專利名稱：：基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種心臟力學(xué)分析方法，該方法結(jié)合使用圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、生物學(xué)、運(yùn)動學(xué)等技術(shù)，主要用于分析心臟運(yùn)動過程中的動態(tài)性能，協(xié)助醫(yī)生對心臟病人進(jìn)行診斷。
背景技術(shù)：
：心臟是集電生理學(xué)、動力學(xué)、血液流體力學(xué)以及神經(jīng)、生化控制等于一身的極其復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。建模仿真是研究復(fù)雜生物學(xué)問題的有效手段。在過去的幾年中，人們對心臟結(jié)構(gòu)和功能的生理意義有了深入的了解，并且建立了許多數(shù)學(xué)模型，努力量化所觀察到的心肌機(jī)械行為、電傳導(dǎo)行為和生物化學(xué)行為。但是由于心臟生理病理系統(tǒng)的復(fù)雜性，總的來說這些模型是相互獨(dú)立發(fā)展，目前尚沒有人能夠把心臟的各種機(jī)制集成在一起研究。近些年興起的虛擬心臟研究將虛擬現(xiàn)實(shí)的思想引入到心血管系統(tǒng)這樣一個復(fù)雜的研究領(lǐng)域，它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形處理顯示能力，建立虛擬的心臟模型為深入研究心臟活動機(jī)理提供了可能。模型不僅要從形態(tài)上仿真心臟，而且應(yīng)能模擬真實(shí)心臟的運(yùn)動過程，仿真心臟的心肌、瓣膜和心腔運(yùn)動的力學(xué)特征、心臟的電傳導(dǎo)特性、以及心腔內(nèi)血液的流體力學(xué)特性，并且能夠仿真心臟病理狀態(tài)，為臨床診斷疾病提供資料。目前有一些學(xué)者提出了一些基于模型的方法，用于獲得心臟的形體和運(yùn)動的描述。KyoungjuPark,DimitrisMetaxas等學(xué)者提出了一種心臟功能分析新的理論。用MRI的圖像建立了一個基本的心臟模型，提出了有限元分析的方法計(jì)算整體和局部的功能性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，基于這樣的模型得出的結(jié)構(gòu)可以表征心臟壁的運(yùn)動和動態(tài)變化規(guī)律。而Taratorin和Sideman則把心肌層分割成大量的立方體微元片進(jìn)行建模和分析，得到效果比較理想。然而，這些基于模型的心臟運(yùn)動分析方法由于方法本身的原因，有些在計(jì)算精度上還達(dá)不到臨床診斷所需的要求，有些運(yùn)算速度慢。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的心臟力學(xué)分析方法的計(jì)算精度或速度達(dá)不到臨床診斷要求、實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快、符合臨床診斷所需的要求的基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所釆用的技術(shù)方案是一種基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，所述分析方法包括1)、建立統(tǒng)計(jì)模型對心臟的心室設(shè)置所需的物理點(diǎn)，設(shè)Z-《x,.;z、L.』)是n個被標(biāo)記過的形體，每一個形體用m個串聯(lián)的三維標(biāo)記點(diǎn)向量描述，&=(/^，，J'=l.....m，義是在3m維空間分布，統(tǒng)計(jì)形體采用以下算式表示(l)-x=x+^6(1)上式中，x=IfXi是平均標(biāo)記點(diǎn)向量，b是形體模型參數(shù)向量，0是協(xié)方差矩陣對應(yīng)的特征向量組成的矩陣，協(xié)方差矩陣的算式(2)為J=~^~rS"'-"(、-(2);w-1Si把多個形體按獲得時間的順序進(jìn)行排列，并計(jì)算已排列形體的平均形體，再標(biāo)準(zhǔn)化平均形體，接著用標(biāo)準(zhǔn)化形體重新排列形體，判斷是否正交化，如是正交化，形體排列完成，再次迭代，得到最終的心臟的平均形體，即點(diǎn)分布模型，將點(diǎn)分布模型上的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行曲線曲面擬合，得到連續(xù)的心臟表面模型；2)、心臟的運(yùn)動分析每個點(diǎn)在不同時刻的立體心臟中找到對應(yīng)的點(diǎn)，按照以下步驟計(jì)算心臟運(yùn)動的受力大小2.1)、通過點(diǎn)分布模型在兩個相鄰時刻的心臟切片圖上建立病人在兩個不同時刻的立體心臟圖，然后計(jì)算模型上每個點(diǎn)在該時間段內(nèi)的位移，其算式為(3):H=V(xo-"2+O。