專利名稱：基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算機醫(yī)學圖像分析領域，特別涉及一種基于有限元形變理論的血管壁彈
性分析方法，通過對血管內超聲(ivus)圖像中血管壁部分的處理分析，判別出血管壁的
相對彈性，用于血管壁病變的分析和早期預測。
背景技術：
血管內超聲(Intravascular Ultrasound, IVUS)成像是近年來臨床應用于診斷血管病變 的一種新的診斷方式，它可以顯示血管內腔、管壁和粥樣斑塊的組織形態(tài)學特征以及斑塊 的病理組成，如鈣化、纖維組織、脂質核心及斑塊破裂、離體等如圖1。它比只能提供動 脈長軸影像的冠狀動脈造影成像更容易發(fā)現(xiàn)血管的早期病變。目前IVUS正越來越廣泛地 被用于評價冠狀動脈粥樣硬化特點及程度，被認為是診斷冠心病新的"金標準"，并用于指 導選擇介入性治療方法、評估介入治療效果等。在IVUS臨床應用中，可以獲取一系列的 超聲圖像供大夫判斷辨別血管的病變。
動脈血管彈性功能是反映人體血管系統(tǒng)好壞的重要指標，分析血管壁彈性對早期識別 易損斑塊、防治心血管疾病具有重要意義。而彈性又以一定力作用下血管壁產(chǎn)生的應變來 衡量，研究管壁應變的精確計算方法成為判定血管彈性的關鍵。現(xiàn)有的計算應變的方法叫 做IVUSE(血管彈性圖)，該技術是基于組織受壓產(chǎn)生變形的彈性原理,用血管內超聲導管 收集不同壓力作用下冠狀動脈血管壁和斑塊的射頻回波信號，經(jīng)局部置換建立反映組織受 牽拉情況的橫截面彈性圖。然而，該方法求出的是徑向應變值，而平面內血管壁在管內的 壓力下還產(chǎn)生切向的應力，并且某處的應變結果還受相鄰組織的影響。因此，該計算方法 具有一定的局限性。
有限元是集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世 紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形(有限個直線單元)逼近圓來求得圓的周 長。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方 便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的
5努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算 擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值 分析方法。
有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相
對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫 (Clough)教授形象地將其描繪為"有限元法-RayleighRitz法+分片函數(shù)"，即有 限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解滿足整個定義域邊界條件 的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀(如二維問題 中的三角形或任意四邊形)的單元域上(分片函數(shù))，且不考慮整個定義域的復雜 邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。
基于有限元形變血管壁彈性分析是以線段微元為基礎，利用三角形形變的特征，求出 血管壁在應變時出現(xiàn)的所有形變情況。同時，巧妙的結合微元線應變與微元面應變，以及 微元面間應變的影響。在不增加附加設備的情況下，充分利用現(xiàn)有IVUS設備提供的超聲 圖像信息，以血管內超聲圖像為依據(jù)，把管壁區(qū)域進行三角形單元劃分。只要劃分的單元 足夠小，就可以把三角形區(qū)域近似看作一個應變均勻的整體，采用經(jīng)典有限變形力學理論， 結合血管壁受力情況，建立管壁應變的數(shù)學模型。計算出各個三角形的應變數(shù)值，即可得 到血管壁各處的應變情況。再通過顏色編碼把三角形應變數(shù)據(jù)轉換為256色應變圖像，使 得管壁的應變顯示形象直觀。
