本實(shí)用新型涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

缺血性心臟病是導(dǎo)致心臟衰竭的主要原因，已成為嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的重大疾病。目前，臨床上一些缺血性心臟病的診斷主要基于典型的臨床癥狀，再結(jié)合輔助檢查，如常規(guī)心電圖，心電圖負(fù)荷試驗(yàn)和超聲心動(dòng)圖等，以及通過(guò)測(cè)定心肌損傷標(biāo)志物來(lái)判定是否有心肌壞死。然而這些方法都難以直觀(guān)的顯示梗死區(qū)域，明確心肌梗死的區(qū)域和范圍。準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)心肌的功能和狀態(tài)，對(duì)心肌缺血疾病的早期診斷及后續(xù)治療，有著極其重要的意義和價(jià)值。因此，研究一種無(wú)創(chuàng)的心肌梗死部位成像方法，直觀(guān)而準(zhǔn)確的確定心肌梗死區(qū)域及范圍大小，顯得尤為重要。

目前，大鼠已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)、心腦血管疾病、影像學(xué)、自主免疫疾病、癌癥等研究的模式動(dòng)物。大鼠不僅具有體型和易于實(shí)驗(yàn)操作等優(yōu)勢(shì)，而且在循環(huán)系統(tǒng)、解剖結(jié)構(gòu)等方面比小鼠與人類(lèi)更接近，已成為多種心臟疾病研究和藥物評(píng)價(jià)的最主要的模型。因此如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大鼠心肌的功能和狀態(tài)顯得尤為重要。

超聲心動(dòng)圖是常用的無(wú)創(chuàng)性心功能檢查方法，可以連續(xù)評(píng)價(jià)心臟結(jié)構(gòu)和功能，但也存在一定的局限性：對(duì)心臟構(gòu)型進(jìn)行假設(shè)，測(cè)量方法以數(shù)學(xué)模型模擬為主；圖像分辨率差；不能直觀(guān)顯示心臟結(jié)構(gòu)及心血管空間位置關(guān)系。同時(shí)，因?yàn)榇笫蟮男呐K較小、心率較快，應(yīng)用超聲只能獲得部分心功能參數(shù)，在評(píng)價(jià)大鼠的心功能準(zhǔn)確性上受到了限制。

與其它醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，核磁共振成像(MRI)的軟組織對(duì)比分辨率更高，它可以清楚地區(qū)分較高的心內(nèi)膜、中等信號(hào)的心??；MRI具有任意方向獲得任意切面的能力，結(jié)合不同方向的切層，可全面顯示心臟的結(jié)構(gòu)，無(wú)觀(guān)察死角；MRI測(cè)定心功能無(wú)需假設(shè)左心室的幾何形狀，尤其適合于心肌梗死等病變情況。MRI對(duì)心內(nèi)膜及心外膜邊界的高辨識(shí)性不僅使得室壁運(yùn)動(dòng)的觀(guān)察成為可能，更能夠準(zhǔn)確測(cè)定室壁的增厚率以評(píng)價(jià)局部心肌功能。心臟MRI的臨床應(yīng)用曾經(jīng)因?yàn)樾呐K檢查過(guò)程中引入的心跳及呼吸等運(yùn)動(dòng)偽影而受到很大限制。心電門(mén)控和呼吸門(mén)控技術(shù)的出現(xiàn)，使得心臟MRI技術(shù)應(yīng)用到各種心臟疾病的診斷和模型研究。然而此類(lèi)門(mén)控導(dǎo)航技術(shù)依然有自身局限性：(1)大鼠的心臟較小、心率較快，施加心電門(mén)控和呼吸門(mén)控不易操作；(2)需要外部門(mén)控裝置；(3)延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性延長(zhǎng)了掃描時(shí)間，并且增加了脈沖序列的復(fù)雜性；(4)心電門(mén)控信號(hào)一般通過(guò)心臟導(dǎo)聯(lián)得到，梯度的快速切換和射頻脈沖會(huì)嚴(yán)重干擾心電門(mén)控信號(hào)，場(chǎng)強(qiáng)愈高，干擾愈甚。因此，不使用門(mén)控導(dǎo)航條件下，如何抑制運(yùn)動(dòng)偽影，保證圖像質(zhì)量已成為大鼠心臟MRI進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