-力2+Oo-z')2(3)上式中，為、y。、z。是前一時刻的點(diǎn)分布模型中某一點(diǎn)P在三維空間中的坐標(biāo)，A/、^是后一時刻的點(diǎn)分布模型中P點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)P'在三維空間的坐標(biāo)，H是該點(diǎn)在該時間段運(yùn)動的位移；2.2)、根據(jù)算式(3)計(jì)算出心臟模型上每一點(diǎn)某一時間內(nèi)的位移，計(jì)算在這段時間內(nèi)的平均速度，其算式為(4):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)上式中，t是該時間段的時間長度，r是該點(diǎn)在該時間段內(nèi)的平均速度；2.3)、根據(jù)相鄰時間段計(jì)算得到的速度，根據(jù)算式(5)計(jì)算加速度-"=0,-V,,;(5)上式中，",為加速度，^為該時間段的速度，Vw為相鄰前一時間段的速度，At為兩個時間段的間隔；2.4)、根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律進(jìn)行計(jì)算，其算是為(6):上式中，巧2為物理點(diǎn)的受力大小，y是力的彈性系數(shù)，^是^時刻到G的平均加速度，m是物理點(diǎn)的質(zhì)量。上式中，^是力的彈性系數(shù)，A是、時刻到^的加速度，m是物理點(diǎn)的質(zhì)量。作為優(yōu)選的一種方案在建立統(tǒng)計(jì)模型時，采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。根據(jù)具體病人對象的心臟情況，作為候選的方案所述的心室為左心室或者右心室。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為首先通過活動形體模型在不同時刻的精確的快速的建立病人三維立體心臟圖，這些三維立體心臟是由點(diǎn)集組成，這些點(diǎn)分別形成了心臟的心內(nèi)膜和心外膜，而且對于不同的立體心臟圖，點(diǎn)集中點(diǎn)的數(shù)目是一樣的，并且每個點(diǎn)都可以在不同時刻的立體心臟中找到對應(yīng)的點(diǎn)。然后按照運(yùn)動學(xué)計(jì)算心臟的運(yùn)動的位移、速度、加速度和受力大小等參數(shù)。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快、符合臨床診斷所需的要求；2、實(shí)用性好。圖1是SPECT醫(yī)學(xué)圖像平面的示意圖。圖2是SPECT切片圖。圖3是位移H計(jì)算的示意圖。圖4是位移H大小的數(shù)值變化曲線圖。圖5是速度計(jì)算的示意圖。圖6是速度瞬時變化的曲線圖。圖7是受力的示意圖。圖8是心臟某區(qū)域力的動態(tài)方向示意圖。圖9是區(qū)域力的數(shù)值標(biāo)量變化示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1圖9，一種基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，所述分析方法包括以下步驟-1)、建立統(tǒng)計(jì)模型對心臟的心室設(shè)置所需的物理點(diǎn)，設(shè)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>是11個被標(biāo)記過的形體，每一個形體用m個串聯(lián)的三維標(biāo)記點(diǎn)向量描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>是在3m維空間分布，統(tǒng)計(jì)形體采用以下算式表示(l):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)上式中，x—丄fx是平均標(biāo)記點(diǎn)向量，b是形體模型參數(shù)向量，^是協(xié)方差矩陣對應(yīng)的特征向量組成的矩陣，協(xié)方差矩陣的算式(2)