專(zhuān)利名稱(chēng)：：三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于加標(biāo)記的心臟核磁共振成像(taggedMRI)的心肌形變和應(yīng)變分析技術(shù)，特別是一種基于局部插值的3D(三維)心肌應(yīng)變計(jì)算方法。技術(shù)背景心臟運(yùn)動(dòng)是非剛體的復(fù)雜3D運(yùn)動(dòng)，在周期性的搏動(dòng)中發(fā)生形變(包括位移，剪切，旋轉(zhuǎn)，收縮或者擴(kuò)張等)。通過(guò)計(jì)算心肌質(zhì)點(diǎn)3D的運(yùn)動(dòng)，可獲得心肌各點(diǎn)的3D應(yīng)變量。3D心肌應(yīng)變數(shù)據(jù)是心臟疾病的臨床診斷和心臟運(yùn)動(dòng)的研究的重參數(shù)。因此，分析3D心臟的應(yīng)變的時(shí)空分布具有重要的研究?jī)r(jià)值，是目前國(guó)內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之當(dāng)前，非介入性(noinvasive)的心臟醫(yī)學(xué)成像主要方法有心臟超聲成像和核磁共振成像(MRI)。加標(biāo)記的心臟核磁共振成像技術(shù)(TaggedMRI)是目前心臟影像分析研究中采用最多的成像方式之一，它將磁飽和模式在射頻脈沖的作用下加到心肌上形成標(biāo)記面(tag面)，使心肌內(nèi)的tag面隨著心肌一起運(yùn)動(dòng)，通過(guò)觀測(cè)標(biāo)記面與影像平面交線(tag線)的運(yùn)動(dòng)研究心肌內(nèi)部的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，如圖l所示。但taggedMRI是在2D成像平面上獲取的離散的心肌質(zhì)點(diǎn)位移場(chǎng)信息。不能直接得到心肌的3D位移。因此必須通過(guò)一些特殊方法，利用所獲得的稀疏的2D位移信息來(lái)重建心肌的3D形變和計(jì)算心肌的應(yīng)變。目前使用的方法有(1)生物力學(xué)方法。將心肌假設(shè)為不可壓縮的彈性固體物質(zhì)，滿足材料力學(xué)中的壓力——應(yīng)力關(guān)系，服從Hooke定理；再用有限元方法對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析和計(jì)算。(P.Shi.ImageAnalysisof3DCardiacMotionUsingPhysicalandGeometricalModels[D]Ph.D.Dissertation,YaleUniversity,1996)(2)隨機(jī)模型方法。通過(guò)構(gòu)造隨機(jī)過(guò)程或隨機(jī)場(chǎng)來(lái)得到度量模型，再使用估計(jì)方法求解模型。(L.Yan,T.S.Denny.UnsupervisedEstimationofleftVentriculardisplacementfromMRtaggedImagesusingMarkovRandomfieldedgePriors[C].IEEE,1998.)(3)可變形模型方法。應(yīng)用幾何方法對(duì)心肌形狀進(jìn)行描述，用力學(xué)模型來(lái)跟蹤心臟的運(yùn)動(dòng)和形變，用逼近理論來(lái)解決模型求解問(wèn)題。是當(dāng)前使用較多的一種方法。(4)B樣條模型方法。借助于B樣條可以表示單方向的tag線位移和tag面的變形，描繪3D立體時(shí)空連續(xù)統(tǒng)。(A.Amini.R.W.Curwen,JohnC.Gore.Snakesandsplinesfortrackingno-rigidheartmotion[C].AnEuropeanConferenceonComputervision,UniversityofCambridge,UK，April1996251-261.)(5)光流方法。光流(opticalflow)方法可以從相鄰的圖像幀中分析物體真實(shí)的2D運(yùn)動(dòng)情況。可用該方法對(duì)加標(biāo)記線的MRI圖像進(jìn)行了分析。但此方法在MRI圖像的處理應(yīng)用上還有待研究上。但上述方法都存在著算法復(fù)雜、耗時(shí)多、計(jì)算精度低、(心肌連續(xù)性和等容性)前提假設(shè)有爭(zhēng)議等問(wèn)題?；诰植繑M合的心肌質(zhì)點(diǎn)位移方法提出了使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擬合心肌位移的方法，但沒(méi)有解決計(jì)算心肌應(yīng)變的問(wèn)題(朱近王平安夏德深基于BPNN方法的心肌形變計(jì)算，計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2005Vol.42No.12pp:2143-2149)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種由離散2D心肌運(yùn)動(dòng)場(chǎng)數(shù)據(jù)重建心肌質(zhì)點(diǎn)3D連續(xù)運(yùn)動(dòng)模型及計(jì)算3D心肌形變、應(yīng)變的方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，在完成加標(biāo)記的