[发明专利]基于多普勒图像信息的心脏流场速度矢量场可视化描述方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学图像处理及心脏流体力学研究领域，具体涉及一种在体心脏流场流体力学状态可视化量化评价方法。

背景技术

随着医学影像诊断技术的不断发展以及心脏疾病精确诊断要求的日益提高，心脏流场及流体力学状态的可视化观察和量化评价方法引起了众人的关注。但是，由于心脏流场的特殊性和复杂性，经典的医学影像技术只能对心脏流场进行简单的定性可视化观察，难以满足真实心脏流场及流体力学状态的可视化观察和量化评价的要求。近些年来，基于MRI血流成像技术、基于超声微泡粒子成像技术、基于超声多普勒血流向量成像技术的心脏流场可视化量化评价技术的相继出现，是这方面技术发展的一大进步。

基于MRI的可视化量化评价技术就是以MR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流体动力学分析，并采用图像图形技术对其流场进行可视化描述。就该技术具体实施过程来讲，可以大致分为两种：一类通过MRI血流流量及血流速度测量得到活体流场数据，通过分析计算直接在MRI血流灰度图像上对流场进行可视化描述，例如绘制速度矢量分布图、流场流线等等。另一类，则是根据一系列MRI图像，对心血管系统结构进行三维模拟重建，然后在模拟的心血管系统模型上对心血管系统流体动力学的参数进行计算分析，然后对流场进行可视化描述，这也就是通常所说的心血管系统计算流体力学分析。由于MRI血流成像具有较高的空间分辨率以及三维扫描优势，曾一度受到许多学者的青睐。但是，总的来说，基于MRI的可视化量化评价技术不适应于在体心脏流场及流体力学的定量分析，具体主要是以下几个方面的原因：(1)由于MRI成像时扫描时间长，时间分辨率不够理想，难以完全满足在体心脏流场可视化观察的要求；(2)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；(3)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的心脏流场及流体力学状态的可视化量化评价技术的应用和发展都受到了一定的限制。

基于超声造影微泡成像测速(PIV)的可视化量化评价技术可以说是一种新型的PIV技术，其典型代表是2007年美国学者Sengupta等人利用超声造影中的超声微泡作为示踪粒子，通过计算超声微泡运动轨迹，实现对血液流动速度和方向的分析计算，进而实现对心脏流场及流体力学状态的可视化量化评价。但是，由于超声波发射频率和机械指数设置的影响，超声造影微泡常常出现不可控制的不同程度破裂；另外，不同类型微泡、不同浓度以及声能衰减等因素的影响，使得超声造影微泡环境中的PIV技术的稳定性较差。因此，从心脏流场及流体力学状态可视化观察和量化评价技术的可靠性和稳定性的角度来看，基于粒子(超声造影微泡)成像测速(PIV)的可视化量化评价技术具有一定局限性，还有待进一步的研究。

基于多普勒血流超声成像的可视化量化评价技术的典型代表是日本学者Ohtsuki等人于2006年提出的血流向量标测(Vector Flow Mapping，VFM)方法。VFM技术将心脏流场二维观测平面分为基本流和涡流，根据声束方向血流速度信息，结合基本流和涡流的特性，计算垂直声束方向的血流速度，从而实现心脏流场的速度矢量场可视化描述及简单的量化评价。与磁共振血流成像、粒子成像测速相比，多普勒血流成像技术具有以下优点：(1)具有适当的时间分辨率，可以应用于动态的在体心脏流场及流体力学状态可视化量化分析；(2)具有较高的空间分辨率，能同时获取清晰的心脏壁的结构和功能图像和腔内血流图像；(3)受外界干扰小、对人体无伤害；(4)无需注射超声造影剂等示踪剂，操作更为简便。因此，利用多普勒超声血流信息进行心脏流体力学状态的可视化量化评价技术具有很好的发展基础。近年来，国内的一些医学工作者和相关研究人员利用该技术对心脏流场及力学状态进行了一些简单的力学状态可视化观察和量化评价。不过，该方法主要基于特定的超声仪器产生的医学图像，而不是直接从彩色图像处理的角度提取多普勒血流速度信息，对图像信息的来源具有一定的依赖性，而且该方法没有从数字图像所表示的流场离散数据角度对速度矢量场的描述进行阐述，因此不能广泛应用于各种多普勒血流图像的矢量场分析。

发明内容

本发明就是为了克服上述已有技术的不足之处，提出的一种基于多普勒图像信息的心脏流场速度矢量场可视化描述方法。

为达到上述发明目的，本发明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速度矢量场可视化描述方法，其特征在于：包括如下步骤：