基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法

2023-05-23 12:58:01

專利名稱：基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法
技術領域：
本發明涉及醫學圖像處理及心臟流場運動狀態分析技術領域，具體涉及一種基於 都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法。
背景技術：
作為心臟機械功能的終端表達環節，心臟流場流體的運動狀態直接反應心臟功能 狀態是否正常。因此，精確分析評價心臟流場流體運動狀態，對心臟功能的精確評價、心臟 疾病的診斷和治療都具有舉足輕重的作用。無論在心臟病學基礎研究還是在心臟疾病臨床 診斷方面，心臟流場流體運動狀態的有效可視化觀察描述技術均是不可或缺的。不過，由於 心臟流場的特殊性，心臟流場流體運動狀態的可視化觀察描述均需要藉助醫學成像技術來 實現。目前關於在體心臟流場觀察常見的醫學成像技術主要包括磁共振(MRI)血流成 像技術和超聲微泡造影粒子成像測速技術，以及彩色都卜勒超聲血流成像技術。這些技術 均只能提供一些基本的心臟流場流體運動參數，比如速度或者流量等，還不能直接反應心 髒流場流體的真實運動狀態。因此，當前關於心臟流場的可視化描述技術主要基於以上這 些成像技術對心臟流場進行深入分析，然後採用圖形、圖像顯示技術，例如速度矢量場、流 線，對流場進行有效的可視化描述。流場流線是流體運動狀態的一種常見的可視化描述方法。然而，由於心臟流場的 特殊性，用流線描述複雜的三維心臟流場是一項極其複雜的工作。因此，目前的心臟流場流 線描述方法主要是採用醫學成像技術對心臟流場進行二維成像探測，獲取二維探測圖像後 再進行流場分析。具有代表性的技術有基於MRI血流成像技術的心臟流場流線描述技術和 基於超聲都卜勒信息的心臟流場流線描述技術。基於MRI血流成像技術的心臟流場流線描 述技術就是以MRI血流圖像數據為基礎，根據MRI探測的血流速度及流量對心臟流場進行 計算流體力學分析，從而繪製出流線對流場結果進行可視化描述。由於MRI血流成像具有 較高的空間解析度，因此，在一些具有特殊需求的場合採用MRI血流圖像進行流場分析和 描述比較實用。但是MRI血流成像技術掃描時間長，時間解析度不夠理想，對於複雜多變的 心臟流場而言，還難以滿足在體心臟流場實時觀察和可視化描述的要求。同時，由於強磁場 的原因，MRI技術對諸如體內有磁金屬或起搏器的特殊病人卻不能適用，因而在臨床應用中 具有一定程度的局限性。此外，MRI技術檢測心臟結構和功能容易受外界幹擾因素影響。因 此，基於MRI血流成像技術的心臟流場流線描述技術很難真正應有於在體心臟流場的可視 化觀察方面，而且對於一些特殊病人的不實用，使得該技術的發展和應用推廣均受到一定 程度的影響。基於超聲都卜勒信息的心臟流場流線描述是近些年來出現的一種新型的流場可 視化描述技術。該技術主要是以二維超聲都卜勒血流圖像信息為基礎，提取聲束方向血流 速度信息，利用該速度信息對心臟流場流體的運動狀態進行分析研究，並根據血流速度信 息實現流場流線的繪製。由於超聲都卜勒血流成像與磁共振血流成像相比，具有時間解析度高、受外界幹擾小、對人體無傷害、操作簡便等眾多優點，因此基於超聲都卜勒信息的心 髒流場流線描述技術具有很好的發展前景。不過，由於二維彩色都卜勒圖像反映的是複雜 三維心臟流場的一個觀測平面，血液流體的流動並不局限在觀測平面內，心臟流場二維探 測平面上的流線並不是平面流流線，因此，二維探測平面上流線可視化描述是一個比較復 雜的問題。目前該技術的典型代表是由日本學者Ohtsuki提出的平面流顯示方法，該方法 將二維觀測平面的流體流動分為流進/流出探測平面的三維流動以及在平面內流動的平 面流，採用點源、點匯表示三維流動，並以點源和點匯為起點和終點的平面流線表示平面 流，從而解決了二維彩色都卜勒圖像上繪製平面流線的問題。