模板匹配是圖像識別中的一種常見的方法。它的基本思想是要判讀一幅圖像中是否 存在某種已知的圖案，則以一幅與該圖案有著相同尺寸和方向的小圖像為模板，通過一定 的方法可以在圖中找到目標，確定其坐標位置。
在原始圖像中標記出血管壁內外膜點，標記出來的點都是一些獨立的點坐標。獨立的 像素點只有灰度的特征，在模板圖像上搜索匹配點時很難定義搜索條件。因此，利用模板 匹配法將像素點放在一個適當?shù)谋尘跋?，利用背景的特征在模板圖像中搜索匹配背景的位 置，從而找到匹配點的位置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，通過提供基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，以實現(xiàn)對血管壁的彈性分析，從而更加精確且簡便的求出血管壁的應變分量。 本發(fā)明是釆用以下技術手段實現(xiàn)的
一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，通過計算血管內超聲圖像中的血管 壁在一定壓力下的應變特征值來分析其彈性，采用超聲探頭懸停在血管腔內某一位置采集 的若干個心動周期的圖像，并將圖像輸入到計算機中進行處理等操作；采用模板匹配法， 在模板圖像中搜索出與原始圖像中標記的點相匹配的點的位置；根據(jù)血管壁的組織特征， 將血管壁劃分為若干層；提出一種基于有限元法分割計算血管壁彈性的方法；根據(jù)三角形 微元應變的特征，將血管壁劃分為若干相連的三角形；將影響因子加入到應變值的計算中；
上述計算機處理通過超聲機接口軟件對血管內超聲圖像進行讀/寫處理，進入處理圖 像應變計算模塊計算，并經(jīng)顯示器顯示結果，包括下述步驟
步驟l、計算機從超聲機接口讀入血管內超聲圖像信號，并保存在內存中；
步驟2、在保存在內存中的圖像中，選擇同一心動周期內不同血壓下的兩幅圖像，一 幅定義為原始圖像，另一幅為模板圖像；
步驟3、統(tǒng)計血管內超聲圖像中血管壁內外膜的特征，在原始圖像中分別標記出內外 膜點，要求內膜點的個數(shù)與外膜點的個數(shù)相同，且疏密程度相同；
步驟4、在模板圖像中，使用模板匹配法搜索與原始圖像中標記的點相匹配的點，模 板匹配法的公式為
M N
藝藝S'J(m,n)xT(m,n) C(i, j) = , m=1 n=1 ~!
J化SP,，n)2] x、 SHT(m，n)2]
V L_m=l n=l J V Lm=l n=l J
式中T(m,n)表示模板中的某個像素值；S(m,n)表示模板覆蓋下的那塊區(qū)域中的某個像 素值C(i,j)表示模板與模板覆蓋區(qū)域的相似度。
前述的進入血管壁應變計算模塊，包括以下步驟
步驟21、根據(jù)步驟3標記的點，將血管壁標記點中臨近的內膜與外膜點劃分為一組。
按照插值公式將血管壁劃分問為若干層，插值公式為
num —1
arrsum(x, y) = arrlnner(x, y) H--[arrOuter(x, y) — arrlnner(x， y)]
nLayer
式中nLayer代表血管壁劃分的層數(shù)；arrsum表示包括內外膜在內的所有點序列；arrlnner表示內膜點序列；arrOuter表示外膜點序列；num表示點的序列號；
步驟22、根據(jù)內外膜點的組合，將血管壁劃分為相連的三角形，每個三角形與兩個三
角形相連；
步驟23、根據(jù)微元線段的形變公式
式中ds、 ds'表示微元線段變化前后的平方值。分量e xx、 e w、 e xy通稱為Green應 變張量Eij。其中，exx和eyy為正應變，分別表示變形前后沿JC軸和y軸的微元線段的形
態(tài)變化，Exy為角應變，表示微元線段的方向變化，這三個量代表了血管壁在壓力作用下
不同方向上產(chǎn)生的應變。設原始三角形ABC，形變后的匹配三角形為A'B'C',它們對應點的 坐標分別為(xa,ya), (Xb,yb), (xc,y。)和(xa',ya')， (Xb',yb'), (xc',y。')；計算出整個三角形的應變值，
