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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201510216860.3 (22)申请日 2015.05.04 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104825133 A (43)申请公布日 2015.08.12 (73)专利权人 河南理工大学 地址 454000 河南省焦作市高新区世纪路 2001号 (72)发明人 朱俊杰 王新良 靳翔 姚晓松 刘少伟 (51)Int.Cl. A61B 5/00(2006.01) A61B 8/00(2006.01) A61B 5/055(2006.01) G06T 17/0。
2、0(2006.01) (56)对比文件 CN 101548897 A,2009.10.07,第12-14页， 附图11. US 2011125022 A1,2011.05.26,全文. CN 101357067 A,2009.02.04,全文. CN 102697523 A,2012.10.03,全文. CN 101527047 A,2009.09.09,全文. 朱俊杰 等.多腔体心脏磁场模型的研究与 应用. 物理学报 .2014,第63卷(第5期),第 058703-1至058703-9页， 附图1. 审查员 王传利 (54)发明名称 基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏 磁场模型 (5。
3、7)摘要 本发明利用彩色多普勒3D成像技术， 对心脏 3D图像进行处理， 提取左心室的边界， 使用边界 元方法构建一个基于彩色多普勒3D成像的准静 态心室-心脏磁场模型。 利用该模型可以分析电 流偶极子位于心脏不同位置， 以及心脏电导率不 同情况时产生的磁场， 比较仿真结果和实测MCG 数据的磁场图和电流偶极子位移的差别。 并且可 以模拟心脏的兴奋传导过程。 本发明首次把彩色 多普勒3D成像应用与人体心脏磁场建模中， 能够 更好地对心室和心房进行建模， 使所构建的人体 心脏模型更加符合人体电生理活动的特征。 该模 型可用于心脏磁场正问题及逆问题的研究。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 C。
4、N 104825133 B 2017.10.17 CN 104825133 B 1.一种基于彩色多普勒3D 成像的准静态心室- 心脏磁场模型的构建方法， 其特征在 于， 具体包括如下步骤： 步骤11， 利用彩色多普勒3D 图像， 提取舒张期的左心室边界， 构建基于彩色多普勒3D 成像的准静态心室边界元模型； 具体包含以下步骤： 步骤111 ： 对彩色多普勒3D 图像进行分层， 共分为九层； 步骤112 ： 建立基于彩色多普勒3D 图像的坐标系， 提取每层截面图中左心室的边界信 息； 步骤113 ： 对所提取的边界信息进行优化处理， 提取每层边界节点， 并得到节点对应的 空间坐标； 步骤114 。
5、： 相邻层的三个节点组成的三角形单元， 把所有的三角形单元组合后即可得 到相应的BEM模型图； 步骤12， 根据步骤11所构建的准静态心室边界元模型， 结合人体躯干和心脏模型， 建立 一个准静态心室- 心脏磁场模型， 计算分布电流源产生的磁场， 在步骤12 中， 主要进行如 下步骤： 步骤121 ： 由空间点的磁场强度方程及人体心脏磁场模型中所有的边界面上的电位与 分布电流密度对应方程， 计算得到模型中每边界面上的电位， 并得到其对应的磁场数据； 步骤122 ： 对所有边界面上的电势在检测平面上侧点处产生的磁场进行累加， 得到模 型下电流偶极子在检测平面上的磁场值； 步骤13， 由于人体心磁检。
6、测传感器数量较少， 模型下所得磁场数据是用来模拟实测的 心脏磁场数据， 所以仿真测点也较少， 为了提高计算精度， 对心磁信号进行插值； 在步骤13 中， 为了提高计算精度, 对66 测点上的心磁信号作三次样条插值,从而得到401401 的高分辨率等磁场线图, 即心磁图； 步骤14， 对基于彩色多普勒3D 成像的准静态心室- 心脏磁场模型中单电流偶极子在 检测平面上的磁场图分析， 模型中的电导率参数固定， 单电流偶极子的位置分别位于左心 室的内外， 两个偶极子的大小相同， 分别对两个单电流偶极子在模型条件下在检测平面所 产生的磁场数据的大小及空间分布形态进行分析。 权 利 要 求 书 1/1 页。
