一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法.pdf

本发明涉及一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，属于医学超声领域。首先扫描被测对象心脏，连续采集超声射频信号；根据超声射频信号，重建反映扫描区域结构的B超图像序列；在B超图像序列的第一帧图像上选取关注的心肌质点；追踪关注心肌质点在其余各帧图像上的位置；根据关注的心肌质点在各帧的位置，从采集的超声射频信号中找出其在不同时刻的射频信号段，计算该射频信号段的背向散射积分值，获得背向散射积分曲线；根据关注心肌质点的背向散射积分曲线，计算该心肌质点的背向散射积分起伏程度。本发明方法可有效地区分正常心肌和缺血心肌。并可有效避免现有方法产生误判的情况。

1、  一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)扫描被测对象心脏，连续采集超声射频信号；
(2)根据上述超声射频信号，重建反映扫描区域结构的B超图像序列；
(3)在上述B超图像序列的第一帧图像上选取关注的心肌质点；
(4)追踪上述关注心肌质点在其余各帧图像上的位置；
(5)根据关注的心肌质点在各帧的位置，从上述采集的超声射频信号中找出其在不同时刻的射频信号段，计算该射频信号段的背向散射积分值，获得背向散射积分曲线；
(6)根据关注心肌质点的背向散射积分曲线，计算该心肌质点的背向散射积分起伏程度。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于其中追踪关注心肌质点在其余各帧图像上的位置的方法，包括如下步骤：
(1)以关注的心肌质点为中心，在第一帧B超图像上选取一个正方形子图像，在第二帧B超图像的同样位置选取同样大小的正方形子图像。
(2)对从上述连续两帧B超图像中取出的两幅子图像进行光流计算，得到两幅子图像之间的位移场；
(3)计算上述位移场的平均位移值，将其作为关注心肌质点在两帧B超图像中之间的位移；
(4)重复步骤(1)～(3)，依次计算关注心肌质点在每相邻两帧B超图像中的位移。

