3D reconstruction of coronary artery using biplane angiography

In this paper, we present a new method for the 3D reconstruction and visualization of coronary arteries in biplane angiography. The proposed method performs direct reconstruction of 3D coronary artery pathways without computing the 2D or 3D vessel centerlines. A front propagation algorithm is used to reconstruct the coronary artery pathways in 3D space. Starting from one or more 3D points, the front is expanded with a propagation speed controlled by the combined image information from two 2D projections. Then the reconstructed 3D coronary artery pathways are smoothed to reflect the real situation of a smoothed vessel surface. As shown in the experiment result, the coronary artery can be successfully reconstructed from two projections of biplane angiograms.published_or_final_versio

Data reconciliation of immersive heart inspection

IVUS images are complicated medical datasets suffering from some artifacts caused by the data acquisition method of immersive heart inspection. Data reconciliation, which removes tracing and tracking uncertainties of these datasets, is an important step for the medical application of remodeling the arteries in virtual reality to aid diagnosing and treating heart diseases. This paper provides an empirical data reconciliation method, which fuses the features of the coronary longitudinal movement with motion compensation model. It explains the distortion of the data set well and provides a method to analyze and reconcile the dataset

Automatic 3D Reconstruction of Coronary Artery Centerlines from Monoplane X-ray Angiogram Images

We present a new method for the fully automatic 3D reconstruction of the coronary artery centerlines, using two X-ray angiogram projection images from a single rotating monoplane acquisition system. During the first stage, the input images are smoothed using curve evolution techniques. Next, a simple yet efficient multiscale method, based on the information of the Hessian matrix, for the enhancement of the vascular structure is introduced. Hysteresis thresholding using different image quantiles, is used to threshold the arteries. This stage is followed by a thinning procedure to extract the centerlines. The resulting skeleton image is then pruned using morphological and pattern recognition techniques to remove non-vessel like structures. Finally, edge-based stereo correspondence is solved using a parallel evolutionary optimization method based on f symbiosis. The detected 2D centerlines combined with disparity map information allow the reconstruction of the 3D vessel centerlines. The proposed method has been evaluated on patient data sets for evaluation purposes

Automatic trinocular 3D reconstruction of coronary artery centerlines from rotational X-ray angiography

International audienceWe present a method for fully automatic 3D reconstruction of coronary artery centerlines using three X-ray angiogram projections from a single rotating monoplane acquisition. The reconstruction method consists of three steps: (1) filtering and segmenting the images using a multiscale analysis, (2) matching points in two of the segmented images using the information from the third image, and (3) reconstructing in 3D the matched points. This method needs good calibration of the system geometry and requires breatheld acquisitions. The final algorithm is formulated as an energy minimization problem that we solve using dynamic programming optimization. This method provides a fast and automatic way to compute 3D models of vessels centerlines. It has been applied to both phantoms, for validation purposes, and patient data sets

3D vessel reconstruction based on intra-operative intravascular ultrasound for robotic autonomous catheter navigation