心臟核磁共振影像序列分割處理的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，對(duì)心肌按時(shí)間、空間坐標(biāo)劃分多個(gè)局部區(qū)間，擬合局部位移場(chǎng)，然后對(duì)位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，再通過(guò)牛頓迭代法求解心肌質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和心肌形變參數(shù)，最后使用非線性局部插補(bǔ)技術(shù)計(jì)算心肌應(yīng)變參數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)物理意義明確。計(jì)算中僅使用一個(gè)心動(dòng)周期的標(biāo)記線交點(diǎn)信息建立心肌質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型，模型中沒(méi)引入心肌是各向均勻的和不可壓縮等假設(shè)，因而是可行的。(2)算法簡(jiǎn)單有效。不需要建立和求解復(fù)雜的偏微分方程或高維B樣條曲面。(3)模型適合于并行計(jì)算。由于每個(gè)函數(shù)的擬合與計(jì)算僅與局部區(qū)間數(shù)據(jù)相關(guān)，在硬件環(huán)境允許時(shí)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)并行算法，以提高計(jì)算速度。(4)能夠計(jì)算任意心肌質(zhì)點(diǎn)的前向與后向運(yùn)動(dòng)。(5)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可作為三維心臟超聲應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的成像平面與標(biāo)記面關(guān)系圖。(a)為短軸影像面與tag面關(guān)系；(b)為長(zhǎng)軸影像面與tag面關(guān)系。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的PBNN結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式說(shuō)明書(shū)附圖2是本發(fā)明的組合后的示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步披露。實(shí)施例一種紙制家具，包括家具本體和底座，該家具本體是一整張紙板材1或者多張紙板材l;紙板材的數(shù)量根據(jù)家具的大小和復(fù)雜程度來(lái)確定。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要設(shè)置了折痕或者刻痕線2;家具本體沿痕跡折疊后組成；底座與家具本體安裝在一起，形成家具。家具本體的紙板材還設(shè)置插接接口，各個(gè)部分插接在一起。紙制家具的紙板材最外面至少設(shè)置一層防水層。以一個(gè)立方體的家具為例；請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)附圖，在一張紙板材上設(shè)置了折痕線，沿著折痕線折疊，就成了一個(gè)立方體，再安裝上塑料的底座，即可以使用了。"難("％(,。))'"/她,)，z("))(/)式中R，r分別表示在&時(shí)刻，柱坐標(biāo)中心肌外壁和內(nèi)壁與z軸的距離。通過(guò)公式(I)可以判斷一個(gè)空間點(diǎn)；&~，少似,z似)在心肌內(nèi)的條件為/i"(e(0,力?！穅V"。)"2"。)^/。w(e(0,z(,。))(//)(2)局部連續(xù)位移場(chǎng)方程組的建立從表1和2中可得到采樣時(shí)刻^位于離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上心肌質(zhì)點(diǎn)的位移分量。由這些稀疏的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)建立描述心肌質(zhì)點(diǎn)連續(xù)位移場(chǎng)的方程4禍=《(《),3<0,艱)力(邵.,=/抓)處風(fēng))力真實(shí)心肌質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模式是未知的，而無(wú)法有效確定方程(in)的形式。為此，我們將心肌按時(shí)間空間坐標(biāo)分別建立以(A,//)和(A:々)為區(qū)域中心的"*;^和"*;/個(gè)局部(子)區(qū)間。對(duì)各子區(qū)間可以使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)、多項(xiàng)式或支持向量機(jī)(SVM)方式建立擬合函數(shù)。對(duì)Sp和Lp中節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間&0'=0，,...，上，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)區(qū)域上的擬合方法如下a.局部(子)區(qū)間的劃分取表l中i行的xw-x&入乂o""o入zi0=zf^禾n々為(4D)區(qū)域中心"=/,2,...