气道形态学参数定量获取方法、装置、气道支架设计方法与流程

1.本发明涉及呼吸道形态学参数测量领域，具体涉及一种气道形态学参数定量获取方法、装置、气道支架设计方法。


背景技术：

2.气道狭窄是因某种原因造成气道内径减小，导致临床上出现不同程度的呼吸困难、肺不张、阻塞性肺炎，甚至窒息、死亡。治疗手段包括外科手术治疗、药物治疗以及经支气管镜介入治疗，其中气道支架置入技术对于维持话患者气道稳定通畅至关重要。
3.气道支架置入术对于中央气道狭窄患者的短期疗效甚好，但长期放置易出现各种并发症，如肉芽组织增生、痰液潴留、感染、支架断裂、支架移位等。为减少并发症的发生，个体化的支架设计尤其重要，目前对于气道形态学参数测量辅助支架设计的研究较少。
4.目前支架设计前的定量分析多通过分析患者ct图像并结合支气管镜镜下所见来评估。通过ct图像对病灶部位的管腔内径、管壁厚度等进行人为测量。
5.采用支气管镜对病灶长度进行测量以辅助支架设计，因为支气管镜下肉眼所见相较于ct图像能更加准确地去判断界限，因此采用气管镜下测量所获得的病灶长度可以对ct后处理技术(mpr、ve)所获得的病灶长度进行补充，测量方法如下：
6.先将支气管镜送至病灶最远端，然后回抽至病灶近端，测量回抽支气管镜的长度则为病灶长度，该方法操作简单，但对于病灶界限的判断以及回抽支气管镜长度的测量存在误差。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是现阶段对气道形态学参数测量不准，气道支架设计所需参数测量不规范。目的在于提供一种气道形态学参数定量获取方法、装置、气道支架设计方法，解决了支气管树形态学参数定量测量不准的问题，以及气道支架设计所需参数测量不规范的问题。
8.本发明通过下述技术方案实现：
9.一种气道形态学参数定量获取方法，包括以下步骤：
10.对胸部ct图像进行断面切割，将支气管树分割为多个横截面；
11.对多个横截面进行中心线拟合，确定各支气管的三维中心线；
12.根据三维中心线和横截面建立支气管树模型；
13.确定支气管树上多个气管分枝的分枝夹角；
14.在支气管树上确定远端点和近端点，并选取远端点和近端点之间的支气管，设为测量段；
15.在测量段的三维中心线上选取测量点，并获取测量点处的形态学参数值，所述形态学参数值包括：多个测量点对应正交截面的管腔内径、管腔面积；测量段的长度以及管腔容积。
16.进一步，所述方法还包括计算对应测量点的狭窄率，计算公式为：
[0017][0018]
其中，a为狭窄率；
[0019]
n为参考正常内径值/面积值/容积值；
[0020]
n为真实内径值/面积值/容积值。
[0021]
具体地，所述对胸部ct图像进行断面切割中，分割方法采用亚像素级分割精度；
[0022]
所述在三维中心线上选取测量点中，测量点亚像素级分布。
[0023]
具体地，所述正交截面的管腔内径的测量方法为：
[0024]
选定测量点；
[0025]
在测量点构建最小内切球，获得内径值；
[0026]
沿三维中心线依次测量，获得支气管树内各测量点的内径值。
[0027]
具体地，所述远端点为支气管树上任意点，所述近端点为所述远端点至气管主开口之间的任一点。
[0028]
作为一个实施例，所述正交截面的管腔面积通过获取当前气管枝的连通域大小，并计算像素点得出；或者，
[0029]
通过对正交截面进行多点绘制闭合曲线划定气管区域，并通过闭合曲线进行面积计算。
[0030]
具体地，所述分枝夹角的测量方法为：
[0031]
在三维中心线上依次确定起点、转折点和终点；
[0032]
连接起点与转折点，转折点与终点；
[0033]
获取两条直线的夹角度数；
[0034]
所述测量段的管腔容积通过求解多个横截面的像素和得出。
[0035]
一种基于气道形态学参数的辅助气道支架设计方法，基于上述的一种气道形态学参数定量获取方法，所述设计方法包括以下步骤：
[0036]
确定病灶部位对应的管腔内径、管腔面积、病灶长度、管腔容积和分枝夹角；
[0037]
使气道支架的支架内径对应管腔内径，支架面积对应管腔面积，支架长度对应病灶长度，支架容积对应管腔容积，支架夹角对应分枝夹角；
[0038]
