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ISSN: 2319 - 9865
机械和材料工程系,莱特州立大学,美国代顿
收到日期:01/08/2017;接受日期:18/08/2017;发表日期:28/08/2017
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详细的血流信息被认为是诊断血管疾病的关键信息,如血管狭窄和动脉瘤。光流法(胶卷暗盒)是一种新兴技术作为一种工具来分析数字x光减法的血管造影图像获取详细的血流分布在血管系统。简要回顾了讨论状态、适用性、准确性和未来方向的光流技术在血管流动的物理研究。
光流法,血液速度测量学、多普勒超声血管造影图像处理
血管系统疾病仍然是发达国家的死亡率和发病率的主要原因,尽管近年来相当大的治疗进展。血流动力学特征,如流冲击,压力和剪力墙压力(WSS)被认为是关键参数的启动和发展各种血管疾病包括血管狭窄和动脉瘤(1,2]。血液流动速度分布对血流动力学的研究至关重要,特别是对于壁面切应力评估。x射线视频密度测量血测速方法是基于检测radioopaque血流对比材料,被广泛用于血液流量和速度测量。的运动的计算对比的材料被认为是一种良好的表示血液流动领域的观点。一般的x射线视频密度测量方法综述了Shpifoygel et al。3]。体内成像的x射线技术功能和形式审查了4 a et al。4]。数字x光减影血管造影技术,对比剂图像是由减去“造影图像”后通过使用数码相机图像;因此,上覆结构除了血管是可以避免的。在此,数字x光减影血管造影和其他方法相比有许多优点在图像质量方面,空间分辨率、时间分辨率和精度(3,5]。几种类型的算法包括flight-of-time类型的算法,连续速度确定基于iso-density轮廓,倒连续性方程算法和利用光流算法估计被数字x光的速度场减法血管造影图像。近年,速度评估基于数字x光减影血管造影和光学流方法吸引了众多研究方向(6,7]。但是,没有特定主题的文学雷竞技苹果下载评论x射线造影与光流速度测量学方法(胶卷暗盒)可以找到。本文试图提出一个评论在胶卷暗盒血液测速基于数字x射线减影血管造影。
血管造影图像处理的胶卷暗盒自1983年以来一直使用(6]。这导致了多个验证努力使用模拟图像,在体外和体内实验。Amini [7)提出了一般的光流法,它允许流中的旋转流组件,和评估流幻。杉本学等。8]介绍了一种光学流方法结合速度平滑约束和最大流量约束(维护外流率从一个控制体积小于的数量对比材料控制体积)进行腹部动脉瘤内速度分布测量(9,10]。罗德et al。11]开发了基于模型的光流算法和加权光流算法1 d血流量测量。佩雷拉et al。13,14)使用一个模范自由光学技术来评估一个内部颈动脉流和比较结果用多普勒超声数据只体积流量。该方法只对低对比度相当验证注射速率。黄等。15,16)应用光流方法来模拟micro-vessel图像序列。方法在一维时尚低速度测量,验证和验证是基于体外实验。克娜et al。(17)进行直观的比较光流和计算流体动力学基于数字减影血管造影,他们得出的结论是,这两种方法都是定性的结果一致。上述方法完全定量的评估验证详细的二维速度图。传统的胶卷暗盒的x射线造影也患有低帧率和脆弱性扩散;因此,胶卷暗盒的准确性和可靠性不能满足临床需求3]。
介绍了光流算法由计算机科学家在数字图像捕捉视觉运动(18]。明显的运动控制方程被称为图像的亮度模式类比为质量流量连续性方程使用如下:
(1)
我代表在光学图像亮度,t是时间,V = (V1、V2) t是2 d光学流速和∇梯度算子。通过添加额外的平滑约束,可以确定线性二维速度。与一阶约束函数,欧拉方程推导(18]。
(2)
是拉格朗日乘子的地方。亮度约束方程假设图像强度保持不变的沿流的图像在一个短的时间间隔。该算法已应用于恢复血液速度由几个研究小组(10- - - - - -17]。
这个控制方程也简化了几个研究小组通过假设一维流(轴对称和抛物线)和矢效应(19]。然后控制方程
(3)
你在哪里马克斯最大速度沿着方向船在中央位置,r是轴对称的半径船你们径向位置的中心线20.沿着船),x代表了坐标,y代表了沿径向坐标。
在这个阶段,主要问题在应用光学流物理流体/血液测量方法是光流法和流体之间的联系还没有建立定量。因此,这些约束未能充分捕捉流体的性质和不太清楚适用于脑血管流量(10- - - - - -17]。一旦解决了这个问题,光流法更适合连续的图像模式和血管将为临床诊断提供有用的信息疾病。最近,刘和沈21)提出了一个基于物理光学流动方程,考虑扩散效应,物理边界,积累效应和非零差异的控制体积的目的与建筑光学流和之间的联系工程为典型的流流体可视化。提出了控制方程为:
