張耀楠，周偉，牛麗麗

1.西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)110169；3.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所， 廣東 深圳 518055

超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)評(píng)估左心室渦旋特性的初步研究

張耀楠1，2，周偉2,3，牛麗麗3

1.西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)110169；3.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所， 廣東 深圳 518055

左心室渦旋特性可被認(rèn)為是心臟健康潛在的指示器，通過(guò)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)計(jì)算心臟內(nèi)渦旋特性是一個(gè)較新的研究方向，關(guān)鍵是要證明其具有足夠的可靠性和精確性，以便用于臨床應(yīng)用。為此，本文構(gòu)建了一個(gè)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)系統(tǒng)，搭建了一個(gè)人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)，通過(guò)聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿體，以便在受控條件下測(cè)試超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)計(jì)算心臟內(nèi)渦旋特性的可行性。系統(tǒng)可以對(duì)仿體進(jìn)行連續(xù)成像，通過(guò)調(diào)整掃描線密度、圖像寬度、圖像深度等參數(shù)，最快可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘上千幀的成像速度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在液體水池中打入超聲造影微泡，開(kāi)啟脈動(dòng)泵循環(huán)多個(gè)周期，對(duì)仿體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集。通過(guò)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)可得到心臟內(nèi)血液流動(dòng)的速度分布，進(jìn)一步可計(jì)算出心臟內(nèi)渦旋的相關(guān)參數(shù)，包括能量損失（DI）、能量波動(dòng)（EF）、渦旋相對(duì)強(qiáng)度（RS）、渦旋的波動(dòng)（W）等。結(jié)果證明所構(gòu)建的系統(tǒng)、仿體、相關(guān)算法是可行的，可為下一步工作打好基礎(chǔ)。

超聲；粒子圖像測(cè)速；左心室；渦旋

0 引言

研究表明，左心室血液的流動(dòng)動(dòng)態(tài)可以被認(rèn)為是心臟健康一個(gè)潛在的指示器[1-2]。研究者在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在心室舒張充盈的過(guò)程中，血流會(huì)在心室腔內(nèi)形成渦旋。在心室等容收縮期，心室的收縮會(huì)加大渦旋的強(qiáng)度，血液在心室內(nèi)以渦旋的形式流動(dòng)，可以減少血液之間和血流與心室壁之間的碰撞。在心室的射血期，渦旋形式的血流有利于射血時(shí)血流方向的改變，從而提高心臟射血的效率。因此，渦旋可以最小化血液流動(dòng)過(guò)程中能量的損失，并減少心臟射血時(shí)所需要的能量[3-9]。心臟相當(dāng)于一個(gè)大血泵，可為全身供血，在心臟收縮期時(shí)，心臟通過(guò)逆時(shí)針的扭轉(zhuǎn)和擠壓將血液泵至全身各處；在心臟舒張期時(shí)，通過(guò)順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒀撼榛匦呐K。當(dāng)心臟遭受心肌梗塞、心力衰竭、肥厚型心肌癥等疾病危害時(shí)，心臟的功能會(huì)發(fā)生紊亂，心臟內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。

目前用于計(jì)算心臟內(nèi)渦旋參數(shù)的主要方法有：相位對(duì)比的心臟核磁共振成像技術(shù)和基于彩色多普勒的血流向量圖。1986年Nayler GL等人提出利用相位對(duì)比技術(shù)對(duì)血流速度進(jìn)行測(cè)量，相位對(duì)比的核磁共振成像（Phase-contrast Cardiac Magnetic Resonance）技術(shù)應(yīng)用大小相等、方向相反的兩葉組成的雙極梯度磁場(chǎng)，第一葉使靜止和流動(dòng)組織的質(zhì)子群進(jìn)行相位積聚，隨之應(yīng)用第二葉，靜止質(zhì)子喪失相位，總相位為零，而流動(dòng)的血液在兩個(gè)梯度之間，經(jīng)過(guò)不同的正負(fù)梯度，累加后產(chǎn)生相位位移。此時(shí)相位位移與血液在流速編碼方向的流動(dòng)成正比，從而通過(guò)公式可計(jì)算得到心臟內(nèi)血流的速度場(chǎng)。近些年由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁共振血流成像在三維成像的基礎(chǔ)上添加了時(shí)間上分辨率，成為四維核磁共振（4D MRI）血流成像[10]。