聯(lián)立單個三角形三條邊的應變公式如下
f xx (xb _xa )2 + 2; K _xa )(n 乂 )+f yy (yb 乂 )2 、(xc -xb )2 +2; <X -xb )(yc 乂 )+、 (y。 乂 )2
、(\ -xa )2 +2; (xc -xa )(人乂 )+、 (y。 乂 )2
按照所述的三角形的應變值的大小，用顏色填充到每個單元內。 前述的顏色填充由紅到黃到綠的順序排列成應變圖，由靜態(tài)填充和/或動態(tài)填充組成。
前述的靜態(tài)填充為在程序中設定256個顏色等級，無應變的三角形單元的應變值為0, 顏色為黃色；大于0逐漸變紅；小于O逐漸變綠。
前述的動態(tài)填充根據(jù)最大與最小值的差值將顏色分為256個等級，從大到小的顏色變 化是由紅到黃、由黃再到綠，沒有固定的O值顏色。
本發(fā)明一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，與現(xiàn)有技術相比，具有以下 明顯的優(yōu)勢和有益效果
本發(fā)明一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，改變了現(xiàn)有血管壁彈性分析 方法所存在的局限性，可以準確的刻畫血管壁病變的特征，為病變分析創(chuàng)造了條件。


圖l是血管內超聲示意圖2是血管壁應變分析系統(tǒng)框圖3是本發(fā)明方法中主程序流程圖4是本發(fā)明方法中血管壁標記點示意圖中紅色十字表示原始點坐標，綠色表示與紅色原始點匹配的點坐標；
圖5a是本發(fā)明方法中血管壁單層劃分示意圖5b是本發(fā)明方法中血管壁三層劃分示意圖6a是本發(fā)明中的一幅彩色血管壁水平方向應變圖像；
圖6b是本發(fā)明中的一幅彩色血管壁垂直方向應變示意圖6c是本發(fā)明中的一幅彩色血管壁剪切方向應變示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其基本在于以下幾點 根據(jù)血管內超聲圖像特征的統(tǒng)計分析，標記出血管壁的內外膜點。標記點時需要選擇 同一心動周期內兩幅同一位置不同壓力下的圖像，分別定義為原始圖像和模板圖像；
采用模板匹配算法，在模板圖像上搜索與原始圖像中標記出來的點相匹配的點位置； 提出一種基于有限元的血管壁彈性分析方法；
提出基于線段微元應變的三角形應變計算方法，將血管壁劃分為若干三角形微元； 將計算后的結果通過顏色填充標記在原始圖像上，顯示血管壁彈性圖。 本發(fā)明的技術方案參見圖2、圖3所示，基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法， 是由血管內超聲機釆集圖像，并將超聲信號轉換為圖像電信號輸入到計算機進行處理等操 作，該方法特征在于計算機處理主要是通過超聲機接口軟件對血管內超聲圖像進行讀/寫處 理，對處理后的圖像進行應變計算，并經(jīng)顯示器顯示結果，它依次包括下述步驟
a、 計算機從超聲機接口讀入血管內超聲圖像信號，并保存在內存中；
b、 在保存在內存中的圖像中，選擇同一心動周期內不同血壓下的兩幅圖像。 一幅定 義為原始圖像，另一幅為模板圖像；
9C、統(tǒng)計血管內超聲圖像中血管壁內外膜的特征，在原始圖像中分別標記出內外膜點。 要求內膜點的個數(shù)與外膜點的個數(shù)相同，且疏密程度大致相同。
d、在模板圖像中，使用模板匹配法搜索與原始圖像中標記的點相匹配的點，模板匹 配法的公式為
藝藝S'J(m，n)xT(m，n) C(i, j) = , m=1 n=1 ~,
/f M N 〕jf M N ，
、HP,，n)2] x、
Z藝[T(m,n)2]y
Y Lm=l n=l J V Lm=l n=l J
式中T(m,n)表示模板中的某個像素值；S(m,n)表示模板覆蓋下的那塊區(qū)域中的某個像 素值;C(i,j)表示模板與模板覆蓋區(qū)域的相似度；
上述步驟a進入血管壁應變計算模塊，分為以下幾步
① 根據(jù)步驟c標記的點，將血管壁標記點中臨近的內膜與外膜點劃分為一組。按照插
值公式將血管壁劃分問為若干層，插值公式為
num-1