，叫,-乂=0,7,...,"-^，尋找所有滿足條件IxM-x,。lSM[nr乂。lsMk。-z,。I^ZA的A;行，作為短軸子區(qū)間i;其中為短軸影像面上初始tag線的間距的1.5倍，&p>0為短軸影像面間距的1.5倍。同理，對(duì)長(zhǎng)軸取表2中的;,'行的6^-0f^,?！阂籵),^=ZfW和(/為區(qū)域中心，尋找所有滿足條件1^r^l56^/lko-z,cl5^的;V行，其中&〉0為長(zhǎng)軸影像面的間夾角的1.5倍，作為長(zhǎng)子區(qū)間/';w〉0為長(zhǎng)軸初始teg面的間距的1.5倍。b.訓(xùn)練集和教師集的建立在短軸子區(qū)間中將6c她…,入6cM,yM>z肌rp#〃6f她y她z她J加入短軸訓(xùn)練輸入矢量集PTs中；取同一行中3個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的2D位移"x^戶^J^">")，(JjcZW,辦ZW)和""fV/入4)W"/"加入短軸的教師矢量集Ss中。同樣，將(&0,)加入長(zhǎng)軸訓(xùn)練集PT/中；取同一行中3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的1D位移分量Jz^,/入JzZW和zfz^,+^加入長(zhǎng)軸教師矢量集S/中。c.局部擬合函數(shù)的建立根據(jù)所選用的擬合函數(shù)形式，用對(duì)應(yīng)訓(xùn)練輸入集、教師集數(shù)據(jù)和均方誤差最小原則計(jì)算各擬合函數(shù)/的具體參數(shù)(系數(shù))，即建立了局部連續(xù)位移場(chǎng)方程組。(3)位移場(chǎng)分量的計(jì)算方程組(III)的建立解決了心肌位移場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題。由此基礎(chǔ)上可求解在to時(shí)刻位于左心室上的任意心肌質(zhì)點(diǎn)p(3cj^，在"寸刻位移分量(血W，辦^和z^W)，計(jì)算的過(guò)程如下a.心肌質(zhì)點(diǎn)的檢測(cè)對(duì)點(diǎn)；^x，少力，判斷其在&時(shí)刻是否位于心肌內(nèi)的計(jì)算為/'"(外。),z(,0》S^/x2(,。)+/(,。)S/。w(e(,o),z(/。))。式中的力"和/。",由公式(n)得到。b.計(jì)算區(qū)域中心令//ET且min化力l|/=0,/,...,"-7}，AeSpimin{[p-Al|/=厶2,…,mj;其中卜^|表示;？與A兩點(diǎn)的歐氏距離。此時(shí)&,,^即為心肌質(zhì)點(diǎn)P在,時(shí)刻，短軸方向的位移場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域中心。同理設(shè)外E丄p且min([p-外l|^厶二..局}。(pfc/;)為心肌質(zhì)點(diǎn)/7在Z時(shí)刻，長(zhǎng)軸方向的位移場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域中心。c.計(jì)算位移場(chǎng)分量在獲取的短軸與長(zhǎng)軸位移場(chǎng)計(jì)算區(qū)域中心后，選擇對(duì)應(yīng)的局部擬合函數(shù)(A/y和/z)，再由(III)式計(jì)算出p點(diǎn)的3個(gè)位移場(chǎng)分量^;c似4yW和^z^。(4)3D心肌質(zhì)點(diǎn)位移計(jì)算為計(jì)算點(diǎn);的真實(shí)位移(AX,AY,AZ)，我們建立了牛頓迭代公式&('+|)=/zD+V'),瓶),0(IV)V'+')=/XOD，z(/0)+Az('+V)式中時(shí)間f的取值應(yīng)在心動(dòng)周期內(nèi)，6c(f。),:K,。),zC。)J是心肌質(zhì)點(diǎn)P在參考時(shí)刻的坐標(biāo)。迭代結(jié)束條件為|A^+1)-Axw|<s,|Ay(1+1^y(i)|<s和IAz(w)-Az(i)|<e,在實(shí)際計(jì)算時(shí)取s-0.01mm，一般在2-5次迭代后即可收斂。取AX=Ax(i+1),AYMy(i+"和AZ=Az(i+1)。通過(guò)對(duì)心肌質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的逐點(diǎn)計(jì)算，即可完成對(duì)整個(gè)心臟的形變的計(jì)算。(IV)式可以簡(jiǎn)單表示為(ax，厶y,az)=/wu("),y(,)，z(,),o(v)心肌質(zhì)點(diǎn)p在t時(shí)刻的坐標(biāo)p(t)=p(to)+(AX(t),AY(t),AZ(t))。(5)基于非線性局部插補(bǔ)的心肌應(yīng)變計(jì)算方法應(yīng)變是彈性力學(xué)中的概念，能夠包括形變的全部信息。因此被廣泛應(yīng)用于描述彈性塑性體的形變。針對(duì)心臟應(yīng)變分析的方法主要采用基于Green應(yīng)變方法。設(shè)在t時(shí)刻心肌質(zhì)點(diǎn)p(t)具有坐標(biāo)(y,,y2,y3)，如經(jīng)過(guò)常數(shù)時(shí)間At,p(t+At)點(diǎn)移動(dòng)至U(x!，x2,x3)位置。數(shù)學(xué)關(guān)系為x,=x,(y,,72,;;3)/=1,2，3，少,=(;c,,x2,、)/=1,2,3'心肌質(zhì)點(diǎn)p的位移為；c,=a+/=1,2，3，Ui稱(chēng)為心肌質(zhì)點(diǎn)p的相對(duì)位移。