动物呼吸心跳双耦合CBCT动态重建方法及系统与流程

本技术涉及医学影像处理及锥形束计算机断层成像，尤其涉及一种动物呼吸心跳双耦合cbct动态重建方法及系统。

背景技术：

1、动物胸腹部四维锥形束计算机断层成像通过连续采集多个角度的x射线投影，并按照生理运动状态重建具有时间维度的体数据，可用于观察胸廓、心脏和大血管等组织的动态形态。开放式扫描能够减少麻醉及固定装置对动物生理状态的影响，但动物自主呼吸、体位变化及快速心跳会共同作用于投影数据。

2、现有动物动态重建方法通常沿用面向人体的单一呼吸运动处理方式，难以适应犬猫呼吸周期不稳定、心率较快以及心肺运动相互耦合的情况，容易造成不同生理运动状态混淆，并引起形变估计失真、脏器边界抖动、局部结构模糊和连续帧跳变。因此，如何在动物非配合无约束扫描中准确表征并校正呼吸与心跳的叠加运动，成为稳定重建心肺动态结构时亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提出了一种动物呼吸心跳双耦合cbct动态重建方法及系统，以期在动物非配合无约束扫描过程中区分并协同校正呼吸运动和心跳运动，提高心肺动态结构的重建稳定性。有利于稳定呈现动物心肌、大血管及肺门等结构的动态细节。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种动物呼吸心跳双耦合cbct动态重建方法，应用于与多源同步采集装置通信的cbct重建设备，所述方法包括：

3、获取解剖区域掩码和所述多源同步采集装置输出的时序对齐数据集，所述时序对齐数据集包括校正后cbct投影、呼吸波形和心电波形；

4、根据所述呼吸波形和所述心电波形确定相位，为所述cbct投影配置复合相位标签，生成复合相位数据集；

5、根据所述复合相位数据集求解呼吸全局形变场序列，利用所述呼吸全局形变场序列补偿所述cbct投影后求解心跳局部形变场序列，形成双生理形变场组；

6、根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码生成双耦合总形变场序列；其中，在所述解剖区域掩码标识的双运动耦合区域融合对应的呼吸全局形变场和心跳局部形变场，在单一呼吸运动区域保留所述呼吸全局形变场；

7、根据所述复合相位标签和所述双耦合总形变场序列，按复合相位对所述cbct投影进行运动补偿重建和时序优化，输出四维动态影像序列。

8、可以看出，本实施例将cbct投影的呼吸相位和心跳相位协同表征，并分别求解呼吸引起的全局形变和心跳引起的局部形变。呼吸全局形变先被用于补偿cbct投影，以减少呼吸运动对心跳局部形变求解过程的干扰；两类形变进一步按照解剖区域进行组合，可避免心跳局部形变扩散至仅受呼吸影响的组织，从而抑制脏器边界抖动、局部模糊和帧间跳变。

9、在一个可能的示例中，所述根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码生成双耦合总形变场序列，包括：

10、根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码确定各复合相位的分区形变场；

11、对各复合相位的所述分区形变场进行时序连续化处理，生成所述双耦合总形变场序列。

12、可见，本示例先完成各复合相位的空间分区形变配置，再沿复合相位的时序关系对分区形变场进行连续化处理，使空间区域差异和时间变化连续性能够分别受到约束，进而减少相邻复合相位之间的形变突变。

13、在一个可能的示例中，所述根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码确定各复合相位的分区形变场，包括：

14、根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码确定各复合相位的区域形变配置；

15、根据各复合相位的所述区域形变配置对所述双生理形变场组进行分区融合，确定各复合相位的所述分区形变场。

16、可见，本示例在执行分区融合前，先确定各复合相位对应的区域形变配置，可使参与融合的区域、形变类型和复合相位相互对应，降低不同区域或不同相位的形变场被错误组合的可能性。

17、在一个可能的示例中，所述根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码确定各复合相位的区域形变配置，包括：

18、根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码生成各复合相位的区域形变分配信息；

19、根据各复合相位的所述区域形变分配信息确定各复合相位的所述区域形变配置。

20、可见，本示例通过区域形变分配信息承载解剖区域与候选形变场之间的对应关系，再将该对应关系转换为能够控制分区融合的区域形变配置，有利于提高形变选择过程的可解释性和可追溯性。

21、在一个可能的示例中，所述根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码生成各复合相位的区域形变分配信息，包括：

22、根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码，将各掩码体素与各复合相位对应的呼吸全局形变场和心跳局部形变场关联，建立体素形变关联数据；

23、根据所述体素形变关联数据和所述解剖区域掩码确定各复合相位的所述区域形变分配信息。

24、可见，本示例以掩码体素作为形变场与解剖区域之间的关联单位，可将复合相位、体素位置、区域类别及对应形变场组织在同一关联关系中，使区域形变分配能够落实至体素层级。

25、在一个可能的示例中，所述根据所述体素形变关联数据和所述解剖区域掩码确定各复合相位的所述区域形变分配信息，包括：

26、根据所述体素形变关联数据和所述解剖区域掩码，提取各掩码体素的区域类别及其关联的呼吸全局形变场和心跳局部形变场，形成区域形变候选信息；

27、根据所述区域形变候选信息，在所述双运动耦合区域保留对应的呼吸全局形变场和心跳局部形变场，在所述单一呼吸运动区域保留对应的呼吸全局形变场，确定各复合相位的所述区域形变分配信息；

