数据驱动的心室传导系统解剖三维重构方法研究

Heart is one of the most significant organs in human body. As one of the tissues which heart diseases occur mostly, three dimensional construction of the ventricle conduction systems, the location and width features included, determines the spreading orientation of the electrical excitation digital along the conduction systems, and plays an important role on the physiopathological behavior of the ventricle. So far, the research on physiopathology of the ventricle and the conduction systems have been widely conducted, however, limited to the imaging and scanning technology, most scholars tend to substitute the real geometry construction for the approximated description of the conduction systems. Thus the research on the digital reconstruction based on the anatomic data is rarely involved. To overcome the existing limitation, the project aims at do the research on three dimensional digital reconstruction methods for ventricular conduction.systems resulted with the completed three dimensional geometric model with high accuracy of the ventricular conduction systems based on the anatomic data driven. The work includes: reconstruction of the endo-cardium curved surfaces from points cloud of the myocyte model; highlight-remove process on the anatomic image of the ventricle, before the line structure of the conduction systems being extracted of location and width information; then the extracted line structure is embedded onto the curved surfaces reconstructed, moreover, data-driven three dimensional digital reconstruction of the ventricle conduction systems based on deep learning is finished. It strongly provides data and the theory highly underlies fields such as physiopathologic simulation on heart with high accuracy, reconstruction of simulation platform for virtual heart, heart-disease diagonosis and pharmaceutic preparation et al.

心脏是人体最重要的器官之一，作为心脏病多发部位的心室，其传导系统的三维结构，包括位置和宽度信息，决定了沿着该系统传递的电兴奋信号的传播方向，对心脏的生理病理活动具有举足轻重的影响。迄今为止，心室及传导系统的生理和病理研究已经广泛开展起来，但受成像和扫描技术的局限，大多数学者对传导系统三维几何结构的研究往往止步于近似表示，对基于解剖结构的心室传导系统的三维几何的研究却甚少涉及。本项目针对现有成果局限，以解剖数据为驱动，研究心室传导系统的三维数值重构方法，并得到具有较高精度的心室传导系统的三维几何模型。其研究内容包括：心室肌内膜层的曲面重建方法；心室解剖图的消除高光方法；心室传导系统的线结构提取方法；基于LLE的心室传导系统三维重构方法等。为心脏生理病理的高精度仿真、构建自动化虚拟心脏仿真平台、心脏病的诊断治疗及心脏药物制剂等研究提供重要的数据支撑和理论基础。

作为心脏病的多发部位——心室，其生理病理特征的研究具有重要意义。心室传导系统，本项目中称之为浦肯野系统，其三维结构，包括位置和宽度特点，决定了沿着该系统传递的电兴奋信号的方向和方式，对心脏的生理病理活动具有举足轻重的影响。受现有成像和扫描技术的局限，目前仍很难将浦肯野系统的解剖三维结构展现出来。. 鉴于浦肯野系统的重要性，本项目以构建心室传导系统的三维方法为研究目标，深入研究包括三维数据点的三角剖分、心室肌内膜层曲面构建、心室二维数据图的高光消除、浦肯野系统的线提取等方法。. 第一部分，对心室肌三维点集进行曲面重建：经先后两次分割逐步实现内膜、外膜的划分和左、右心室的划分。本部分对心室的点云数据进行三角剖分，为浦肯野系统的三维重构提供几何框架。. 第二部分，是消除高光处理。分析图像特征，对高光区域进行边缘检测。在非高光区域，提出一种改进的镜面反射弱化方法，从图像中有效地分离出镜面反射分量。对不同类型的高光区域，根据其特征进行重置灰度值。完成整幅图像的高光消除过程。. 第三部分，基于传统的中心线提取和宽度提取方法的优势，提出一种线结构提取方法。该方法建立心室传导系统的局部检测模型，通过将目标特点的先验知识融入到经典的快速步进算法中，实现对心室解剖图中传导系统的半自动提取。. 第四部分，进行心室传导系统的三维几何重构：将心室肌三维结构曲面经局部线性嵌入算法映射到平面，再将心室解剖图中心室传导系统的线结构嵌入到心室肌中，之后将其还原到心室肌的三维结构中，从而得到心室传导系统的三维重构结果。. 本项目对于心室浦肯野系统的三维重构及其相关技术进行了系统深入地研究，得到了浦肯野系统的数值三维几何结构，为将来使用浦肯野系统结构研究心室乃至心脏的生理病理活动奠定了坚实的基础。