p點(diǎn)的Green應(yīng)變計(jì)算公式+w=1,2,3(VI)有6個(gè)獨(dú)立應(yīng)變分量(en，e!2,ei3，e22,e23,e33}，其中e2^ei2,e32=e23。a.心肌質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)計(jì)算首先需要計(jì)算心肌質(zhì)點(diǎn)p(t)在參考時(shí)刻(舒張末期)T=0的初始坐標(biāo)值。即由p(t)反向計(jì)算P(O)。我們?cè)O(shè)計(jì)了迭代方法計(jì)算'(Ax('),V),Az('))=;(x(0)('),少(O)('),z(0)('),0x(0)('+"=xK(0Ax(0X0)('+')"W-、(物(')(VII)z(O)('")=z(0—A:z(/)Az式中poeLV表示初始點(diǎn)po位于心肌內(nèi)部。p(t)=(x(t)，y(t)，z(t))-(yi,y2,y3)為已知量，迭代結(jié)束條件為|x(0)(i+1)-x(0)(i)|<e,|y(0)(i+1)-y(0)w|<s和lz(O)(i+1)-z(0)(i)|<s。e是預(yù)定一個(gè)小正數(shù)，一般取s-O.lmm。f^是計(jì)算(正向)心肌質(zhì)點(diǎn)位移的公式(V〉。kx,ky,kz是修正因子，與迭代次數(shù)i有關(guān)，取kx=ky=kz=l/(i+l)。結(jié)果為p(0)=(x(0)(i+1)，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>VII)式可以簡(jiǎn)單表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>.心肌質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移計(jì)算已知心肌質(zhì)點(diǎn)p(t)=(yi>y2,y3)，計(jì)算該點(diǎn)經(jīng)過(guò)At時(shí)間后p(t+At)=(Xl,x2,X3)的相對(duì)位移(U!,U2,U3)方法<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>.網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的心肌應(yīng)變計(jì)算設(shè)P(t一(y,，y2,y3)是在t時(shí)刻位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的心肌質(zhì)點(diǎn)，選取同一時(shí)刻相鄰影像層上相鄰tag面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P，(t)=(yi'，y2'，y3')。在t+At時(shí)刻P點(diǎn)的位置為P(t+At)=(Xl,x2，x3)=(yi+ui,y2+u2,y3+u3)，P，(t+At)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xr+m',x2'+u2'，x3'+u3')，可由公式(IX)計(jì)算得到。心肌變形后，兩質(zhì)點(diǎn)的位移差為A『(AUbAU2,Au3"(ur-VH,U2-U2,U3'-U3)。在x方向<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其x方向(卜l)位移的偏微分為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>?？捎?lt;formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>同方法分別計(jì)算y(i一2)和z(i^3)方向的情況。再通過(guò)公式(VI)可計(jì)算出各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P的6個(gè)應(yīng)變分量(E,j)(i,j-l,2,3)。d.用局部插值方法計(jì)算非網(wǎng)格的心肌質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)榱藴p少計(jì)算量，對(duì)其它非網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)p的應(yīng)變分量(e^(i,j-l，2,3)的計(jì)算采用通過(guò)對(duì)已求得的相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(P)的應(yīng)變分量(E》插值獲得首先將感興趣心肌區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變(EijKi,j-l,2,3)全部計(jì)算出來(lái)。設(shè)非網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的心肌質(zhì)點(diǎn)p坐標(biāo)為(x,y,z)，建立對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)子集<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>,Pe網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))，d取tag線間隔的1.5倍，d'取短軸影像面間隔的1.5倍，Sp中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為np。