心脏图像分析试验平台与仿真试验结果分析

第五节　心脏图像分析试验平台与仿真试验结果分析

在心血管病等心脏疾病的临床诊疗中，观察心脏二维序列图像是医师诊断病灶的常规方式。但是，要准确判断病变体的空间位置、大小、几何形状，以及与周围生物组织之间的关系，一定程度上给手术仿真和临床治疗带来了困难。因此，为了便于医师更好地进行疾病诊断工作，需要一个有效的分析平台来完成心脏序列图像数据的三维重建和可视化等工作。

心脏图像分析试验平台主要用于心脏图像序列的分析工作。三维体数据的显示主要有体绘制和面绘制方法，由于体绘制方法绘制的图像清晰，本平台侧重于体绘制方法。总的开发流程为先通过心脏图像采集设备采集图像数据，进行存储，以本平台为载体，导入图像数据进行可视化、运动重建等工作。以.net为开发平台，采用面向对象的方法，利用GDI+类库提供的图像接口，建立心脏图像分析试验平台。

一、心脏图像分析试验平台设计结构

心脏图像分析试验平台设计结构如下图104所示，其主要分四个部分：

（一）心脏图像采集

心脏图像序列采集是整个系统的总入口。通过图像采集设备获得心脏图像数据。

（二）心脏图像处理与分析

图像处理的目的是通过消除噪声等干扰因素以获得更高的图像质量，一定程度上满足视觉要求。心脏图像分析的目的是通过调入大量序列图像进行分析，对空间序列上的一组图像在一个心动周期内的若干个采样的分析得到整个心脏的真实运动和形变过程。通过提取病态信息，协助医师对心脏图像进行分析，为诊疗提供科学依据。图像分析工作内容主要包括图像数据三维可视化、三维重建、运动重建、动态播放等内容。

（三）图像显示

图像显示是图像处理和分析的重要组成部分。就图像处理和分析的结果来看，图像显示的目的是借助图像显示和转换设备对图像直观展示，供操作者进行观察分析，为医师做出宏观决策。

（四）图像存储

图像存储是一个重要的环节。心脏图像包含大量信息，需要大量的存储空间。计算机内存和硬盘空间是重要的存储设备，内存可以提供快速存储功能，硬盘可以长久保存图像数据。

二、系统构成框图

系统构成框见图10-4。

图10-4　心脏图像分析试验平台构成图

开发技术：采用面向对象的分析和设计方法。开发工具为microsoft visual studio 2005，开发语言为c#。

该系统是一个对心脏图像进行显示、演示、加工、建模的图像分析平台，除了拥有一般图像处理软件的基本功能外，还引进了心脏序列可视化、三维建模、运动重建的概念。通过该系统可以对心脏图像进行操作，获得理想化的处理效果。本系统的功能模块划分为六个部分，分别为文件操作、图像加工、图像分割、可视化演示、三维建模、运动重建，每个部分的功能不同，但各自的操作对象均为心脏图像。

本平台完成的开发任务主要是实现心脏图像的序列化工作，对心脏图像进行简单的加工；采用体绘制方法完成心脏图像三维体数据的绘制工作；采用粒子建模方法和网格建模方法，完成心脏图像针对心脏实体序列化分割，并对其结果进行三维重建。由于本平台涉及的范围比较广，包含的系统功能较多，能实现常见的图像处理和分析工作，但重点在于心脏图像序列的分析工作。在此平台基础上对较复杂、较特殊的图像进行分析与处理有待下一步完善。

本系统的功能模块划分如图105所示。

三、仿真实验结果及对比分析

针对结合了单元法线算法和高斯曲率算法各自优点的非刚体运动对应点的UNGCK算法的实验结果，对照我们对于心脏表面实现的有限元模型的运动重建的实验结果，表明基于有限元方法的有效性与正确性。

α剪枝平均UNGCK算法实验结果在Matlab6.5，有限元网格点数小于550个的条件下，对6个时刻标记线上平均位移绝对值进行了估计，得到了它们在不同时刻的x，y，z方向上的每次位移的绝对值都不超过1.55mm。那么表明了心脏在收缩期间总体变化了54.99%，在6个时刻的每一个时刻变化了约9.1%，并且实验所得到的表面应变云图能直观、有效地反映整个心脏收缩期的形变情况及应变分布，下端心室表面的节点在收缩期时出现了明显的向下端运动并收缩的变化情况，对我们所要作的仿真实验结果具有一定的参考价值。

