基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法

2023-10-17 03:46:09 2

專利名稱：基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法
技術領域：
本發明涉及醫學圖像處理及心臟流體力學研究領域，具體涉及一種在體心臟流場 流體力學狀態可視化量化評價方法。
背景技術：
隨著醫學影像診斷技術的不斷發展以及心臟疾病精確診斷要求的日益提高，心臟 流場及流體力學狀態的可視化觀察和量化評價方法引起了眾人的關注。但是，由於心臟流 場的特殊性和複雜性，經典的醫學影像技術只能對心臟流場進行簡單的定性可視化觀察， 難以滿足真實心臟流場及流體力學狀態的可視化觀察和量化評價的要求。近些年來，基於 MRI血流成像技術、基於超聲微泡粒子成像技術、基於超聲都卜勒血流向量成像技術的心臟 流場可視化量化評價技術的相繼出現，是這方面技術發展的一大進步。基於MRI的可視化量化評價技術就是以MR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流體動力學分析，並採用圖像圖形技術對其流場進行可視化描 述。就該技術具體實施過程來講，可以大致分為兩種一類通過MRI血流流量及血流速度測 量得到活體流場數據，通過分析計算直接在MRI血流灰度圖像上對流場進行可視化描述， 例如繪製速度矢量分布圖、流場流線等等。另一類，則是根據一系列MRI圖像，對心血管系 統結構進行三維模擬重建，然後在模擬的心血管系統模型上對心血管系統流體動力學的參 數進行計算分析，然後對流場進行可視化描述，這也就是通常所說的心血管系統計算流體 力學分析。由於MRI血流成像具有較高的空間解析度以及三維掃描優勢，曾一度受到許多 學者的青睞。但是，總的來說，基於MRI的可視化量化評價技術不適應於在體心臟流場及流 體力學的定量分析，具體主要是以下幾個方面的原因(1)由於MRI成像時掃描時間長，時 間解析度不夠理想，難以完全滿足在體心臟流場可視化觀察的要求；(2)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；(3)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的心臟流場及流體力學狀態的可視 化量化評價技術的應用和發展都受到了一定的限制。基於超聲造影微泡成像測速(PIV)的可視化量化評價技術可以說是一種新型的 Piv技術，其典型代表是2007年美國學者Sengupta等人利用超聲造影中的超聲微泡作為示 蹤粒子，通過計算超聲微泡運動軌跡，實現對血液流動速度和方向的分析計算，進而實現對 心臟流場及流體力學狀態的可視化量化評價。但是，由於超聲波發射頻率和機械指數設置 的影響，超聲造影微泡常常出現不可控制的不同程度破裂；另外，不同類型微泡、不同濃度 以及聲能衰減等因素的影響，使得超聲造影微泡環境中的PIV技術的穩定性較差。因此，從 心臟流場及流體力學狀態可視化觀察和量化評價技術的可靠性和穩定性的角度來看，基於 粒子(超聲造影微泡)成像測速(PIV)的可視化量化評價技術具有一定局限性，還有待進 一步的研究。基於都卜勒血流超聲成像的可視化量化評價技術的典型代表是日本學者Ohtsuki等人於2006年提出的血流向量標測(Vector Flow Mapping, VFM)方法。VFM技術將心臟 流場二維觀測平面分為基本流和渦流，根據聲束方向血流速度信息，結合基本流和渦流的 特性，計算垂直聲束方向的血流速度，從而實現心臟流場的速度矢量場可視化描述及簡單 的量化評價。與磁共振血流成像、粒子成像測速相比，都卜勒血流成像技術具有以下優點 (1)具有適當的時間解析度，可以應用於動態的在體心臟流場及流體力學狀態可視化量化 分析；(2)具有較高的空間解析度，能同時獲取清晰的心臟壁的結構和功能圖像和腔內血 流圖像；(3)受外界幹擾小、對人體無傷害；(4)無需注射超聲造影劑等示蹤劑，操作更為 簡便。因此，利用都卜勒超聲血流信息進行心臟流體力學狀態的可視化量化評價技術具有 很好的發展基礎。近年來，國內的一些醫學工作者和相關研究人員利用該技術對心臟流場 及力學狀態進行了一些簡單的力學狀態可視化觀察和量化評價。不過，該方法主要基於特 定的超聲儀器產生的醫學圖像，而不是直接從彩色圖像處理的角度提取都卜勒血流速度信 息，對圖像信息的來源具有一定的依賴性，而且該方法沒有從數字圖像所表示的流場離散 數據角度對速度矢量場的描述進行闡述，因此不能廣泛應用於各種都卜勒血流圖像的矢量 場分析。

