[发明专利]一种基于流体力学微分方程的脑纤维非对称重构方法

说明书

一种基于流体力学微分方程的脑纤维非对称重构方法，将纤维束看作流束，通过引入流体力学中的相关概念对纤维重构进行建模；以流体力学中的散度概念来描述纤维在体素内的连续性；通过延伸散度在体素间的概念来描述纤维束的空间一致性；通过这两个约束条件最优化计算非对称型脑纤维微结构重构。实验分别在模拟磁共振数据和实际临床数据上与目前流行的纤维重构方法进行对比，实验结果证明本发明提出的方法提高了纤维重构的精确性。

技术邻域

本发明涉及计算机图形学下的医学成像、神经解剖学邻域，尤其是一种脑纤维微结构重构方法。

背景技术

大脑是控制人类进行逻辑思维、学习记忆、运动及情感等复杂功能活动的综合器官，对人脑工作机理的探究是当前科学研究的前沿和热点。脑白质纤维重构技术通过将具有解剖学意义的大脑纤维空间微结构信息进行成像，是目前在活体大脑中纤维组织微结构成像唯一的非侵入无创方法，已成为大脑认知机理探究、神经类疾病病理分析以及脑手术导航等脑科学研究的重要技术手段。

脑纤维微结构重构是脑纤维成像的基础步骤，为纤维束跟踪提供精确的纤维方向估计。传统重构方法往往仅依靠单体素信息进行体素的微结构重构，且模型的类型基本为中心对称型模型，限制了纤维方向重构的准确性。提出新的更为准确的脑纤维微结构重构模型是研究的热点。

发明内容

为了克服已有脑纤维微结构重构方法对于单体素信息的依赖性、精度较低以及模型为中心对称的问题，本发明提出一种结合体素的邻域信息，基于流体力学微分方程的非对称型脑纤维微结构重构方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于流体力学微分方程的脑纤维非对称重构方法，包括如下步骤：

步骤一、非对称性纤维轨迹分布(fiber trajectory distribution,FTD)函数：

将纤维束看作流束，流束由一系列的流线集合构成S＝{s_i,i＝1,···,n}，空间任意一点(x,y,z)的流线切线为该点的流场，以流场来表示体素内任意一点的纤维方向：

以整个体素内的流场分布表示FTD，使用一组三元二次多项式来近似体素内的FTD：

υ(x,y,z)＝AC(x,y,z)                 (2)

其中，系数矩阵A定义如下：

以C表示C(x,y,z)＝[x²,y²,z²,xy,xz,yz,x,y,z,1]^T；

步骤二、结合纤维束在邻域上的空间连续性，过程如下：

2.1、体素内FTD的连续性约束

假设水分子在同一纤维束中的扩散位移保持连续性，使用连续不可压缩流体理论，通过引入扩散张量矢量场上纤维流的发散概念来描述纤维轨迹的空间连续性：

当FTD不属于神经纤维束的起始或终止区域时，divΩ满足下式：

divΩ＝0                   (5)

联立公式(2)、(3)、(4)、(5)得：