基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法与流程

本发明涉及医学图像处理，尤其是涉及基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法。

背景技术：

1、冠状动脉旁路移植手术是治疗冠状动脉多支病变和左主干病变的金标准手术方式。该手术通过采集患者自身的血管（包括左乳内动脉、大隐静脉或桡动脉）作为桥血管，绕过冠状动脉的狭窄或闭塞段，重建远端心肌的血流灌注。手术的成功与否在很大程度上取决于两个关键决策：远端吻合口的位置选择，即桥血管与靶血管的吻合点应当选在何处才能最大限度地恢复狭窄远端区域的血流灌注；以及桥血管的走行路径是否优化，即桥血管从起点到吻合口的空间走行是否顺畅、有无扭转或成角过大的风险。

2、目前，冠状动脉旁路移植手术的术前规划主要依赖于术者对冠状动脉计算机断层血管造影影像的视觉判读和术中探查。术者通过观察二维或三维重建的冠状动脉影像，结合个人经验判断狭窄病变的位置和严重程度，并凭经验选择远端吻合口的位置。上述规划方式存在以下固有缺陷。

3、视觉判读只能提供狭窄的解剖学信息，解剖学信息包括狭窄的位置、狭窄的长度和直径缩减百分比，但无法提供狭窄对远端血流灌注的功能学影响信息。血流储备分数（fractional flow reserve，简称ffr）已被大量临床研究证实是评估狭窄功能学意义的金标准指标，然而现有术前规划方法中缺乏对血流储备分数的系统性计算和应用。不同术者之间的经验差异导致规划方案的一致性差，缺乏可重复的定量化决策标准。桥血管走行路径的选择缺乏三维空间上的量化优化，可能存在桥血管过长、桥血管成角过大或桥血管与周围组织碰撞的风险。

4、近年来，出现了基于计算流体动力学的冠状动脉血流仿真技术，该技术在计算机上模拟冠状动脉内的血液流动，计算出血流储备分数等血流动力学参数。例如，已有文献公开了个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，通过建立个性化冠状动脉集中参数模型计算血流储备分数。然而，现有计算流体动力学仿真方法仍存在以下不足。第一，计算量巨大，单次仿真可能需要数小时甚至数天，难以在临床实践中常规应用。第二，现有方法通常基于单一的解剖影像数据进行，解剖影像数据来源多为冠状动脉计算机断层血管造影影像，缺乏多模态影像的融合，导致血管壁厚度、斑块成分等关键信息的缺失，影响仿真精度。第三，现有方法中远端吻合口位置的筛选和桥血管路径规划缺乏系统性的多目标优化机制，不同步骤之间缺乏数据反馈和迭代优化，规划方案的生成是一次性的单向流程。第四，现有方法中血管树的二维或三维分割精度受限于冠状动脉的细长曲折形态，分割结果的边界完整性和轨迹连续性不足。

技术实现思路

1、本发明提供基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，以解决上述中的一个或多个问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，包括：获取多模态冠状动脉数字影像数据，进行预处理获得预处理的影像数据；对所述预处理的影像数据进行冠状动脉血管树的三维分割，获得三维分割掩膜；基于所述三维分割掩膜和预处理的影像数据构建冠状动脉三维解剖模型，并基于所述冠状动脉三维解剖模型计算冠状动脉血管树内的血流速度场分布数据和压力场分布数据；采用辛几何模态分解算法对所述血流速度场分布数据和压力场分布数据进行多尺度分解，获得速度场的辛几何模态分量和压力场的辛几何模态分量；基于所述速度场的辛几何模态分量和压力场的辛几何模态分量提取冠状动脉血管树各血管段的血流动力学参数向量；采用高斯过程回归算法对所述血流动力学参数向量进行优化估计，将所述血流动力学参数向量与高斯过程回归获得的优化估计值进行融合，获得融合后的血流动力学参数向量；基于所述融合后的血流动力学参数向量进行狭窄病变功能学评估，获得狭窄病变功能学评估结果集合；基于所述狭窄病变功能学评估结果集合生成远端吻合口候选位置集合，并从所述候选位置集合中确定优选远端吻合口候选位置集合；基于所述优选远端吻合口候选位置集合规划虚拟桥血管走行路径；基于所述虚拟桥血管走行路径进行虚拟桥血管植入后的血流动力学再评估，获得虚拟桥血管植入后各血管段的更新血流动力学参数向量和虚拟桥血管自身的血流动力学参数向量；基于所述更新血流动力学参数向量和虚拟桥血管自身的血流动力学参数向量，对各虚拟桥血管规划方案进行综合评分，选取综合评分最高的虚拟桥血管规划方案作为最优旁路移植手术规划方案。

