基于磁共振图像分割的主动脉管壁剪切力计算
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和几何 信 息 的提取 。系统 的流 程 框 图 如 图 １所 示 ，
与传统 的建 立 血 管 模 型 并 通 过 模 拟 计 算 得 到 管 壁 剪 切力 的方 法不 同 ， 这 一方 法 不 需 要 在 已 知模 型 参 数 和边 界条 件下模 拟 血流 速 度 ， 也 不 需要 受 限于 血 管刚体 模 型不能 发 生形 变 的约 束 ， 在 精确 的血 管 壁
只有 超 声 成 像 和 磁 共 振 成 像 能 够 获 得 流 速 信 息 。 超声 成像 能够 获得 局 部 的二 维 流 速 信 息 ， 而 磁共 振 成像 则 可 以 获 得 高 空 间分 辨 率 的 三 维 流 速 信 息 。 因此 本研 究 中 主要 采 用 磁 共 振 成 像 的 方 法 。 图像
响 ， 在研究 中得 到 了广泛 的应 用 。本 文 中主要 对
管 壁剪切 力 的计 算 进 行 研 究 ， 而要 获 得 这 一 参 数 ， 需要 对局 部 区域 血 管 的 血 流 速 度 信 息 和 血 管 壁 的 几何 信息 进行 精确 的测 量 ； 前 者 可 以通 过 医 学影 像
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
基于磁共 振 图像分割的主动 脉 管 壁 剪 切 力计 算
刘 锴 章毓晋 李 睿
（ 清 华 大 学 电子 工 程 系 ， 医学 院生 物 医学 工 程 系 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
摘
要
为 了获得管壁 剪切 力等血液动力学参数 ， 并用其对心血管疾病进行预测 ， 在三 维相位对 比磁 共振成像技 术获得 的图
像数据和 血流速度信息 的基础 上， 实现 了一种基 于 图像分 割 的主动脉 管壁剪切 力计算 方法。其 中， 图像 分割方 面， 结 合需要
分 割的主动脉 血管 图像 的特 点， 使用交互 武水平 集分 割算法得到 了三维血管壁 的分 割结果 ， 并对分 割结果进行 了主观 和客观 的评价 。管壁 剪切 力计算方 面， 结合磁共振得到 的血 流速度 信息和 图像分割得到 的血 管壁几何信 息 ， 在理 想不可压 牛顿流体 的假设 下得 到 了计算结果 ， 并对结果进行 了可视化和分 析。最后 ， 对于这 两方 面研 究中存在 的一 些问题和值得进 一步研究 的
２ ０ １ ３年 ５月 １ ４日收到 清华信息科学 与技术 国家实验 室 学科交叉基金 资助
第一作者简介 ： 刘 锴（ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 清华 大学硕 士研 究生 ， 研 究方
耗 时的工 作 ， 需 要 从 图 像 处 理 领 域 引入 一 些 自动 ， 或者 半 自动 的 图像 分 割 算 法 来 完 成 血 管 壁 的分 割
第 １ ３卷
第２ ５ 期
２ ０ １ ３年 ９月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎｏ ． ２ ５ Ｓ ｅ ｐ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ ｌ 一 １ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ５ — ７ ３ ９ ５ — ０ ６
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
分割 方面 ， 目前 临床 上 广 泛 采 用 的是 具 有 专 业 知识 的放射 科 医生手 动 分 割 的方 法 ， 这 是 一 项 艰 巨 而且
目前 临 床 上 常 常 采 用 管 壁 强 度 、 弹 性 系数 、 管 壁剪 切 力 （ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ， ＷＳ Ｓ ） 、 剪 切力 震 荡 指标
有效 地研 究 这些 局 部 因 素 ， 对 心 血 管 疾病 的 发 生 和 发展 趋 势 进 行 监 控 和 预 测 ， 具 有 重 要 的 临 床 研 究
意义 。