在实验中，采用的有限元网格点数为771个点去除12个无用点后的759个点，去除的这12个点中包括了那些形成的四面体体积为零的点和上边缘血管处没有形成四面体元的锯齿点，有限元四面体单元个数为619个，实现了心脏表面在每个单元上的收缩与舒张等效载荷与弹性力的共同作用下，整个心脏表面结构的所有节点的新位置矢量变化与四面体网格单元的三维应力求解，从而建立了心脏表面的三维运动重建模型。为了清晰地表明实验中各点的位移位置矢量的变化情况，随机从中抽取了10个点的位置变化情况来表示在6个不同时刻、不同载荷下单元节点位置矢量的变化情况。表10-1为初始时刻随机选取的位置的三维坐标，表10-1～表10-6分别为心脏表面节点第二个时刻时节点位置的三维坐标到第六个不同时刻时节点位置的三维坐标变化情况。

通过上述6个不同时刻上平均位移绝对值的计算结果和心脏总体变化情况，从它们在x，y，z的三维方向上的位移值变化情况以及心脏体积比的变化情况，笔者的实验结果表明了心脏在收缩期的6个时刻中，每时刻变化了约8.01%，与UNGCK算法估计的在心脏收缩期间的变化大致相符。利用本书的基于有限元方法的心脏表面模型，对心脏收缩期的形状和三维运动进行了建模和分析，经过多次重复迭代计算，建立了心脏表面在整个心脏收缩期的三维运动情况。

表10-1　初始时刻10个点的坐标

表10-2　第二时刻10个点的变化坐标

表10-3　第三时刻10个点的变化坐标

表10-4　第四时刻10个点的变化坐标

表10-5　第五时刻10个点的变化坐标

表10-6　第六时刻10个点的变化坐标

图10-6为跟踪心脏表面节点在六个不同时刻运动建模所获取的效果图。依次从左到右排列为心脏收缩期第一初始时刻图，第二到第六时刻心脏表面点的位移变化网格展示图，从图中我们可以看出：下端心室表面的节点在收缩期时也出现了明显的向下端运动并收缩的变化情况，很好地表现了心脏表面在收缩期时的形变情况。

图10-6　模型在心脏收缩期的运动网格展示图

（a）第一时刻表面效果图；（b）第二时刻表面效果图；（c）第三时刻表面效果图；（d）第四时刻表面效果图；（e）第五时刻表面效果图；（f）第六时刻表面效果图。

从图106我们可以直观、有效地了解心脏在整个收缩期的形变情况及应变分布，在通过与医学心脏的解剖结构的数据结果与形态相比后，所建立的模型算法获得了较好的重建效果，有效的模拟了心脏的运动。

四、后续的研究工作与展望

（一）心脏的三维可视化运动和应力应变分析

根据常见的医学图像分析心脏的三维运动，重点是研究了心肌壁的运动。由于心脏是一个类似弹性体，弹性系数的分布又是不规则的，所以它的运动非常的复杂和不确定性，除了局部的平移、旋转、伸缩等，还有重要的局部应变，而这三维运动是直观的，可为临床医师根据心肌的应变信息更好地为诊断提供参考依据，这是未来心脏模型技术领域一个重要研究点和需要做的工作点。

（二）心脏动力学模型的有效性验证

众所周知，很多实验和研究不能直接在活体心脏上进行。因此，心脏动力学模型的有效性验证一直是研究的难点。大多数文献通过比较正常与异常心脏的功能参数来验证模型的准确性，这需要采集大量的数据做统计，或采用心脏模拟器加以验证。然而心脏模拟器使用的是犬的心脏，其形变情况与人类心脏心室的真实运动有一定的差别，而且在测定犬的左、右心室运动的过程中，采用了植入传感器的侵入方式，这是否会对其真实运动产生影响还待进一步论证。因此，在将来的工作中，需要研究更有效、更有说服力的评估模型，使待建立的心脏动力学模型更加科学可靠。

（三）与临床应用相结合的心脏心肌功能评定

建立心脏动力学模型的最终目的是服务于临床，分析心脏心室形变参数（位移场、应力、应变等）与心脏疾病之间关系的研究还处于起步阶段。将血液和心壁统一采用有限元方法进行分析，从而把流体力学、固体力学和肌肉力学合为一体，得到新的位移、速度、加速度矢量、应力、应变，从而使心脏位移场、应力、应变等评价参数成为判断整体和局部心肌功能的新指标，并在临床应用与推广，还需要进行大量的研究工作。

相信在不久的将来，这些问题都能得到很好的解决，一个实用的心脏功能辅助诊断系统走向临床，成为广大心脏医学工作者的得力助手。

（肖鹏飞）

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