一种集成方法：利用两张非同步的血管造影图像同时进行校准和三维冠状动脉中心线重建

《IEEE Transactions on Medical Imaging》：An Integrated Approach for Simultaneous Calibration and 3-D Coronary Artery Centerline Reconstruction From Two Non-Simultaneous Angiographic Images

三维重建冠状动脉血管，传统方法需手动校准点对，存在重叠和 foreshortening 问题导致效率低。本文提出一体化自动方法，同步优化空间变换与三维可变形曲线，通过迭代曲线配准和余弦表示优化，减少手动干预，实验显示phantom数据空间误差0.085mm，临床数据投影误差0.060mm，达到最优精度。

　　

摘要：

从血管造影图像中重建冠状动脉的三维（3D）结构对于诊断和治疗冠状动脉疾病至关重要。然而，由于血管造影图像的非同步采集以及冠状动脉复杂的运动模式，精确重建存在挑战。现有的先进方法通常包括两个阶段：首先手动选择对应点对进行空间几何校准，然后进行中心线重建。然而，2D图像中的重叠和缩短现象使得点选择变得复杂，经常需要反复调整；同时，如果点对数量不足，可能会导致重建失败。在本文中，我们提出了一种一步式的自动方法，该方法将校准和3D中心线重建集成在一起，从而无需手动校准。对于每张血管造影图像，我们构建了一条与2D血管中心线相对应的3D可变形曲线，并严格受到投影线的约束。与传统的最小化2D重投影误差的方法不同，我们的方法最小化了两条3D曲线之间的3D空间距离，同时优化了空间变换和两条可变形3D曲线。通过迭代曲线配准来优化变换过程，而曲线的演化基于余弦表示方法。这两个过程同时进行并相互促进，最终实现了无需手动校准的高精度3D重建。该方法在45个模拟数据和107个临床数据上进行了验证。模拟数据的平均空间误差为0.085毫米；临床数据的平均重投影误差为0.060±0.027毫米。结果表明，我们的方法在实现先进精度的同时，消除了对人工干预的需求。

引言

冠状动脉疾病（CAD）是一种严重的疾病，其特征是冠状动脉狭窄，可能导致心肌缺血、缺氧甚至坏死。冠状动脉造影是介入性CAD治疗的基石，为操作者在手术过程中提供了“眼睛”的作用。它为准确的病变诊断、治疗计划和手术指导提供了重要信息[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的血管造影图像仅限于特定的投影角度，这常常导致血管重叠和缩短等问题。这些限制导致所呈现的图像与血管的真实三维（3D）形态存在显著差异。冠状动脉的3D重建能够清晰详细地显示血管结构，便于精确评估关键参数，包括直径、长度和管腔体积。这些测量对于3D定量冠状动脉造影（QCA）至关重要，同时也有助于计算重要的生理参数，如定量血流比（QFR）[5]、[6]、[7]、[8]。在临床实践中，通常从标准投影角度获取7-8张血管造影图像以捕捉三条主要冠状动脉。然而，由于冠状动脉造影的投影角度有限（每种特定血管通常只有两个角度），因此无法直接应用计算机断层扫描（CT）成像中使用的经典投影重建算法。为了解决这个问题，重建过程首先从两张血管造影图像中提取感兴趣血管的二维（2D）中心线，然后利用这些2D中心线来重建3D血管中心线。最后，以3D血管中心线作为参考骨架，在3D空间中重建血管管腔，整合来自投影图像的管腔信息。