本實用新型涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

缺血性心臟病是導(dǎo)致心臟衰竭的主要原因，已成為嚴(yán)重危害人類健康的重大疾病。目前，臨床上一些缺血性心臟病的診斷主要基于典型的臨床癥狀，再結(jié)合輔助檢查，如常規(guī)心電圖，心電圖負(fù)荷試驗和超聲心動圖等，以及通過測定心肌損傷標(biāo)志物來判定是否有心肌壞死。然而這些方法都難以直觀的顯示梗死區(qū)域，明確心肌梗死的區(qū)域和范圍。準(zhǔn)確的評價心肌的功能和狀態(tài)，對心肌缺血疾病的早期診斷及后續(xù)治療，有著極其重要的意義和價值。因此，研究一種無創(chuàng)的心肌梗死部位成像方法，直觀而準(zhǔn)確的確定心肌梗死區(qū)域及范圍大小，顯得尤為重要。

目前，大鼠已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)、心腦血管疾病、影像學(xué)、自主免疫疾病、癌癥等研究的模式動物。大鼠不僅具有體型和易于實驗操作等優(yōu)勢，而且在循環(huán)系統(tǒng)、解剖結(jié)構(gòu)等方面比小鼠與人類更接近，已成為多種心臟疾病研究和藥物評價的最主要的模型。因此如何準(zhǔn)確評價大鼠心肌的功能和狀態(tài)顯得尤為重要。

超聲心動圖是常用的無創(chuàng)性心功能檢查方法，可以連續(xù)評價心臟結(jié)構(gòu)和功能，但也存在一定的局限性：對心臟構(gòu)型進行假設(shè)，測量方法以數(shù)學(xué)模型模擬為主；圖像分辨率差；不能直觀顯示心臟結(jié)構(gòu)及心血管空間位置關(guān)系。同時，因為大鼠的心臟較小、心率較快，應(yīng)用超聲只能獲得部分心功能參數(shù)，在評價大鼠的心功能準(zhǔn)確性上受到了限制。

與其它醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，核磁共振成像(MRI)的軟組織對比分辨率更高，它可以清楚地區(qū)分較高的心內(nèi)膜、中等信號的心??；MRI具有任意方向獲得任意切面的能力，結(jié)合不同方向的切層，可全面顯示心臟的結(jié)構(gòu)，無觀察死角；MRI測定心功能無需假設(shè)左心室的幾何形狀，尤其適合于心肌梗死等病變情況。MRI對心內(nèi)膜及心外膜邊界的高辨識性不僅使得室壁運動的觀察成為可能，更能夠準(zhǔn)確測定室壁的增厚率以評價局部心肌功能。心臟MRI的臨床應(yīng)用曾經(jīng)因為心臟檢查過程中引入的心跳及呼吸等運動偽影而受到很大限制。心電門控和呼吸門控技術(shù)的出現(xiàn)，使得心臟MRI技術(shù)應(yīng)用到各種心臟疾病的診斷和模型研究。然而此類門控導(dǎo)航技術(shù)依然有自身局限性：(1)大鼠的心臟較小、心率較快，施加心電門控和呼吸門控不易操作；(2)需要外部門控裝置；(3)延長了實驗準(zhǔn)備時間，增加了實驗的復(fù)雜性延長了掃描時間，并且增加了脈沖序列的復(fù)雜性；(4)心電門控信號一般通過心臟導(dǎo)聯(lián)得到，梯度的快速切換和射頻脈沖會嚴(yán)重干擾心電門控信號，場強愈高，干擾愈甚。因此，不使用門控導(dǎo)航條件下，如何抑制運動偽影，保證圖像質(zhì)量已成為大鼠心臟MRI進一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