通过各个形态学参数值和病变状态进行气道支架设计。
[0039]
一种支气管气道定量参数的获取装置，包括：
[0040]
切割模块，用于对胸部ct图像进行断面切割，将支气管树分割为多个横截面；
[0041]
拟合模块，用于对多个横截面进行中心线拟合，确定各支气管的三维中心线；
[0042]
建模模块，用于根据三维中心线和横截面建立支气管树模型；
[0043]
测量模块，用于确定支气管树上多个气管分枝的分枝夹角；
[0044]
研究区域选取模块，用于在支气管树上确定远端点和近端点，并选取远端点和近端点之间的支气管，设为测量段；
[0045]
第一计算模块，用于在测量段的三维中心线上选取测量点，并获取多个测量点处的形态学参数值，所述形态学参数值包括：多个测量点对应正交截面的管腔内径、管腔面积；测量段的长度以及管腔容积；
[0046]
第二计算模块，用于计算对应测量点的狭窄率，计算公式为：
[0047][0048]
其中，a为狭窄率；
[0049]
n为参考正常内径值/面积值/容积值；
[0050]
n为真实内径值/面积值/容积值。
[0051]
一种气道定量参数的获取终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种气道形态学参数定量获取方法的步骤。
[0052]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种气道定量参数的获取方法方法的步骤。
[0053]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0054]
本发明通过对胸部ct进行分割并建立支气管树，通过对支气管树进行形态学参数的测量，并获取管腔内径、管腔面积、分枝夹角、长度、管腔容积等定量参数，使得定量参数能够更加精准、简便且同质化，因此将该方法获得的定量参数用于气道支架设计的参数制定能够更加贴合患者的病灶，减轻气道支架置入术术后的并发症。
附图说明
[0055]
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
[0056]
图1是根据本发明所述的气道形态学参数定量获取方法的流程示意图。
具体实施方式
[0057]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
[0058]
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
[0059]
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
[0060]
目前支架设计前的定量分析多通过分析患者ct图像并结合支气管镜镜下所见来评估。
[0061]
ct图像的分析主要采用多平面重建(multi-planner reformation，mpr)，mpr可根据支气管的行走方向施行横断、冠状、矢状或斜面重建，然后可对病灶部位的管腔内径、管壁厚度等进行测量。
[0062]
首先，病灶的内径(平均内径＝(最长径 垂直于最长径的短径)
÷
2)测量，操作步骤如下：通过经验判断mpr层面为垂直于所需测量(支)气管长轴的截面(支气管的横截面)，然后人为选取最长径的起点和终点，计算机会在起点、终点间拉一条线并显示该段线条的
长度，此长度则为管腔的最长径，通过同样的方法获取垂直于最长径的短径，每测量一个截面，就需要重复上述操作一次，为纯手工测量，且无法保证完全垂直于管腔进行测量，耗时耗力且无法保证测量结果的均质化；
[0063]
然后，病灶长度的测量，通过经验判断mpr层面为平行于所需测量(支)气管长轴的截面(支气管的冠状面)，然后人为选取狭窄部位的起点和终点，计算机会在起点、终点间拉一条线并显示该段线条的长度，此长度则为病灶的长度，该过程同样存在上述问题，同时，(支)气管的弯曲走行特征使mpr成像无法将整段(支)气管囊括在同一层面，导致无法准确获取病灶长度；
[0064]
最后，分枝夹角的测量，首先通过经验判断mpr层面为平行于所需测量夹角的层面，然后在该层面上选取起点、转折点和终点，将会自动显示处夹角度数，此过程无法保证所选测量点在气道中线上，从而导致测量角度出现偏倚。