雖然心臟實(shí)時(shí)電影成像方法等快速成像技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了心臟電影成像的發(fā)展，但是這類(lèi)方法依然達(dá)不到三維心臟電影成像對(duì)于時(shí)間分辨率的要求，仍需要克服技術(shù)上的難點(diǎn)和瓶頸。近年來(lái)，心臟MRI領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新的自門(mén)控心臟成像技術(shù)——心臟及呼吸自門(mén)控成像技術(shù)，該方法利用采集的心臟MRI數(shù)據(jù)獲取心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，然后根據(jù)提取的心跳呼吸信號(hào)將心臟MRI數(shù)據(jù)重新排列至不同的運(yùn)動(dòng)時(shí)相中，以得到心臟圖像。這種自門(mén)控的成像技術(shù)，既不需要心電觸發(fā)，也無(wú)需被檢者屏住呼吸，極大的提高了掃描效率。然而該自門(mén)控技術(shù)基本用于人體心臟成像，若用于動(dòng)物三維全心成像，仍需要克服技術(shù)上的難點(diǎn)和瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中三維心臟成像方法操作復(fù)雜、時(shí)間分辨率不足的技術(shù)問(wèn)題。該系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于從心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)，從所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)采集心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)；信號(hào)處理設(shè)備，用于對(duì)所述心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)進(jìn)行處理，得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)；圖像重建設(shè)備，用于根據(jù)頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，重建三維心臟圖像。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述信號(hào)處理設(shè)備是帶通濾波器。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述信號(hào)處理設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述心肌缺血模型為大鼠心肌缺血模型。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備是西門(mén)子核磁共振數(shù)據(jù)掃描儀。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述圖像重建設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)后，對(duì)心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)進(jìn)行處理得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，實(shí)現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請(qǐng)是基于頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時(shí)間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評(píng)價(jià)心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請(qǐng)的三維心臟圖像重建系統(tǒng)無(wú)需外部心電門(mén)控及呼吸門(mén)控裝置，有利于縮短實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，操作便捷。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。在附圖中：

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)的工作流程示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)的示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)的示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例的線(xiàn)性回歸示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，但并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，提供了一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)采集設(shè)備101，用于從心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)，從所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)采集心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)；

信號(hào)處理設(shè)備102，用于對(duì)所述心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)進(jìn)行處理，得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)；

圖像重建設(shè)備103，用于根據(jù)頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，重建三維心臟圖像。

由圖1所示可知，在本實(shí)用新型實(shí)施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)后，對(duì)心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)進(jìn)行處理得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，實(shí)現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請(qǐng)是基于頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時(shí)間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評(píng)價(jià)心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請(qǐng)的三維心臟圖像重建系統(tǒng)(即大鼠心肌缺血模型的自門(mén)控T1成像系統(tǒng))無(wú)需外部心電門(mén)控及呼吸門(mén)控裝置，有利于縮短實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，操作便捷。

具體實(shí)施時(shí)，上述信號(hào)處理設(shè)備102可以是帶通濾波器。此外，上述信號(hào)處理設(shè)備102還可以是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件，其通過(guò)運(yùn)行主成分分析法PCA等方法來(lái)獲取呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)及心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

具體實(shí)施時(shí)，上述數(shù)據(jù)采集設(shè)備101可以是西門(mén)子核磁共振數(shù)據(jù)掃描儀(Tim Trio Siemens Erlangen Germany)，圖像重建設(shè)備103可以是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件，F(xiàn)PGA是一種半導(dǎo)體器件。

