基于多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法，该方法以二维彩色多普勒超声图像信息为基础提取二维观测平面内沿声束方向的血流速度分量，再通过计算二维探测平面流场的“多普勒流函数”和“多普勒流距离函数”，并用点源和点汇来表示三维流动；采用单位流量ｑ对“多普勒流距离函数”进行量化，根据量化结果和多普勒血流速度分布情况确定点源和点汇的位置；以点源和点汇分别作为平面流线的起点和终点，根据平面流流函数值相等原则连接相应的起点和终点从而绘制出平面流线。该方法能够有效实现在探测平面内对心脏流场运动状态的可视化描述，为心脏流场流体力学状态的有效可视化观察和精确量化评价奠定了坚实的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医学图像处理及心脏流场运动状态分析
，具体涉及一种基于 多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法。
技术介绍
作为心脏机械功能的终端表达环节，心脏流场流体的运动状态直接反应心脏功能 状态是否正常。因此，精确分析评价心脏流场流体运动状态，对心脏功能的精确评价、心脏 疾病的诊断和治疗都具有举足轻重的作用。无论在心脏病学基础研究还是在心脏疾病临床 诊断方面，心脏流场流体运动状态的有效可视化观察描述技术均是不可或缺的。不过，由于 心脏流场的特殊性，心脏流场流体运动状态的可视化观察描述均需要借助医学成像技术来 实现。目前关于在体心脏流场观察常见的医学成像技术主要包括磁共振(MRI)血流成 像技术和超声微泡造影粒子成像测速技术，以及彩色多普勒超声血流成像技术。这些技术 均只能提供一些基本的心脏流场流体运动参数，比如速度或者流量等，还不能直接反应心 脏流场流体的真实运动状态。因此，当前关于心脏流场的可视化描述技术主要基于以上这 些成像技术对心脏流场进行深入分析，然后采用图形、图像显示技术，例如速度矢量场、流 线，对流场进行有效的可视化描述。流场流线是流体运动状态的一种常见的可视化描述方法。然而，由于心脏流场的 特殊性，用流线描述复杂的三维心脏流场是一项极其复杂的工作。因此，目前的心脏流场流 线描述方法主要是采用医学成像技术对心脏流场进行二维成像探测，获取二维探测图像后 再进行流场分析。具有代表性的技术有基于MRI血流成像技术的心脏流场流线描述技术和 基于超声多普勒信息的心脏流场流线描述技术。基于MRI血流成像技术的心脏流场流线描 述技术就是以MRI血流图像数据为基础，根据MRI探测的血流速度及流量对心脏流场进行 计算流体力学分析，从而绘制出流线对流场结果进行可视化描述。由于MRI血流成像具有 较高的空间分辨率，因此，在一些具有特殊需求的场合采用MRI血流图像进行流场分析和 描述比较实用。但是MRI血流成像技术扫描时间长，时间分辨率不够理想，对于复杂多变的 心脏流场而言，还难以满足在体心脏流场实时观察和可视化描述的要求。同时，由于强磁场 的原因，MRI技术对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用，因而在临床应用中 具有一定程度的局限性。此外，MRI技术检测心脏结构和功能容易受外界干扰因素影响。因 此，基于MRI血流成像技术的心脏流场流线描述技术很难真正应有于在体心脏流场的可视 化观察方面，而且对于一些特殊病人的不实用，使得该技术的发展和应用推广均受到一定 程度的影响。基于超声多普勒信息的心脏流场流线描述是近些年来出现的一种新型的流场可 视化描述技术。该技术主要是以二维超声多普勒血流图像信息为基础，提取声束方向血流 速度信息，利用该速度信息对心脏流场流体的运动状态进行分析研究，并根据血流速度信 息实现流场流线的绘制。