但是，該方法的實現還存在一 些局限性，比如點源和點匯位置的確定方面還存在一些不確定的幹擾因素，以及平面流流 函數數值計算的不唯一性，從而影響平面流流線的描繪精度。所以，該技術的精確性和穩定 性方面還有待進一步提高，才能真正通過流線有效反映流體的運動狀態。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是如何提供一種基於都卜勒圖像信息的心臟流場平 面流線可視化描述方法，該方法克服現有在體心臟流場可視化觀察技術的局限性，以彩色 都卜勒心臟超聲血流圖像信息為基礎給出一種能夠精確、穩定地對心臟流場二維探測平面 內的流場流線可視化描述方法。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為提供一種基於都卜勒圖像信 息的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特徵在於包括如下步驟A、根據彩色都卜勒心臟血流圖像中的速度標尺提取心臟流場沿聲束方向的速度 分量信息；B、以聲束方向的速度分量信息計算心臟流場內各血液質點的「都卜勒流函數」和 「都卜勒流距離函數」；C、選定一個單位流量q，並採用單位流量q對「都卜勒流函數」和「都卜勒流距離 函數」進行量化，q值的大小決定流線的稀密程度，q值越大流線越稀；D、根據量化的「都卜勒流距離函數」確定點源和點匯與探頭位置的距離r的大小， 點源位於量化的「都卜勒流距離函數」階躍下降的位置，點匯位於量化的「都卜勒流距離函 數」階躍上升的位置；E、在同一半徑r圓弧上，都卜勒速度的變化率為負，其8-鄰域範圍內都卜勒血流 速度方差最大的那個點為點源，都卜勒速度的變化率為正，其8-鄰域範圍內都卜勒血流速 度方差最大值的那個點為點匯；F、計算點源、點匯在各血液質點的流函數值，並進行疊加得到源流函數值，從「多 普勒流函數」中減去源流函數，即可得到平面流流函數；G、以點源為起點，點匯為終點，連接具有相同平面流流函數值的血液質點，即可構 成一系列平面流線，在平面流線之間具有相同流函數的血液質點連接形成的封閉曲線為渦 流流線。在步驟A中，利用最小二乘法的原理對二維觀測平面流場中各個血液質點的彩色 信息與心臟血流速度標尺中的彩色信息進行匹配，通過下面的方程式尋找速度表尺上顏色 信息與給定的血液質點顏色信息最接近的點，然後採用分段線性函數計算心臟流場沿聲束方向的血流速度分量u，e = ((Rb-Rp) 2+ (Gb-Gp) 2+ (Bb_Bp)2)1/2其中Rb，Gb，Bb,分別表示速度標尺上的某一點的RGB顏色分量，Rp，Gp，Bp分別表示 流場內某一血液質點的RGB顏色分量。在步驟B中，考慮到常見的彩色都卜勒超聲血流圖像是扇形的觀測區域，因此極 坐標下的「都卜勒流函數」定義為F(r，0)，其定義式為 其中，u(r，e)是以都卜勒圖像扇形區域的頂點為原點的極坐標下聲束方向的多 普勒速度，r是血液質點到原點的距離。對於數字圖像所表示的心臟流場而言，流函數具有 如下的離散形式 其中i，j分別表示數字圖像中的行和列，(u(i，j))p、、(u(i, j))N表示極坐標下 渦流存在區域距離原點半徑為r的血液質點沿聲速方向的渦流速度分量序列，N表示半徑 為r的圓弧上從參考位置到計算點(i，j)這段圓弧內的血液質點數。在步驟B中，「都卜勒流距離函數」F(r)表示在某一時刻流過觀測平面內半徑為r 的圓弧邊界線的流量，「都卜勒流距離函數」F(r)的定義式為 其中，[e…e J表示極坐標下觀測平面內的血液流場觀測區域角度範圍。對於數 字圖像所表示的心臟流場而言，其都卜勒流距離函數滿足下式 其中i，j分別表示數字圖像中的行和列，(u(i，j))p、、、(u(i，j))N表示極坐標下 距離原點半徑為r的所有血液質點沿聲速方向的血流速度序列，N表示同一半徑r上血液 質點的數量。所述「都卜勒流函數」滿足下式F(r, 0 ) = Fb(r, 0 )+Fp(r, 0 )其中，Fb (r，0 )是平面流流函數，Fp (r，0 )是三維流動對應的流函數，也稱源流函 數。綜上所述，本發明所提供的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述 方法，可克服現有在體心臟流場可視化觀察技術的局限性，以彩色都卜勒心臟超聲血流圖 像信息為基礎給出一種能夠精確、穩定地對心臟流場二維探測平面內的流場流線可視化描 述方法。