28、其中，所述双运动耦合区域包括心脏、大血管和肺门中的至少一种，所述单一呼吸运动区域包括胸廓非心肺区域和皮下软组织中的至少一种。

29、可见，本示例通过区域类别筛选体素对应的候选形变场，在心脏、大血管和肺门等双运动耦合区域保留两类形变，在胸廓非心肺区域和皮下软组织等单一呼吸运动区域排除心跳局部形变，可限制心跳运动校正的作用范围。

30、在一个可能的示例中，所述根据所述呼吸波形和所述心电波形确定相位，为所述cbct投影配置复合相位标签，生成复合相位数据集，包括：

31、根据所述呼吸波形和所述心电波形进行频带滤波，获得低频呼吸分量和高频心跳分量；

32、识别所述低频呼吸分量的波峰和波谷以划分呼吸相位，并识别所述高频心跳分量的qrs特征点以划分心跳相位；

33、根据所述时序对齐数据集中的时序对应关系，将相应的呼吸相位和心跳相位组成所述复合相位标签并配置给所述cbct投影，生成所述复合相位数据集。

34、可见，本示例分别从呼吸波形和心电波形中提取适于相位划分的生理分量，再将同一投影时刻对应的呼吸相位和心跳相位组成复合相位标签，可降低两种生理运动状态被混合表征的可能性。

35、在一个可能的示例中，所述识别所述低频呼吸分量的波峰和波谷以划分呼吸相位，并识别所述高频心跳分量的qrs特征点以划分心跳相位，包括：

36、根据所述低频呼吸分量和所述高频心跳分量，分别检测相邻波峰与波谷以及相邻qrs特征点，形成生理周期边界信息；

37、根据所述生理周期边界信息对各呼吸周期和各心跳周期分别进行连续分段，得到所述呼吸相位和所述心跳相位。

38、可见，本示例以相邻生理特征点限定各生理周期，再在各周期内部进行连续分段，使呼吸相位和心跳相位能够适应动物呼吸周期长短变化及心跳速度变化。

39、在一个可能的示例中，所述根据所述复合相位标签和所述双耦合总形变场序列，按复合相位对所述cbct投影进行运动补偿重建和时序优化，输出四维动态影像序列，包括：

40、根据所述复合相位标签和所述双耦合总形变场序列，将所述cbct投影划分为复合相位投影组，并为各所述复合相位投影组关联对应的双耦合总形变场，形成相位重建任务集；

41、根据所述相位重建任务集，在投影数据保真约束和形变平滑约束下进行运动补偿迭代重建，得到初始四维动态影像序列；

42、对所述初始四维动态影像序列进行跨相位灰度对齐、时序连续性约束、边缘保持滤波和灰度归一化，输出所述四维动态影像序列。

43、可见，本示例将复合相位投影组与对应的双耦合总形变场共同组织为重建任务，并在重建后对不同相位的灰度、边缘及时间连续性进行统一优化，有利于保持动态结构边界并降低连续帧之间的显示波动。

44、第二方面，本技术实施例提供了一种动物呼吸心跳双耦合cbct动态重建系统，部署于与多源同步采集装置通信的cbct重建设备，包括：

45、数据获取模块，用于获取解剖区域掩码和所述多源同步采集装置输出的时序对齐数据集，所述数据集包括校正后cbct投影、呼吸波形和心电波形；

46、相位标记模块，用于根据所述呼吸波形和所述心电波形确定相位，为所述cbct投影配置复合相位标签，生成复合相位数据集；

47、形变求解模块，用于根据所述复合相位数据集求解呼吸全局形变场序列，利用所述呼吸全局形变场序列补偿所述cbct投影后求解心跳局部形变场序列，形成双生理形变场组；

48、分区融合模块，用于根据所述双生理形变场组和所述解剖区域掩码生成双耦合总形变场序列；其中，在所述解剖区域掩码标识的双运动耦合区域融合对应的呼吸全局形变场和心跳局部形变场，在单一呼吸运动区域保留所述呼吸全局形变场；

49、重建输出模块，用于根据所述复合相位标签和所述双耦合总形变场序列，按复合相位对所述cbct投影进行运动补偿重建和时序优化，输出四维动态影像序列。

50、通过上述模块之间的数据传递和处理配合，系统能够在cbct重建设备中执行前述双耦合动态重建方法，并形成从同步数据获取、复合相位标记、双生理形变求解、分区融合至动态影像输出的完整处理路径。

51、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括处理器、存储器、通信接口，以及一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置由所述处理器执行，所述程序包括用于执行本技术实施例第一方面中的步骤的指令。

52、第四方面，本技术实施例提供了一种计算机存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如本实施例第一方面中所描述的部分或全部步骤。

53、可以看出，本技术实施例中，相对于现有仅拟合单一呼吸运动的动物4dcbct重建方式，本技术将投影的呼吸相位与心跳相位协同表征，并分别处理全局低频形变与局部高频形变。cbct重建设备首先获取解剖区域掩码和多源同步采集装置输出的时序对齐数据集；其次，根据呼吸波形和心电波形确定相位，为cbct投影配置复合相位标签，生成复合相位数据集；然后，根据复合相位数据集求解呼吸全局形变场序列，利用呼吸全局形变场序列补偿cbct投影后求解心跳局部形变场序列，形成双生理形变场组；再次，根据双生理形变场组和解剖区域掩码生成双耦合总形变场序列；最后，根据复合相位标签和双耦合总形变场序列，按复合相位对cbct投影进行运动补偿重建和时序优化，输出四维动态影像序列。由于呼吸全局形变先被用于隔离心跳局部运动，且两类形变仅在对应解剖区域内按照复合相位组合，使得心跳形变不会扩散至仅受呼吸影响的胸廓组织，从而抑制边界抖动、局部模糊和帧间跳变，有利于稳定呈现动物心肌、大血管及肺门等结构的动态细节。