設(shè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P,的坐標(biāo)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>，應(yīng)變?yōu)?lt;formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>，心肌質(zhì)點(diǎn)p的應(yīng)變(e^p用非線性插補(bǔ)方法計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式中的s用于平滑噪聲影響避免出現(xiàn)鋸齒狀分布，取￡=0.01。用公式(X)對(duì)感興趣的心肌質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)所需的應(yīng)變計(jì)算。實(shí)施例本發(fā)明的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法過(guò)程為1、原始數(shù)據(jù)整理采樣時(shí)刻為丁="7,",…，49,...,60}，共有11=15個(gè)時(shí)間點(diǎn)，其中^=77為心臟舒張期末；x和y方向的tag面數(shù)目各取7，z方向的tag面數(shù)為9;短軸影像面數(shù)取10(ds=0.6132cm),長(zhǎng)軸影像面數(shù)取8(de=22.5°=0.3927弧度)。表1短軸分割結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>2、建立以(^,為區(qū)域中心的局部擬合函數(shù)采用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)模型，區(qū)域中心(-1.7345,-1.3297,-1.5107,15)，取閾值cH).5782承1.5=0.8673;建立短軸訓(xùn)練集PTS={(-1.7345,-1.3297,-1.5107,11)，(-1.7345,-1.3297，-1.5107,15)，(-1.7345，-1.1563，-1.5107,11),...};教師集Ss={(0,0),(0.2811,0.0116),(0,0),…〉；建立長(zhǎng)軸訓(xùn)練集PT,={(-3.1416,2.1959,-1.4493,11)，(-3.1416,2.1959，-1.4493,15),(-3.1416，1.3430，-1.4493,11),...};教師集S尸(O,-0.0378,0,...}。采用2層結(jié)構(gòu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擬合，見(jiàn)附圖。所有BPNN的輸入節(jié)點(diǎn)為4(xj,z力，長(zhǎng)軸輸出層節(jié)點(diǎn)為l(Jz)，短軸輸出層節(jié)點(diǎn)為2(/bc,4v)。因心肌幾何形狀的不規(guī)則性，對(duì)不同的區(qū)域中心所建立的訓(xùn)練集(教師集)的大小也不一樣。尸r,和&中元素個(gè)數(shù)為18~54，P7)和&的中元素為16~36。中間層采用雙曲正切S型(tansig)傳遞函數(shù)，輸出層為線性(purelin)傳遞函數(shù)可以滿足位移場(chǎng)的擬合要求。短軸PBNN中間層神經(jīng)元數(shù)目在28之間，長(zhǎng)軸PBNN中間層神經(jīng)元數(shù)目在2~5之間隨訓(xùn)練集的大小而變化。用對(duì)BPNN進(jìn)行訓(xùn)練，即建立了局部擬合函數(shù)(in)。3、位移場(chǎng)分量的計(jì)算取&=11時(shí)刻位于心肌內(nèi)的心肌質(zhì)點(diǎn)/7feKz戶(-1.70，-1.30,-1.50)，時(shí)間t16，得到計(jì)算區(qū)域中心(-1.7345,-1.3297,-1.5107，15)，選擇對(duì)應(yīng)的局部BPNN(/砂和/2)，再由(IV)式計(jì)算出p點(diǎn)的相對(duì)于舒張末期^=11時(shí)刻3個(gè)位移場(chǎng)分量Jx〈7",Jj;"0和zJ^6入4、3D心肌質(zhì)點(diǎn)位移計(jì)算為計(jì)算心肌質(zhì)點(diǎn)；^(-1.70，-1.30,-1.50)在時(shí)間/=16的真實(shí)位移，將坐標(biāo)值和時(shí)間值代入公式(V):艮卩(h,打,Az):/w(-〃0,-",16)可計(jì)算出p點(diǎn)的3D真實(shí)位移(血,辦A)。在完成加標(biāo)記的心臟核磁共振影像序列分割處理的基礎(chǔ)上，將心肌按時(shí)間空間坐標(biāo)劃分多個(gè)局部(子)區(qū)間，使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)、多項(xiàng)式或支持向量機(jī)(SVM)擬合局部位移場(chǎng)，再通過(guò)牛頓迭代方法對(duì)建立的局部連續(xù)位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，求解心肌質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和心肌形變參數(shù)。