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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明提供一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，包括以下步骤：S1.基于IV‑OCT的血管内腔和外管壁自动分割；S2.形态学参数自动提取；S3.二维快速力学计算；S4.血管三维骨架线重建；S5.图像融合配准；S6.基于三维模型的生物力学计算；S7.易损斑块评估模型构建。本发明使用多模态影像数据，构建了和斑块相关的力学计算方法，包括二维快速力学计算方法和基于三维血管和斑块模型的力学计算方法。并且基于获得的关键形态学和力学参数构建了易损斑块的评估模型，并确定了模型预测性能的评估方法，最终实现易损斑块的预测，服务于血管疾病临床治疗，减轻病人痛苦。

主权项：1.一种基于多模态影像的血管易损斑块评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.基于IV-OCT的血管内腔和外管壁自动分割；S2.形态学参数自动提取；S3.二维快速力学计算；S4.血管三维骨架线重建；S5.图像融合配准；S6.基于三维模型的生物力学计算；S7.易损斑块评估模型构建；具体步骤为：S1包括以下步骤：首先对图像中的导管圆环和导丝伪影进行去除；将图像从直角坐标系转换为极坐标系进行图像处理；设平面内点A的直角坐标系坐标为Ax,y，其对应极坐标系坐标为ρ,θ，转换公式如式1和式2； 在进行图像坐标转换时，以图像中心即导管圆环中心为极坐标变换的原点，使用最邻近插值填补变换后无相应值的像素点；导管圆环区域集中在图像上端，根据该区域范围大小将此区域灰度值取零，从而去除导管圆环图像；计算极坐标系下每一列图像的灰度平均值，得到灰度平均值变化图，其横坐标对应极坐标系下的列数，纵坐标为平均灰度值；灰度变化图中存在一个极小值区域，根据图像特点，经测试后确定灰度平均值的阈值，将小于该阈值的列的灰度值取零，去除极坐标系中的导丝伪影；去除导管圆环和导丝伪影后，极坐标图像进行二值化，然后使用开运算操作，使得图像在去除孤立像素点的情况下保证主要形态结构不变，最后将开运算后的二值化图像转换为灰度图像；使用线性插值的方法，选取断裂处两端最靠近转换中心的两点的坐标值作为插值起点和终点，得到断裂处的管壁的近似坐标值，并用一段具有一定灰度值的线段连接断裂处，使管壁组织连续；线性插值连接后，极坐标图像的管壁上方区域即为管腔区域，并且开运算后该区域内灰度值为零；管腔轮廓点即为极坐标下每列图像的第一个灰度值非零点，依次识别并连接每列的轮廓点，并将其转换回直角坐标系坐标，得到内管腔轮廓；而后基于IV-OCT中的中膜和外膜以及斑块的表征完成血管壁、斑块和内管腔轮廓的标注，为生物力学计算提供模型基础；S2包括以下步骤：基于IV-OCT的自动分割结果，获得轮廓的二维坐标；血管管壁、管腔和斑块相关的形态学参数自动提取算法构建方法如下：分别计算每层图像中的管壁、管腔和斑块轮廓所围成的真实面积，其中管腔轮廓对应管腔面积，斑块轮廓对应斑块面积，管壁轮廓所围成的面积减去管腔面积为管壁面积；在此基础上，计算标准化管壁指数NWI，其定义为管壁面积除以管壁面积与管腔面积之和的商，如式3： 设定从轮廓中心均匀发出180条射线，射线之间间隔角度相同，每条射线与管腔、管壁轮廓均有交点，且交点间隔均匀；同一条射线与管腔、管壁的两个交点之间的距离定义为管壁厚度，将该层的管壁厚度值的最大值记为该层轮廓的最大管壁厚度；在斑块所在层，每条射线与斑块区域交于两点，除斑块两端的端点以外，两点之间的距离为斑块厚度，靠近中心的第一个点与射线和管腔轮廓交点的距离为纤维帽厚度；将同一层斑块厚度值的最大值记为该层轮廓的最大斑块厚度，将同一层纤维帽厚度的平均值、最小值分别记为该层轮廓的平均纤维帽厚度和最小纤维帽厚度；射线与斑块区域有两条切线，切线与斑块区域仅有一个交点，两条切线所形成的角度定义为斑块角度；即提取九个形态学特征，包括管腔面积、管壁面积、NWI、最大管壁厚度、斑块面积、最大斑块厚度、斑块角度、最小纤维帽厚度和平均纤维帽厚度；S3包括以下步骤：使用壳单元进行有限元计算，壳单元是有限元分析中常用的计算模拟结构；数值模拟首先对模型的结构进行离散化处理，采用结构化网格和非结构化网格对计算域进行划分，在进行材料属性的设置时根据实际情况设置血管壁和斑块的材料属性为线弹性和超弹性材料；在约束设置时选择了位于管壁外周与两个垂直工作轴即x方向、y方向相交的四个交点的位置，对x方向上的两点设置其y方向位移及旋转量为0，对y方向上的两点设置其x方向位移及旋转量为0，即四点切向位移为零而只有径向位移