雖然心臟實時電影成像方法等快速成像技術(shù)的出現(xiàn)促進了心臟電影成像的發(fā)展，但是這類方法依然達(dá)不到三維心臟電影成像對于時間分辨率的要求，仍需要克服技術(shù)上的難點和瓶頸。近年來，心臟MRI領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新的自門控心臟成像技術(shù)——心臟及呼吸自門控成像技術(shù)，該方法利用采集的心臟MRI數(shù)據(jù)獲取心臟和呼吸運動信號，然后根據(jù)提取的心跳呼吸信號將心臟MRI數(shù)據(jù)重新排列至不同的運動時相中，以得到心臟圖像。這種自門控的成像技術(shù)，既不需要心電觸發(fā)，也無需被檢者屏住呼吸，極大的提高了掃描效率。然而該自門控技術(shù)基本用于人體心臟成像，若用于動物三維全心成像，仍需要克服技術(shù)上的難點和瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施例提供了一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中三維心臟成像方法操作復(fù)雜、時間分辨率不足的技術(shù)問題。該系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于從心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)，從所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)采集心跳運動和呼吸運動的混合信號；信號處理設(shè)備，用于對所述心跳運動和呼吸運動的混合信號進行處理，得到頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號；圖像重建設(shè)備，用于根據(jù)頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，將所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，重建三維心臟圖像。

在一個實施例中，所述信號處理設(shè)備是帶通濾波器。

在一個實施例中，所述信號處理設(shè)備是現(xiàn)場可編程門陣列。

在一個實施例中，所述心肌缺血模型為大鼠心肌缺血模型。

在一個實施例中，所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備是西門子核磁共振數(shù)據(jù)掃描儀。

在一個實施例中，所述圖像重建設(shè)備是現(xiàn)場可編程門陣列。

在本實用新型實施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運動和呼吸運動的混合信號后，對心跳運動和呼吸運動的混合信號進行處理得到頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，實現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請是基于頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號進行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評價心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請的三維心臟圖像重建系統(tǒng)無需外部心電門控及呼吸門控裝置，有利于縮短實驗準(zhǔn)備時間，操作便捷。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實用新型的限定。在附圖中：

圖1是本實用新型實施例提供的一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例提供的一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)的工作流程示意圖；

圖3是本實用新型實施例提供的一種采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)的示意圖；

圖4是本實用新型實施例提供的一種心跳運動信號和呼吸運動信號的示意圖；

圖5是本實用新型實施例提供的一種梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例的線性回歸示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施方式和附圖，對本實用新型做進一步詳細(xì)說明。在此，本實用新型的示意性實施方式及其說明用于解釋本實用新型，但并不作為對本實用新型的限定。

在本實用新型實施例中，提供了一種三維心臟圖像重建系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)采集設(shè)備101，用于從心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)，從所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)采集心跳運動和呼吸運動的混合信號；

信號處理設(shè)備102，用于對所述心跳運動和呼吸運動的混合信號進行處理，得到頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號；

圖像重建設(shè)備103，用于根據(jù)頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，將所述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，重建三維心臟圖像。

由圖1所示可知，在本實用新型實施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運動和呼吸運動的混合信號后，對心跳運動和呼吸運動的混合信號進行處理得到頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，實現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請是基于頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號進行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評價心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請的三維心臟圖像重建系統(tǒng)(即大鼠心肌缺血模型的自門控T1成像系統(tǒng))無需外部心電門控及呼吸門控裝置，有利于縮短實驗準(zhǔn)備時間，操作便捷。

具體實施時，上述信號處理設(shè)備102可以是帶通濾波器。此外，上述信號處理設(shè)備102還可以是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件，其通過運行主成分分析法PCA等方法來獲取呼吸運動信號及心跳運動信號。

具體實施時，上述數(shù)據(jù)采集設(shè)備101可以是西門子核磁共振數(shù)據(jù)掃描儀(Tim Trio Siemens Erlangen Germany)，圖像重建設(shè)備103可以是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件，F(xiàn)PGA是一種半導(dǎo)體器件。