權(quán)利要求1、一種三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于在完成加標(biāo)記的心臟核磁共振影像序列分割處理的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，對(duì)心肌按時(shí)間、空間坐標(biāo)劃分多個(gè)局部區(qū)間，擬合局部位移場(chǎng)，然后對(duì)位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，再通過(guò)牛頓迭代法求解心肌質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和心肌形變參數(shù)，最后使用非線性局部插補(bǔ)技術(shù)計(jì)算心肌應(yīng)變參數(shù)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于含有短軸方向和長(zhǎng)軸方向的影像序列作分割數(shù)據(jù)后處理，即來(lái)自對(duì)加標(biāo)記的心臟核磁共振影像TaggedMRI序列的分割結(jié)果，其短軸方向的tag線為網(wǎng)格型，間隔為A;其長(zhǎng)軸方向的tag線為平行線，間隔為"/;影像序列的n個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)T-(&,~,...,^;}，其中^為舒張末期作為參考時(shí)刻，短軸影像面間隔為&;長(zhǎng)軸影像面間隔為必，在對(duì)TaggedMRI序列進(jìn)行分割獲得各層圖像tag線的網(wǎng)格交點(diǎn)和tag線與心肌內(nèi)外輪廓的交點(diǎn)，經(jīng)分割處理后得到所有交點(diǎn)的編碼"交點(diǎn)參考時(shí)刻坐標(biāo)p,和f,時(shí)刻的位移分量厶《J及Z(;;《J的短軸分割處理結(jié)果，其中編碼2,…，ms;為Xw=X(V,，=病>*'；Ax(,》=x(,》-x(,0),AK,》=W》-:K,0)'戶i'2，…，n-l;以及包括所有交點(diǎn)的編碼/、交點(diǎn)參考時(shí)刻極坐標(biāo)仏和f,時(shí)刻的位移Zlz"P的長(zhǎng)軸分割結(jié)果，其中編碼&、.7,nu;^為S,力=e0。)'。0=YW，a『z&);/^。)Az(。=z(,》-z(,。)，尸1,2'…，n-l。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于首先，進(jìn)行局部區(qū)間的劃分，艮P:(o將心肌按時(shí)間空間坐標(biāo)分別建立以(a,o)和(&,0)為區(qū)域中心的"*^和"*叫個(gè)局部區(qū)間，a表示在時(shí)間^，編碼為/的短軸交點(diǎn)(x^a)，X"W,zf"^)，仏表示在時(shí)間？。，編碼為/的長(zhǎng)軸交點(diǎn)(斷oAr似,z似)；(2)以(a,6)和(仏，ry)為區(qū)域中心來(lái)確定局部區(qū)間，取短軸分割處理結(jié)果編碼為的交點(diǎn)^為xfjc似,乃『j;似和&為4D區(qū)域中心fiW，2,...，;j'=0，7,…，"力，尋找所有滿足條件為l:^o-xwlSL^。-乂olS^/1k0-z,0|5w的A:行，作為短軸局部區(qū)間/;其中為短軸影像面上初始tag線的間距的1.1~1.9倍，",O為短軸影像面間距的U1.9倍；同理，對(duì)長(zhǎng)軸分割處理結(jié)果編碼為z'的交點(diǎn)仏的=^。)，z,。=<W和々為4D區(qū)域中心，尋辨所有滿足條件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>的^交點(diǎn)，其中&>0為長(zhǎng)軸影像面的間夾角的U1.9倍，作為長(zhǎng)軸局部區(qū)間/';^〉0為長(zhǎng)軸初始tag面的間距的1.1-1.9倍；然后，建立訓(xùn)練集和教師集，艮P:在短軸局部區(qū)間/中將<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>加入短軸訓(xùn)練矢量集PTS中，取3個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的2D位移<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>辦ZW)和"AfV/入辦W"/))加入短軸的教師矢量集Ss中；同樣，在長(zhǎng)軸局部區(qū)間/'中將<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>加入長(zhǎng)軸訓(xùn)練集PT/中，取3個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的1D位移分量Jz,Jz^。