由于超声多普勒血流成像与磁共振血流成像相比，具有时间分辨率高、受外界干扰小、对人体无伤害、操作简便等众多优点，因此基于超声多普勒信息的心 脏流场流线描述技术具有很好的发展前景。不过，由于二维彩色多普勒图像反映的是复杂 三维心脏流场的一个观测平面，血液流体的流动并不局限在观测平面内，心脏流场二维探 测平面上的流线并不是平面流流线，因此，二维探测平面上流线可视化描述是一个比较复 杂的问题。目前该技术的典型代表是由日本学者Ohtsuki提出的平面流显示方法，该方法 将二维观测平面的流体流动分为流进/流出探测平面的三维流动以及在平面内流动的平 面流，采用点源、点汇表示三维流动，并以点源和点汇为起点和终点的平面流线表示平面 流，从而解决了二维彩色多普勒图像上绘制平面流线的问题。但是，该方法的实现还存在一 些局限性，比如点源和点汇位置的确定方面还存在一些不确定的干扰因素，以及平面流流 函数数值计算的不唯一性，从而影响平面流流线的描绘精度。所以，该技术的精确性和稳定 性方面还有待进一步提高，才能真正通过流线有效反映流体的运动状态。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种基于多普勒图像信息的心脏流场平 面流线可视化描述方法，该方法克服现有在体心脏流场可视化观察技术的局限性，以彩色 多普勒心脏超声血流图像信息为基础给出一种能够精确、稳定地对心脏流场二维探测平面 内的流场流线可视化描述方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为提供一种基于多普勒图像信 息的心脏流场平面流线可视化描述方法，其特征在于包括如下步骤A、根据彩色多普勒心脏血流图像中的速度标尺提取心脏流场沿声束方向的速度 分量信息；B、以声束方向的速度分量信息计算心脏流场内各血液质点的“多普勒流函数”和 “多普勒流距离函数”；C、选定一个单位流量q，并采用单位流量q对“多普勒流函数”和“多普勒流距离 函数”进行量化，q值的大小决定流线的稀密程度，q值越大流线越稀；D、根据量化的“多普勒流距离函数”确定点源和点汇与探头位置的距离r的大小， 点源位于量化的“多普勒流距离函数”阶跃下降的位置，点汇位于量化的“多普勒流距离函 数”阶跃上升的位置；E、在同一半径r圆弧上，多普勒速度的变化率为负，其8-邻域范围内多普勒血流 速度方差最大的那个点为点源，多普勒速度的变化率为正，其8-邻域范围内多普勒血流速 度方差最大值的那个点为点汇；F、计算点源、点汇在各血液质点的流函数值，并进行叠加得到源流函数值，从“多 普勒流函数”中减去源流函数，即可得到平面流流函数；G、以点源为起点，点汇为终点，连接具有相同平面流流函数值的血液质点，即可构 成一系列平面流线，在平面流线之间具有相同流函数的血液质点连接形成的封闭曲线为涡 流流线。在步骤A中，利用最小二乘法的原理对二维观测平面流场中各个血液质点的彩色 信息与心脏血流速度标尺中的彩色信息进行匹配，通过下面的方程式寻找速度表尺上颜色 信息与给定的血液质点颜色信息最接近的点，然后采用分段线性函数计算心脏流场沿声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,分别表示速度标尺上的某一点的RGB颜色分量，Rp，Gp，Bp分别表示 流场内某一血液质点的RGB颜色分量。在步骤B中，考虑到常见的彩色多普勒超声血流图像是扇形的观测区域，因此极 坐标下的“多普勒流函数”定义为F(r，0)，其定义式为 其中，u(r，e)是以多普勒图像扇形区域的顶点为原点的极坐标下声束方向的多 普勒速度，r是血液质点到原点的距离。对于数字图像所表示的心脏流场而言，流函数具有 如下的离散形式 其中i，j分别表示数字图像中的行和列，(u(i，j))p、、(u(i, j))N表示极坐标下 涡流存在区域距离原点半径为r的血液质点沿声速方向的涡流速度分量序列，N表示半径 为r的圆弧上从参考位置到计算点(i，j)这段圆弧内的血液质点数。