基于彩色多普勒的血流向量圖將血流分解為進(jìn)入觀測(cè)平面的基本流和平面內(nèi)封閉的渦流，可測(cè)量心動(dòng)周期不同時(shí)刻心腔內(nèi)任意一點(diǎn)真實(shí)的血流速度。首先通過(guò)彩色多普勒成像，掃描心室內(nèi)的血流區(qū)域，得到心室內(nèi)各個(gè)位置沿掃描波束方向的血液流動(dòng)狀況。再根據(jù)流函數(shù)和流距離函數(shù)得到速度場(chǎng)在垂直于波束方向的速度分量，從而得到心室內(nèi)血流速度場(chǎng)二維分布。

核磁共振的成像方法在三維空間具有很高的空間分辨率，但是該方法在時(shí)間分辨率方面受到了極大的限制，計(jì)算非常消耗時(shí)間。彩色多普勒具有廉價(jià)、耗時(shí)短、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但是該方法尚未被體外模型驗(yàn)證，且對(duì)垂直于聲束方向的渦旋測(cè)量不準(zhǔn)確。

粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)是用于流體顯像的一種光學(xué)方法，被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，能測(cè)量流體的瞬時(shí)速度相關(guān)特性。其原理為在流體中充分植入具有良好流體動(dòng)力學(xué)特征的粒子示蹤劑，使用脈沖激光照射所測(cè)流場(chǎng)的切面區(qū)域，通過(guò)成像記錄系統(tǒng)獲取兩次或多次曝光的粒子圖像，形成兩幅或多幅PIV實(shí)驗(yàn)圖像，再利用圖像互相關(guān)方法進(jìn)行分析，從而得出每一小區(qū)域中粒子圖像的平均位移，由此確定流場(chǎng)切面上整個(gè)區(qū)域的二維速度。超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Echo-PIV）采用超聲波束作為顯像源，微泡作為粒子示蹤劑，能夠顯示心腔內(nèi)血流動(dòng)力。2000年，echo-PIV初次用于實(shí)驗(yàn)室顯像挾沙水流中的高嶺土粒子，隨后該技術(shù)成功應(yīng)用于心腔內(nèi)血流實(shí)驗(yàn)和臨床研究[11-13]。

通過(guò)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)來(lái)計(jì)算心臟內(nèi)渦旋特性還是一個(gè)較新的研究方向，關(guān)鍵是要證明其具有足夠的可靠性和精確性，以便用于臨床應(yīng)用。為此，本文構(gòu)建了一個(gè)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)系統(tǒng)，搭建了一個(gè)人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)，通過(guò)聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿體，以便在受控條件下測(cè)試超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)計(jì)算心臟內(nèi)渦旋特性的可行性，報(bào)道如下。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)總體流程

超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)總體示意圖，見(jiàn)圖1。本文采用超聲線陣探頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)超聲探頭對(duì)仿體進(jìn)行連續(xù)的B-mode超聲成像，然后將前后兩幀B-mode超聲圖像劃分為有限個(gè)小的窗口，對(duì)前后兩張圖像對(duì)應(yīng)位置的小窗口進(jìn)行互相關(guān)分析，互相關(guān)平面極值所對(duì)應(yīng)的位置即為最佳匹配點(diǎn)即小窗口運(yùn)動(dòng)到的位置，從而可以計(jì)算粒子的位移，由于B-mode超聲成像的成像頻率已知，所以可以求得整個(gè)流場(chǎng)的速度矢量圖。

