一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法及系统

技术领域

本发明涉及瓣膜纤维生成技术领域，特别涉及一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法及系统。

背景技术

心脏瓣膜是心脏中调节血液流动方向的机械组成部分。从结构上讲，它们由具有高度非线性弹性行为的多层组成。许多心脏相关的问题与瓣膜有关，大多数在主动脉瓣和二尖瓣上，如主动脉狭窄、主动脉瓣功能不全等。基于样条的微结构映射的瓣膜纤维生成方法主要是从三维超声心动图(3DE)成像中生成患者特异性心脏瓣膜模型所需的成分，并提出基于样条曲线的映射技术，应用于主动脉瓣研究。

参照图1-2，基于样条曲线的映射技术的具体算法流程如下：

(1)获取新的体内实时经食管三维超声心动图(3DE)数据；

(2)模拟出心脏周期中的瓣膜几何形状；

(3)将瓣膜形状的闭合曲线转换为一个开放曲面；

(4)建立种群平均纤维结构；

(5)通过一个公共参数空间将任何主动脉瓣标本的纤维结构映射到任何其他主动脉瓣的几何形状。

由于该方法是建立在真实数据集上的映射，而不是使用模拟心脏瓣膜几何形状，从3DE数据中确定(经瓣膜压力约为零时)的体内形状。然后获得种群平均瓣膜结构数据，测定其纤维结构，接着将纤维结构映射到体内的“参考”结构上。该过程需要建立在种群平均数据相对准确的基础上，对数据的真实性准确性要求较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种方便快捷、计算效率高、节省大量计算资源的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法，所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法包括以下步骤：

S1、获取心脏瓣膜的二维医学图像；

S2、对获取的二维医学图像进行预处理；

S3、对预处理后的二维医学图像进行三维重建，得到三维几何模型；

S4、对所述三维几何模型的不同部位进行标记，并赋予不同的边界条件，求解相应的泊松方程，进而得出心脏瓣膜各处的纤维方向。

在本发明的一个实施例中，步骤S3和S4之间还包括以下步骤：

选用非结构化四面体网格对所述三维几何模型进行网格剖分，生成具有网格单元和节点的三维几何模型。

在本发明的一个实施例中，所述泊松方程为：

相应的边界条件为：

其中，K各向同性常数扩散系数，K＝KI，Ω为求解域，因此，泊松方程退化为齐次拉普拉斯方程，Δφ＝0，在求解域Ω上将边界条件带入有限元计算中，求解方程，生成一个平滑的线性插值特征φ，n

分配纤维方向，根据得到的特征φ计算得到纤维方向。

在本发明的一个实施例中，通过以下公式计算得到纤维方向：

其中，T纤维方向。

在本发明的一个实施例中，所述预处理包括图像过滤、图像分割和动态区域增长。

本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明还提供了一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统，其包括以下模块：

图像获取模块，用于获取心脏瓣膜的二维医学图像；

预处理模块，用于对获取的二维医学图像进行预处理；

三维重建模块，用于对预处理后的二维医学图像进行三维重建，得到三维几何模型；

纤维方向计算模块，用于对所述三维几何模型的不同部位进行标记，并赋予不同的边界条件，求解相应的泊松方程，进而得出心脏瓣膜各处的纤维方向。

在本发明的一个实施例中，所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统还包括：

网格剖分模块，选用非结构化四面体网格对所述三维几何模型进行网格剖分，生成具有网格单元和节点的三维几何模型。

在本发明的一个实施例中，所述泊松方程为：

相应的边界条件为：

其中，K各向同性常数扩散系数，K＝KI，Ω为求解域，因此，泊松方程退化为齐次拉普拉斯方程，Δφ＝0，在求解域Ω上将边界条件带入有限元计算中，求解方程，生成一个平滑的线性插值特征φ，n

分配纤维方向，根据得到的特征φ，通过以下公式计算得到纤维方向：

其中，T为纤维方向。

本发明的有益效果：

本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法及系统代替了映射建立与种群平均数据的获取过程，直接通过几何形状与方程求解获得纤维方向。本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法及系统提高了计算效率，可以方便快捷地得到纤维方向，节省大量计算资源。增加了将瓣膜研究应用于临床医疗的可能性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是现有基于样条曲线的映射方法的流程图；

图2是现有基于样条曲线的映射方法的原理图；

图3是本发明实施例一中基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法的流程图；

图4是本发明实施例一中标记后的三维几何模型；

图5是本发明实施例一中生成的瓣膜纤维示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取心脏瓣膜的二维医学图像；

步骤S2、对获取的二维医学图像进行预处理；

可选地，所述预处理包括图像过滤、图像分割和动态区域增长等。

其中，图像过滤是图像预处理的主要处理手段之一，是为了去除数据采集中所产生的随机噪声。通过滤波过滤能够明显降低图像噪声所带来的影响，一些常见的三种滤波算法：线性滤波、小波滤波、高斯卷积滤波。一般常用的是高斯卷积滤波，具有平滑过滤图像细节的优点，特别地，针对不同区域的相邻边缘的相似灰度值能保留差异性。图像过滤后的获得的图像是多层二维切片灰度序列。