發明內容
本發明就是為了克服上述已有技術的不足之處，提出的一種基於都卜勒圖像信息 的心臟流場速度矢量場可視化描述方法。為達到上述發明目的，本發明所採用的技術方案為提供一種基於都卜勒圖像信 息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法，其特徵在於包括如下步驟A、以彩色都卜勒超聲數字圖像信息為基礎，根據心臟血流速度標尺提取二維觀測 平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量u ；B、將二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量U分解為流進流 出二維觀測平面的三維基本流動和具有封閉流線的漩渦流動，即基本流Ub和渦流Us ；C、同理，垂直於聲束方向的血流速度分量ν可分解為基本流垂直聲束方向的速度 分量Vb和渦流垂直聲束方向的速度分量Vs ；D、分別計算基本流和渦流沿聲束方向和垂直於聲束方向的速度分量ub、us, vb和
V ·
v S 『E、對上述各速度分量進行矢量合成，計算出二維觀測平面流場中每一個血液質點 的真實速度分量；F、在彩色都卜勒超聲圖像上繪製各個血液質點的速度矢量圖。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D中，

=i(l - k)u 在基本流與渦流共存區域 Ub=\ O 在僅有渦流存在的區域
\ku 在基本流與渦流共存區域
U=S
5 1 U 在僅有渦流存在的區域其中，u為二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量，k為係數。所述係數k的定義為
k =
s_
如果足(r)
如果
砂)其中，F+(r)為「正向都卜勒流距離函數」，F_(r)為「負向都卜勒流距離函數」，分別 表示朝向探頭速度成分的都卜勒流距離函數和背離探頭速度成分的都卜勒流距離函數，渦 流流量 S+ = -S_ = min (F+ (r)，_F_ (r))。所述「正向都卜勒流距離函數」F+(r)和「負向都卜勒流距離函數」F_(r)滿足下式F(r) = F+(r)+F_(r)式中，F(r)為「都卜勒流距離函數」，其定義式為式中，u(r，θ)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 普勒血流速度分量，r是血液質點到原點的距離，[θ μ θ 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」F(r)滿足下式
NF(r) = Y^iuQ J))nr
=ι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；同理，可以計算出正向的正向都卜勒流距離函數「正向都卜勒流距離函數」 F+(r) 和「負向都卜勒流距離函數」 F_(r)，即=
=1=其中，u+(i，j)，u_(i，j)分別表示朝向探頭和背向探頭的聲速方向的血流速度。在步驟D中，垂直聲束方向的速度分量Vb和渦流垂直聲束方向的速度分量Ys可通 過下列方程式計算得出
7 其中，α表示聲束方向與基本流流線切線方向之間的夾角，S為渦流流函數，即S =/ usrd θ ；對於數字圖像所表示渦流區域，渦流流函數S的離散形式如下 其中，i，j分別表示數字圖像中的行和列，(us(i，j))p、、(us(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。同理，在數字圖像表示的渦流區域，Vs的計算具有如下離散形式-Vs (i, j) = (S(i, j)-S' )/r其中，r表示點(i，j)的極坐標半徑，S』表示點(i，j)的8-鄰域範圍內與(i，j) 具有相同的極坐標θ且極坐標半徑大於r的點所對應的離散渦流流函數值。在步驟E中，聲束方向的速度分量u和垂直於聲束方向的速度分量ν滿足下式 其中，ub表示基本流沿聲束方向的速度分量，Us表示渦流沿聲束方向的速度分量， Vb表示基本流垂直聲束方向的速度分量，Vs表示渦流垂直聲束方向的速度分量。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速度矢量場可視化描 述方法給出了一種在彩色都卜勒圖像處理的基礎上對在體心臟流場血流速度矢量場的可 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，大大提高了在體心臟 流體力學狀態的可視化量化評價的效率及應用範圍。