[0065]
综上，虽然ct后处理技术应用广泛且在一定程度上可以帮助科研人员以及临床医生了解病灶情况，但操作繁琐，费时费力，且测量结果不能保证一致性。
[0066]
实现支气管镜下对病灶部位的定量测量的方法包括
[0067]
放置参考标尺如标有刻度的钢丝，镜下拍照后对病灶部位进行面积测量，其中某些方法可以实现对病灶部位狭窄状态的准确测量，但总体来说由于支气管镜的鱼眼镜头导致的距离畸变和径向畸变使得内径/面积测量结果容易出现误差，或者需要专门配置特殊的支气管镜，以及支气管镜属于有创性操作等使其在临床上的应用受到限制。
[0068]
目前主要采用支气管镜对病灶长度进行测量以辅助支架设计，因为支气管镜下肉眼所见相较于ct图像能更加准确地去判断界限，因此采用气管镜下测量所获得的病灶长度可以对ct后处理技术(mpr、ve)所获得的病灶长度进行补充，测量方法如下：
[0069]
先将支气管镜送至病灶最远端，然后回抽至病灶近端，测量回抽支气管镜的长度则为病灶长度，该方法操作简单，但对于病灶界限的判断以及回抽支气管镜长度的测量存在误差。
[0070]
实施例一
[0071]
针对上述缺陷，本实施例提出一种气道形态学参数定量获取方法，包括以下步骤：
[0072]
第一步，对胸部ct图像进行断面切割，将支气管树分割为多个横截面；在对胸部ct图像进行断面切割中，分割方法采用亚像素级分割精度，可以确保气管分割的精确性。
[0073]
第二步，对多个横截面进行中心线拟合，确定各支气管的三维中心线，即先对各个截面的中心点进行确定，将各个中心点依次连接后，形成支气管树的中心线。
[0074]
第三步，根据三维中心线和横截面建立支气管树模型，根据横截面的结构以及三维中心线的路径，在建模软件中构建支气管树的模型，本领域技术人员能够通过现有技术实现上述建模。
[0075]
第四步，确定支气管树的分枝夹角。
[0076]
分枝夹角的测量方法为：在三维中心线上依次确定起点、转折点和终点；连接起点与转折点，转折点与终点；获取两条直线的夹角度数；
[0077]
分枝夹角以及测量段测量均为在支气管树三维模型上选择气道中心线上的点，依据点和点之间的三维坐标关系计算得出。
[0078]
第五步，在支气管树上确定远端点和近端点；远端点为气管支上任意点，近端点为
远端点至气管主开口之间的任一点，选择的近端点和远端点之间的部分即为研究区域，选取远端点和近端点之间的支气管，设为测量段；
[0079]
第六步，在测量段的三维中心线上选取测量点，并获取测量点处的形态学参数值；在三维中心线上选取测量点中，测量点亚像素级分布。
[0080]
形态学参数值包括：多个测量点对应正交截面的管腔内径、管腔面积、测量段的长度以及管腔容积、
[0081]
管腔内径值的测量方法为：
[0082]
选定测量点；
[0083]
在测量点构建最小内切球，获得内径值；通过“内切球”方式获得管腔的平均内径，且内径平均误差为0.03mm，95％一致性界线为(-0.67,0.60)，实现了真正意义上的精准测量；
[0084]
沿三维中心线依次测量，获得支气管树内各测量点的内径值，并将三维中心点与内径值进行一一匹配记录，在需要时可以对其进行查询。
[0085]
横截面面积通过获取当前气管枝的连通域大小，并计算像素点得出；或者通过对横截面进行多点绘制闭合曲线划定气管区域，并通过闭合曲线进行面积计算。
[0086]
气管截面面积是通过获取当前气管模型的连通域大小，计算像素点数自动得出。面积则通过像素和计算，大大减小了人眼识别管壁界面的误差。
[0087]
此外还可以手动测量，通过对当前截面的气管进行多点绘制闭合曲线的方式划定气管区域，并通过闭合曲线进行面积以及长短径计算。
[0088]
管腔容积通过求解多个横截面的像素和得出。其基于图片识别技术，采用现有技术即可以实现。
[0089]
为了便于与患者进行交流，本实施例还计算对应测量点的狭窄率，计算公式为：
[0090][0091]
其中，a为狭窄率；
[0092]
n为参考正常内径值/面积值/容积值。
[0093]
n为真实内径值/面积值/容积值。
[0094]