和Z(zW,+^加入長(zhǎng)軸教師矢量集S/中；最后，局部擬合函數(shù)的建立，艮P:選用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BPNN、多項(xiàng)式或支持向量機(jī)SVM的擬合函數(shù)形式，用對(duì)應(yīng)訓(xùn)練輸入集、教師集數(shù)據(jù)和均方誤差最小原則計(jì)算各擬合函數(shù)/的具體參數(shù)，即建立局部連續(xù)位移場(chǎng)方程組，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>x似,zf^是心肌質(zhì);在參考時(shí)刻&的坐標(biāo)點(diǎn)；AO辦~和Zlzfy是P在時(shí)刻^的位移量；A，厶，和/2是擬合函數(shù)，具體形式依所選用的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BPNN、多項(xiàng)式或支持向量機(jī)SVM而定。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于位移場(chǎng)的計(jì)算，在局部連續(xù)位移場(chǎng)方程組的基礎(chǔ)上求解在^時(shí)刻位于左心室上的任意心肌質(zhì)點(diǎn)P(3c,y力，計(jì)算在/時(shí)刻位移分量(zorw,z/:rw和zizw)，其過(guò)程如下(l)心肌質(zhì)點(diǎn)的檢測(cè)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)/^XJ力，判斷其在/c時(shí)刻是否位于心肌內(nèi)，即p(3c,y力是否在心肌內(nèi)壁力。和心肌外壁/。",之間，判斷式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(2)選擇區(qū)域中心，令盧T且min{I巧|17,...,"-/}，PiESp且min{[p陽(yáng);,lI/=7,2,...，w,};其中^Ai表示p與；,兩點(diǎn)的歐氏距離，此時(shí)(p;,0即為心肌質(zhì)點(diǎn)p在/時(shí)刻，短軸方向的位移場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域中心；同理設(shè)AE一且min([p-外l|A=7，2，...,/^}，(;fc/;)為心肌質(zhì)點(diǎn)p在Z時(shí)刻，長(zhǎng)軸方向的位移場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域中心；(3)計(jì)算位移場(chǎng)，在獲取的短軸與長(zhǎng)軸位移場(chǎng)區(qū)域中心后，選擇對(duì)應(yīng)的局部擬合函數(shù)(左《和/2)，再由局部連續(xù)位移場(chǎng)方程組計(jì)算出；？點(diǎn)位移場(chǎng)的3個(gè)分量^x似」少^禾B」z(」。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于3D心肌質(zhì)點(diǎn)位移計(jì)算，即為計(jì)算點(diǎn)/7的位移分量zizw,dir"和jz^，建立牛頓迭代公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中時(shí)間,的取值應(yīng)在心動(dòng)周期內(nèi)，〈Jc(f。),;^。)，W。))是心肌質(zhì)點(diǎn)p在參考時(shí)刻的坐標(biāo)，迭代結(jié)束條件為Izl/'+"-血W|<￡，Izl/"-///^",/^/'""^—,在實(shí)際計(jì)算時(shí)取e=0.05~0.1mm，取質(zhì)點(diǎn)位移分量為zl^=zl/'+",jy=zl/+/;/〃z(Z=zl/'+/;，通過(guò)對(duì)心肌質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的逐點(diǎn)計(jì)算，即完成對(duì)整個(gè)心臟的形變的計(jì)算。上式簡(jiǎn)化表示為(AJrZ)=/X,0)j(,0)，",0)，O6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法，其特征在于應(yīng)變計(jì)算的步驟為(1)心肌質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)計(jì)算，即在已知時(shí)刻心肌質(zhì)點(diǎn)p(t)p(t"(X(t)，y(t),z(t))-(yi,y2,y3)，計(jì)算該點(diǎn)在參考時(shí)刻(舒張末期)T=0的初始坐標(biāo)值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>poELV表示初始點(diǎn)po位于心肌內(nèi)部，迭代結(jié)束條件為|X(0)(i+1)-x(0)(i)|<s,ly(0)G+D-y(0)Wl〈s和lz(0)(w)-z(0)①Ke，s取值范圍￡=0.1~0.5mm;f羊是計(jì)算(正向)心肌質(zhì)點(diǎn)位移的公式，kx,ky,kz是修正因子kx=ky=kz=l/(i+l);結(jié)果為p(0)=(X(0)(1+1),y(0)(1+1),z(0)(i+1>);以上計(jì)算簡(jiǎn)單表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)心肌質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移計(jì)算，即在已知心肌質(zhì)點(diǎn)p(t)-(yu，y3)，計(jì)算該點(diǎn)經(jīng)過(guò)At時(shí)間后p(t+At)=x2,X3)的相對(duì)位移(U!