圖1為基本流和渦流疊加示意圖；其中圖(a)為基本流示意圖，圖(b)為渦流示意圖，圖(C)為基本流和渦流的疊加 示意圖；圖2為極坐標下都卜勒流函數F (r，θ )及都卜勒流距離函數F (r)計算原理圖；圖3為基本流速度成分Vb計算原理示意圖；圖4為所繪製的流場速度矢量圖。
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速度矢量場可視化描述方法包 括如下步驟:A、以彩色都卜勒超聲數字圖像信息為基礎，根據心臟血流速度標尺提取二維 觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量u ；B、將二維觀測平面流場中心臟流 場沿聲束方向的血流速度分量u分解為流進流出二維觀測平面的三維基本流動和具有封
8閉流線的漩渦流動，即基本流Ub和渦流Us ；C、同理，垂直於聲束方向的血流速度分量ν可分 解為基本流垂直聲束方向的速度分量Vb和渦流垂直聲束方向的速度分量Vs ；D、分別計算基 本流和渦流沿聲束方向和垂直於聲束方向的速度分量ub、us、Vb和Ys ；E、對上述各速度分量 進行矢量合成，計算出二維觀測平面流場中每一個血液質點的真實速度分量；F、在彩色多 普勒超聲圖像上繪製各個血液質點的速度矢量圖。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D中，
=i(l - k)u 在基本流與渦流共存區域 Ub={ 0 在僅有渦流存在的區域
二 [ku 在基本流與渦流共存區域 Us=\u 在僅有渦流存在的區域其中，u為二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量，k為係數。所述係數k的定義為 其中，F+(r)為「正向都卜勒流距離函數」，F_(r)為「負向都卜勒流距離函數」，分別 表示朝向探頭速度成分的都卜勒流距離函數和背離探頭速度成分的都卜勒流距離函數，渦 流流量 S+ = -S_ = min (F+ (r)，_F_ (r))。所述「正向都卜勒流距離函數」F+(r)和「負向都卜勒流距離函數」F_(r)滿足下式 式中，F(r)為「都卜勒流距離函數」，其定義式為 式中，u(r，θ)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 普勒血流速度分量，r是血液質點到原點的距離，[θ μ θ 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」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, 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；同理，可以計算出正向的正向都卜勒流距離函數「正向都卜勒流距離函數」 F+(r) 和「負向都卜勒流距離函數」 F_(r)，即 其中，u+(i，j)，u_(i，j)分別表示朝向探頭和背向探頭的聲速方向的血流速度。在步驟D中，垂直聲束方向的速度分量Vb和渦流垂直聲束方向的速度分量Ys可通 過下列方程式計算得出vb = ubtan α 其中，α表示聲束方向與基本流流線切線方向之間的夾角，S為渦流流函數，即S =f usrd θ ；對於數字圖像所表示渦流區域，渦流流函數S的離散形式如下 其中，i，j分別表示數字圖像中的行和列，(us(i，j))p、、(us(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。同理，在數字圖像表示的渦流區域，Vs的計算具有如下離散形式-Vs (i, j) = (S(i, j)-S' )/r其中，r表示點(i，j)的極坐標半徑，S』表示點(i，j)的8-鄰域範圍內與(i，j) 具有相同的極坐標θ且極坐標半徑大於r的點所對應的離散渦流流函數值。在步驟E中，聲束方向的速度分量u和垂直於聲束方向的速度分量ν滿足下式u = ub+usν = vb+vs其中，ub表示基本流沿聲束方向的速度分量，Us表示渦流沿聲束方向的速度分量， Vb表示基本流垂直聲束方向的速度分量，Vs表示渦流垂直聲束方向的速度分量。