确定研究区域后，提取模型上相应位置的数据并依照顺序线性化排列展示，在此基础上依据记录的三维中心线上的点进行细致的远端点和近端点选择，并依据选择的数据线段，获得内径最大值和最小值，计算并显示截面面积以及变化率等相关信息，通过远\近端点的气管线性变化率，计算当前点位的狭窄率。
[0095]
参考正常值通过已知值(“近端参考”、“远端参考”)的线性预测得知，狭窄率便于医生之间的交流，以及简单判断支架可能造成的应力大小(理论上是狭窄率越大，应力越大，越容易出现术后并发症)，以帮助支架设计。
[0096]
需要说明的是，本具体实施方式中提出的狭窄率通过内径、面积和容积均可以进行计算，现阶段采用的为通过内径进行计算，并未有通过容积进行计算的方法。
[0097]
采用内径计算，阐述病灶的内径(平均内径＝(最长径 垂直于最长径的短径)
÷
2)测量，方法如下：
[0098]
通过经验判断多平面重建(一种ct图像后处理技术)层面为垂直于所需测量气管
或支气管长轴的截面(支气管的横截面)，然后人为选取最长径的起点和终点，便会在起点、终点间拉一条线并显示该段线条的长度，此长度则为管腔的最长径，通过同样的方法获取垂直于最长径的短径。
[0099]
上述方法是目前临床中采用最多的方式，因为容易获取，只要有ct数据就可以获取，通过绘制两条线就可以获得数据，但是存在问题就是：手工测量，误差大，误差主要来源：正交截面选择不准确；管腔与管壁界限判断困难；且可重复性差，相当于同一个人不是时间测量或者不同人同一时间测量结果可能都不一样，同质性差等。
[0100]
此外，只测量最长径 垂直于最长径的短径两条线来求平均内径，这个计算方式就使得测量结果并不是真正意义上的平均内径，而且，只是测量一个截面并不能代表整个病灶，一般病灶都是有一定长度的，那可能就需要测量多个部位，这样就增加了其繁琐性。还有就是内径能够代表的内容有限，只是一个一维数据，当截面是非规则的圆形或者椭圆形时，测量值的结果所能代表的内容更有限。相当于只是通过一个内径辅助支架设计，这个支架对于患者的贴合度是不可知的。
[0101]
采用面积计算，就相当于是管腔的面积，通过勾画管腔的边缘形成闭合曲线来获取管腔的面积，或者通过求解像素和实现，即将一个截面所有符合标准(管腔内)的像素点相加起来，每个像素点有一定的面积，那么管腔面积就是所有像素点的面积之和。面积是一个二维的概念，采用面积来辅助支架设计的话就比采用内径更佳。
[0102]
采用容积计算，测试段的管腔容积便可以理解为该段气道所能容纳的气体的体积，若将一段气道看成是规则的圆台体，则管腔容积的计算公式如下：
[0103][0104]
其中，v为管腔容积；
[0105]
h为测试段的气道的长度；
[0106]
r为近端点气道的正交截面的管腔半径；
[0107]
r为远端点气道的正交截面的管腔半径。
[0108]
但气道并非规则的圆台体，若采用该公式计算只能获得其容积的近似值，若气道的变化程度较大，形态不规则明显，那么采用该公式计算误差就更大。目前较为理想的方法是像素和，即将该测试段的气道内的所有像素点的体积相加求和，获得真实容积值。
[0109]
采用容积的优点：能够直接获取患者病灶段的容积，三维层面的数据，相当于考虑了所有点、线、面，能够将病灶的状态描述得更准确，同时采用像素和的方式，而非手工测量，使得准确性、可重复性、同质性都得到了保证。
[0110]
实施例二
[0111]
基于实施例一中的一种气道形态学参数定量获取方法，对支气管树的各种管腔内径、管腔面积、病灶长度和分枝夹角等定量参数进行测量后，根据上述数据进行辅助气道支架的设计，本实施例提供一种基于气道定量参数的辅助气道设计方法，包括以下步骤：
[0112]
通过文中所描述方法确定病灶部位对应的管腔内径、管腔面积、病灶长度、管腔容积和分枝夹角；
[0113]
使气道支架的支架内径对应管腔内径，支架面积对应管腔面积，支架长度对应病灶长度，支架容积对应管腔容积，支架夹角对应分支夹角。
[0114]
通过各个形态学参数值和病变状态进行气道支架设计，其中根据病变状态进行气道支架设计，本领域技术人员能够理解并实施，例如：
[0115]