一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法
技术领域
本发明一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，属于医学超声领域，特别用于心肌的超声组织定征即心肌缺血的检测。
背景技术
冠心病和心肌梗塞在人群中的发病率非常高，尤其在中老年人群中，是当今社会的主要致死病因。经临床研究发现，大多数冠心病或心肌梗塞患者，在患病初期，均有心肌缺血症状。因此，如果能够及时发现他们的心肌缺血症状，找出心肌缺血的位置，就可能更及时地采取治疗措施，对预防和救治冠心病或心肌梗塞的病人提供技术上的帮助。
大量实验研究表明，心肌的超声背向散射积分(以下简称IB)可以成为一个定量诊断心肌缺血的新参数。在实验中可以观察到，IB随心动周期出现周期性的起伏，一般称这种周期性起伏的幅度为CVIB。对正常心肌，CVIB值较大，对缺血心肌，CVIB值较小。如果得到心肌在整个心动周期的IB曲线，并计算CVIB值，就可以对心肌供血状况有一个基本了解。
目前，利用IB进行心肌缺血诊断的主要应用是由诊断人员在B超图上选取一点(实际对应于一小块心肌，称该点为关注点)，计算它的CVIB值以对其心肌供血状况进行分析。在已有技术，对关注点一般采用两种获得IB曲线的方法：
第一种方法是完全不考虑心肌的运动，即关注点坐标不随B超图像帧数的切换而变化。当诊断人员从第一帧B超图上选定对应于心肌的关注点后，取出该点坐标在B超图每一帧分别对应的射频信号，然后计算IB，从而得到IB曲线。这种方法的缺点是存在计算误差。
第二种获取IB曲线的方法考虑了心肌的运动。由于自动跟踪关注点在各帧的坐标难以实现，大多数人采取了手工跟踪的方法，即由医生对B超图像逐帧地手工标出关注点的位置，然后再计算IB曲线。从效果上来说，这种做法确实优于第一种，但是，使用这种方法，诊断人员的工作量比较大，实用性因此受到很大限制。另外，由于对关注点的跟踪基于人的主观判断，不同的人对同一数据，可能会有不同的追踪结果，这为最后计算出的CVIB值带来了人为因素的影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，基于光流分析技术，自动跟踪关注心肌质点，在此基础上计算CVIB，从而对关注点代表的心肌供血情况做出准确的判断。
本发明提出的基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，包括如下步骤：
(1)扫描被测对象心脏，连续采集超声射频信号；
(2)根据上述超声射频信号，重建反映扫描区域结构的B超图像序列；
(3)在上述B超图像序列的第一帧图像上选取关注的心肌质点；
(4)追踪上述关注心肌质点在其余各帧图像上的位置；
(5)根据关注的心肌质点在各帧的位置，从上述采集的超声射频信号中找出其在不同时刻的射频信号段，计算该射频信号段的背向散射积分值，获得背向散射积分曲线；
(6)根据关注心肌质点的背向散射积分曲线，计算该心肌质点的背向散射积分起伏程度。
上述方法中追踪关注心肌质点在其余各帧图像上的位置的方法，包括如下步骤：
(1)以关注的心肌质点为中心，在第一帧B超图像上选取一个正方形子图像，在第二帧B超图像的同样位置选取同样大小的正方形子图像；
(2)对从上述连续两帧B超图像中取出的两幅子图像进行光流计算，得到两幅子图像之间的位移场；
(3)计算上述位移场的平均位移值，将其作为关注心肌质点在两帧B超图像中之间的位移；
(4)重复步骤(1)～(3)，依次计算关注心肌质点在每相邻两帧B超图像中的位移。
利用本发明提出的计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，对正常人，心肌缺血病人进行计算。结果表明，从正常人B超图像上选取关注心肌质点，或者从心肌缺血病人B超图像上选取位于非缺血区域的关注心肌质点，计算CVIB值，得到的结果明显大于关注心肌质点选取在心肌缺血病人B超图像的缺血区域时的结果，这表明本发明提出的方法可有效地区分正常心肌和缺血心肌。另外，对于现有基于固定点计算CVIB的方法，本发明所提方法可以有效避免现有方法可能产生误判的情况。此外，用基于光流分析的方法对关注心肌质点在各帧的位置进行追踪，得到的结果也比较准确。
附图说明：
图1为本发明方法中重建的B超图像。图像上的“*”号代表要关注的心肌质点。
图2是本发明地基于光流计算追踪关注心肌质点的原理示意图，其中图2(a)和2(b)为B超图像中选出的连续两帧，正方形框为选出的子图像；图2(c)按照坐标对应关系将光流计算结果叠加上B超图像的子图像。
图3为将心肌质点追踪的结果与对应IB曲线和心电信号进行比较示意图，其中图3(a)为关注心肌质点相对于第一帧B超图像在x方向的位移情况，图3(b)为关注心肌质点相对于第一帧B超图像在y方向的位移情况，图3(c)为IB曲线的变化情况，图3(d)为心电信号。
具体实施方式
本发明提出的基于光流分析计算心肌背向散射积分起伏程度的方法，其具体步骤为：
(1)扫描被测对象心脏，连续采集超声射频信号。本发明的实施例中，用常用B超设备的探头对被测对象进行扫描，从B超设备内部电路提取波束合成后的射频信号，经过放大，用高速数据采集卡进行采集，一般要求采集时间超过1秒，采样率10M，本发明一实施例使用的是AD-LINK公司的PCI-9812数据采集卡。
(2)根据上述超声射频信号，重建反映扫描区域结构的B超图像序列，重建B超图像序列的方法为：对射频信号去直流后，做HILBERT变换，然后按照B超系统中的DSC算法，即可形成最后图像序列。图1为重建的B超图像序列中的第一帧。
(3)在上述B超图像序列的图1所示的第一帧图像上选取关注的心肌质点，图1中的“*”号为选取的心肌质点。
(4)追踪上述关注心肌质点在其余各帧图像上的位置；
(5)根据关注的心肌质点在各帧的位置，从上述采集的超声射频信号中找出其在不同时刻的射频信号段，计算该射频信号段的背向散射积分值，获得背向散射积分曲线。计算IB的公式为：
IB ( t 0 ) = 10 log 10 ( ∫ t 0 - Δt t 0 + Δt x 2 ( t ) dt ) - - - - ( 1 ) ]]>
公式(1)中，x(t)是指射频信号。
(6)根据关注心肌质点的背向散射积分曲线，计算该心肌质点的背向散射积分起伏程度。计算CVIB可以采取公开文献的任何一种方法，本实施例使用一阶傅立叶级数法，其过程为：
CVIB＝4*max(|X(k)|)/N                                          (2)
其中，N是IB序列的长度，X(k)是长度为N的IB序列在频域10*N点的CZT变换。
上述方法中追踪关注心肌质点在其余各帧图像上的位置的方法是基于光流分析的方法，其过程包括如下步骤：
(1)以关注的心肌质点为中心，在第一帧B超图像上选取一个正方形子图像，在第二帧B超图像的同样位置选取同样大小的正方形子图像。参见图2(a)和图2(b)，图2(a)和图2(b)为连续的两帧B超图象，方框内为选取的子图像。
(2)对从上述连续两帧B超图像中取出的两幅子图像进行光流计算，得到两幅子图像之间的位移场。此处使用的光流分析方法为phase based optical flow方法，对图2(a)和图2(b)选出的子图像，光流分析的结果见图2(c)，图2(c)为光流计算的结果按照坐标对应关系叠加到原子图像的结果(相对于图2(a)和图2(b)显示的子图像，图2(c)有一定放大)。
(3)计算上述位移场的平均位移值，将其作为关注心肌质点在两帧B超图像中之间的位移；
(4)重复上述步骤(1)～(3)，依次计算关注心肌质点在每相邻两帧B超图像中的位移。需要注意，在每帧选取用于相关计算的子图像的位置并非都和第一帧选取的子图像一样，要根据所追踪到的关注点位置随时进行调整，保证关注点始终处于用于相关计算的子图像中央。
表1，表2分别显示了正常人和室间隔心肌缺血病人室间隔处心肌的CVIB计算结果比较、室间隔心肌缺血病人室间隔心肌和其余位置心肌CVIB比较、从表1、表2可以看到用本发明所说方法对缺血心肌和正常心肌的CVIB计算结果有非常明显的区别。表3是用本专利所说的方法和传统基于固定点的方法分别进行计算CVIB的比较，可以看到，对基于固定点的方法可能导致CVIB计算有误的情况(关注心肌质点选到心肌边缘)，本发明所提方法可以有效避免。
图3为对心肌质点追踪的结果、对应IB曲线、心电信号相互比较情况。其中图3(a)为关注点相对于第一帧在x方向的位移情况，图3(b)为关注点相对于第一帧在y方向的位移情况，图3(c)为IB曲线的变化情况，图3(d)为心电信号。从图3可以看到，x方向位移，y方向位移，IB曲线都显示出了良好的周期性，其中x方向位移的周期性略差一些，不过在可接受范围内，另外这种周期性是和心动周期(即心电信号的信号)吻合非常好，这和心肌运动特征相符合。这证明本发明所提关注点追踪方法很准确。
表1  正常人和室间隔心肌缺血病人室间隔CVIB比较