基于蒙特卡罗树搜索和流形正则化的3D/2D血管配准研究

在介入血管手术中，增强术中实时成像技术通过将术前计算机断层血管造影（CTA）图像投影到术中数字减影血管造影（DSA）图像上，能够弥补DSA导航的不足，如缺乏深度信息和过度使用有毒对比剂。在这些技术中，3D/2D血管配准是关键步骤。本研究提出了一种基于血管图匹配的3D/2D配准方法。

一、背景及研究动机

数字减影血管造影（DSA）是用于微创介入血管手术的主要成像方法，通过向感兴趣的血管腔注入对比剂，获得2D图像。虽然DSA具有高空间和时间分辨率，但它缺乏深度信息，且过度使用对比剂会增加患者负担。因此，结合术前CTA图像中提取的3D血管和DSA图像，是3D/2D配准技术的实际应用，能够为介入放射科医生提供血管深度信息，支持导丝或导管的操控。

本文由何京俊（Jianjun Zhu）等人撰写，作者来自Hanglok-Tech公司和南京东南大学中大医院（Zhongda Hospital, Southeast University）等机构，2024年5月发表于IEEE Transactions on Medical Imaging。

二、研究方法

数据来源与预处理

研究使用了三个医院的临床数据以及公共数据来培训基于深度学习的分割模型，并采用模拟数据进行实验。通过3D CTA血管分割和2D DSA血管分割获得血管图模型。

基于血管图匹配的3D/2D配准

本研究使用蒙特卡罗树搜索（MCTS）方法来实现3D/2D配准，将血管匹配分解为连续相关状态，并构建为树结构。每个搜索树节点记录当前血管匹配状态及配准结果，通过迭代扩展部分搜索树，评估节点分数，找到使重叠度最高的节点实现配准。

流形正则化的非刚性配准

在非刚性配准中，密集的3D和2D血管对应关系是必需的，本文将流形正则化引入血管变形模型，构造目标函数的流形正则化项，简化梯度计算公式，从而提高非刚性配准效率。

三、实验结果

研究在临床肝动脉、冠状动脉和主动脉数据上进行验证，并与七种刚性和三种非刚性配准方法进行比较。

刚性配准实验

刚性配准实验使用模拟数据测试各种方法在不同旋转角度和噪声条件下的性能。实验结果显示，本文提出的方法在配准准确性和计算效率上优于现有方法。特别是对于旋转角度较大的情境，本文方法表现出较强的姿态独立性。

非刚性配准实验

非刚性配准则在含有噪声和变形的模拟数据上测试。结果表明，基于流形正则化的非刚性配准方法在配准误差和计算时间上均优于现有方法。特别是对于噪声较大的情境，本文方法表现出较好的鲁棒性。

生成的冠状动脉血管图配准

本文使用冠状动脉CTA和DSA数据，生成24对血管图，测试各种方法在噪声和变形干扰下的性能。结果显示，本文方法在配准误差和计算时间上均具有显著优势。

手动标注的血管配准

实验中还使用了手动标注的肝动脉、主动脉和冠状动脉数据，消除多余噪声，验证本文方法在临床应用中的有效性。分析结果显示，本文方法在配准准确性和效率上表现优异。

四、研究结论

这篇论文提出了一种基于血管拓扑信息、结合蒙特卡罗树搜索和流形正则化的3D/2D血管配准方法。在刚性配准中，本方法通过构建血管匹配搜索树，并进行迭代搜索，显著提高了搜索效率和配准精度。在非刚性配准中，基于流形正则化的变形模型有效解决了变形匹配问题，进一步提升了配准效果。

通过在肝动脉、冠状动脉和主动脉三类不同血管数据上的验证，实验结果表明本文方法在配准准确性和效率上均优于现有主流方法。本文还探讨了血管图构建和匹配的方法，详细描述了计算最大匹配的方法及其在构建变形模型中的应用。

亮点与意义

论文研究方法涵盖了从刚性到非刚性的血管配准，利用血管图匹配的新方法和流形正则化，提高了配准精度和计算效率。此研究不仅在科学上有重要价值，还为临床手术导航提供了实际应用的技术支持。特别是本文提出的流形正则化方法，可以推广应用于其他基于拓扑结构的跨维度配准任务。

局限性与展望

尽管本文方法在实验中表现出色，但对血管中心线拓扑的依赖性依然是一个限制，拓扑结构的生成误差可能会影响配准结果。未来的发展方向包括利用更高效的计算策略进一步提升实时性，及探索无需预处理步骤地直接使用CT和DSA图像进行快速准确的配准。

通过对典型血管解剖结构的实验验证，以及与多种现有方法的系统比较，本文提出的3D/2D血管配准方法展示了良好的鲁棒性和高效性，有望在临床实际中发挥更大作用。