图像分割能够实现将所需要的部分从其周围的软组织中提取分离的功能。图像分割，其原理简单来看，在相应的图像用一张透明膜完全覆盖，利用阈值分割，保留感兴趣的区域。

动态区域増长从三维角度考虑到了图像像素空间连通性，并在动态阈值范围进行调节，可以在三维视角中分离出所需的结构。

步骤S3、对预处理后的二维医学图像进行三维重建，得到三维几何模型；其中，初步得到的三维几何模型不能直接用于数值计算，容易造成不收敛。需要进行表面的光顺处理等后处理操作。根据三维重建后的几何模型，可以为医疗人员快速判断病灶位置、缩短治疗时间提供很大帮助，同时也为相关科研提供便利，提供了更加精细的几何模型，避免数值模拟中因采用简化的理想模型而导致数值结果有误差，从而提供了更加真实的数值模拟基础。

步骤S4、对所述三维几何模型的不同部位进行标记，并赋予不同的边界条件，求解相应的泊松方程，进而得出心脏瓣膜各处的纤维方向。标记后的三维几何模型如图4所示。

进一步地，步骤S3和S4之间还包括以下步骤：

选用非结构化四面体网格对所述三维几何模型进行网格剖分，生成具有网格单元和节点的三维几何模型。

具体地，所述泊松方程为：

相应的边界条件为：

其中，K各向同性常数扩散系数，K＝KI，Ω为求解域，因此，泊松方程退化为齐次拉普拉斯方程，Δφ＝0，在求解域Ω上将边界条件带入有限元计算中，求解方程，生成一个平滑的线性插值特征φ，n

分配纤维方向，根据得到的特征φ计算得到纤维方向。

具体地，通过以下公式计算得到纤维方向：

其中，T为纤维方向。具体地，得到的纤维方向参照图5。

本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法代替了映射建立与种群平均数据的获取过程，直接通过几何形状与方程求解获得纤维方向。本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法提高了计算效率，可以方便快捷地得到纤维方向，节省大量计算资源。增加了将瓣膜研究应用于临床医疗的可能性。

实施例二

本实施例公开了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例一中所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法的步骤。

实施例三

本实施例公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例一中所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法的步骤。

实施例四

本实施例公开了一种基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统，所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统包括以下模块：

图像获取模块，用于获取心脏瓣膜的二维医学图像；

预处理模块，用于对获取的二维医学图像进行预处理；

可选地，所述预处理包括图像过滤、图像分割和动态区域增长等。

其中，图像过滤是图像预处理的主要处理手段之一，是为了去除数据采集中所产生的随机噪声。通过滤波过滤能够明显降低图像噪声所带来的影响，一些常见的三种滤波算法：线性滤波、小波滤波、高斯卷积滤波。一般常用的是高斯卷积滤波，具有平滑过滤图像细节的优点，特别地，针对不同区域的相邻边缘的相似灰度值能保留差异性。图像过滤后的获得的图像是多层二维切片灰度序列。

图像分割能够实现将所需要的部分从其周围的软组织中提取分离的功能。图像分割，其原理简单来看，在相应的图像用一张透明膜完全覆盖，利用阈值分割，保留感兴趣的区域。

动态区域増长从三维角度考虑到了图像像素空间连通性，并在动态阈值范围进行调节，可以在三维视角中分离出所需的结构。

三维重建模块，用于对预处理后的二维医学图像进行三维重建，得到三维几何模型；

纤维方向计算模块，用于对所述三维几何模型的不同部位进行标记，并赋予不同的边界条件，求解相应的泊松方程，进而得出心脏瓣膜各处的纤维方向。

进一步地，所述基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统还包括：

网格剖分模块，选用非结构化四面体网格对所述三维几何模型进行网格剖分，生成具有网格单元和节点的三维几何模型。

其中，所述泊松方程为：

相应的边界条件为：

其中，K各向同性常数扩散系数，K＝KI，Ω为求解域，因此，泊松方程退化为齐次拉普拉斯方程，Δφ＝0，在求解域Ω上将边界条件带入有限元计算中，求解方程，生成一个平滑的线性插值特征φ，n

分配纤维方向，根据得到的特征φ，通过以下公式计算得到纤维方向：

其中，T为纤维方向。

本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统代替了映射建立与种群平均数据的获取过程，直接通过几何形状与方程求解获得纤维方向。本发明基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统提高了计算效率，可以方便快捷地得到纤维方向，节省大量计算资源。增加了将瓣膜研究应用于临床医疗的可能性。

本发明实施例中的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统用于实现前述的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法，因此该系统的具体实施方式可见前文中的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成系统用于实现前述的基于泊松方程的心脏瓣膜的纤维生成方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。