具體實施時，如圖2所示，上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)的工作方法包括如下步驟：

(1)利用bSSFP序列，采用多回波的三維徑向混合采集方式得到心臟電影成像數(shù)據(jù)(即上述心臟核磁共振成像數(shù)據(jù))。具體表現(xiàn)為：層面選擇方向采用笛卡爾采樣方式，相位及頻率編碼平面采用徑向采樣。如圖3所示(其中，DFT代表一維傅里葉逆變換)，沿層面選擇方向編碼完畢，旋轉(zhuǎn)角度(112.2o)至下一個方向，繼續(xù)按照笛卡爾采樣填充，依次交替類推，直至獲得全部的心臟電影成像數(shù)據(jù)。

(2)在心臟電影成像數(shù)據(jù)中，取每一層徑向采樣線的中間值(理論上的信號最大值，如圖3中的標(biāo)記(·)所示作為導(dǎo)航信號，經(jīng)傅里葉逆變換至圖像域(ZIP)，加權(quán)得到心跳運動及呼吸運動的混合信號S。假設(shè)層選方向像素個數(shù)為N_z，所對應(yīng)的數(shù)值為I_z(z＝1，2……N_z)，則混合運動信號若每一層采樣線數(shù)為N_r，則其中|·|為去絕對值函數(shù)。

(3)設(shè)計帶通濾波器(大鼠心跳頻率范圍5HZ～9HZ，呼吸頻率為1.1HZ～1.9HZ)，混合信號S經(jīng)帶通濾波器重復(fù)濾波，直至得到頻率恒定的心跳運動信號Secg及呼吸運動信號Sresp。

(4)基于得到的頻率恒定的心跳運動信號Secg及呼吸運動信號Sresp，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，重建得到三維心臟圖像。

具體實施時，上述心肌缺血模型可以是動物的心肌缺血模型，例如，大鼠心肌缺血模型。

以下結(jié)合具體示例說明上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)的可行性。以大鼠心肌缺血模型為例，如圖4所示，a表示基于小動物呼吸機(Consun Pharmaceutical Group Limited,GuangZhou，China)提取的大鼠心肌缺血后的心跳運動信號，b表示上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的大鼠心肌缺血后的心跳運動信號，c表示上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的大鼠心肌缺血后的呼吸運動信號。可見，上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的心跳運動信號和呼吸運動信號頻率更穩(wěn)定，突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。

通過基于上述三維心臟圖像重建系統(tǒng)提取的心跳運動信號和呼吸運動信號進行三維心臟圖像重建，將重建的三維心臟圖像與大鼠心肌切片相比較，如圖5所示的梗死心肌面積占大鼠心肌面積比例的線性回歸圖，圖5的橫坐標(biāo)代表利于本申請得到的心肌梗死面積占全部心肌面積的比例結(jié)果，縱坐標(biāo)表示實驗后利用病理解剖學(xué)得到的大鼠心臟切片心梗面積占全部心肌面積的比例；圖5中方塊代表利用本申請檢測得到的心肌梗死面積占全部心肌面積的比例，一個方塊代表一只大鼠的檢測結(jié)果，即圖5展示了5只實驗大鼠的檢測結(jié)果，直線表示利用線性回歸分析得到的回歸直線，該回歸分析結(jié)果說明，本申請可以有助于準(zhǔn)確確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，本申請重建的三維心臟圖像中梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例與大鼠心肌切片中梗死心肌面積占大鼠心肌面積的比例較好的吻合。

在本實用新型實施例中，從大鼠心肌缺血模型采集心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)和心跳運動和呼吸運動的混合信號后，對心跳運動和呼吸運動的混合信號進行處理得到頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，最后，根據(jù)頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號，將心臟核磁共振成像數(shù)據(jù)重新排列至心臟的各個運動狀態(tài)圖像中，實現(xiàn)重建三維心臟圖像。由于本申請是基于頻率恒定的心跳運動信號和呼吸運動信號進行重建三維心臟圖像的，從而提高了三維心臟圖像的時間分辨率，穩(wěn)定、高效的獲得三維心臟電影圖像，使得有利于確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，有利于評價心肌的功能和狀態(tài)，為臨床診斷和治療提供參考。此外，本申請的三維心臟圖像重建系統(tǒng)無需外部心電門控及呼吸門控裝置，有利于縮短實驗準(zhǔn)備時間，操作便捷。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型實施例可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。