具體實(shí)施時(shí)，如圖2所示，上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)的工作方法包括如下步驟：

(1)利用bSSFP序列，采用多回波的三維徑向混合采集方式得到心臟電影成像數(shù)據(jù)(即上述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù))。具體表現(xiàn)為：層面選擇方向采用笛卡爾采樣方式，相位及頻率編碼平面采用徑向采樣。如圖3所示(其中，DFT代表一維傅里葉逆變換)，沿層面選擇方向編碼完畢，旋轉(zhuǎn)角度(112.2o)至下一個(gè)方向，繼續(xù)按照笛卡爾采樣填充，依次交替類(lèi)推，直至獲得全部的心臟電影成像數(shù)據(jù)。

(2)在心臟電影成像數(shù)據(jù)中，取每一層徑向采樣線(xiàn)的中間值(理論上的信號(hào)最大值，如圖3中的標(biāo)記(·)所示作為導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)傅里葉逆變換至圖像域(ZIP)，加權(quán)得到心跳運(yùn)動(dòng)及呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)S。假設(shè)層選方向像素個(gè)數(shù)為N_z，所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為I_z(z＝1，2……N_z)，則混合運(yùn)動(dòng)信號(hào)若每一層采樣線(xiàn)數(shù)為N_r，則其中|·|為去絕對(duì)值函數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)帶通濾波器(大鼠心跳頻率范圍5HZ～9HZ，呼吸頻率為1.1HZ～1.9HZ)，混合信號(hào)S經(jīng)帶通濾波器重復(fù)濾波，直至得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)Secg及呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)Sresp。

(4)基于得到的頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)Secg及呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)Sresp，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，重建得到三維心臟圖像。

具體實(shí)施時(shí)，上述心肌缺血模型可以是動(dòng)物的心肌缺血模型，例如，大鼠心肌缺血模型。

以下結(jié)合具體示例說(shuō)明上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)的可行性。以大鼠心肌缺血模型為例，如圖4所示，a表示基于小動(dòng)物呼吸機(jī)(Consun Pharmaceutical Group Limited,GuangZhou，China)提取的大鼠心肌缺血后的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)，b表示上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的大鼠心肌缺血后的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)，c表示上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的大鼠心肌缺血后的呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)。可見(jiàn)，上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率更穩(wěn)定，突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。

通過(guò)基于上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行三維心臟圖像重建，將重建的三維心臟圖像與大鼠心肌切片相比較，如圖5所示的梗死心肌面積占大鼠心肌面積比例的線(xiàn)性回歸圖，圖5的橫坐標(biāo)代表利于本申請(qǐng)得到的心肌梗死面積占全部心肌面積的比例結(jié)果，縱坐標(biāo)表示實(shí)驗(yàn)后利用病理解剖學(xué)得到的大鼠心臟切片心梗面積占全部心肌面積的比例；圖5中方塊代表利用本申請(qǐng)檢測(cè)得到的心肌梗死面積占全部心肌面積的比例，一個(gè)方塊代表一只大鼠的檢測(cè)結(jié)果，即圖5展示了5只實(shí)驗(yàn)大鼠的檢測(cè)結(jié)果，直線(xiàn)表示利用線(xiàn)性回歸分析得到的回歸直線(xiàn)，該回歸分析結(jié)果說(shuō)明，本申請(qǐng)可以有助于準(zhǔn)確確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，本申請(qǐng)重建的三維心臟圖像中梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例與大鼠心肌切片中梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例較好的吻合。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)后，對(duì)心跳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的混合信號(hào)進(jìn)行處理得到頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像中，實(shí)現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請(qǐng)是基于頻率恒定的心跳運(yùn)動(dòng)信號(hào)和呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時(shí)間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評(píng)價(jià)心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請(qǐng)的三維心臟圖像重建系統(tǒng)無(wú)需外部心電門(mén)控及呼吸門(mén)控裝置，有利于縮短實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，操作便捷。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型實(shí)施例可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。