，从而在保证其在有管壁膨胀的情况下避免刚性位移和旋转；管壁与斑块的两个交界面分别为主面和从面，两者之间定义相互作用为绑定约束，即两个面之间不存在相对位移，使两个结构联合为一个整体；在进行模拟之后，获得应力，应变相关参数的分布；S4包括以下步骤：基于C型臂获得的DSA影像包含了多个角度的信息，而结合两个不同角度的二维投影图像通过计算机视觉的方法进行反投影重建，得到原始三维模型；选择处于舒张期末期的两个角度DSA影像的血管三维中心线提取包括三个主要步骤：在两个角度的二维DSA影像上分别提取中心线坐标、利用极线匹配方法建立两个投影平面上中心线坐标的点匹配关系、使用最小二乘法求解基于二维匹配点构建的三维坐标变换矩阵得到三维坐标；S5包括以下步骤：根据获得的血管三维骨架线和基于IV-OCT分割得到的血管管腔、管壁轮廓，构建其空间位置相互联系的关系，将其结合得到患者特异性血管三维模型；两个空间坐标系之间的转换通过定义坐标点的空间位置、建立旋转矩阵实现；在进行配准时，首先根据起点和终点标记之间的中心线长度和对应范围IV-OCT图像的层数，对三维中心线上的点坐标进行插值，使点的数目与层数相等，即三维中心线上的点与IV-OCT图像一一对应；对于每一层IV-OCT图像，将其内管腔轮廓的中心点设为轮廓所在平面的坐标原点，设定该平面的法向量z0,0,1以及对应的x轴、y轴方向，构建图像空间坐标系；然后选取该层对应三维中心线上的点，计算该点的切向量作为坐标变换后轮廓的z轴方向，该点的法向量为坐标变换后轮廓的y轴负方向，构建得到该轮廓变换后的三维局部坐标系；两个坐标系之间的变换通过两次旋转实现，其旋转角度α、β通过中心线向量和轮廓法向量直接计算获得；第一次旋转是将图像空间坐标系绕y轴正半轴顺时针旋转α，其坐标点旋转矩阵为式4： 第二次旋转是绕z轴正半轴顺时针旋转β，其坐标点旋转矩阵为式5： 在所有组织成分的三维轮廓重建中，均以该层管腔内轮廓中心点为平面坐标原点，并遍历二维轮廓中的每一个轮廓点，依次进行坐标点的矩阵变换；坐标变换将原始直管模型的轮廓依次垂直“悬挂”于三维中心线上，得到真实三维血管的轮廓，进而再对经过旋转之后的轮廓进行封装最终得到具有真实血管曲率的三维血管和斑块模型；S6包括以下步骤：在通过交界面耦合时，满足平衡方程使流体域和固体域在交界面处数值相同，以实现耦合过程；方程在力、位移和速度上进行约束，如式6-8：Ff＝Fs6Df＝Ds7 在进行流固耦合计算时，分别对流体域和固体域进行网格划分；其中，流体域内部为四面体的非结构网格，在靠近交界面处设置边界层网格，具体边界层数依据实际情况进行设定，边界层为三棱柱网格；在网格总体尺寸的控制上选用曲率尺寸控制函数，包括曲率法向角度、全局最小尺寸、全局最大尺寸、最大面尺寸和网格生长率控制参数，其中尺寸大小根据模型本身几何性质决定，网格生长率设置依实际情况而定；进行固体域网格划分时，采用四面体非结构网格，网格尺寸通过曲率和近距的尺寸控制函数进行控制，即同时激活曲率函数和近距函数，曲率函数主要控制转角和孔洞处的网格大小，近距函数主要控制薄或狭窄区域的网格大小；使用流速作为入口边界条件，使用压强作为出口边界条件；流体与固体的交界面设为固定壁面，无相对滑动；流体计算前先进行混合初始化，初始化后进行计算，计算迭代次数依实际情况进行设定，设置最大均方根残差为以确保计算收敛；在进行模拟时，在模型的起始端和末尾端的两个面上设置固定约束，以限制模型的刚性位移和旋转；在斑块与管壁交界处产生接触区域，定义接触类型为绑定，接触体选择管壁，目标体选择斑块，进行计算之后，则获得固体和流体参数的分布，选择峰值时刻的参数进行展示，固体参数包括应力和应变，流体参数包括压强和壁面切应力；S7包括以下步骤：从医院纳入患者血管影像数据，并经医生评估将斑块分为易损斑块组和稳定斑块组；将所有的形态学参数和关键力学参数进行纳入分析；在进行易损斑块风险评估模型构建时，首先基于分层抽样的方法，将研究对象以7:3的比例分为训练集和测试集，使用训练集构建风险预测模型；具体地，首先对参数之间的多重共线性进行检验，进而确定评估模型构建方法的选择：若参数之间具有多重共线性则选择基于LASSO的多元逻辑回归进行评估模型的构建，若参数之间是相互独立的则选择使用逐步多元逻辑回归构建评估模型；易损斑块评估模型构建之后则使用诺莫图的方法量化每个斑块破裂的风险概率；基于训练集构建模型之后，使用测试集测试所构建模型的性能，包括校准度、预测性能和临床应用价值；其中，校准度使用校准曲线和Hosmer-Lemeshow方法进行检验；模型预测性能使用受试者工作曲线下的曲线面积进行评估；使用临床决策曲线评估所构建模型的临床应用价值。

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