[发明专利]基于光流和拉格朗日涡度偏差的心脏血流涡度环识别方法

说明书

本发明公开了一种基于光流和拉格朗日涡度偏差的心脏血流涡度环识别方法。该方法包括：估计两个连续的相衬磁共振成像PC‑MRI之间的光流，其中中间光流场通过扭曲构造连续速度场的过程来近似；使用合成速度场来提取拉格朗日涡核和目标腔室内的区域来计算拉格朗日平均涡度偏差LAVD，以识别心脏血流涡度环。本发明基于光流信息准确地识别涡旋环和连续速度场，从而更准确的表征心腔内主要拉格朗日涡环的区域。

技术领域

本发明涉及医学图像分析技术领域，更具体地，涉及一种基于光流和拉格朗日涡度偏差的心脏血流涡度环识别方法。

背景技术

测量心脏血流涡流特性有助于促进调节心脏功能的血流动力学分析。然而，由于心脏血流的复杂性以及其他物理限制，使得很难精确识别心腔中的主要涡流，这些涡流在调节心脏功能方面发挥着重要作用。

心脏内血流涡旋的形成对表征血流机制的功能和向心腔的能量转移具有重要意义，是量化心脏整体功能的重要指标。在帮助血液循环到心室的各个区域方面，观察到由涡环形成传输的流体流，相对于通过稳定的、直线喷射流传输的流体流更有效。众所周知，心肌具有相互缠绕的螺旋纤维。因此，当心肌收缩时，心室会扭曲，这就是血液有效地排出心室的方式。这种心室扭曲导致心室血流中形成高涡度的涡环。相比之下，心肌病的心脏收缩力受损，因此扭曲较少，因此，它们的涡环较小，涡度较低。由此可知，涡环的形成与心脏功能和个体的健康状况密切相关，而结合心脏的结构参数，通过涡流分析可以深入分析心脏功能，并有助于区分正常受试者和心脏病患者。因此，开发一种能够量化涡环特征及其在心动周期中的动态变化的方法，可以了解涡环的生理功能，促进心脏诊断及其病理变化的探索。

有趣的是，相衬磁共振成像(PC-MRI，或称相位对比磁共振成像)允许基于MRI(核磁共振成像)对血流的固有敏感性进行三维MR(核磁共振)速度映射，并为测量体内复杂的血流模式提供了独特的工具。早些时候Wong等人进行了一项研究，其中使用从扫描PC-MRI获得的流场测量涡流的涡度，以表征心腔内涡流的位置和强度。但这项研究的主要限制是其基于全局估计，不包括从涡流区域提取局部信息来阐明主导涡流的功能。识别主导涡环是全面描述心腔(如左心室)内产生的旋涡血流导致血液流出的关键。

目前，由于涡流没有统一的定义，不同的涡流准则已被用于提取心室内的涡流信息。Elbaz等人在舒张早期和晚期血流中采用了左心室(LV)涡流检测标准λ_2。Krauter等人计算了整个心动周期中基于Q准则的识别涡流的速度矢量的无发散部分。上述方法是基于区域的，用于在单个帧中提取瞬时涡环，这阻碍了对涡环形成过程的正确探索。等人认为Lyapunov(李雅普诺夫)指数值高于50％作为拉格朗日涡环来识别涡流边界。拉格朗日涡环可以更准确地描述发育过程，但方法保守，不包括涡核。在Yang等人的研究中，采用拉格朗日平均涡度偏差(LAVD)来识别拉格朗日涡和欧拉涡的核心区域，用于测量LV血流中的涡量和涡度，以便更准确地量化涡流形成。Wong等人在右心房(RA)中确定了两个相反旋转的主要涡流，但应用了无监督数据聚类算法，而没有考虑血流特征。

综上，尽管现有的涡流量化方法可以一定程度上识别心腔中的主要涡流，但仍存在精度不高、没有描述涡流变形过程、忽略了涡流中心等问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于光流和拉格朗日涡度偏差的心脏血流涡度环识别方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：估计两个连续的相衬磁共振成像PC-MRI之间的光流，其中中间光流场通过扭曲构造连续速度场的过程来近似；

步骤S2：使用合成速度场来提取拉格朗日涡核和目标腔室内的区域来计算拉格朗日平均涡度偏差LAVD，以识别心脏血流涡度环。

与现有技术相比，本发明的优点在于，提出光流拉格朗日平均涡度偏差(或称为Optical flow-LAVD)方法，通过使用拉格朗日平均涡度偏差实现更准确地识别和量化血流涡环，改进了心脏内涡流特征的描述。