方 法包括 超声 成 像 （ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｕ ｎ ｄ ， Ｕ Ｓ ） 、 计 算 机 断层 成
像（ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ｍｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ， Ｃ Ｔ）和 磁 共 振 成 像 （ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｍ ａ ｇ ｉ ｎ ｇ ， ＭＲ Ｉ ） 等 方 法 ， 其 中，
成像 的方 法获 得 ， 而后 者 则 可 以 引入 图像 处 理领 域 已有 的 图像 分 割算 法 得 到 。 常用 的 医 学 影 像 成 像
亡人 数 占总死 亡 人 数 的 ４ ０ ％ 以上 ， 给国家经济 、 社 会发 展 都 带 来 了沉 重 的 负 担 。心 血 管 疾 病 不 仅 与 不健 康 的生 活 、 饮食规 律等相关 ， 研 究 表 明 心 血 管 疾病 还往 往 与一 些 局 部 因 素相 关 ， 例 如 主 动 脉瘤 现 象好 发 于 腹 主 动 脉 或 者 肾动 脉 附 近 Ｊ 。 因 此 如 何
（ ｏ ｓ ｃ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ， Ｏ Ｓ Ｉ ） 等 血 液 动 力 学 参 数 来 对这 些局 部 因素 进 行 研 究 。其 中 ， 管壁 剪 切 力 是 非 常重要 的参数 之 一 ， 它 是 由于 血 液 黏稠 性 导 致 血 流 对管 壁 的摩擦 力 而 形 成 的 ， 直 接 作 用 于血 管 内壁 表 皮 细胞 影 响 其 功 能 性 ， 进 而 对 心 血 管 疾 病 产 生 影
工 作 进 行 了总 结 。
关键词
磁共振成像
图像分 割
交互式水平集
Ａ
管壁 剪切 力
中图法分类号
Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ４ １ ；
文献标志码
心 血管疾 病 是 全 球致 死 率 最 高 的疾 病 ， 而在 中 国这一 现象 更为 严 重 ， 每 年 由心 血 管 疾 病 造 成 的死
与传统 的建 立 血 管 模 型 并 通 过 模 拟 计 算 得 到 管 壁 剪 切力 的方 法不 同 ， 这 一方 法 不 需 要 在 已 知模 型 参 数 和边 界条 件下模 拟 血流 速 度 ， 也 不 需要 受 限于 血 管刚体 模 型不能 发 生形 变 的约 束 ， 在 精确 的血 管 壁
只有 超 声 成 像 和 磁 共 振 成 像 能 够 获 得 流 速 信 息 。 超声 成像 能够 获得 局 部 的二 维 流 速 信 息 ， 而 磁共 振 成像 则 可 以 获 得 高 空 间分 辨 率 的 三 维 流 速 信 息 。 因此 本研 究 中 主要 采 用 磁 共 振 成 像 的 方 法 。 图像
响 ， 在研究 中得 到 了广泛 的应 用 。本 文 中主要 对
管 壁剪切 力 的计 算 进 行 研 究 ， 而要 获 得 这 一 参 数 ， 需要 对局 部 区域 血 管 的 血 流 速 度 信 息 和 血 管 壁 的 几何 信息 进行 精确 的测 量 ； 前 者 可 以通 过 医 学影 像
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
基于磁共 振 图像分割的主动 脉 管 壁 剪 切 力计 算
刘 锴 章毓晋 李 睿
（ 清 华 大 学 电子 工 程 系 ， 医学 院生 物 医学 工 程 系 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
摘
要
为 了获得管壁 剪切 力等血液动力学参数 ， 并用其对心血管疾病进行预测 ， 在三 维相位对 比磁 共振成像技 术获得 的图
像数据和 血流速度信息 的基础 上， 实现 了一种基 于 图像分 割 的主动脉 管壁剪切 力计算 方法。其 中， 图像 分割方 面， 结 合需要