根据病变的性质选择支架的类型，如恶性气道狭窄，预计生存期较长者建议首选覆膜支架，生存期较短者也可以放置裸支架。良性气道狭窄慎用金属裸支架，各种气道瘘封堵均需使用覆膜支架。根据病变的部位选择支架的形状，如直筒形支架主要用于上中段气管或一侧支气管病变(远离隆突2cm以上)。分叉形支架(y或l形)可用于气管中下段、距隆突1cm或隆突本身的病变和右主支气管、左主支气管近1/2段。根据病变部位的径线测量结果选择支架规格，如气道狭窄患者置入支架直径比预测小于10％，长度大于病变段10～20mm左右，封闭气道瘘时支架直径大于正常气道直径的10％，可适当加长。
[0116]
病灶部位的形态学参数值可辅助气道支架最终径线的设计。
[0117]
采用容积辅助支架设计时，也能够使支架的设计更加贴合气道，但是不能只依靠容积，同样需要结合病灶长度，狭窄部位的直径等参数进行设计，这样全方位的考虑才能制作出符合不同患者的个体化气道支架。
[0118]
实施例三
[0119]
本实施例提供一种用于实现实施例一的一种气道形态学参数定量获取的装置，包括切割模块、拟合模块、建模模块、测量模块、研究区域选取模块、第一计算模块和第二计算模块。
[0120]
切割模块，用于对胸部ct图像进行断面切割，将支气管树分割为多个横截面；
[0121]
拟合模块，用于对多个横截面进行中心线拟合，确定各支气管的三维中心线；
[0122]
测量模块，用于确定支气管树上多个气管分枝的分枝夹角；
[0123]
研究区域选取模块，用于在支气管树上确定远端点和近端点，并选取远端点和近端点之间的支气管，设为测量段；
[0124]
第一计算模块，用于在测量段的三维中心线上选取测量点，并获取多个测量点处的形态学参数值，所述形态学参数值包括：多个测量点对应正交截面的管腔内径、管腔面积；测量段的长度以及管腔容积；
[0125]
第二计算模块，用于计算对应测量点的狭窄率，计算公式为：
[0126][0127]
其中，a为狭窄率；
[0128]
n为参考正常内径值/面积值/容积值；
[0129]
n为真实内径值/面积值/容积值。
[0130]
上述所有模块可以为集成在一个处理器内，即在一个处理器中直接实现上述所有模块的功能；也可以由多个处理器分别实现对应的功能，在通过数据线缆将各个处理器进行连接，从而使其成为一个整体，从而能够实现如实施例一中的方法。
[0131]
实施例四
[0132]
一种气道形态学参数定量获取的终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述的一种气道形态学参数定量获取方法的步骤。
[0133]
存储器可用于存储软件程序以及模块,处理器通过运行存储在存储器的软件程序
以及模块,从而执行终端的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的执行程序等。
[0134]
存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件,闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0135]
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种气道形态学参数定量获取方法的步骤。
[0136]
不失一般性，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令数据结构,程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括ram、rom、eprom、eeprom、闪存或其他固态存储其技术,cd-rom、dvd或其他光学存储﹑磁带盒﹑磁带﹑磁盘存储或其他磁性存储设备。当然,本领域技术人员可知计算机存储介质不局限于上述几种。上述的系统存储器和大容量存储设备可以统称为存储器。
[0137]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0138]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0139]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。