(4)
IV和V代表了散度效应的光流,DV2I代表数量的扩散效应等流密度的对比。这两项突出显示,因为他们是附加的条款而情商。(1)。因此,情商的总误差的功能。(4)最小化被定义为
(5)
是拉格朗日乘子的,u和v两个组件的速度。利用微积分的变异,向量欧拉方程可以推导出:
(6)
最近,杨et al。5)进一步研究divergence-compensatory光流方法通过使用一个体内x线血管造影图像和第二个模拟给定流场图像的叠加。在这项研究中,物理效应,也就是说,扩散效果模拟,但散度项是包含在控制方程。非零差异,即。,I∇ ∙ V is mainly caused by the finite resolution problem (control volume defined by pixels), although theoretically, the term of ∇∙ V should be zero for incompressible flow. So, the governing equation becomes,
(7)
杨et al。5)表现出显著的改善准确性(6 ~ 7%错误)利用散度——补偿胶卷暗盒应用于semi-simulated动脉的血管造影图像流和动脉瘤的流。
光流法与x射线造影有其利弊。优秀的高空间分辨率和精度优于其他方法。然而,这种技术的准确性受到大的运动,即。,光流算法本质上是本地处理。它需要每个像素的运动是在1像素保持算法的准确性。据杨et al。5),最大精度需要大约0.5像素运动的光学图像。这种限制明显需要一个快速的成像系统。这种特殊要求的短时间间隔两个图像之间挑战当前的x射线成像在两个折叠系统:1。当前商业x光机的最大重复率,如西门子阿提斯动物园Zee系统,大约是15赫兹。尽管一些高重复率x射线系统(60 Hz - 150 Hz)已经提出,用于血液流动测量,这个速度仍不足以满足精度要求的胶卷暗盒(14,17]。计算出一个非常高的帧速率,e.g.10,000赫兹将满足短时间间隔要求(5]。2。高重复率带来另一个问题关于在接触病人。例如,一个10000 Hz x射线将产生15赫兹x射线照射剂量的667倍。这样一个系统不能通过的规则食物与药物管理局(FDA)。另一种解决方案可能是一个双脉冲x射线系统,其中两个脉冲之间的时间间隔可以极短(微秒甚至纳秒)的规模和可控。这样一个双脉冲系统的优势在于有限的照射剂量,即。,只有加倍的接触相同的帧速率。不幸的是,没有可用的商业需要x光机配件。考虑到曝光过度负担,双脉冲x射线系统可能会承诺使胶卷暗盒的广泛应用映射血管的血液循环系统。
各向同性分布x射线造影剂的血管造影图像处理的另一个挑战胶卷暗盒,作为演示了在一个典型的x线血管造影图像的颈内动脉un-ruptured动脉瘤图1。non-distinct模式的亮度分布将导致一个非常低的梯度强度,使胶卷暗盒的计算也不太适合。声称,x线血管造影图像中的各向同性特性速度估计误差的主要来源是通过使用semi-simulated血管造影(5]。这个缺点可能被引入脉动的改善注入造影剂,进行x射线成像(5]。跳动的注入将本质上产生高亮度梯度由于波浪在血液中浓度的对比材料。另一方面,safety-proof示踪粒子也被推荐用于x射线成像,这可能会使图像质量更高的速度分布,从而更精确的评估5,22- - - - - -23]。
图1:典型的数字x射线减法右颈内动脉的血管造影图像(三维数字减影血管造影用精液阿提斯动物园Zee的重复率6赫兹,visipaque 300造影剂注射使用的注射器设置为3毫升/分钟和5 f作秀的角锥形导管,注射后的图像获得在1 s)。
透射成像的x射线造影有其特性,生成一个二维投影图像的三维流场,提出了图1。的混合质量流地区对比剂会影响图像质量(不同的模式或各向同性分布)和3 d流的流动特性尤其是垂直于投影平面的运动不能可视化。这些都是这项技术的连贯的缺点。体外和体内的研究仍需要量化对比剂的混合的不同引起的错误和3 d流特性。曲折的血管也使x射线成像高度复杂的。透视角度对于这样一个复杂的血管结构可能是非常有限的。
光流法能够估算全球速度在整个部分的兴趣血管系统,而准确性很大程度上取决于之间的时间间隔序列图像,图像中亮度模式,流动特性的复杂性包括多尺度容器直径、多尺度速度大小,3 d垂直流动和湍流流动,曲折的血管。然而,一旦获得准确的血流映射,血流动力学信息,如WSS和撞击,可以派生的关键指标多种血管疾病的诊断和治疗计划。也基本验证许多计算工作血液动力学。