分 割的主动脉 血管 图像 的特 点， 使用交互 武水平 集分 割算法得到 了三维血管壁 的分 割结果 ， 并对分 割结果进行 了主观 和客观 的评价 。管壁 剪切 力计算方 面， 结合磁共振得到 的血 流速度 信息和 图像分割得到 的血 管壁几何信 息 ， 在理 想不可压 牛顿流体 的假设 下得 到 了计算结果 ， 并对结果进行 了可视化和分 析。最后 ， 对于这 两方 面研 究中存在 的一 些问题和值得进 一步研究 的
２ ０ １ ３年 ５月 １ ４日收到 清华信息科学 与技术 国家实验 室 学科交叉基金 资助
第一作者简介 ： 刘 锴（ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 清华 大学硕 士研 究生 ， 研 究方
耗 时的工 作 ， 需 要 从 图 像 处 理 领 域 引入 一 些 自动 ， 或者 半 自动 的 图像 分 割 算 法 来 完 成 血 管 壁 的分 割
第 １ ３卷
第２ ５ 期
２ ０ １ ３年 ９月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎｏ ． ２ ５ Ｓ ｅ ｐ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ ｌ 一 １ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ５ — ７ ３ ９ ５ — ０ ６
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
分割 方面 ， 目前 临床 上 广 泛 采 用 的是 具 有 专 业 知识 的放射 科 医生手 动 分 割 的方 法 ， 这 是 一 项 艰 巨 而且
目前 临 床 上 常 常 采 用 管 壁 强 度 、 弹 性 系数 、 管 壁剪 切 力 （ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ， ＷＳ Ｓ ） 、 剪 切力 震 荡 指标
有效 地研 究 这些 局 部 因 素 ， 对 心 血 管 疾病 的 发 生 和 发展 趋 势 进 行 监 控 和 预 测 ， 具 有 重 要 的 临 床 研 究
意义 。
方 法包括 超声 成 像 （ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｕ ｎ ｄ ， Ｕ Ｓ ） 、 计 算 机 断层 成
像（ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ｍｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ， Ｃ Ｔ）和 磁 共 振 成 像 （ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｍ ａ ｇ ｉ ｎ ｇ ， ＭＲ Ｉ ） 等 方 法 ， 其 中，
成像 的方 法获 得 ， 而后 者 则 可 以 引入 图像 处 理领 域 已有 的 图像 分 割算 法 得 到 。 常用 的 医 学 影 像 成 像
亡人 数 占总死 亡 人 数 的 ４ ０ ％ 以上 ， 给国家经济 、 社 会发 展 都 带 来 了沉 重 的 负 担 。心 血 管 疾 病 不 仅 与 不健 康 的生 活 、 饮食规 律等相关 ， 研 究 表 明 心 血 管 疾病 还往 往 与一 些 局 部 因 素相 关 ， 例 如 主 动 脉瘤 现 象好 发 于 腹 主 动 脉 或 者 肾动 脉 附 近 Ｊ 。 因 此 如 何
（ ｏ ｓ ｃ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ， Ｏ Ｓ Ｉ ） 等 血 液 动 力 学 参 数 来 对这 些局 部 因素 进 行 研 究 。其 中 ， 管壁 剪 切 力 是 非 常重要 的参数 之 一 ， 它 是 由于 血 液 黏稠 性 导 致 血 流 对管 壁 的摩擦 力 而 形 成 的 ， 直 接 作 用 于血 管 内壁 表 皮 细胞 影 响 其 功 能 性 ， 进 而 对 心 血 管 疾 病 产 生 影
工 作 进 行 了总 结 。
关键词
磁共振成像
图像分 割
交互式水平集
Ａ
管壁 剪切 力
中图法分类号
Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ４ １ ；
文献标志码
心 血管疾 病 是 全 球致 死 率 最 高 的疾 病 ， 而在 中 国这一 现象 更为 严 重 ， 每 年 由心 血 管 疾 病 造 成 的死