圖1為二維探測平面流線的定義圖；圖2為二維探測平面區域內流線示意圖3為極坐標下的「都卜勒流函數」F(r，0 )和「都卜勒流距離函數」F(r)的計算 原理圖；圖4為極坐標下的「都卜勒距離函數」F(r)曲線圖；圖5為「都卜勒流距離函數」的離散化示意圖；圖6為點源和點匯位置的確定圖；圖7為由點源和點匯連接成平面流線的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細地描述。本發明所提供的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法包括 如下步驟:A、根據彩色都卜勒心臟血流圖像中的速度標尺提取心臟流場沿聲束方向的速度 分量信息；B、以聲束方向的速度分量信息計算心臟流場內各血液質點的「都卜勒流函數」和 「都卜勒流距離函數」 ；C、選定一個單位流量q，並採用單位流量q對「都卜勒流函數」和「多 普勒流距離函數」進行量化，q值的大小決定流線的稀密程度，q值越大流線越稀；D、根據 量化的「都卜勒流距離函數」確定點源和點匯與探頭位置的距離r的大小，點源位於量化的 「都卜勒流距離函數」階躍下降的位置，點匯位於量化的「都卜勒流距離函數」階躍上升的位 置；E、在同一半徑r圓弧上，都卜勒速度的變化率為負，其8-鄰域範圍內都卜勒血流速度方 差最大的那個點為點源，都卜勒速度的變化率為正，其8-鄰域範圍內都卜勒血流速度方差 最大的那個點為點匯；F、計算點源、點匯在各血液質點的流函數值，並進行疊加得到源流函 數值，從「都卜勒流函數」中減去源流函數，即可得到平面流流函數；G、以點源為起點，點匯 為終點，連接具有相同平面流流函數值的血液質點，即可構成一系列平面流線，在平面流線 之間具有相同流函數的血液質點連接形成的封閉曲線為渦流流線。下面結合附圖對本發明的原理作如下描述流線是可視化描述流場運動狀態的一種有效方法。心臟流場本身是一個複雜多變 的三維流場，如果用流線來描述心臟流場內血液的流動狀態，則該流線必然是三維空間曲 線。然而，由於心臟流場具有瞬時多變的複雜特性，用三維空間曲線描述流場是極其難以 實現的。而且，目前心臟疾病的臨床檢查大多採用二維彩色都卜勒超聲血流成像技術觀察 心臟流場。因此，本發明提出的心臟流場流線可視化描述方法就以二維彩色都卜勒超聲血 流圖像為基礎，在普通的彩色都卜勒超聲血流圖像上繪製平面流線描述流體流動情況。但 是，一幀二維彩色都卜勒心臟超聲血流圖像所反映探測平面上的血液流動不是簡單的平面 流動，因此不能簡單地按照平面流流函數的定義進行流線繪製。本發明所提出的二維探測 平面流場流線繪製方法實質上就是在二維平面內通過打點的方式確定一系列平面曲線，這 些平面曲線在平面內某一點的切線方向與該點的二維速度矢量相同，而該二維速度矢量正 是該點三維速度矢量在二維平面上的分量，如圖1所示。由於二維探測平面是三維心臟流 場的一個觀測平面，二維探測平面上所反映出的血流信息僅僅是真實血流速度信息在二維 探測平面上的分量信息，所以二維探測平面上的血液流動既有可能存在局限於平面內的平 面流動，也有相對於探測平面流進流出的三維流動。因此，在二維彩色都卜勒血流圖像上用 平面曲線描述流體流動情況，必須將三維流動與平面流動加以區分才能有效地採用平面曲 線進行可視化描述。