專利名稱：一種心臟流場平面流線可視化描述方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理及心臟流場運(yùn)動狀態(tài)分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種心臟流場平面流線可視化描述方法。
背景技術(shù)：
作為心臟機(jī)械功能的終端表達(dá)環(huán)節(jié)，心臟流場流體的運(yùn)動狀態(tài)直接反應(yīng)心臟功能狀態(tài)是否正常。因此，精確分析評價心臟流場流體運(yùn)動狀態(tài)，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(xué)基礎(chǔ)研究還是在心臟疾病臨床診斷方面，心臟流場流體運(yùn)動狀態(tài)的有效可視化觀察描述技術(shù)均是不可或缺的。不過，由于心臟流場的特殊性，心臟流場流體運(yùn)動狀態(tài)的可視化觀察描述均需要借助醫(yī)學(xué)成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
目前關(guān)于在體心臟流場觀察常見的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)主要包括磁共振(MRI)血流成像技術(shù)和超聲微泡造影粒子成像測速技術(shù)，以及彩色多普勒超聲血流成像技術(shù)。這些技術(shù)均只能提供一些基本的心臟流場流體運(yùn)動參數(shù)，比如速度或者流量等，還不能直接反應(yīng)心臟流場流體的真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)。因此，當(dāng)前關(guān)于心臟流場的可視化描述技術(shù)主要基于以上這些成像技術(shù)對心臟流場進(jìn)行深入分析，然后采用圖形、圖像顯示技術(shù)，例如速度矢量場、流線，對流場進(jìn)行有效的可視化描述。流場流線是流體運(yùn)動狀態(tài)的一種常見的可視化描述方法。然而，由于心臟流場的特殊性，用流線描述復(fù)雜的三維心臟流場是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作。因此，目前的心臟流場流線描述方法主要是采用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對心臟流場進(jìn)行二維成像探測，獲取二維探測圖像后再進(jìn)行流場分析。具有代表性的技術(shù)有基于MRI血流成像技術(shù)的心臟流場流線描述技術(shù)和基于超聲多普勒信息的心臟流場流線描述技術(shù)。基于MRI血流成像技術(shù)的心臟流場流線描述技術(shù)就是以MRI血流圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)MRI探測的血流速度及流量對心臟流場進(jìn)行計算流體力學(xué)分析，從而繪制出流線對流場結(jié)果進(jìn)行可視化描述。由于MRI血流成像具有較高的空間分辨率，因此，在一些具有特殊需求的場合采用MRI血流圖像進(jìn)行流場分析和描述比較實(shí)用。但是MRI血流成像技術(shù)掃描時間長，時間分辨率不夠理想，對于復(fù)雜多變的心臟流場而言，還難以滿足在體心臟流場實(shí)時觀察和可視化描述的要求。同時，由于強(qiáng)磁場的原因，MRI技術(shù)對諸如體內(nèi)有磁金屬或起搏器的特殊病人卻不能適用，因而在臨床應(yīng)用中具有一定程度的局限性。此外，MRI技術(shù)檢測心臟結(jié)構(gòu)和功能容易受外界干擾因素影響。因此，基于MRI血流成像技術(shù)的心臟流場流線描述技術(shù)很難真正應(yīng)有于在體心臟流場的可視化觀察方面，而且對于一些特殊病人的不實(shí)用，使得該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣均受到一定程度的影響。基于超聲多普勒信息的心臟流場流線描述是近些年來出現(xiàn)的一種新型的流場可視化描述技術(shù)。該技術(shù)主要是以二維超聲多普勒血流圖像信息為基礎(chǔ)，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(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)血流速度信息實(shí)現(xiàn)流場流線的繪制。由于超聲多普勒血流成像與磁共振血流成像相比，具有時間分辨率高、受外界干擾小、對人體無傷害、操作簡便等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此基于超聲多普勒信息的心臟流場流線描述技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。不過，由于二維彩色多普勒圖像反映的是復(fù)雜三維心臟流場的一個觀測平面，血液流體的流動并不局限在觀測平面內(nèi)，心臟流場二維探測平面上的流線并不是平面流流線，因此，二維探測平面上流線可視化描述是一個比較復(fù)雜的問題。目前該技術(shù)的典型代表是由日本學(xué)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(jìn)/流出探測平面的三維流動以及在平面內(nèi)流動的平面流，采用點(diǎn)源、點(diǎn)匯表示三維流動，并以點(diǎn)源和點(diǎn)匯為起點(diǎn)和終點(diǎn)的平面流線表示平面流，從而解決了二維彩色多普勒圖像上繪制平面流線的問題。但是，該方法的實(shí)現(xiàn)還存在一些局限性，比如點(diǎn)源和點(diǎn)匯位置的確定方面還存在一些不確定的干擾因素，以及平面流流函數(shù)數(shù)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(shù)的精確性和穩(wěn)定性方面還有待進(jìn)一步提聞，才能真正通過流線有效反映流體的運(yùn)動狀態(tài)?