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>把多個形體按獲得時間的順序進(jìn)行排列，并計(jì)算已排列形體的平均形體，再標(biāo)準(zhǔn)化平均形體，接著用標(biāo)準(zhǔn)化形體重新排列形體，判斷是否正交化，如是正交化，形體排列完成，再次迭代，得到最終的心臟的平均形體，即點(diǎn)分布模型，將點(diǎn)分布模型上的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行曲線曲面擬合，得到連續(xù)的心臟表面模型；2)、心臟的運(yùn)動分析每個點(diǎn)在不同時刻的立體心臟中找到對應(yīng)的點(diǎn)，按照以下步驟計(jì)算心臟運(yùn)動的受力大小2.1)、通過點(diǎn)分布模型在兩個相鄰時刻的心臟切片圖上建立病人在兩個不同時刻的立體心臟圖，然后計(jì)算模型上每個點(diǎn)在該時間段內(nèi)的位移，其算式為(3):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)上式中，局、y。、z。是前一時刻的點(diǎn)分布模型中某一點(diǎn)p在三維空間中的坐標(biāo)，A乂、^是后一時刻的點(diǎn)分布模型中P點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)P'在三維空間的坐標(biāo)，H是該點(diǎn)在該時間段運(yùn)動的位移；2.2)、根據(jù)算式(3)計(jì)算出心臟模型上每一點(diǎn)某一時間內(nèi)的位移，計(jì)算在這段時間內(nèi)的平均速度，其算式為(4):v=%(4)上式中，t是該時間段的時間長度，r是該點(diǎn)在該時間段內(nèi)的平均速度；2.3)、根據(jù)相鄰時間段計(jì)算得到的速度，根據(jù)算式(5)計(jì)算加速度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)上式中，a,為加速度，K為該時間段的速度，v,—i為相鄰前一時間段的速度，At為兩個時間段的間隔；2.4)、根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律進(jìn)行計(jì)算，其算是為(6):F'2=r[S(,2)-)]=a,.附(6)上式中，《2為物理點(diǎn)的受力大小，y是力的彈性系數(shù)，^是6時刻到r2的平均加速度，w是物理點(diǎn)的質(zhì)量。上式中，y是力的彈性系數(shù)，^是^時刻到G的加速度，m是物理點(diǎn)的質(zhì)量。在建立統(tǒng)計(jì)模型時，采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。所述的心室為左心室或者右心室。本實(shí)施例中，考慮左心室的情況，我們總共設(shè)置了2848個點(diǎn)，其中心外膜用1777個點(diǎn)表示，心內(nèi)膜用1071個點(diǎn)表示。設(shè)義-(x,;/=1...."}是11個被標(biāo)記過的形體，每一個形體用m個串聯(lián)的三維標(biāo)記點(diǎn)向量描述，戶；=(;^，P"，戶")；.....m。z是在3m維空間分布。目標(biāo)是獲得一個總體上的緊湊的統(tǒng)計(jì)形體，這個形體我們可以用下面這樣的表達(dá)式X=X+06(1)這里的，=丄2,是平均標(biāo)記點(diǎn)向量，b是形體模型參數(shù)向量，0是協(xié)方差矩陣<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(2)對應(yīng)的特征向量組成的矩陣，它的幾何意義是主成分的集合，但這些主成分必須是正交的，這里的成分是協(xié)方差矩陣S對應(yīng)的特征向量，對應(yīng)的特征值A(chǔ),(A,2;i,+1)，如果^是最大的非零特征值對應(yīng)的/G是min(附,"p個特征向量。這樣我們就能用等式(1)表示任意一個形體^，這里的0=((^02|..批)，b是t維向量，6=<(x-x)。假設(shè)我們認(rèn)為標(biāo)記點(diǎn)向量服從高維高斯分布，A,的變化使得參數(shù)6,的變化。正確描述形體的先決條件是，這些形體必須在相同的坐標(biāo)框架下格式化。格式化的目的是消除由于形體在旋轉(zhuǎn)、位移、縮放過程中引起的差異。形體被排列后，殘存的差異僅僅是跟形體相關(guān)的，因而，可以消除形體投影和縮放等細(xì)微變化引起的不良結(jié)果。向量b定義了可變形模型的一組參數(shù).通過改變b我們就能夠改變形體，確定x。