下面結合附圖對本發明的原理作如下描述本發明提出的基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法是利 用超聲都卜勒血流圖像所包含的聲束方向血流速度信息作為心臟流場速度矢量場可視化 描述的基礎，提取了二維觀測平面上聲束方向的血流速度分量；根據三維流場中二維觀測 平面流場的特點，將二維觀測平面的流動分解成基本流和渦流，然後分別計算基本流和渦 流沿聲束方向和垂直聲束方向的速度分量；最後通過對各速度分量進行矢量合成，計算出二維觀測平面流場中每一質點的真實速度矢量，並在圖像中對血流速度矢量場進行可視化 描述。本發明首次在彩色都卜勒圖像處理的基礎上提供了一種在體心臟流場血流速度矢量 場的可視化描述方法，大大提高了在體心臟流體力學狀態的可視化量化評價的效率及應用 範圍。一幅常見的彩色都卜勒心臟血流圖像都包含有條狀的心臟血流速度標尺。因此， 彩色都卜勒心臟血流圖像中的聲束方向血流速度信息可以根據速度標尺提取。本發明採用 最小二乘方的原理，對血液質點的彩色信息與速度標尺中的彩色信息進行匹配，即通過(1) 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。e = ((Rb-Rp)2+ (Gb-Gp)2+ (Bb-Bp)2)1/2 (1)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；然後採用分段線性函數計算具體的速度值。二維的彩色都卜勒血流圖像實際上表示的是三維流場的一個觀測平面。由於血液 質點的運動是三維運動，因此觀測平面上的速度矢量實際上是血液質點的三維運動速度矢 量在該平面的一個分量。如果用流線來表示三維流場的觀測平面內血液質點運動的情況， 則該平面內的流線應該是三維流線在二維平面上的投影。就一個具體的觀測平面而言，在 某一觀測時刻既有流進或流出觀測平面進行三維流動的血液質點，也有在觀測平面內運動 的血液質點。所以，二維彩色都卜勒血流圖像所表示的流場並不是一個平面流，不能用簡單 的流函數來計算垂直聲束方向的血流速度。但是，如果把流進流出觀測平面的流動稱為三 維基本流動，簡稱基本流；把平面內的流動看成是具有封閉流線的漩渦流動，簡稱為渦流， 則觀測平面的流動情況可以看成是基本流和渦流的疊加效果，如圖1所示。由此可以看出， 聲束方向的速度u可以看成是基本流和渦流的疊加，表示為U = ub+us (2)其中Ub表示基本流沿聲束方向的速度分量，Us表示渦流沿聲束方向的速度分量； 而垂直於聲束方向的速度V，同理可以表示為ν = vb+vs (3)其中Vb表示基本流垂直聲束方向的速度分量，Vs表示渦流垂直聲束方向的速度分 量。由此可以看出，如果要計算觀測平面內垂直聲束方向的速度，只要先計算出基本流和渦 流沿聲束方向的速度分量，並在此基礎上分別計算基本流和渦流垂直聲束方向的速度分量 即可實現。依據上述的方法可以知，在觀測平面內沿聲束方向的速度分量U是由基本流速度 分量Ub與渦流速度分量Us疊加而成，而且基本流速度分量Ub與渦流速度分量Us是計算垂 直聲束方向速度分量Vb和Vs的基礎。因此，必須從聲束方向的速度分量U中分解出基本流 速度分量Ub與渦流速度分量Us，才能計算出垂直聲束方向的速度分量V。為了分解聲束方 向基本流和渦流的速度成分，有必要引入「都卜勒流函數F(r，θ )，，的定義，即F{r, θ) = ￡ u(r, Q)rdQ(4)其中u(r，θ)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 普勒血流速度分量，r是血液質點到原點的距離，其計算原理如圖2所示。由(4)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 到都卜勒流距離函數F (r)，即
