一种超声散斑跟踪血流测速方法、系统、设备及介质

本发明涉及超声血流测速，特别是涉及一种超声散斑跟踪血流测速方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、随着现代生活的快速发展，国民生活方式的变化，尤其是人口老龄化及城镇化进程的加速，居民不健康的生活方式日益突出，引起动脉粥样硬化的危险因素对居民健康的影响越加显著，如烟草使用或二手烟暴露、膳食结构不合理、身体活动量不足、肥胖、精神障碍等，由动脉粥样硬化引起的血管类疾病的发病率仍持续提高。据《中国心血管健康与疾病报告2020》，目前为止，中国心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，农村为46.66％，城市为43.81％，心血管病给居民和社会带来的经济负担日渐加重。

2、动脉粥样硬化具有部位特异性，某些特殊动脉段更容易发生动脉粥样硬化。颈动脉作为脑供血的主要通道，其分叉处是动脉粥样硬化高发区，当血液流经颈外动脉时，壁面切应力降低，使血流速度下降，速度剖面发生变形，血液中的胆固醇、脂质在此沉积，形成动脉粥样硬化。颈动脉粥样硬化的发生导致脑供血不足，易引发缺血性脑血管疾病，该部位的斑块脱落也极易造成脑梗死、脑中风。因此，准确评估颈动脉粥样硬化的患病风险与病程发展对降低心血管疾病的高死亡率和高发病率至关重要。

3、如上所述，一方面，血流速度剖面的变化与颈动脉粥样硬化的病程发展密切相关，另一方面，壁面切应力、速度剪切率等诸多定量评估血管系统健康状态的血流动力学参数均可根据血流速度剖面计算。因此，准确检测血流速度剖面有助于颈动脉粥样硬化的预防与早期发现，对心血管疾病的诊断与风险评估具有重要意义。

4、目前，临床上对血流速度的测量中，超声检查以其价格低廉、操作简单、无创、无辐射、成像迅速、可连续动态和重复扫描等优点广泛用于观察运动类器官，如：心脏、血管等。利用超声测量血流速度的方法主要分为两类：

5、一类是基于多普勒效应的超声诊断技术，该方法利用血液中的红细胞散射或反射声波时产生的频移或相移来估计血流速度。例如连续多普勒、脉冲多普勒和彩色血流成像。这类测速方法具有计算速度块、准确度高等优点，但受到最大可检测速度的限制，且具有角度依赖性。

6、另一类是基于超声散斑跟踪血流测速的超声诊断技术，该方法利用相邻两张b超图像估计血流速度。其过程为：首先定义参考帧，在参考帧中定义一系列跟踪块；其次，定义后序相邻图像为比较帧，在比较帧中定义跟踪块的搜索区，在搜索区中定义匹配块，利用平均误差平方和算法公式找到与跟踪块误差最小的匹配块为最佳匹配块；其次，计算跟踪块在参考帧与比较帧的位移量；最后，将该位移量除以两帧超声图像之间的时间间隔，得到血流速度。在整个管腔的径向上，跟踪多个跟踪块，可以实现根据超声图像对血流速度场的测量。下面以四种现有的超声散斑跟踪血流测速法为例进行简要说明。

7、第一，基于全局搜索法的传统超声散斑跟踪血流测速法

8、传统超声散斑跟踪血流测速法-全局搜索法，全局搜索法的搜索策略如图1，包括以下步骤：首先，在b超图像序列中随机选择相邻两帧b超图像，第一帧图像作为参考帧，第二帧图像作为比较帧；在参考帧中，根据回声幅度确定血管腔位置，自上管壁至下管壁定义x个跟踪块；在比较帧中，以每个跟踪块的像素坐标为中心，定义x个跟踪块的x个搜索区，所有搜索区的尺寸均相同；接下来就是全局搜索，以平均误差平方和算法来表征误差，在整个搜索区内逐行逐列的计算每个块(即，图1中标记为a的方块)与跟踪块的平均误差平方和，得到整个搜索区域内所有平均误差平方和后再计算其最小值，将最小值所对应的匹配块作为最佳匹配块(即，图1中标记为a的灰色方块)，即遍历式地查找跟踪块的最佳匹配块；最后，将跟踪块与其最佳匹配块之间的偏移量作为位移，除以参考帧与比较帧之间的采集时间差来计算跟踪块对应的血流速度。该算法简单，易于理解，但存在以下缺点：1)在整个搜索区内进行遍历搜索导致计算耗时长；2)散斑去相关导致计算准确率低；3)固定尺寸搜索区域导致血流速度的测量范围小，即最大可检测血流速度小。