In recent years, robotic technology has improved instrument navigation precision and accuracy, and helped decrease the complexity of minimally invasive surgery. Still, the inherent restricted access to the anatomy of the patients severely complicates many procedures. Interventionists frequently depend on external technologies for visual guidance, usually employing ionizing radiation, due to the limited view upon the surgical scene. In the case of endovascular procedures, fluoroscopy is the common imaging modality used for visualization. This modality is based on X-rays and only offers a two- dimensional (2D) view of the surgical scene. Having a real-time, up-to-date understanding of the surrounding environment of the surgical instruments within the vasculature and not depending on using ionizing radiation would not only be very helpful for interventionists, but also paramount for the navigation of an intraluminal robot. Therefore, the aim of this thesis is to develop an algorithm able to do an intra-operative and real-time three-dimensional (3D) vessel reconstruction. The algorithm is divided into two parts: the reconstruction and the merging. In the first one, it is obtained the 3D vessel reconstruction of a section of the vessel and in the second one, the different sections of 3D vessel reconstruction are combined. A real vessel mesh is used to calculate the fitting errors of the reconstructed vessel which are very smallEn los últimos años, la tecnología robótica ha mejorado la precisión y fiabilidad de la navegación de instrumentos y ha ayudado a disminuir la complejidad de la cirugía mínimamente invasiva. Aún así, el acceso restringido inherente a la anatomía de los pacientes complica gravemente muchos procedimientos. Los intervencionistas dependen con frecuencia de tecnologías externas para la guía visual, generalmente empleando radiación ionizante, debido a la visión limitada de la escena quirúrgica. En el caso de los procedimientos endovasculares, la fluoroscopia es la modalidad de imagen común utilizada para la visualización. Esta modalidad se basa en rayos X y solo ofrece una vista bidimensional (2D) de la escena quirúrgica. Poder saber en tiempo real y de forma actualizada como es el entorno alrededor de los instrumentos quirúrgicos que se encuentran dentro de la vasculatura y no depender del uso de radiación ionizante no solo sería muy útil para los intervencionistas, sino también fundamental para la navegación de un robot intraluminal. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es desarrollar un algoritmo capaz de realizar una reconstrucción tridimensional (3D) del vaso sanguíneo de forma intraoperatoria y en tiempo real. El algoritmo se divide en dos partes: la reconstrucción y la unión. En la primera se obtiene la reconstrucción 3D de una sección del vaso sanguíneo y en el segundo se combinan las diferentes secciones obtenidas de vasos sanguíneos reconstruidos en 3D. Se utiliza una malla de un vaso sanguíneo real para calcular los errores de ajuste del vaso sanguíneo reconstruido, son errores muy pequeñosEn els últims anys, la tecnologia robòtica ha millorat la precisió i la fiabilitat de la navegació dels instruments i ha ajudat a disminuir la complexitat de la cirurgia mínimament invasiva. Tot i així, l'accés restringit inherent a l'anatomia dels pacients complica greument molts procediments. Els intervencionistes sovint depenen de tecnologies externes per a la guia visual, normalment emprant radiacions ionitzants, a causa de la visió limitada de l'escena quirúrgica. En el cas dels procediments endovasculars, la fluoroscòpia és la modalitat d'imatge comuna utilitzada per a la visualització. Aquesta modalitat es basa en raigs X i només ofereix una visió bidimensional (2D) de l'escena quirúrgica. Poder saber en temps real i de forma actualitzada com és l'entorn al voltant dels instruments quirúrgics que es troben dins de la vasculatura i no depèn de l'ús de radiació ionitzant no només seria molt útil per als intervencionistes, sinó també fonamental per a la navegació d'un robot intraluminal. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar un algorisme capaç de fer una reconstrucció tridimensional (3D) del vas sanguini de forma intraoperatòria i en temps real. L'algorisme es divideix en dues parts: la reconstrucció i la fusió. En la primera s'obté la reconstrucció en 3D d'una secció del vas sanguini i en la segona, es combinen les diferents seccions obtingudes de vasos sanguinis reconstruïts en 3D. S'utilitza una malla d’un vas sanguini real per calcular els errors d'ajust del vas sanguini reconstruït, els errors son molt petit

Three-dimensional reconstruction and NURBS-based structured meshing of coronary arteries from the conventional X-ray angiography projection images

Despite its two-dimensional nature, X-ray angiography (XRA) has served as the gold standard imaging technique in the interventional cardiology for over five decades. Accordingly, demands for tools that could increase efficiency of the XRA procedure for the quantitative analysis of coronary arteries (CA) are constantly increasing. The aim of this study was to propose a novel procedure for three-dimensional modeling of CA from uncalibrated XRA projections. A comprehensive mathematical model of the image formation was developed and used with a robust genetic algorithm optimizer to determine the calibration parameters across XRA views. The frames correspondences between XRA acquisitions were found using a partial-matching approach. Using the same matching method, an efficient procedure for vessel centerline reconstruction was developed. Finally, the problem of meshing complex CA trees was simplified to independent reconstruction and meshing of connected branches using the proposed nonuniform rational B-spline (NURBS)-based method. Because it enables structured quadrilateral and hexahedral meshing, our method is suitable for the subsequent computational modelling of CA physiology (i.e. coronary blood flow, fractional flow reverse, virtual stenting and plaque progression). Extensive validations using digital, physical, and clinical datasets showed competitive performances and potential for further application on a wider scale

Calibrage d'un système angiographique biplan pour la reconstruction 3D des artères pulmonaires