圖1 超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)總體示意圖

1.2 人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)的搭建

人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。脈動(dòng)泵采用Harvard Apparatus公司生產(chǎn)的大動(dòng)物血泵，可以通過(guò)大動(dòng)物血泵調(diào)整脈動(dòng)頻率、射血分?jǐn)?shù)、射血體積等參數(shù)。超聲采集設(shè)備使用的是Sonix RP系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以對(duì)仿體進(jìn)行連續(xù)成像，通過(guò)調(diào)整掃描線密度、圖像寬度、圖像深度等參數(shù)，最快可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘上千幀的成像速度。流量計(jì)可以實(shí)時(shí)提供流入仿體液體的流量信息。試驗(yàn)中采用的仿體分為兩種，一種是自制的聚乙烯醇（PVA）材料仿體，一種是購(gòu)買(mǎi)的硅橡膠材料仿體，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中在液體水池中打入超聲造影微泡，開(kāi)啟脈動(dòng)泵循環(huán)多個(gè)周期，待超聲造影微泡均勻分布在液體中時(shí)，對(duì)仿體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集。在仿體的后方放置吸收超聲的材料，以減少超聲數(shù)據(jù)采集時(shí)的噪聲干擾。

圖2 人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)

1.3 用于算法驗(yàn)證的左心室仿體

左心室硅膠仿體，見(jiàn)圖3。此仿體購(gòu)買(mǎi)自Shelley Medical Imaging Techologies公司。

圖3 左心室硅膠仿體

該仿體擁有左心室、主動(dòng)脈弓、主動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈，上方為大腦和上肢供給血液的血管。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將此仿體連接到血液循環(huán)系統(tǒng)中，打入超聲造影微泡，采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用Echo-PIV算法對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算。由于此仿體是由硅膠制成的，對(duì)于超聲波的反射很強(qiáng)，在成像的過(guò)程中表現(xiàn)出較多噪聲，因此主要是采用這個(gè)仿體進(jìn)行算法的驗(yàn)證。

1.3.1 聚乙烯醇（PVA）水凝膠的制備

聚乙烯醇PVA水溶液在室溫下可以通過(guò)鏈段之間的氫鍵逐漸形成水凝膠，但是這種水凝膠的力學(xué)性能較差，使用價(jià)值較低。為了獲得高強(qiáng)度、高含水的PVA水凝膠，有研究者通過(guò)不同的交聯(lián)方法和反應(yīng)條件來(lái)直接影響高分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而改善其性能。

PVA水凝膠的制備按照交聯(lián)方法可分為化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)?；瘜W(xué)交聯(lián)又分為輻射交聯(lián)和化學(xué)試劑交聯(lián)。輻射交聯(lián)主要是利用電子束、紫外線等直接輻射PVA溶液，使PVA分子間通過(guò)自由基而交聯(lián)在一起?；瘜W(xué)試劑交聯(lián)則是采用化學(xué)交聯(lián)劑使PVA分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而交聯(lián)形成凝膠，常用的化學(xué)交聯(lián)劑有醛類(lèi)、硼酸、環(huán)氧氯丙烷以及可與PVA通過(guò)配位絡(luò)合形成凝膠的重金屬鹽等。物理交聯(lián)主要有反復(fù)凍結(jié)法和凍結(jié)部分脫水法。

水凝膠中PVA濃度為10wt%、散射子（Sigmacell Cellulose）濃度為3wt%，制作過(guò)程如下：

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取PVA聚合物加入燒杯中，加入定量的純凈水，在燒杯中加入磁轉(zhuǎn)子，并放入恒溫加熱磁力攪拌器中進(jìn)行加熱。30 ℃下攪拌1～2 h，使PVA聚合物充分溶脹，以利于后面加熱時(shí)PVA聚合物的溶解。

（2）調(diào)整溫度到95 ℃，加熱攪拌1 h，觀察溶液中沒(méi)有懸浮的顆粒物，基本變?yōu)榫煌该鲿r(shí)即可，在加熱的過(guò)程中為了防止水分的流失，可以在容器上面覆蓋一層錫箔紙膜。

（3）在PVA聚合物完全溶解后，加入已經(jīng)稱(chēng)好的Sigmacell Cellulose，繼續(xù)加熱攪拌15 min，使Sigmacell Cellulose均勻分布于PVA水溶液中，這時(shí)溶液呈現(xiàn)為乳白色。