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種心臟流場平面流線可視化描述方法，該方法克服現(xiàn)有在體心臟流場可視化觀察技術(shù)的局限性，以彩色多普勒心臟超聲血流圖像信息為基礎(chǔ)給出一種能夠精確、穩(wěn)定地對心臟流場二維探測平面內(nèi)的流場流線可視化描述方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為提供一種心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于包括如下步驟A、根據(jù)彩色多普勒心臟血流圖像中的速度標(biāo)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(nèi)各血液質(zhì)點(diǎn)的“多普勒流函數(shù)”和“多普勒流距離函數(shù)”；C、選定一個單位流量q，并采用單位流量q對“多普勒流函數(shù)”和“多普勒流距離函數(shù)”進(jìn)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(jù)量化的“多普勒流距離函數(shù)”確定點(diǎn)源和點(diǎn)匯與探頭位置的距離r的大小，點(diǎn)源位于量化的“多普勒流距離函數(shù)”階躍下降的位置，點(diǎn)匯位于量化的“多普勒流距離函數(shù)”階躍上升的位置；E、在同一半徑r圓弧上，多普勒速度的變化率為負(fù)，其8-鄰域范圍內(nèi)多普勒血流速度方差最大的那個點(diǎn)為點(diǎn)源，多普勒速度的變化率為正，其8-鄰域范圍內(nèi)多普勒血流速度方差最大值的那個點(diǎn)為點(diǎn)匯；F、計算點(diǎn)源、點(diǎn)匯在各血液質(zhì)點(diǎn)的流函數(shù)值，并進(jìn)行疊加得到源流函數(shù)值，從“多普勒流函數(shù)”中減去源流函數(shù)，即可得到平面流流函數(shù)；G、以點(diǎn)源為起點(diǎn)，點(diǎn)匯為終點(diǎn)，連接具有相同平面流流函數(shù)值的血液質(zhì)點(diǎn)，即可構(gòu)成一系列平面流線，在平面流線之間具有相同流函數(shù)的血液質(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)的彩色信息與心臟血流速度標(biāo)尺中的彩色信息進(jìn)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(zhì)點(diǎn)顏色信息最接近的點(diǎn)，然后采用分段線性函數(shù)計算心臟流場沿聲束方向的血流速度分量U，
權(quán)利要求
1.一種心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于包括如下步驟 A、根據(jù)彩色多普勒心臟血流圖像中的速度標(biāo)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(nèi)各血液質(zhì)點(diǎn)的“多普勒流函數(shù)”和“多普勒流距離函數(shù)”； C、選定一個單位流量q，并采用單位流量q對“多普勒流函數(shù)”和“多普勒流距離函數(shù)”進(jìn)行量化，Q值的大小決定流線的稀密程度，Q值越大流線越?。? D、根據(jù)量化的“多普勒流距離函數(shù)”確定點(diǎn)源和點(diǎn)匯與探頭位置的距離r的大小，點(diǎn)源位于量化的“多普勒流距離函數(shù)”階躍下降的位置，點(diǎn)匯位于量化的“多普勒流距離函數(shù)”階躍上升的位置； E、在同一半徑r圓弧上，多普勒速度的變化率為負(fù)，其8-鄰域范圍內(nèi)多普勒血流速度方差值最大的那個點(diǎn)為點(diǎn)源，多普勒速度的變化率為正，其8-鄰域范圍內(nèi)多普勒血流速度方差最大值的那個點(diǎn)為點(diǎn)匯； F、計算點(diǎn)源、點(diǎn)匯在各血液質(zhì)點(diǎn)的流函數(shù)值，并進(jìn)行疊加得到源流函數(shù)值，從“多普勒流函數(shù)”中減去源流函數(shù)，即可得到平面流流函數(shù)； G、以點(diǎn)源為起點(diǎn)，點(diǎn)匯為終點(diǎn)，連接具有相同平面流流函數(shù)值的血液質(zhì)點(diǎn)，即可構(gòu)成一系列平面流線，在平面流線之間具有相同流函數(shù)的血液質(zhì)點(diǎn)連接形成的封閉曲線為渦流流線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于在步驟A中，利用最小二乘法對二維觀測平面流場中各個血液質(zhì)點(diǎn)的彩色信息與心臟血流速度標(biāo)尺中的彩色信息進(jìn)行匹配，通過下面的方程式尋找速度標(biāo)尺上顏色信息與給定的血液質(zhì)點(diǎn)顏色信息最接近的點(diǎn)，然后采用分段線性函數(shù)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(biāo)尺上的某一點(diǎn)的RGB顏色分量，Rp, Gp, Bp分別表示流場內(nèi)某一血液質(zhì)點(diǎn)的RGB顏色分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于在步驟B中，極坐標(biāo)下的“多普勒流函數(shù)”定義為F (r，Θ )，其定義式為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于在步驟B中，“多普勒流距離函數(shù)”F(r)表示在某一時刻流過觀測平面內(nèi)半徑為r的圓弧邊界線的流量，“多普勒流距離函數(shù)” F (r)的定義式為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的心臟流場平面流線可視化描述方法，其特征在于所述“多普勒流函數(shù)”滿足下式F(r, Θ ) = Fb(r, 0)+Fp(r, θ) 其中，F(xiàn)b(r，Θ)是平面流流函數(shù)，F(xiàn)p(r，Θ)是三維流動對應(yīng)的流函數(shù)，也稱源流函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種心臟流場平面流線可視化描述方法，該方法以二維彩色多普勒超聲圖像信息為基礎(chǔ)提取二維觀測平面內(nèi)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“多普勒流函數(shù)”和“多普勒流距離函數(shù)”，并用點(diǎn)源和點(diǎn)匯來表示三維流動；采用單位流量q對“多普勒流距離函數(shù)”進(jìn)行量化，根據(jù)量化結(jié)果和多普勒血流速度分布情況確定點(diǎn)源和點(diǎn)匯的位置；以點(diǎn)源和點(diǎn)匯分別作為平面流線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，根據(jù)平面流流函數(shù)值相等原則連接相應(yīng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)從而繪制出平面流線。該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)在探測平面內(nèi)對心臟流場運(yùn)動狀態(tài)的可視化描述，為心臟流場流體力學(xué)狀態(tài)的有效可視化觀察和精確量化評價奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
文檔編號G06F19/00GK103006271SQ20121050531
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者王竹 申請人:西華大學(xué)