對向量b中任一個元素6,取值限制在土3^/i;的范圍內(nèi)，這樣就能保證得到的形體和原來的形體相似。在這種條件下，所有的點(diǎn)可以分布在主軸附近xaf+一，這里的b是沿著主軸從3f到JC最近的距離，一般的二維的數(shù)據(jù)使用單獨(dú)的參數(shù)b即可，在原始的訓(xùn)練集中，那些控制許多模型點(diǎn)的相似模型可能只需要一些參數(shù)即可。在這里，我們描述了一個統(tǒng)計(jì)的形體模型，它被用于以圖像的方式來表示對象。該對象的形體將用一組N個點(diǎn)來表示，這些點(diǎn)可能有n個自由度。通常這些點(diǎn)有兩個或三個自由度。形體由一些高質(zhì)量的配置點(diǎn)定義，這些點(diǎn)在形體變化過程中是不變的。在二維或者三維空間中，我們通常要考慮如下變換平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。我們的目標(biāo)是通過該模型既可以綜合訓(xùn)練集中的相似形體，又可以分析新的形體。首先這些集中的圖像都需要進(jìn)行手工標(biāo)記標(biāo)注點(diǎn)，用于表示圖像中的對象。假設(shè)現(xiàn)在有一組被排列成同等結(jié)構(gòu)的點(diǎn)xi，這些點(diǎn)形成nd維空間分布。如果能模擬這個分布，我們能產(chǎn)生新的例子，與最初的訓(xùn)練組相似，而且我們檢驗(yàn)新的形體是否滿足要求。我們找到一個參數(shù)化模型1=(6)，這里的6是模型參數(shù)的一個向量。這個模型能被用來產(chǎn)生新的向量x，如果能模擬參數(shù)的分布，通過尸=(6)我們能限制這些向量，使新產(chǎn)生的向量^和訓(xùn)練的組相似。同樣的，在用這個模型的時候，應(yīng)該要去估計(jì)p(x)。從點(diǎn)到單個形體，得到了心臟的平均形體，再次迭代，我們得到了最終的平均形體，這樣的形體是具有統(tǒng)計(jì)意義的，它上面每一個點(diǎn)能統(tǒng)計(jì)得表示對應(yīng)一般形體的點(diǎn)。由這些點(diǎn)組成了這樣的模型的就稱為點(diǎn)分布模型PDM，然后，我們將這上面的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行曲面擬合，得到了連續(xù)的PDM模型。在計(jì)算運(yùn)動學(xué)的參數(shù)之前，我們需要一些標(biāo)記在心臟內(nèi)外心膜的點(diǎn)，而這些點(diǎn)是在匹配過程中建立的某個病人的心臟心外膜或心內(nèi)膜上點(diǎn)。我們采用的數(shù)據(jù)源是SPECT圖像(如圖1)，SPECT心臟圖像物理點(diǎn)和標(biāo)記點(diǎn)很清楚的可以看到，所以大量的物理點(diǎn)能在很短的時間間隔內(nèi)被標(biāo)記，而且可以在心臟周期內(nèi)被全程跟蹤，所以用本發(fā)明所述的模型技術(shù)分析SPECT是非常適合的。我們可以看到在圖l中，以黑色的運(yùn)動初始的交點(diǎn)M為物理點(diǎn)，S點(diǎn)為圖像標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)S在相應(yīng)的時間時刻對應(yīng)著相應(yīng)的物理點(diǎn)M，運(yùn)動初始1=1到運(yùn)動終點(diǎn)1=5就是一個完整的心臟運(yùn)動周期(從舒張末期到收縮末期)。通過分割算法，我們可以得到和建立匹配后的心臟統(tǒng)計(jì)模型。首先我們要對這些相位的位移這個基本的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。表1和表2列出了心外膜8個點(diǎn)第一相位和第二相位的三維坐標(biāo)值，它們表示了8個點(diǎn)在空間中的位置和方向。那么，對應(yīng)的心內(nèi)膜也存在這樣的8個相位的三維標(biāo)注點(diǎn)序列。在本實(shí)施例中，我們只考慮了左心室心外膜和心內(nèi)膜總共1164個點(diǎn)，其中心外膜是700個點(diǎn)，心內(nèi)膜是464個點(diǎn)。這1164個點(diǎn)的運(yùn)動集合就構(gòu)成了這整個心肌的運(yùn)動。所以我們先選出相鄰的8個點(diǎn)，這8個點(diǎn)構(gòu)成了一個心肌面片，分析這面片上的8個點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2心外膜第二個相位8個點(diǎn)的初始位置三維注標(biāo);這樣的相位一共有7個，相互間隔的時間是100ms，即心臟的嚴(yán)格跳動周期是700ms。