7、 2 CN 104825133 B 2 基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型 技术领域 0001 本专利涉及信息科学,生命科学,临床医学,物理和计算机科学等交叉研究领域。 背景技术 0002 心脏模型最早用于心电研究。 1983年Gulra jani和Mailloux建立了一个包含心室 内血块、 肺， 以及骨骼肌肉层的躯干模型。 1999年Plonsey指出， 心脏电活动过程中， 传导介 质和器官边界对体表测量到的电位有很大影响， 因此， 确定传导介质和器官的边界对心电 研究十分重要。 心脏磁场传导介质根据复杂程度的不同， 可分为无穷大均匀介质、 有界均匀 介质和有界非均匀介质。 。
8、0003 MCG早期研究中， Geselowitz推导了心脏内部电流源与产生磁场的关系。 1987年， Sarvas在此基础上给出了准静态条件下非均匀介质中对称导体内、 外磁场的基本方程， 并 指出， 对称体积中的电导率对外部磁场没有贡献。 1991年， Nenonen等用移动单电流偶极子 对10例WPW综合症(Wolff-Parkinson-White syndrome， WPW)病人心室过早兴奋的位置定位 时， 使用了人体躯干的BEM模型， 考虑了人体躯干的边界。 结果显示， 该模型对定位精度起到 了改进的作用。 1998年， Czapski和Ramon用MRI的解剖信息建立了一个高分辨率。
9、的心脏-躯 干BEM模型， 并用该模型产生的数据与实测心磁图数据进行了比较。 结果说明， 实测心脏磁 场的大部分特征可以用仿真数据合理地表示。 同年， Fischer等用同心球BEM模型的计算结 果与解析解的结果进行了比较， 验证了该方法的有效性。 同年， Purcell等研究了人体器官 边界对电流偶极子产生的电势及磁场的影响， 他们所用模型中包含了躯干、 肺及腔内血液。 研究表明， 边界对于人体表面磁场强度的大小具有较大影响， 但对其分布形态(topology) 影响不大。 2002年， Jens Haueisen等研究了BEM模型对心脏内部不同深度及区域中电流偶 极子源定位的影响。 他们所。
10、用模型包含躯干、 肺及左右心室.研究表明， BEM模型有较好的定 位效果。 但是， 从电生理学及解剖学的角度来看， 还需进一步研究BEM模型对源重构的影响。 2007年， Stenroos等人开放了一个基于准静态容积导体BEM模型的Matlab软件包， 并用该软 件研究了心脏组织中的传导问题， 给出了基于边界的心脏磁场传导计算公式。 0004 心脏磁场建模中所用心脏、 躯干等器官的影像数据多为MRI和CT数据， 但它们在图 像清晰度、 心脏搏动功能重建等方面存在一定的局限性， 无论是MRI还是CT都或多或少的对 人体产生一定的损害， 且使用MRI图像进行更为准确的心脏内部重构存在很大困难， 不。
11、能满 足更为深入的关于心脏磁场问题研究的需要。 所以， 我们在基于MRI的心脏-躯干模型基础 上， 提出一种使用彩色多普勒3D成像技术对人体心室进行更为精准的重建， 从而构建更加 符合人体电生理活动的心脏磁场模型。 0005 彩色多普勒超声诊断技术， 又称彩超， 适用于全身各部位脏器超声检查尤其适用 于心脏等检查诊断。 它是唯一能动态显示心腔内结构、 心脏的搏动和血液流动的仪器， 对人 体没有任何损伤。 心脏探头就像摄像机的镜头， 随着探头的转动， 心脏的各个结构清晰地显 示在屏幕上， 能看到心脏结构左、 右及前、 后位置上的变化， 以及由此造成的血流路径的改 变； 能看到异常位置的心脏伴发的。