Les cardiopathies congénitales sont des malformations cardiaques présentes dès la naissance. Parmi les malformations couramment rencontrées, plusieurs touchent les artères pulmonaires. Pour valider un diagnostic et dans certains cas, procéder à des actions thérapeutiques, une intervention percutanée est généralement menée. Les cardiologues insèrent un cathéter qui est guidé vers la zone d’intervention au travers du système veineux et un agent de contraste est injecté, ce qui permet de visualiser les artères. Toutefois, une visualisation 2D comporte certaines limites et oblige les cardiologues à reconstruire une image mentale de la structure vasculaire, ce qui rend la tâche très dépendante de l’expérience du clinicien. Afin d’améliorer les conditions d’interventions, des techniques de reconstruction 3D sont développées. Toutefois, à notre connaissance aucun travail n’a été réalisé pour le cas particulier des artères pulmonaires, les travaux existants se concentrant sur les artères coronaires. L’une des problématiques associées à la reconstruction 3D est la nécessité d’avoir un système calibré. Dans le cas des artères coronaires, plusieurs travaux utilisent les bifurcations de l’arbre coronarien comme correspondances afin de calibrer le système. Toutefois, dans le cas des artères pulmonaires, il y a généralement pas ou peu de bifurcations identifiables. Dans ce mémoire, nous développons et évaluons une nouvelle technique utilisée afin de calibrer un système angiographique biplan à l’aide d’un guide marqué présent au sein des artères d’un patient. Cette méthode a l’avantage de permettre de calibrer le système lorsqu’il n’est pas possible d’identifier suffisamment de correspondances au sein même des structures vasculaires et ce en utilisant un instrument chirurgical faisant d’ores et déjà partie des protocoles opératoires. Toutefois, l’intervention d’un utilisateur est requis afin de saisir la position des marqueurs au sein des images. Les résultats obtenus par la méthode proposée, obtenus en simulation et sur des données cliniques réelles sont prometteurs. Il a été démontré en simulation qu’il est possible d’obtenir un calibrage permettant la reconstruction 3D du guide à une transformation géométrique près. De plus, une diminution notable de l’erreur de reprojection (RMS) de la reconstruction 3D du guide à moins de 0.5 mm de précision a été observée pour 3 des 4 cas réels étudiés

Atlas numérique spatio-temporel des artères coronaires

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Reconstruction 3D+T des artères coronaires à partir d'une séquence rotationnelle angiographique

Les maladies coronariennes sont une cause fréquente de décès dans les pays industrialisés. Au lieu d’avoir recours aux chirurgies traditionnelles à coeur ouvert, les cardiologues ont recours aux interventions percutanées, qui consistent en l'insertion du cathéter par l'artère fémorale. Le cathéter est dirigé vers les artères affectées, et l'angiographie coronaire est employée pour naviguer dans les structures vasculaires complexes. Par contre, l'angiographie 2D ne permet pas de discerner la profondeur, et son utilisation est fréquente durant une intervention, nécessitant ainsi une importante quantité d'agent de contraste et une exposition prolongée aux rayons X. Pour mitiger l'impact de ces problèmes, des techniques d'imagerie médicale sont employées pour assister le cardiologue lors de l'intervention, notamment la modélisation 3D+t des artères coronaires reconstruites à partir d'une séquence rotationnelle angiographique. Ces volumes permettent au chirurgien de guider le cathéter en 3D de manière claire, ainsi que limiter l'utilisation de rayons X et d'agent de contraste en effectuant l'intervention plus rapidement. La méthode proposée dans cette étude contient d'abord une segmentation multi-échelles par composants connectés pour extraire les artères coronaires et éliminer le bruit occasionné par les artéfacts d'arrière-plan comme les côtes et les poumons. Pour éliminer le décalage occasionné par le mouvement respiratoire, le déplacement est ensuite modélisé grâce à un modèle mathématique cyclique qui synchronise les images angiographiques de la séquence rotationnelle. La reconstruction 3D est ensuite effectuée en appariant les bifurcations des images pour en reconstruire les segments d'artères. Les pixels résultants sont appariés grâce à la géométrie épipolaire et une minimisation d'énergie par parcours de graphe. Une déformation affine par optimisation non linéaire du modèle reconstruit s'en suit pour obtenir une fluidité temporelle. La méthode est ainsi entièrement automatique, et les résultats démontrent qu'en présence de mouvement cardiaque et respiratoire, la reconstruction est robuste et est évaluable en contexte interventionnel