在步骤B中，“多普勒流距离函数”F(r)表示在某一时刻流过观测平面内半径为r 的圆弧边界线的流量，“多普勒流距离函数”F(r)的定义式为 其中，[e…e J表示极坐标下观测平面内的血液流场观测区域角度范围。对于数 字图像所表示的心脏流场而言，其多普勒流距离函数满足下式 其中i，j分别表示数字图像中的行和列，(u(i，j))p、、、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法，其特征在于：包括如下步骤：Ａ、根据彩色多普勒心脏血流图像中的速度标尺提取心脏流场沿声束方向的速度分量信息；Ｂ、以声束方向的速度分量信息计算心脏流场内各血液质点的“多普勒流函数”和“多普勒流距离函数”；Ｃ、选定一个单位流量ｑ，并采用单位流量ｑ对“多普勒流函数”和“多普勒流距离函数”进行量化，ｑ值的大小决定流线的稀密程度，ｑ值越大流线越稀；Ｄ、根据量化的“多普勒流距离函数”确定点源和点汇与探头位置的距离ｒ的大小，点源位于量化的“多普勒流距离函数”阶跃下降的位置，点汇位于量化的“多普勒流距离函数”阶跃上升的位置；Ｅ、在同一半径ｒ圆弧上，多普勒速度的变化率为负，其８－邻域范围内多普勒血流速度方差值最大的那个点为点源，多普勒速度的变化率为正，其８－邻域范围内多普勒血流速度方差最大值的那个点为点汇；Ｆ、计算点源、点汇在各血液质点的流函数值，并进行叠加得到源流函数值，从“多普勒流函数”中减去源流函数，即可得到平面流流函数；Ｇ、以点源为起点，点汇为终点，连接具有相同平面流流函数值的血液质点，即可构成一系列平面流线，在平面流线之间具有相同流函数的血液质点连接形成的封闭曲线为涡流流线。...

【技术特征摘要】
一种基于多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法，其特征在于包括如下步骤A、根据彩色多普勒心脏血流图像中的速度标尺提取心脏流场沿声束方向的速度分量信息；B、以声束方向的速度分量信息计算心脏流场内各血液质点的“多普勒流函数”和“多普勒流距离函数”；C、选定一个单位流量q，并采用单位流量q对“多普勒流函数”和“多普勒流距离函数”进行量化，q值的大小决定流线的稀密程度，q值越大流线越稀；D、根据量化的“多普勒流距离函数”确定点源和点汇与探头位置的距离r的大小，点源位于量化的“多普勒流距离函数”阶跃下降的位置，点汇位于量化的“多普勒流距离函数”阶跃上升的位置；E、在同一半径r圆弧上，多普勒速度的变化率为负，其8 邻域范围内多普勒血流速度方差值最大的那个点为点源，多普勒速度的变化率为正，其8 邻域范围内多普勒血流速度方差最大值的那个点为点汇；F、计算点源、点汇在各血液质点的流函数值，并进行叠加得到源流函数值，从“多普勒流函数”中减去源流函数，即可得到平面流流函数；G、以点源为起点，点汇为终点，连接具有相同平面流流函数值的血液质点，即可构成一系列平面流线，在平面流线之间具有相同流函数的血液质点连接形成的封闭曲线为涡流流线。2.根据权利要求1所述的基于多普勒图像信息的心脏流场平面流线可视化描述方法， 其特征在于在步骤A中，利用最小二乘法对二维观测平面流场中各个血液质点的彩色信 息与心脏血流速度标尺中的彩色信息进行匹配，通过下面的方程式寻找速度标尺上颜色信 息与给定的血液质点颜色信息最接近的点，然后采用分段线性函数计算心脏流场沿声束方 向的血流速度分量u， 其中Rb，Gb，Bb,分别表示速度标尺上的某一点的RGB颜色分量，Rp，Gp，Bp分别表示流场 内某一血液质...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢盛华，
申请(专利权)人：四川省医学科学院四川省人民医院，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]