4、综上所述，本发明至少具有以下有益效果：

5、本发明通过采用辛几何模态分解算法对冠状动脉血流速度场和压力场进行多尺度分解，将复杂的血流动力学信息分解为具有明确物理意义的模态分量，实现了对冠状动脉血流动力学状态的多尺度、精细化表征。该分解结果不仅用于后续的血流动力学参数提取，还通过速度-压力模态对的形式与高斯过程回归算法形成数据交互，为高斯过程回归提供了富含血流动力学信息的先验特征，使得高斯过程回归模型能够在少量训练样本下达到较高的估计精度，有效降低了计算流体动力学仿真的计算负担。

6、本发明通过构建由平方指数核函数、拓扑核函数和血流动力学核函数三项加权求和构成的血管网络核函数，使高斯过程回归模型能够同时利用血管段之间的解剖学相似性、拓扑邻近性和血流动力学相似性进行参数估计，显著提高了血流动力学参数的估计精度和计算效率。所述血管网络核函数的拓扑核函数和血流动力学核函数的引入突破了传统高斯过程回归中核函数仅基于输入特征空间距离的局限性，实现了对冠状动脉血管树拓扑结构和血流动力学物理规律的编码。

7、本发明通过建立闭环迭代优化框架，将虚拟桥血管植入后的血流动力学再评估结果反馈至远端吻合口候选位置生成阶段，实现了规划方案的自适应优化，克服了现有方法中单向流程无法根据预测结果进行调整的缺陷。所述闭环迭代优化框架中的偏差信息反馈机制和权重系数自适应调整机制，使得优化过程具有明确的技术方向和收敛性保证。

8、本发明通过在动态图卷积网络中设置边界完整性增强模块和轨迹连续性增强模块，并采用模糊c均值聚类算法计算模糊隶属度，提高了冠状动脉血管树分割的边界完整性和轨迹连续性，为后续的血流动力学仿真提供了高质量的解剖模型基础。所述边界完整性增强模块中的模糊隶属度能够定量表征体素点属于血管边界的不确定性，从而在损失函数中对边界区域的预测误差施加自适应的惩罚权重，提高了分割网络对血管边界的检测敏感性。

1.基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，所述多模态冠状动脉数字影像数据包括冠状动脉计算机断层血管造影影像数据、冠状动脉血管内超声影像数据和冠状动脉光学相干断层扫描影像数据。

3.根据权利要求2所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，对所述多模态冠状动脉数字影像数据进行预处理的具体方式为：

4.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，所述冠状动脉血管树的三维分割采用动态图卷积网络实现，所述动态图卷积网络包含边界完整性增强模块和轨迹连续性增强模块；

5.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，所述动态图卷积网络的训练过程为：

6.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，所述辛几何模态分解算法的处理方式为：

7.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，所述高斯过程回归算法采用血管网络核函数；

8.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，从所述候选位置集合中确定优选远端吻合口候选位置集合的具体方式为：

9.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，规划虚拟桥血管走行路径的具体方式为：

10.根据权利要求1所述的基于数字影像的冠状动脉旁路移植规划方法，其特征在于，生成最优旁路移植手术规划方案之后，还包括以下验证与优化迭代步骤：