arrsum(x， y) = arrlnner(x, y) h--[arrOuter(x, y) - arrlnner(x， y)]
nLayer
式中nLayer代表血管壁劃分的層數(shù)；arrsum表示包括內外膜在內的所有點序列； arrlnner表示內膜點序列；arrOuter表示外膜點序列； num表不點的序歹U號；
② 根據(jù)內外膜點的組合，將血管壁劃分為相連的三角形，每個三角形與兩個三角形 相連；
③ 根據(jù)微元線段的形變公式
式中ds、 ds'表示微元線段變化前后的平方值。分量e xx、 e w、 e xy通稱為Green應 變張量ey。其中，exx和eyy為正應變，分別表示變形前后沿x軸和;;軸的微元線段的形
態(tài)變化，Exy為角應變，表示微元線段的方向變化，這三個量代表了血管壁在壓力作用下 不同方向上產(chǎn)生的應變。設原始三角形ABC，形變后的匹配三角形為A'B'C',它們對應點的 坐標分別為(xa,ya》(xb,yb), (Xc,yc)和(x a',ya')， (xb',yb')， (xc',yc')。計算出整個三角形的應變值， 聯(lián)立單個三角形三條邊的應變公式如下、(xb -xa )2 +2 & (\ -\ )(yb 乂 )+、 (yb 乂 )2
x (\ -xb )2 + 2~ (xc -xb )d -yb)+、 (y。 -y b )2
f M (\ -xa )2 + 2~ (xc )(、 乂 )+￡yy (y。 -y a )2 6)血管壁微元顏色填充。根據(jù)計算出每個應變分量的大小，按照顏色由紅到黃到綠
的順序填充到每個單元內，稱為應變圖，如圖6a、圖6b、圖6c所示。其中，考慮到應變
圖的效果，將顏色填充分為兩中靜態(tài)填充、動態(tài)填充。
① 靜態(tài)填充是在程序中設定256個顏色等級，無應變的三角形單元的應變值為0，顏 色為黃色；大于0逐漸變紅；小于0逐漸變綠。
② 動態(tài)填充是找出應變的最值，根據(jù)最大與最小值的差值將顏色分為256個等級， 從大到小的顏色變化是由紅到黃、由黃再到綠，沒有固定的0值顏色。
本發(fā)明的效果見圖5a、圖5b、圖6a、圖6b圖6c?？梢钥闯霾捎没谟邢拊巫冇嬎?出來的血管壁應變圖像，可以準確的刻畫血管壁病變的特征，為病變分析創(chuàng)造了條件。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術方 案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本 領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā) 明的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
<formula>formula see original document page 11</formula>
權利要求
1、一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，通過計算血管內超聲圖像中的血管壁在一定壓力下的應變特征值來分析其彈性，采用超聲探頭懸停在血管腔內某一位置采集的若干個心動周期的圖像，并將圖像輸入到計算機中進行處理等操作；其特征在于采用模板匹配法，在模板圖像中搜索出與原始圖像中標記的點相匹配的點的位置；根據(jù)血管壁的組織特征，將血管壁劃分為若干層；提出一種基于有限元法分割計算血管壁彈性的方法；根據(jù)三角形微元應變的特征，將血管壁劃分為若干相連的三角形；將影響因子加入到應變值的計算中；上述計算機處理通過超聲機接口軟件對血管內超聲圖像進行讀/寫處理，進入處理圖像應變計算模塊計算，并經(jīng)顯示器顯示結果，包括下述步驟步驟1、計算機從超聲機接口讀入血管內超聲圖像信號，并保存在內存中；步驟2、在保存在內存中的圖像中，選擇同一心動周期內不同血壓下的兩幅圖像，一幅定義為原始圖像，另一幅為模板圖像；步驟3、統(tǒng)計血管內超聲圖像中血管壁內外膜的特征，在原始圖像中分別標記出內外膜點，要求內膜點的個數(shù)與外膜點的個數(shù)相同，且疏密程度相同；步驟4、在模板圖像中，使用模板匹配法搜索與原始圖像中標記的點相匹配的點，模板匹配法的公式為式中T(m，n)表示模板中的某個像素值；S(m，n)表示模板覆蓋下的那塊區(qū)域中的某個像素值C(i，j)表示模板與模板覆蓋區(qū)域的相似度。