顯然，各相位間對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的差就是位移的數(shù)值差，相應(yīng)的向量方向就是位移的方向，即點(diǎn)的運(yùn)動方向，參照圖3、圖4。參照圖5、圖6，考慮一個心臟周期是由七個相位組成，每個相位持續(xù)時間是100ms。一開始我們假設(shè)模型數(shù)據(jù)點(diǎn)和圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置是重合的，m")是物理點(diǎn)，A/仏)是數(shù)據(jù)點(diǎn)，M(g是相鄰下一個數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置。那么，我們就定義速度的計(jì)算方法如下實(shí)際上心肌物理點(diǎn)的速度是變化的，不是勻速的，有加速和減速的過程。加速度是心肌壁運(yùn)動重要的一個基本參數(shù)，加速的快慢是心肌收縮和舒張強(qiáng)度的重要指數(shù)。規(guī)定心臟模型參數(shù)的計(jì)算是嚴(yán)格符合牛頓第二運(yùn)動定律的，其算式為(5):<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage12</formula>上式中，",為加速度，V,為該時間段的平均速度，V,_,為相鄰前一時間段的平均速度，At為兩個時間段的間隔；根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，心臟上某點(diǎn)的受力大小為(6):巧,=柳,)-,,—t)]=",—一(6)上式中，y是力的彈性系數(shù)，A是6時刻到G的平均加速度，w是物理點(diǎn)的質(zhì)量。參照圖7，力《,的方向跟運(yùn)動平面的方向是平行,實(shí)際上，力的計(jì)算過程可以近似成Spring彈簧模型，但是，我們目前難以確定彈性系數(shù)，因此我們采用了經(jīng)典的牛頓運(yùn)動定律。參照圖8、9，心臟外心膜的局部區(qū)域收縮情況，這八個點(diǎn)中，其中6個點(diǎn)的方向是基本指向內(nèi)側(cè)的。需要說明的是，小點(diǎn)是運(yùn)動的初始時刻，大點(diǎn)是終點(diǎn)時刻，這中間的是運(yùn)動的時間間隔，其值為100ms。權(quán)利要求1、一種基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，其特征在于所述分析方法包括1)、建立統(tǒng)計(jì)模型對心臟的心室設(shè)置所需的物理點(diǎn)，設(shè)χ＝{xi；i＝1....n}是n個被標(biāo)記過的形體，每一個形體用m個串聯(lián)的三維標(biāo)記點(diǎn)向量描述，pj＝(p1j，p2j，p3j)；j＝1.....m，χ是在3m維空間分布，統(tǒng)計(jì)形體采用算式(1)表示2、如權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，其特征在于在建立統(tǒng)計(jì)模型時，采用SPECT醫(yī)學(xué)圖像、核磁共振圖像、CT圖像、螺旋CT圖像、超聲圖像或者PET圖像。3、如權(quán)利要求1或2所述的基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，其特征在于所述的心室為左心室或者右心室。全文摘要一種基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法，通過活動形體模型在不同時刻的建立的病人三維立體心臟圖，這些三維立體心臟是由點(diǎn)集組成，這些點(diǎn)分別形成了心臟的心內(nèi)膜和心外膜，每個點(diǎn)在不同時刻的立體心臟中找到對應(yīng)的點(diǎn)，按照運(yùn)動學(xué)分析方法計(jì)算心臟運(yùn)動時的受力情況。本發(fā)明提供一種計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快、可用于臨床診斷所需的基于統(tǒng)計(jì)模型的心臟力學(xué)分析方法。文檔編號A61B19/00GK101199433SQ20071016024公開日2008年6月18日申請日期2007年12月14日優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日發(fā)明者盛劉,張劍華,徐鎮(zhèn)海,王萬良,陳勝勇申請人:浙江工業(yè)大學(xué)