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F(r)=(習其中[0c 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。由此可 以看出，以不同的距離r在觀測區域內沿圓弧進行曲線積分運算，即可得到都卜勒流距離 函數F(r)，其計算原理如圖2所示。從圖2可以看出，在聲束方向的速度u已知的情況下，觀測區域內的都卜勒流函數 和都卜勒流距離函數都可以通過計算得到。同時，從圖2可以看出，都卜勒流距離函數F(r) 包含了背離探頭方向的速度成分u_和朝向探頭方向的速度成分u+的積分和，因此可以將多 普勒流距離函數進行如下分解 其中F+(r)為正，F_(r)為負，分別表示朝向探頭速度成分的都卜勒流距離函數和 背離探頭速度成分的都卜勒流距離函數。但是值得注意的是，當觀測區域內有渦流存在的 時，根據平面流函數的性質可知，沿穿過渦流區域的某一曲線的積分為零，即 因此，F(r)中並不包含渦流速度成分。為了從聲束方向的速度成分中分解出渦流 的速度成分和基本流的速度成分，在此，可以假設計算都卜勒流距離函數的過程中正負抵 消的部分為渦流的流函數值，即渦流流函數S(r，9)與？(1~，0)具有如下關係 由(8)式可知，對於給定r，如果F+(r) > _F_(r)，則F(r)大於零，血液總的流向朝 向探頭，則基本流僅僅分布在朝向探頭的部分，即背向探頭的部分只包含渦流；同理，如果 F+(r) <-F_(r)JUF(r)小於零，血液總的流向是背離探頭，則基本流僅僅分布在背離探頭 的部分，即朝向探頭的部分只包含渦流。在基本流與渦流共存的區域，渦流的流函數與多普 勒流距離函數之間存在如下比例關係，即 由此可以得出渦流速度成分us與聲束方向總速度u之間的關係，即
\ku 在基本流與渦流共存區域 Mf =| u 在僅有渦流存在的區域同理，基本流的速度成分ub與聲束方向總速度u之間的關係式為
\(\-k)u 在基本流與渦流共存區域 Wa = 1 O 在僅有渦流存在的區域至此，沿聲束方向基本流速度成分ub及渦流速度成分\的速度成分得以確定。在基本流速度成分ub和渦流速度成分us確定的情況下，可以根據基本流流線的 特點計算垂直於聲束方向的基本流速度成分vb，根據渦流流函數的性質計算垂直於聲束方向的渦流速度成分vs。根據流線的定義可以知，從圖1中所示的基本流流線可以得出基本 流的真實速度方向，即基本流流線的切線方向。因此，在基本流存在的區域進行基本流流線 的繪製是計算基本流速度成分vb的關鍵。從前面所述的內容可知，基本流的都卜勒流函數 Fb(r，0)可以由都卜勒流函數F(r，0)和渦流流函數S(r，0)來定義，即 同理可得到基本流都卜勒流距離函數Fb(r)的表達式，即 由於本發明所述的基本流並不是平面流，因此不能用流函數值相同的點來表示一 條流線。這裡所說的基本流的流線實質上是指基本流流函數Fb(r，0)與基本流都卜勒流 距離函數Fb(r)具有相同比值的點組成的一條光滑的曲線。在基本流流線確定的情況下， 即可計算出垂直聲束方向的速度成分vb』，即 其中a表示聲束方向與基本流流線切線方向之間的夾角，其計算原理如圖3所 示。另外，因為渦流是二維平面流動，滿足流函數的性質，因此流函數與渦流的速度成分us 和vs分別滿足如下關係， 由此可以看出，在us已知的情況下，可以通過下式計算可得流函數S，即 在得到流函數的基礎上，通過(16)式即可得到渦流垂直聲束方向速度成分vs。綜合上述方法計算出的，vb, vs,即可得到血液質點垂直聲束方向的血流速度V，然 後將沿著聲束方向的速度U和垂直聲束方向的速度V進行矢量合成，即可得到血液質點的 真實速度矢量。在各血液質點速度矢量已知的情況下，即可在彩色都卜勒血流圖像上繪製 各血液質點的速度矢量圖。
權利要求
一種基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法，其特徵在於包括如下步驟A、以彩色都卜勒超聲數字圖像信息為基礎，根據心臟血流速度標尺提取二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量u；B、將二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量u分解為流進流出二維觀測平面的三維基本流動和具有封閉流線的漩渦流動，即基本流ub和渦流us；C、同理，垂直於聲束方向的血流速度分量v可分解為基本流垂直聲束方向的速度分量vb和渦流垂直聲束方向的速度分量vs；D、分別計算基本流和渦流沿聲束方向和垂直於聲束方向的速度分量ub、us、vb和vs；E、對上述各速度分量進行矢量合成，計算出二維觀測平面流場中每一個血液質點的真實速度分量；F、在彩色都卜勒超聲圖像上繪製各個血液質點的速度矢量圖。