2、根據(jù)權利要求1所述的基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其特征在 于所述的進入血管壁應變計算模塊，包括以下步驟步驟21、根據(jù)步驟3標記的點，將血管壁標記點中臨近的內膜與外膜點劃分為一組。按照插值公式將血管壁劃分問為若干層，插值公式為<formula>formula see original document page 2</formula>式中nLayer代表血管壁劃分的層數(shù)；arrsum表示包括內外膜在內的所有點序列； arrlnner表示內膜點序列；arrOuter表示外膜點序列；num表示點的序列號；步驟22、根據(jù)內外膜點的組合，將血管壁劃分為相連的三角形，每個三角形與兩個三 角形相連；步驟23、根據(jù)微元線段的形變公式ds2 _ iifr2 = 2&血2 + 4 血辦+ 2%辦2式中ds、 ds'表示微元線段變化前后的平方值。分量e xx、 e w、 e野通稱為Green 應變張量e,j。其中，^xx和eyy為正應變，分別表示變形前后沿JC軸和少軸的微元線段的形態(tài)變化，exy為角應變，表示微元線段的方向變化，這三個量代表了血管壁在 壓力作用下不同方向上產(chǎn)生的應變。設原始三角形ABC，形變后的匹配三角形為A'B'C', 它們對應點的坐標分別為(Xa,ya), (xb，yb), (Xe,yc)和(x a',ya'), (xb',yb')， (xc',yc');計算出整個三角形的應變值，聯(lián)立單個三角形三條邊的應變公式如下<formula>formula see original document page 3</formula>
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其特征 在于按照所述的三角形的應變值的大小，用顏色填充到每個單元內。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其特征在于.-所述的顏色填充由紅到黃到綠的順序排列成應變圖，由靜態(tài)填充和/或動態(tài)填充組成。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其特征在于 所述的靜態(tài)填充為在程序中設定256個顏色等級，無應變的三角形單元的應變值為0，顏 色為黃色；大于0逐漸變紅；小于0逐漸變綠。
6、 根據(jù)權利要求4所述的基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，其特征在于所述的動態(tài)填充根據(jù)最大與最小值的差值將顏色分為256個等級，從大到小的顏色變化是由紅到黃、由黃再到綠，沒有固定的o值顏色。
全文摘要
一種基于有限元形變理論的血管壁彈性分析方法，屬于醫(yī)學圖像分析領域，通過計算IVUS(血管內超聲)圖像中的血管壁在一定壓力下的應變特征值來分析其彈性。采用超聲探頭懸停在血管腔內某一位置采集的若干個心動周期的圖像，并將圖像輸入到計算機中進行處理。包括采用模板匹配法，在模板圖像中搜索出原始圖像中標記點的匹配點；根據(jù)血管壁的組織特征，將血管壁劃分為若干層；提出一種基于有限元法分割計算血管壁彈性的方法；根據(jù)三角形微元應變的特征，將血管壁劃分為若干相連的三角形；考慮到三角形在形變時的相互影響，將影響因子也加入到應變值的計算中。改變了現(xiàn)有血管壁彈性分析方法所存在的局限性，可以準確的刻畫血管壁病變的特征，為病變分析創(chuàng)造了條件。
文檔編號A61B8/12GK101474082SQ20091007700
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權日2009年1月16日
發(fā)明者汪友生, 陳建新, 隨曉諦 申請人:北京工業(yè)大學