12、各种畸形。 目前,超声心动图对冠心病所涉及的冠状动脉 说 明 书 1/4 页 3 CN 104825133 B 3 的重要血管、 心肌、 心脏结构及血管心腔血液动力学的状态可提供定性、 半定量或定量的评 价。 0006 我们利用彩色多普勒3D成像数据提取心脏内左心室的边界信息， 使用边界元方法 重构基于彩色多普勒3D成像的准静态心室模型， 同时， 结合根据MRI图像提取的躯干及心脏 边界信息， 建立了一个模拟左心室的彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型。 发明内容 0007 本发明专利使用心脏彩超仪器采集人体心脏3D超声心动图， 构建一个准静态的左 心室模型， 结合人体躯干和心脏模型，。
13、 建立一个彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场 模型。 利用该模型可以分析电流偶极子位于心脏不同位置， 以及心脏电导率不同情况时产 生的磁场， 比较仿真结果和实测MCG数据的磁场图和电流偶极子位移的差别。 0008 一种基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型的构建方法， 其特征在 于， 具体包括如下步骤： 0009 步骤11， 利用彩色多普勒3D图像， 提取舒张期的左心室边界， 构建基于彩色多普勒 3D成像的准静态心室边界元模型； 具体包含以下步骤： 0010 步骤111： 对彩色多普勒3D图像进行分层， 共分为九层； 0011 步骤112： 建立基于彩色多普勒3D图像的坐标系，。
14、 提取每层截面图中左心室的边界 信息； 0012 步骤113： 对所提取的边界信息进行优化处理， 提取每层边界节点， 并得到节点对 应的空间坐标； 0013 步骤114： 相邻层的三个节点组成的三角形单元， 把所有的三角形单元组合后即可 得到相应的BEM(边界元)模型图； 0014 步骤12， 根据步骤11所构建的准静态心室边界元模型， 结合人体躯干和心脏模型， 建立一个准静态心室-心脏磁场模型， 计算分布电流源产生的磁场， 在步骤12中， 主要进行 如下步骤： 0015 步骤121： 由空间点的磁场强度方程及人体心脏磁场模型中所有的边界面上的电 位与分布电流密度对应方程， 计算得到模型中每边。
15、界面上的电位， 并得到其对应的磁场数 据； 0016 步骤122： 对所有边界面上的电势在检测平面上侧点处产生的磁场进行累加， 得到 模型下电流偶极子在检测平面上的磁场值； 0017 步骤13， 由于人体心磁检测传感器数量较少， 模型下所得磁场数据是用来模拟实 测的心脏磁场数据， 所以仿真测点也较少， 为了提高计算精度， 对心磁信号进行插值； 在步 骤13中， 为了提高计算精度,对66测点上的心磁信号作三次样条插值,从而得到401401 的高分辨率等磁场线图,即心磁图； 0018 步骤14， 对基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型中单电流偶极子 在检测平面上的磁场图分析， 模型中的。
16、电导率参数固定， 单电流偶极子的位置分别位于左 心室的内外， 两个偶极子的大小相同， 分别对两个单电流偶极子在模型条件下在检测平面 所产生的磁场数据的大小及空间分布形态进行分析。 0019 )心室-心脏磁场模型的建立 说 明 书 2/4 页 4 CN 104825133 B 4 0020 1987年Sarvas给出了可用于生物磁场研究的非均匀介质下的电磁场方程.空间磁 场B(r)可用关于电流密度Ji的积分方程表示： 0021 0022 其中， r 表示电流密度Ji的位置.G为非均匀介质的有界导体.边界面Sj,j1,., n， 把G分为内部电导率 j的n个子区域Gj,j1,.,n。 V为边界面上。
17、的电位。 j和 j分 别表示Sj内部和外部的电导率。 n是边界面上的单位外法线向量。 B0(r)是Ji在均匀空间 中r点产生的磁场， BVol为容积电流产生的磁场。 0为真空磁导率。 0023 1971年， Vladimirov给出了计算有界导体上电位V的积分方程： 0024 0025 其中， V0为无穷大均匀介质中源电流密度在边界上r点产生的电位。 0026 用BEM建立基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型， 需要分别计算 (2)式中每个容积体边界面上的电位， 以及(1)式中的磁场。 人体心脏磁场模型中所有的边 界面上的电位与分布电流密度的关系可用矩阵形式表示为： 0027 VT。