在本發明中為了便於平面流線的繪製，將複雜的三維流動簡化為具有單位流量q的點源、點匯，即三維流動對探測平面的影響集中的看成是一系列具有單位流 量q的點源和點匯對探測平面的影響。這樣一來，二維探測平面上流體流動信息就可以看 成是由平面流動和一系列點源和點匯共同作用的結果。當點源和點匯成對出現的時候，流 進/流出探測平面的流量相等，則二維探測平面內的平面流動則可以用二維平面流函數的 方法繪製平面曲線。為了有效地顯示平面流線，本發明分別以點源和點匯為起點和終點，對 與點源和點匯具有相同平面流流函數值的點進行打點，從而形成具有相同流量間隔的平面 流線，如圖2所示。從前面所描述的方法可以看出，二維心臟流場彩色都卜勒血流圖像上的平面流線 繪製方法的關鍵就是確定點源和點匯的位置，以及探測平面內平面流流函數的計算。由於 彩色都卜勒心臟血流圖像所包含的血流速度信息僅僅反映的是心臟血流在聲束方向的速 度信息，因此，點源及點匯的位置確定及探測平面內平面流函數的計算都以該速度信息為 基礎。另外，由於二維探測平面上的流動不是簡單的平面流動，因此二維探測平面上流函數 實質上是平面流流函數的擴展。考慮到常見的彩色都卜勒超聲血流圖像是扇形的觀測區 域，因此，引入極坐標下「都卜勒流函數」F(r，0)的定義，即F{r,6)= lu{r,d)rdd其中u(r，0)是以都卜勒圖像扇形區域的頂點為原點的極坐標下聲束方向的多 普勒速度，r是血液質點到原點的距離，其計算原理如圖3所示。由(1)可知，如果在彩色 都卜勒圖像的血流區域內以某個距離r沿垂直聲束方向進行曲線積分，則可以得到「多普 勒流距離函數」 F(r)，即F(r)= ^ir,eyde(2)其中
F(r, 0 ) = Fb(r, 0 )+Fp(r, 0 ) (3)其中Fb (r，0)是平面流流函數，Fp (r，0 )是三維流動對應的流函數，也稱源流函 數。因此，從「都卜勒流函數」中去除三維流動(點源、點匯)作用產生的源流函數Fp(r， e)，即為各點平面流流函數。因為三維流動簡化為一系列點源和點匯，因此，心臟流場內各 AFp(r，0)的值由各點源和點匯在該位置的流函數疊加而成。然後，根據公式(3)從「多 普勒流函數」中減去該值即可得到平面流流函數的值。最後，以同層點源和點匯為起始點和 終止點，對與點源和點匯具有相同平面流流函數值的點進行打點，即可形成一系列平面流 線，如圖7所示。綜合上面所述的內容，關於平面流線的繪製主要步驟分為(1)根據彩色都卜勒 心臟血流圖像中的速度標尺提取心臟流場沿聲束方向的速度分量信息；(2)以聲束方向的 速度信息計算心臟流場內各血液質點的「都卜勒流函數」和「都卜勒流距離函數」；(3)採用 單位流量q對「都卜勒流距離函數」進行量化；(4)根據量化的「都卜勒流距離函數」和多 普勒速度信息確定點源和點匯的位置；(5)根據「都卜勒流函數」和點源和點匯的位置計算 平面流流函數值；(6)以點源為起點，點匯為終點，連接具有相同平面流流函數值的血液質 點，即可構成一系列平面流線，在平面流線之間具有相同流函數的血液質點連接形成的封 閉曲線為渦流流線。
權利要求
一種基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特徵在於包括如下步驟A、根據彩色都卜勒心臟血流圖像中的速度標尺提取心臟流場沿聲束方向的速度分量信息；B、以聲束方向的速度分量信息計算心臟流場內各血液質點的「都卜勒流函數」和「都卜勒流距離函數」；C、選定一個單位流量q，並採用單位流量q對「都卜勒流函數」和「都卜勒流距離函數」進行量化，q值的大小決定流線的稀密程度，q值越大流線越稀；D、根據量化的「都卜勒流距離函數」確定點源和點匯與探頭位置的距離r的大小，點源位於量化的「都卜勒流距離函數」階躍下降的位置，點匯位於量化的「都卜勒流距離函數」階躍上升的位置；E、在同一半徑r圓弧上，都卜勒速度的變化率為負，其8 鄰域範圍內都卜勒血流速度方差值最大的那個點為點源，都卜勒速度的變化率為正，其8 鄰域範圍內都卜勒血流速度方差最大值的那個點為點匯；F、計算點源、點匯在各血液質點的流函數值，並進行疊加得到源流函數值，從「都卜勒流函數」中減去源流函數，即可得到平面流流函數；G、以點源為起點，點匯為終點，連接具有相同平面流流函數值的血液質點，即可構成一系列平面流線，在平面流線之間具有相同流函數的血液質點連接形成的封閉曲線為渦流流線。