（4）停止加熱攪拌后，由于粘度較大，在溶液中可能會(huì)有氣泡，把容器放入超聲清潔器，震蕩15 min，除去溶液內(nèi)部的氣泡，然后靜置冷卻至30 ℃。

1.3.2 左心室仿體的制備

左心室仿體模具，見(jiàn)圖4。制作左心室仿體主要以圖4模型為基礎(chǔ)，以PVA水凝膠為材料。制作仿體需要一大一小兩套模具（圖4A），首先使用小模具（圖4A-1）制作出一個(gè)實(shí)心模型，然后將此模型放入大模具（圖4A-2）中，在大模具中形成空余位置，并在該位置加入PVA。具體流程如下：

（1）配置5.5%wt的瓊脂糖溶液，將溶液放入微波爐中進(jìn)行加熱直至完全溶解。

（2）將溶液倒入小模具（圖4A-1）中，靜置一段時(shí)間待液體完全凝固。打開(kāi)模型（圖4C-1），即可得到左心室瓊脂糖模型（圖4B），將瓊脂糖模型放入大模具中（圖4C-2），可以看出大模具中瓊脂糖模型周?chē)幸徊糠挚沼嗟奈恢谩?/p>

（3）從大模具上方小孔處注射PVA水凝膠直至溢出，然后將大模具密封。將密封好的大模具放入-20 ℃的冰箱中凍融12 h。最后將凍融好的仿體取出，通過(guò)擠壓碾碎心室仿體內(nèi)的瓊脂糖，用水沖出瓊脂糖，得到PVA心室模型（圖4D）。

圖4 左心室仿體模具

2 左心室渦旋參數(shù)的計(jì)算

在心室舒張充盈的過(guò)程中，血流會(huì)在心室腔內(nèi)形成渦旋，渦旋可以最小化血液流動(dòng)過(guò)程中能量的損失，并減少心臟射血時(shí)所需要的能量，所以渦旋是心臟內(nèi)血液流動(dòng)的重要參數(shù)。通過(guò)Echo-PIV算法可以得到心臟內(nèi)血液流動(dòng)的速度分布，進(jìn)一步可計(jì)算出心臟內(nèi)渦旋的相關(guān)參數(shù)。

渦量是描述旋渦運(yùn)動(dòng)最重要的物理量之一，定義為流體速度矢量v的旋度，渦量的單位是秒分之一（s-1）。渦量的計(jì)算公式：

渦量是1個(gè)周期性的變量，通過(guò)對(duì)多幅圖像相同位置渦量值組成的序列進(jìn)行傅里葉變化，得到圖像各個(gè)位置的零階諧波值和一階諧波值，即公式(2)中的分量ω0(x，y)，ω1(x，y)：

渦旋的相對(duì)強(qiáng)度是評(píng)判心臟功能的重要參數(shù)，當(dāng)發(fā)生心力衰竭等疾病時(shí)，心臟的收縮舒張功能會(huì)減弱，從而使得心臟左心室內(nèi)渦旋的相對(duì)強(qiáng)度降低。渦旋的相對(duì)強(qiáng)度（Relative Strength，RS）是一階諧波強(qiáng)度值與零階諧波值的比，可通過(guò)公式(3)計(jì)算得到：

其中：

渦旋的波動(dòng)是平方歸一化的渦量變化：

公式(5)中，T為一次心跳持續(xù)時(shí)間，LV代表左心室。液體流動(dòng)時(shí)相互之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致能量損失。能量損失也是評(píng)價(jià)心臟功能的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)心臟發(fā)生病變時(shí)，左心室內(nèi)的血流不能繼續(xù)保持良好的渦旋結(jié)構(gòu)，從而會(huì)加大能量的損失，其計(jì)算公式如下：

其中，ρ代表液體的密度，μ代表液體的粘度，DI代表能量的損失。

能量的波動(dòng)是相對(duì)于平均能量的能量變化，其計(jì)算公式如下：

上式中下角標(biāo)“0”代表平均速度。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 PVA仿體實(shí)驗(yàn)

