申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2024-01-22

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN117830563A

主分类号：G06T17/20

分类号：G06T17/20

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.23#实质审查的生效;2024.04.05#公开

摘要：本发明属于数字医疗、计算机图形学领域，公开了一种个性化心脏模型心肌纤维旋向的构建方法。该方法通过预处理得到患者个性化有限元网格心室模型，对模型的表面进行自动提取与分割，并将其作为Dirchlet边界计算两两表面之间的Laplace方程，根据方程解的梯度建立各处的局部坐标系，将坐标系旋转一定角度并插值，最终重建出符合心脏纤维旋向分布规则的连续、平滑变化的心肌纤维旋向，为后续的电生理仿真提供支持。

主权项：1.一种个性化心脏模型心肌纤维旋向的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、数据预处理；S11、原始图像处理：使用基于深度学习的方法对临床采集到的患者心脏LGE图像进行图像分割，获取患者的心室肌图像；使用基于变分隐函数的插值方法重建心室边界，获取高分辨率的腔体Label数据；S12、建立个性化模型；基于患者的高精度心脏Label图像提取出心脏模型的轮廓，并通过面网格划分、优化以及体网格划分得到患者的个性化三维体网格模型，使用表面提取获得模型的表面用于后续处理；S2、模型表面分割与识别；根据心室的几何结构可以将其分为心尖、心底、左心室内膜、右心室内膜以及心室外膜五个表面；S21、心尖与心底表面提取；心室模型外形可以近似为一个圆锥体，心尖表面指左心室心尖，近似为圆锥顶点，心底表面指心室流出道以下的平面，近似为圆锥的底部，可以通过在心脏长轴上切片来获得心尖和心底表面；当无法确定心脏长轴方向时，分别在心室模型的三条坐标轴方向两端进行切片，提取对应端点200微米内的点所构成的表面并根据点集大小排序，由于心底近似为圆锥底部，因此在相同厚度的切片下心底的点集最大，从而提取心底表面，该轴另一端的切片即为心尖表面；S22、内外膜表面提取与识别；将心室模型表面去除心底后根据连通性提取出三个表面，将其根据点集大小排序，其中心外膜表面大于左右心室内膜，因此将最大的表面标记为心外膜；左右心室内膜可以通过其形状进行区分，左心室内膜形状近似为椭球形，右心室内膜近似为三棱锥形，且在心底附近由于流出道的存在其形状不规则；因此可以将两个表面的所有点投影到垂直于长轴的平面，提取出两个点集的轮廓，计算其面积与周长，从而得到两者的圆形度： e为1时，图形即为圆形；e越小，图形越不规律，与圆形的差距越大；根据左右心室的形状特点可以得出，左心室的圆形度更接近1，从而识别左右心室；S23、心尖位置检查；正常情况下，左心室长于右心室，因此提取的心尖表面一般为左心室心尖，但当心脏出现病变时可能导致右心室长于左心室；因此当识别左右心室后需要计算左右心室的重心以及提取的心尖表面重心，判断该表面是否为左心室心尖；若位于右心室，则需要设置选取范围，重新选取心尖表面；S3、重建纤维旋向；心肌纤维旋向可以用一个正交坐标系[FST]表示，其中F为纵向方向，表示心肌纤维的长轴方向，S为心肌纤维层的法线方向，T为心肌纤维层的透壁方向；重建出符合个性化心脏模型几何结构的纤维旋向需要采用对应Dirchlet边界的Laplace方程解的梯度定义心尖-心底方向和透壁方向，然后旋转特定角度，使生成的纤维旋向符合组织学的研究结果；S31、求解Laplace方程；在有限元网格模型上求解Laplace方程： 其中φ为Laplace方程的解，为解的梯度，表示为一个向量；通过设置不同的Dirchlet边界条件，求出每个网格上解的梯度，用于定义心尖-心底方向和透壁方向，从而确保生成纤维旋向符合模型的几何结构； 表示心尖-心底方向，Dirchlet边界条件为φbase＝1，φapex＝0； 表示心外膜到左右心室内膜的透壁方向，Dirchlet边界条件为φepi＝1，φlv∪rv＝0； 表示左心室内膜到心外膜与右心室内膜的透壁方向，Dirchlet边界条件为φlv＝1，φepi∪rv＝0； 表示左心室内膜到心外膜与右心室内膜的透壁方向，Dirchlet边界条件为φrv＝1，φepi∪lv＝0；且方程解的梯度满足以下规则： 例如在室间隔内则可得到因此在室间隔内可以用或表示透壁方向，同理可用于左右心室内膜和心外膜之间的心室壁；S32、建立局部坐标系；基于每个网格处的Laplace方程解的梯度，建立局部坐标系Q为满足右手螺旋定则的正交坐标系，各向量计算公式如下： 沿心室模型圆周方向，为心尖-心底方向，为透壁方向；S33、旋转局部坐标系；首先，将局部坐标系Q绕逆时针旋转α得到该处的纵向纤维旋向F； 然后，再将坐标系绕F逆时针旋转β得到该处的纤维旋向[FST]； 其中的α，β的值需满足在内外膜之间连续变化，且室间隔和心室壁中的计算方式不同，输入组织学研究得到的αendo，αepi，βendo，βepi后通过以下公式计算模型各处的α，β值αsd＝αendo1-d-αendo*dαwd＝αendo1-d+αepi*dβsd＝βendo1-d-βendo*dβwd＝βendo1-d+βepi*d其中s和w分别表示室间隔和室壁内的α和β值，d表示归一化的透壁深度，在内膜上为0，外膜上为1；S34、插值纤维旋向；使用双球面线性插值，保证纤维旋向在整个心肌中平滑、连续地变化，尤其是在室间隔内以及左右心室的交界处；双球面线性插值是四元数球面线性插值的一种变体，可用于具有双向性质的纤维旋向插值；将右手螺旋正交坐标系QA转换为四元数qA＝q0+iq1+jq2+kq3，由于纤维旋向具有双向性质，因此将Q绕任意主轴旋转180°都不会改变纤维旋向，即存在qA的等效四元数qM∈{±q0,±i·q1,±j·q2,±k·q3}；当需要在QA和QB之间插入新的坐标系时，我们希望只旋转尽可能小的角度，因此在qM中通过max‖qM·qB‖选择变化最小的qM，并对qM和qB进行slerp，得到qAB，最后将其转换为坐标系QAB即为插值结果，函数为:qAB＝slerpaM,qB,t其中t为插值因子，当t＝0时返回qM，t＝1时返回qB；当插值位于左右心室之间时，通过φlv和φrv的加权平均来确定t，使左右心室之间的纤维旋向连续；当插值位于内外膜之间时，通过φepi来确定t，使内外膜之间的纤维旋向连续。

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百度查询： 大连理工大学 一种个性化心脏模型心肌纤维旋向的构建方法

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