9、第二，基于三步搜索法的改进型超声散斑跟踪血流测速法

10、基于三步搜索法的改进型超声散斑跟踪血流测速法与传统方法的差异在于搜索策略不同，三步搜索法的搜索策略如图2。包括以下步骤：首先，在b超图像序列中随机选择相邻两帧b超图像，第一帧图像作为参考帧，第二帧图像作为比较帧；在参考帧中，根据回声幅度确定血管腔位置，自上管壁至下管壁定义x个跟踪块；在比较帧中，以每个跟踪块的像素坐标为中心，定义x个跟踪块的x个搜索区，所有搜索区的尺寸均相同。接下来就是三步搜索，第一步，在搜索区内以正方形为模板，定义两两距离为l的9个点(即，图2中标记为a的9个方块，9个方块围成正方形)，在9个点上取9个待匹配块，计算9个待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出9个平均误差平方和的最小值(即，图2中标记为a的灰色方块)；第二步，以第一步中平均误差平方和最小的点为中心，以正方形为模板，定义距离此点l/2的8个点(即，图2中标记为b的8个方块，8个方块围成正方形)，在8个点上取8个待匹配块，计算8个待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出8个平均误差平方和的最小值(即，图2中标记为b的灰色方块)；第三步，以第二步中平均误差平方和最小的点为中心，相邻此点定义4个点(即，图2中标记为c的4个方块)，在4个点上取4个待匹配块，计算4个待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出4个平均误差平方和的最小值。以第三步中求出的平均误差平方和最小点作为跟踪块的最佳匹配块，将跟踪块与其最佳匹配块之间的偏移量作为位移，除以参考帧与比较帧之间的采集时间差来计算跟踪块对应的血流速度。该算法由于并未采取全局遍历的搜索策略，相比于基于全局搜索法的传统超声可在一定程度上减少算法运算时间，提高计算效率。但其搜索时步长较大时，容易跳过最佳匹配块，出现局部最优的问题，造成结果的不准确。

11、第三，基于菱形搜索法的改进超声散斑跟踪血流测速法

12、基于菱形搜索法的改进型超声散斑跟踪血流测速法与传统方法的差异在于搜索策略不同，菱形搜索法的搜索策略如图3。菱形搜索(也被称为钻石搜索)算法有大菱形和小菱形两种不同的匹配模板，大菱形有9个搜索点，小菱形只有5个搜索点。首先使用步长较大的大菱形搜索模板进行粗搜索，然后使用小菱形模板进行细搜索。包括以下步骤：首先，在b超图像序列中随机选择相邻两帧b超图像，第一帧图像作为参考帧，第二帧图像作为比较帧；在参考帧中，根据回声幅度确定血管腔位置，自上管壁至下管壁定义x个跟踪块；在比较帧中，以每个跟踪块的像素坐标为中心，定义x个跟踪块的x个搜索区，所有搜索区的尺寸均相同。接下来就是菱形搜索，第一步，在搜索区内以菱形为模板，定义菱形的9个点(即，图3中标记为a的9个方块，9个方块围成菱形，其中各顶点与菱形中心点的距离为l)，在9个点上取9个待匹配块，计算9个待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出9个平均误差平方和的最小值(即，图3中标记为a的灰色方块)；第二步，如果搜索的中心点就是平均误差平方和的最小的点，则跳到第三步使用小菱形搜索模板，否则以第一步中平均误差平方和最小的点为中心，以菱形为模板，定义与第一步相同步长的8个点，在这8个点中，除已计算过平均误差平方和的其余点上取待匹配块(即，图3中标记为b的方块)，计算待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出平均误差平方和的最小值(即，图3中标记为b的灰色方块)，并重复该步骤；第三步，如果搜索的中心点就是平均误差平方和的最小的点(即，图3中标记为b的灰色方块)，则使用小菱形搜索模板，具体方式为，以第二步中平均误差平方和最小的点为中心，相邻此点定义4个点，在这4个点中，除已计算过平均误差平方和的其余点上取待匹配块(即，图3中标记为d的方块)，计算待匹配块与跟踪块的平均误差平方和，并求出平均误差平方和的最小值(即，图3中标记为d的灰色方块)。以第三步中求出的平均误差平方和最小点作为跟踪块的最佳匹配块，将跟踪块与其最佳匹配块之间的偏移量作为位移，除以参考帧与比较帧之间的采集时间差来计算跟踪块对应的血流速度。该算法由于并未采取全局遍历的搜索策略，相比于基于全局搜索法的传统超声可在一定程度上减少算法运算时间，提高计算效率。但在搜索时步长较大时，容易跳过最佳匹配块，出现局部最优的问题，造成结果的不准确。