當(dāng)心臟發(fā)生心肌梗死、肥厚性心肌癥時(shí)，心肌的彈性會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)心臟左心室內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。本文采用不同硬度的仿體測(cè)試對(duì)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。在制作PVA仿體時(shí)，會(huì)經(jīng)歷凍融階段，不同凍融周期制作出的仿體會(huì)出現(xiàn)不同的硬度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可測(cè)量1～8個(gè)凍融周期的仿體彈性模量，本研究使用了3周期、7周期的仿體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

對(duì)采集的超聲圖像進(jìn)行處理，步驟如下：

（1）輸入連續(xù)的含有超聲造影微泡的心臟左心室長(zhǎng)軸切面圖像，總幀數(shù)N應(yīng)涵蓋至少一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)超聲系統(tǒng)所采集的圖像。

（2）在第一幀圖像上選擇一個(gè)感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）。

（3）對(duì)第n幀和第n+1幀圖像的ROI進(jìn)行匹配計(jì)算。將ROI劃分為多個(gè)分析窗口（次窗口），兩幅圖中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)次窗口進(jìn)行二維互相關(guān)運(yùn)算，獲得該次窗口所代表的血流的位移矢量，然后利用三點(diǎn)高斯峰擬合算法進(jìn)行亞像素分析，利用全局和局部中值濾波器去除錯(cuò)誤矢量，并采用雙線性?xún)?nèi)插算法對(duì)錯(cuò)誤矢量進(jìn)行替換。通過(guò)迭代提高計(jì)算的精度，最后減小窗口大小，提高空間分辨率。依次對(duì)ROI每一對(duì)次窗口進(jìn)行該運(yùn)算，得到第n幀圖像ROI內(nèi)的二維位移矢量分布圖。

（4）n=n+1，判斷n是否大于或等于N。若“否”，則返回第（3）步。若“是”，則進(jìn)行第（5）運(yùn)算。通過(guò)對(duì)第（3）步的循環(huán)運(yùn)算，得到輸入圖像ROI的二維位移矢量分布圖。換言之，得到了若干個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)每一個(gè)心跳時(shí)刻心臟內(nèi)血液流動(dòng)的位移矢量圖。

（5）通過(guò)步驟（4）得到的位移矢量圖和超聲獲取圖像的時(shí)間間隔，計(jì)算得到心臟內(nèi)血液速度分布圖。

（6）通過(guò)左心室內(nèi)流體的速度，計(jì)算出心臟左心室內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 硅膠仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在硅膠仿體實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：脈動(dòng)泵頻率35 Hz、脈動(dòng)泵每搏射血體積35 mL、超聲探頭12 MHz（線陣探頭），線密度256。硅膠仿體實(shí)驗(yàn)估計(jì)渦旋參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 硅膠仿體實(shí)驗(yàn)估計(jì)渦旋參數(shù)

在人體的整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，心臟血流并非都處于渦旋狀態(tài)，但在心臟填充期，左心室內(nèi)血流處于渦旋狀態(tài)。對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，脈動(dòng)泵相當(dāng)于左心房，可為心室供血，本研究選擇脈動(dòng)泵供血時(shí)期獲得的B超圖像進(jìn)行研究（圖5）。

圖5 硅膠仿體實(shí)驗(yàn)中供血時(shí)期的B超圖像

本研究同時(shí)計(jì)算了速度（Velocity）、剪切力（Wall Shear Stress，WSS）、渦量（Vorticity）等信息。速度、剪切力、渦量的彩色編碼矢量圖，見(jiàn)圖6～8。從圖中可知，本研究采用的算法可精確地計(jì)算出心臟左心室仿體中的血液流動(dòng)。

4.2 PVA實(shí)驗(yàn)仿體結(jié)果與討論

本研究采用3周期彈性模量為168.52 kPa和7周期彈性模量為296.04 kPa的仿體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個(gè)周期的仿體分別進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：脈動(dòng)泵頻率15 Hz、脈動(dòng)泵每搏射血體積15 mL、超聲探頭12 MHz（線陣探頭），線密度128。PVA仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩組間DI、EF、RS、W等參數(shù)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。彈性模量大的仿體其形狀比彈性模量小的仿體小，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