18、vV0TvTjvQ (3) 0028 其中， V0是无穷大均匀介质边界面上的电位， Tv是计算边界面上电位的传递矩阵。 Tjv是计算无穷大均匀介质边界面上电位(即V0)的传递矩阵。 Q为分布电流源的偶极矩。 0029 由公式(1)和(3)可得空间r点的磁场强度： 0030 B(r)B0(r)+BVol(r)TjbQ+TvbV (4) 0031 (Tjb+TvTjv)QLQ 0032 其中， L为导联场矩阵。 Tvb、 Tjb、 Tv和Tjv矩阵由人体-心脏BEM模型计算得到。 空 间磁场强度与L参数中所包含的人体躯干和心脏边界内外电导率的大小有关。 0033 我们从彩色多普勒3D图像中提取了人。
19、体左心室的边界信息， 如附图1所示； 即将左 心室的3D图像分成若干层， 可以得到每一层的边界曲线， 边界曲线由若干节点组成， 过程如 附图2所示。 0034 基于彩色多普勒3D成像的准静态心室-心脏磁场模型如附图3所示。 0035 )模型仿真实验 0036 模型中单电流偶极子在检测平面上的磁场图分析： 0037 假设人体心脏BEM模型中的电导率设为： 躯干0.216S/m， 心脏0.0537S/m， 左心室 0.4S/m。 心脏内部存在一个单电流偶极子， 偶极子的坐标(模型坐标系下)及偶极矩如表1所 示。 每个电流偶极子的偶极矩根据一组实测心电(Electrocardiography， EC。
20、G)信号的大小 赋值。 这样可以模拟每个偶极子在测量平面上产生一组心动周期的磁场数据。 设R峰处的 ECG大小为RECG。 图4中显示了该电流偶极子的平面位置坐标和偶极矩的方向。 图中数字代表 偶极子的序号， 箭头代表偶极矩的方向。 说 明 书 3/4 页 5 CN 104825133 B 5 0038 表1给定电流偶极子的坐标与偶极矩 0039 0040 用实测的心电(Electrocardiography， ECG)信号(图5中上图所示)给2个单电流偶 极子的偶极矩赋值， 并在每个坐标点处产生一组单周期的磁场数据如图5左下图和右下图 所示。 0041 由data 2data 3得到的R峰处。
21、(312ms)等磁场图与一组SQUID测量到的正常人的 data 1均有一定的误差， 如附图6所示。 该误差同偶极子的位置及方向、 模型及电导率设置 有关。 附图说明 0042 图1是舒张期心脏彩色多普勒3D图像。 其中左上图为左心室正面图， 右上图为左心 室侧面图， 左下为第5层截面图， 右下为16个心脏不同深度的截面图。 图2是彩色多普勒3D图 像的左心室边界提取示意图。 其中图(a)为彩色多普勒3D图像的第5层截面图， 图中显示的 心腔为左心室； 图2(b)为从(a)图中提取的左心室边界节点， 节点数为18个； 图2(c)是第5层 节点与相邻层组成的三角形单元。 图3是基于彩色多普勒3D。
22、成像的准静态心室-心脏磁场模 型。 图为人体胸腔的正面显示。 图4是心脏内部2个给定单电流偶极子的坐标和偶极矩方向 图。 其中电流偶极子1的位置为(158.8， 169， 60)mm， 表示心脏中窦房结； 电流偶极子2的位置 为(242.7， 184.4， 68.3)mm， 位于左心室内部。 图5是模型中2个单电流偶极子在测量平面产 生的磁场曲线。 其中标出了QRS波群和STT时间段。 上图是ECG信号。 左下图是模型中电流偶 极子1在全周期内所产生的磁场信号的时序图。 右下图是模型中电流偶极子2在全周期内所 产生的磁场信号的时序图。 图6是单电流偶极子产生的R峰(312ms)处模型磁场图与实。
23、测MCG 图的比较。 其中深色代表磁场的 “峰” ， 浅色代表磁场的 “谷” 。 左图是SQUID测量到的正常人 的心磁信号在R峰处的等磁场图； 中图是模型中电流偶极子1在全周期内所产生的磁场信号 在R峰处的等磁场图； 右图是模型中电流偶极子2在全周期内所产生的磁场信号在R峰处的 等磁场图。 说 明 书 4/4 页 6 CN 104825133 B 6 图1 说 明 书 附 图 1/4 页 7 CN 104825133 B 7 图2 说 明 书 附 图 2/4 页 8 CN 104825133 B 8 图3 图4 说 明 书 附 图 3/4 页 9 CN 104825133 B 9 图5 图6 说 明 书 附 图 4/4 页 10 CN 104825133 B 10 。