13、第四，基于最优帧间隔的超声散斑跟踪血流测速法

14、基于最优帧间隔的超声散斑跟踪血流测速法，如图4所示，包括以下步骤：首先，在b超图像序列中随机选择一帧作为参考帧10，在参考帧10后选择n帧作为比较帧12序列，其中，参考帧10的后续一帧图像为相邻比较帧7；在参考帧10中，根据回声幅度确定血管腔位置，在血管腔内定义x个跟踪块11；在n个比较帧12中，以每个跟踪块11的像素坐标为中心，定义x个跟踪块11的x×n个搜索区9，所有搜索区9的尺寸均相同；接下来，使用全局搜索法查找每个跟踪块11在n个搜索区9中的n个最佳匹配块，记录n个互相关系数；在n个互相关系数中，选择小于相关阈值且距离参考帧10最远的图像为最优帧间隔。使用最优帧间隔计算跟踪块11的血流速度，进而确定血流抛物线6，其中，血流抛物线6由若干不同位置血流(如第一血流4、第二血流5和最大血流6)的血流速度连线确定。该算法能够精确测量靠近血管壁2的缓慢血流测度，最小化量化误差，提高血流速度的测量准确性。但由于进行了n次全局搜索，算法计算量大、运行时间长。

15、综上所述，目前的超声散斑跟踪血流测速仍存在以下3个问题：1)遍历搜索导致计算耗时长；2)散斑去相关导致计算准确率低；3)固定尺寸搜索区域导致血流速度的测量范围小，即最大可检测血流速度小。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超声散斑跟踪血流测速方法、系统、设备及介质，以实现精准、快速的血流速度测量，且不受最大可检测血流速度的限制。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种超声散斑跟踪血流测速方法，包括：

4、获取血管径向切面的超声图像序列，并从所述超声图像序列中确定参考帧和比较帧；所述比较帧为所述参考帧的后一帧图像；

5、在所述参考帧中沿径向血流所在位置确定若干个跟踪块，并将位于中间区域的任意一个跟踪块确定为起始跟踪块；

6、在所述比较帧中沿血管内部横向方向确定所述起始跟踪块的搜索区域，并在所述起始跟踪块的搜索区域内确定所述起始跟踪块的最佳匹配块；

7、以所述起始跟踪块的最佳匹配块为参考，按照从下向上的顺序，在所述比较帧中依次确定所述起始跟踪块上方的所有跟踪块的最佳匹配块；

8、以所述起始跟踪块的最佳匹配块为参考，按照从上向下的顺序，在所述比较帧中依次确定所述起始跟踪块下方的所有跟踪块的最佳匹配块；

9、根据所有跟踪块的像素坐标和所有最佳匹配块的像素坐标分别确定每个跟踪块对应的血流速度。

10、一种超声散斑跟踪血流测速系统，包括：

11、图像获取模块，用于获取血管径向切面的超声图像序列，并从所述超声图像序列中确定参考帧和比较帧；所述比较帧为所述参考帧的后一帧图像；

12、跟踪块确定模块，用于在所述参考帧中沿径向血流所在位置确定若干个跟踪块，并将位于中间区域的任意一个跟踪块确定为起始跟踪块；

13、起始跟踪块的最佳匹配块确定模块，用于在所述比较帧中沿血管内部横向方向确定所述起始跟踪块的搜索区域，并在所述起始跟踪块的搜索区域内确定所述起始跟踪块的最佳匹配块；

14、上方跟踪块的最佳匹配块确定模块，用于以所述起始跟踪块的最佳匹配块为参考，按照从下向上的顺序，在所述比较帧中依次确定所述起始跟踪块上方的所有跟踪块的最佳匹配块；

15、下方跟踪块的最佳匹配块确定模块，用于以所述起始跟踪块的最佳匹配块为参考，按照从上向下的顺序，在所述比较帧中依次确定所述起始跟踪块下方的所有跟踪块的最佳匹配块；

16、血流速度确定模块，用于根据所有跟踪块的像素坐标和所有最佳匹配块的像素坐标分别确定每个跟踪块对应的血流速度。

17、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的超声散斑跟踪血流测速方法。

18、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的超声散斑跟踪血流测速方法。

19、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

20、由于血液具有一定的粘度，血流速度径向剖面具有层流特性，则导致两个跟踪块相邻，他们的最佳匹配块也距离不远。因此，本发明提供的超声散斑跟踪血流测速方法，以起始跟踪块的最佳匹配块为参考，分别按照从下向上的顺序，在比较帧中依次确定起始跟踪块上方的所有跟踪块的最佳匹配块，以及，按照从上向下的顺序，在比较帧中依次确定起始跟踪块下方的所有跟踪块的最佳匹配块，在这一过程中，每个跟踪块的搜索区域的位置根据相邻跟踪块的最佳匹配块的位置来确定，不需要进行大面积的遍历搜索，而是围绕相邻跟踪块的最佳匹配块的位置进行扩展式搜索，因此能够节省血流速度的测量时间，并且考虑各个跟踪块之间的血流速度的关联性，避免局部异常值，提高血流速度的测量精度；此外，由于未对除起始跟踪块以外的其他跟踪块的搜索区域的范围进行尺寸上的限制，在未找到对应的最佳匹配块前可以无限扩大搜索范围，使散斑跟踪法不再受限于最大可检测速度，扩大了血流速度的测量范围。