2.根據權利要求1所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法， 其特徵在於在步驟A中，利用最小二乘法對二維觀測平面流場中各個血液質點的彩色信 息與心臟血流速度標尺中的彩色信息進行匹配，通過下面的方程式尋找速度標尺上顏色信 息與給定的血液質點顏色信息最接近的點，然後採用分段線性函數計算心臟流場沿聲束方 向的血流速度分量u， 其中Rb，Gb，Bb,分別表示速度標尺上的某一點的RGB顏色分量，Rp，Gp，Bp分別表示流場 內某一血液質點的RGB顏色分量。
3.根據權利要求1所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法， 其特徵在於在步驟B中，極坐標下的「都卜勒流函數」定義為F (r，0),其定義式為 其中，u(r，0)是以都卜勒圖像扇形區域的頂點為原點的極坐標下聲束方向的都卜勒 速度，r是血液質點到原點的距離；對於數字圖像所表示的心臟流場而言，「都卜勒流函數」F(r，0)具有如下的離散形式F(i,j) = f^{u(i,j))nrn=l其中，i，j分別表示數字圖像中的行和列，(u(i，j))i、、、(u(i, j))N表示極坐標下渦流 存在區域距離原點半徑為r的血液質點沿聲速方向的渦流速度分量序列，N表示半徑為r的 圓弧上從參考位置到計算點(i，j)這段圓弧內的血液質點數。
4.根據權利要求1所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法， 其特徵在於在步驟B中，「都卜勒流距離函數」F(r)表示在某一時刻流過觀測平面內半徑 為r的圓弧邊界線的流量，「都卜勒流距離函數」F(r)的定義式為 其中，[9 c 0J表示極坐標下觀測平面內的血液流場觀測區域角度範圍；對於數字圖像所表示的心臟流場而言，其「都卜勒流距離函數」F(r)滿足下式 其中，i，j分別表示數字圖像中的行和列，(u(i, j))p、、、(u(i,」))，表示極坐標下距 離原點半徑為r的所有血液質點沿聲速方向的血流速度序列，N表示同一半徑r上血液質 點的數量。
5.根據權利要求3所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法， 其特徵在於所述「都卜勒流函數」滿足下式F(r, 0) = Fb(r, 0)+Fp(r, 0)其中，Fb(r，0)是平面流流函數，Fp(r，0)是三維流動對應的流函數，也稱源流函數。
全文摘要
本發明公開了一種基於都卜勒圖像信息的心臟流場平面流線可視化描述方法，該方法以二維彩色都卜勒超聲圖像信息為基礎提取二維觀測平面內沿聲束方向的血流速度分量，再通過計算二維探測平面流場的「都卜勒流函數」和「都卜勒流距離函數」，並用點源和點匯來表示三維流動；採用單位流量q對「都卜勒流距離函數」進行量化，根據量化結果和都卜勒血流速度分布情況確定點源和點匯的位置；以點源和點匯分別作為平面流線的起點和終點，根據平面流流函數值相等原則連接相應的起點和終點從而繪製出平面流線。該方法能夠有效實現在探測平面內對心臟流場運動狀態的可視化描述，為心臟流場流體力學狀態的有效可視化觀察和精確量化評價奠定了堅實的基礎。
文檔編號A61B8/06GK101919712SQ201010261910
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月25日 優先權日2010年8月25日
發明者謝盛華 申請人:四川省醫學科學院(四川省人民醫院)