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速度矢量場可視化描述方 法，其特徵在於在步驟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， 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速度矢量場可視化描述方 法，其特徵在於在步驟D中， 在基本流與渦流共存區域 Ub=\ 0 在僅有渦流存在的區域Jku 在基本流與渦流共存區域 = [ u 在僅有渦流存在的區域其中，U為二維觀測平面流場中心臟流場沿聲束方向的血流速度分量，k為係數。
4.根據權利要求3所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方 法，其特徵在於所述係數k的定義為 其中，F+(r)為「正向都卜勒流距離函數」，F_(r)為「負向都卜勒流距離函數」，分別表示 朝向探頭速度成分的都卜勒流距離函數和背離探頭速度成分的都卜勒流距離函數，渦流流 量 S+ = -S_ = min (F+ (r)，_F_ (r))。
5.根據權利要求4所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方 法，其特徵在於所述「正向都卜勒流距離函數」F+(r)和「負向都卜勒流距離函數」F_(r)滿 足下式 式中，F(r)為「都卜勒流距離函數」，其定義式為 F(r)= ^u{r,0)rde式中，u(r，θ)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 血流速度分量，r是血液質點到原點的距離，[θ μ θ 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」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；同理，可以計算出正向的正向都卜勒流距離函數「正向都卜勒流距離函數」F+(r)和「負 向都卜勒流距離函數」F_(r)，即 其中，u+(i，j)，u_(i，j)分別表示朝向探頭和背向探頭的聲速方向的血流速度。
6.根據權利要求1所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方 法，其特徵在於在步驟D中，垂直聲束方向的速度分量Vb和渦流垂直聲束方向的速度分量 Vs可通過下列方程式計算得出 其中，α表示聲束方向與基本流流線切線方向之間的夾角，S為渦流流函數，即S = / usrd9 ；對於數字圖像所表示渦流區域，渦流流函數S的離散形式如下 其中，i，j分別表示數字圖像中的行和列，(us(i，j))p、、(us(i,」))，表示極坐標下潤 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。 同理，在數字圖像表示的渦流區域，Vs的計算具有如下離散形式 -Vs (i, j) = (S(i, j)-S' )/r其中，r表示點(i，j)的極坐標半徑，S』表示點(i，j)的8-鄰域範圍內與(i，j)具有 相同的極坐標θ且極坐標半徑大於r的點所對應的離散渦流流函數值。
7.根據權利要求1所述的基於都卜勒圖像信息的心臟流場速度矢量場可視化描述方法，其特徵在於在步驟E中，聲束方向的速度分量u和垂直於聲束方向的速度分量ν滿足 下式U = ub+us V = Vb+Vs其中，Ub表示基本流沿聲束方向的速度分量，Us表示渦流沿聲束方向的速度分量，Vb表 示基本流垂直聲束方向的速度分量，Vs表示渦流垂直聲束方向的速度分量。
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速度矢量場可視化描述方法，該方法以二維彩色都卜勒數字圖像信息為基礎，提取了二維觀測平面上聲束方向的血流速度分量；根據三維流場中二維觀測平面流場的特點，將二維觀測平面的流動分解成基本流和渦流，然後分別計算基本流和渦流沿聲束方向和垂直聲束方向的速度分量；最後通過對各速度分量進行矢量合成，計算出二維觀測平面流場中每一質點的真實速度矢量，並在圖像中對血流速度矢量場進行可視化描述。本發明首次在彩色都卜勒數字圖像處理的基礎上提供了一種在體心臟流場血流速度矢量場的可視化描述方法，大大提高了在體心臟流體力學狀態的可視化量化評價的效率。
文檔編號A61B8/06GK101919711SQ20101026190
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)