，U2,U3)方法(,J(0),z(0))O，3W3")-(A,x2,&)=/vz(x(O)，y(O)，z(O)，,+△,);(",,"2，w3)=(、,x2,x3)-/平(x(O),y(O),z(O),0(3)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的心肌應(yīng)變計(jì)算，即設(shè)P(t"(y!,y2,y3)是在t時(shí)刻位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的心肌質(zhì)點(diǎn)，選取同一時(shí)刻相鄰影像層上相鄰tag面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P，(t)=(yi'，y2'，y3');在t+At時(shí)刻P點(diǎn)的位置為P(t+At)=(Xl,x2，x3)=(y!+m，y2+u2，y3+u3)，P，(t+At)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X卩+U「，X2'+U2'，X3'+U3');心肌變形后，兩質(zhì)點(diǎn)的位移差為△U=(Aui,AU2,AU3)=(Ui-Ui,U2-U2,U3-U3);在x方向(j^)，Ax二y,'-y!,其x方向(^1)位移的偏微分為&,/sa",/;/Ax用同步驟(3)的方法分別計(jì)算y(i^2)和z(ij二3)方向的情況，再通過(guò)公式計(jì)算出各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P的6個(gè)應(yīng)變分量(E'jKi^l，2,3);(4)用局部插值方法計(jì)算非網(wǎng)格的心肌質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變，即對(duì)其它非網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)p的應(yīng)變分量(eijKi,j4,2,3)的計(jì)算采用通過(guò)對(duì)己求得的相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(P)的應(yīng)變分量(E)插值獲得；設(shè)非網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的心肌質(zhì)點(diǎn)p坐標(biāo)為(x,y,z)，建立對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)子集Sp^P(y!，y2，y3)||x-yi|<dA|y-y2|<dA|z-y3|<d，，PE網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)〉，d取tag線間隔的1.1~2倍，d，取短軸影像面間隔的1.1~2倍，Sp中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為np;設(shè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)P,的坐標(biāo)為(化yi，Z|)，應(yīng)變?yōu)?E^(—l,2,…，rip，i一1，2，3)，心肌質(zhì)點(diǎn)p的應(yīng)變(ejp用非線性插補(bǔ)方法計(jì)算"丄，=w,"=1，2，3式中的s用于平滑噪聲影響避免出現(xiàn)鋸齒狀分布，取「0.001~0.1。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種三維心肌形變應(yīng)變計(jì)算方法。本發(fā)明在完成加標(biāo)記的心臟核磁共振影像序列分割處理的基礎(chǔ)上，將心肌按時(shí)間空間坐標(biāo)劃分多個(gè)局部(子)區(qū)間，使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)、多項(xiàng)式或支持向量機(jī)(SVM)擬合局部位移場(chǎng)，再通過(guò)牛頓迭代方法對(duì)建立的局部連續(xù)位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，求解心肌質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和使用非線性插補(bǔ)技術(shù)求解心肌應(yīng)變參數(shù)。本發(fā)明物理意義明確，算法簡(jiǎn)單有效，模型適合于并行計(jì)算，能夠計(jì)算任意心肌質(zhì)點(diǎn)的前向與后向運(yùn)動(dòng)，應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可作為三維心臟超聲應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。文檔編號(hào)A61B5/055GK101224110SQ20071019227公開(kāi)日2008年7月23日申請(qǐng)日期2007年12月24日優(yōu)先權(quán)日2007年12月24日發(fā)明者夏德深,繼張,近朱申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)