1.0；密度d＝d6?！褚赃\(yùn)動(dòng)的橢球體構(gòu)成造影劑團(tuán)注一，其各軸長(zhǎng)A＝0.1，B＝0.1，C＝0.3；橢球體的中心坐標(biāo)為與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，其中X＝0.4，Y＝0，Z＝z(t)；密度d＝d7?！褚赃\(yùn)動(dòng)的橢球體構(gòu)成造影劑團(tuán)注二，其各軸長(zhǎng)A＝0.1，B＝0.1，C＝0.3；橢球體的中心坐標(biāo)為與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，其中X＝-0.4，Y＝0，Z＝z(t)；密度d＝d8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法，其特征是所述的仿真投影是根據(jù)實(shí)際投影數(shù)據(jù)采集原理，用解析式或數(shù)值積分的方法獲取仿真投影數(shù)據(jù)的過程。
全文摘要
一種生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的用動(dòng)態(tài)數(shù)字模型檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法性能的方法。本發(fā)明采用包含運(yùn)動(dòng)的造影劑團(tuán)注和簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，利用計(jì)算機(jī)按實(shí)際設(shè)備中的參數(shù)設(shè)置對(duì)模型進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)采集，再用得到的仿真數(shù)據(jù)按算法重建，最后比較重建圖像與模型之間的差異，以檢測(cè)算法的性能。所述三維動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真模型，包括模擬造影劑團(tuán)注的動(dòng)態(tài)橢球，其各軸長(zhǎng)固定，橢球中心坐標(biāo)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，表示為X＝x(t)，Y＝y(tǒng)(t)，Z＝z(t)；以及由4個(gè)半圓柱和2個(gè)圓柱組成的柱狀模型。本發(fā)明便于操作和重復(fù)定量執(zhí)行地檢測(cè)CT血管造影術(shù)重建算法，以判斷不同重建算法的優(yōu)劣或同一種算法在不同的參數(shù)條件下的性能差異，進(jìn)而找出最佳參數(shù)設(shè)置。
文檔編號(hào)A61B6/03GK1885347SQ20061002863
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者趙俊, 劉尊鋼, 莊天戈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)