[發(fā)明專利]基于結構先驗信息的人體心臟左心室擴散張量估計方法

有效

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• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108171690B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發(fā)明（設計）人: 楚春雨;張宇峰;梁洪晶
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06F17/16;A61B5/055;A61B5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于結構先驗信息的人體心臟左心室擴散張量估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：估計初始擴散張量：采用線性最小二乘法估計得到每個體素的初始擴散張量D_LLS，并采用特征值分解法得到每個體素的初始主擴散方向d_LLS；

步驟2：對于每層左心室短軸切片，計算每個體素的先驗纖維走向V_f；

步驟3：構造基于鄰域張量平滑限制和先驗纖維走向限制的目標函數(shù)；

步驟4：求解帶正定限制的目標函數(shù)最小化問題，獲得擴散張量的估計值；

1)根據(jù)每個體素的初始主擴散方向，計算其對應的俯仰角，選取俯仰角的絕對值小于10度的點擬合一個橢圓Ω；

2)計算每個體素p到橢圓Ω的距離d_p，如果p在橢圓Ω外，則定義其到橢圓Ω的距離為負值，即-d_p；

3)計算每個體素的初始主擴散方向對應的螺旋角，對所有體素到橢圓Ω的距離d_p和對應螺旋角進行線性擬合，得到每個體素的螺旋角的擬合值；

4)令所有體素對應的橫向角為0度，將螺旋角的擬合值和橫向角轉換為向量表示的纖維走向V_f，即獲得每個體素的先驗纖維走向V_f；

所述步驟3中所構造的目標函數(shù)形式如下：

其中，S₀為無擴散加權信號；S_i為第i個擴散梯度方向的擴散加權信號；N為擴散加權梯度方向數(shù)量；g_i為第i個擴散梯度方向；D為擴散張量；d為擴散張量D的向量表示；V_m為擴散張量D的主特征向量，即主擴散方向；α和β為兩正則化參數(shù)，α的取值范圍為8～120，β的取值范圍為0.05～0.15；REG₁和REG₂分別為兩正則化項，其定義如下：給定某體素p，則，

其中，q為p的3×3×3鄰域U_p內(nèi)的體素；加權因子w_pq＝||p-q||₂為體素p和q之間的歐氏距離；為加權因子之和；H為一N×6矩陣，其第i行定義為：

其中，g_ix，g_iy和g_iz分別為第i個擴散梯度方向g_i的三個分量，即g_i＝[g_ix，g_iy，g_iz]^T，b為擴散敏感因子；

其中V_f為步驟2所得到先驗纖維走向。

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中求解的目標函數(shù)最小化問題如下：

arg min{f(D)} s.t. λ₁＞0，λ₂＞0，λ₃＞0 (5)

其中，λ₁，λ₂和λ₃分別為擴散張量D的三個特征值。

3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述目標函數(shù)最小化問題通過如下步驟求解：

1)對目標函數(shù)f(D)的形式進行變換：

根據(jù)特征值分解，將擴散張量D表示為如下形式：

其中，V₁，V₂，V₃為擴散張量D的三個特征向量；λ₁，λ₂，λ₃分別為擴散張量D的三個特征值；在球坐標系統(tǒng)下，單位向量V₁表示為如下形式：

其中，θ和分別為極角和方位角；

構造任意單位向量V_t滿足即V_t⊥V₁，則特征向量V₂可以表示為：

V₂＝T(V₁，ω)V_t (8)

其中，T(V₁，ω)表示繞V₁軸旋轉ω角度的旋轉矩陣，其形式如下：

其中，v_x，v_y，v_z為向量V₁的三個分量，即V₁＝[v_x，v_y，v_z]^T；

根據(jù)三個特征向量V₁，V₂，V₃的正交性可知：

V₃＝±V₁×V₂ (10)

將式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)代入，可將目標函數(shù)f(D)轉化為自變量為θ，ω，λ₁，λ₂，λ₃的新形式

2)求解新形式的目標函數(shù)最小化問題；新形式的目標函數(shù)最小化問題表示為：

采用受限非線性優(yōu)化問題求解方法對參數(shù)最小化問題進行求解，得到使目標函數(shù)值最小的一組參數(shù)；

3)將上述步驟求解得到的參數(shù)轉化為擴散張量，即根據(jù)式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)將參數(shù)θ，ω，λ₁，λ₂，λ₃轉化為擴散張量D。