本研究對(duì)仿體內(nèi)部的血流速度、剪切力和渦量進(jìn)行了比較，并對(duì)這3個(gè)參數(shù)同樣的尺度進(jìn)行了彩色編碼。彩色編碼對(duì)比圖像，見(jiàn)圖9。

本研究中，兩組之間彩色編碼的度量相同，圖像的右端貼有不同顏色彩色編碼所對(duì)應(yīng)的值，紅色代表數(shù)值大，藍(lán)色代表數(shù)值小。通過(guò)對(duì)圖像的觀察，我們發(fā)現(xiàn)7周期的速度、剪切應(yīng)力、渦量均比3周期大。PVA仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表3。

表2 PVA仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 PVA仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 速度彩色編碼矢量圖

圖7 剪切力彩色編碼矢量圖

圖8 渦量彩色編碼矢量圖

圖9 彩色編碼對(duì)比圖像

5 結(jié)束語(yǔ)

左心室血液的流動(dòng)動(dòng)態(tài)可被認(rèn)為是心臟健康一個(gè)潛在的指示器，通過(guò)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)來(lái)計(jì)算心臟內(nèi)渦旋特性還是一個(gè)較新的研究方向。本文構(gòu)建了一個(gè)超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)系統(tǒng)，搭建了一個(gè)人體血液循環(huán)仿真系統(tǒng)，通過(guò)聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿體，完成了一些初步的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明所構(gòu)建的系統(tǒng)、仿體、相關(guān)算法是可行的，為下一步工作打好了基礎(chǔ)。

本研究由中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所完成，仍有以下需要改進(jìn)的地方：

（1）實(shí)驗(yàn)期間，由于缺少采集大鼠心臟信號(hào)的探頭，未能完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。若能購(gòu)買(mǎi)到實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有說(shuō)服力。

（2）可與醫(yī)院進(jìn)行合作，采集病人信息，有利于進(jìn)一步探索超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)心臟功能的評(píng)估。

（3）改善實(shí)驗(yàn)算法，使算法能夠更加適用于心室這種非規(guī)則形狀內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算，能夠更加準(zhǔn)確的計(jì)算出心室內(nèi)的流場(chǎng)。

（4）改善體外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使之能夠更加接近于人體真實(shí)的情況，能夠使采集到的數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)。

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Preliminary Study of Application of the Ultrasonic Particle Image Velocimetry Technique in Evaluation of Left Ventricular Vortex Characteristics

ZHANG Yao-nan1,2, ZHOU Wei2,3, NIU Li-li3
1. College of Electronics and Information Engineering, Xi’an Siyuan University, Xi’an Shaanxi 710038, China; 2. Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110169, China; 3. Institute of Biomedical and Health Engineering, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Science, Shenzhen Guangdong 518055, China

The vortex properties of left ventricles can be considered as a potential indicator for heart’s health status. Using the ultrasonic particle image velocimetry (PIV) technique to calculate the characteristics of vortex in the heart is a relatively new research direction, and the key is to prove its adequate reliability and accuracy for clinical applications. For this purpose, a ultrasonic particle image velocimetry system was constructed to build a human blood circulation simulation system. And the polyvinyl alcohol (PVA) was used to make the left ventricular phantoms, so that the ultrasonic PIV technique could be tested in controlled conditions for the calculation of the vortex characteristics in the heart. The system achieved continuous imaging of the body, by adjusting the scanning line density, image width, image depth and other parameters, with the fastest speed of thousands of frames per second. Cardiac blood flow velocity profiles were obtained through the algorithm of acoustic PIV and further calculation of relevant parameters for the vortex in the heart, including energy loss (DI) and energy fluctuations (EF), vortex relative strength (RS) and eddy fluctuations (W). The results show that the constructed system, the simulated body and the related algorithms are feasible, which is the basis for the next step of work.

ultrasound; particle image velocimetry; left ventricles; vortex

R445.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.007

1674-1633(2016)06-0036-06

2016-01-27

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（201202071），西安思源學(xué)院校級(jí)重大科研項(xiàng)目（XASY-B1601）。

本文作者：張耀楠，教授，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)影像分析。

作者郵箱：johanzyn@qq.com