[发明专利]一种利用计算机对心脏运动序列图像的处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用计算机对心脏运动序列图像的处理方法，具体地说是一种根据心脏运动序列图像进行心脏运动和心肌材料特性联合估计的处理方法。

背景技术

人体的血液循环系统负责向全身各个器官提供氧气和营养物质，并带走代谢产生的废物。心脏是循环系统的动力器官，由于心脏的“泵”的作用，血液循环才得以维持。心脏的泵血能力使得循环系统保持着足够的压力。如果心脏不能实现泵血功能，动脉血压即迅速下降，使全身各器官的供血不足，从而发生功能障碍以至危及生命。在心脏疾病的诊断和治疗中，如何从定量的角度对心脏功能和结构状况进行分析，是国内外医学图像分析领域和生物力学领域一直关注的重要课题。理论研究和大量临床实验表明，心室的形状变化与某些心脏疾病有着直接联系，通过分析心肌的运动状况，可以得到大量关于心脏结构和功能的重要信息，如应力应变状态。心肌的应力应变状态具有重要的生理、病理启示：它影响冠脉血流的分布和耗氧状况；也可作为心肌变形、肥大和纤维化、心肌梗塞的诊断和修复的信号等等。

现代医学成像技术的发展，使得对心脏形态变化、运动情况等的非入侵观察和分析成为可能。研究人员和医生们可以利用MRI、CT、超声波以及PET等多种成像技术来取得心脏的结构或功能图。

在心脏运动分析领域，通常的研究方法是利用MRI或者其他成像工具采集一个心脏循环的多幅图象；然后进行图像分割，接着得到幅-幅之间的直接匹配位移数据，即特征点的位移场；最后利用这些稀疏的部分数据来重建整体的光滑位移场。

其实这类问题都可归结为已知部分数据来估计整体的逆问题，用微分方程可以表示为S(q，u(q))＝F，q为材料模型参数，u为系统的状态比如位移量，S为系统微分操作算子，F为负载，目的是从部分u值中估计出整体的u值。为了使逆问题得到唯一解，需要加上约束模型即正则化处理。由于心脏信号的往复运动特性，人们也意识到进行多幅(multi-frame)分析的重要性。Meyer等人假设心脏组织元素的运动轨迹为椭圆，使用Kalman滤波器来估计左心室的形变；McEachen等人使用自适应滤波器；Prince等人使用Kriging方法来跟踪心脏的运动。但是，无论是frame-to-frame的分析还是multi-frame的分析，无论使用那种模型作为约束条件，这些模型在求解过程中都是固定不变的(即q值是固定不变的)。而研究人员早已经意识到这些模型的参数选择将对分析的最终结果产生重要影响。

连续生物力学模型因其可以提供丰富的力学参数，在心脏分割和心脏运动分析领域都得到了广泛的应用。连续生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支，其重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。连续生物力学的基础是能量守恒、动量定律，质量守恒三定律。利用生物力学模型可以将复杂的生物组织属性转换为数学上可以求解的形式。

生物力学中研究心脏的力学和材料属性是假设心脏的运动信息已知(比如依靠植入种子获得或者通过成像方法测量运动信息，即u值为完全已知)，然后从这些已知的信息中来估计本构关系中的材料参数如杨氏模量、泊松比等等。标识MRI技术最近被广泛用于心脏的研究，心脏材料参数数据通常是通过极小化标识MRI的观测值与有限元模型的预测值来获得。但是，问题是如何从标识MRI或者其他成像手段中获得可靠的位移运动信息依然是个待解的问题。

总结起来，心脏运动是非刚性的运动过程，从心脏力学(或者数学)模型出发，给定材料(模型)参数和边界约束条件，求解心肌的位移、应变应力场，是心脏运动分析的研究内容。而把该问题进行逆向分析，求解心脏的材料特性，是心脏材料分析的研究内容。尽管现有的分析方法都取得了一定的成效，但是它们都是割裂地看待这两个密切相关的问题，一方面，对于某一具体的研究对象(比如特定的病人)，我们只知道心脏材料模型的先验数据但并不知道符合该特定对象的约束模型及其参数，因而所求得的运动分析结果往往并不能完全反应该特定对象的心脏运动状态，如何选定合适的模型和参数成为问题的瓶颈。另一方面，从图像中观测到的运动数据通常是稀疏和存在噪声的，因而得到的心脏材料特性往往不够理想。

发明内容

本发明提供一种利用计算机，根据心脏运动序列图像，对心脏运动和心肌材料特性联合估计的处理方法。