一种动静脉内瘘状态评估方法及系统与流程

本发明涉及血管内瘘状态评估，具体为一种动静脉内瘘状态评估方法及系统。

背景技术：

1、动静脉内瘘是维持血液透析的基础血管通路，针对其常规的超声检测手段多依赖于提取血流速度峰值或测量截面宽度；这种基于静态解剖结构或表观流速的评估方式，难以客观刻画血管内部复杂的血流动力学演变过程；在内瘘血管长期承受高压血流冲击的使用场景下，血管壁易发生局部形态畸变，进而引发内部血液微团的剪切摩擦与能量耗散；现有超声后处理方案缺乏将血管壁几何畸变与流体内摩擦机制进行物理拓扑关联的手段，无法输出反映系统内部能量消耗状态的统一量化参量；

2、在提取管壁搏动位移特征时，超声探头在检测过程中会受到人体呼吸起伏及肌肉微颤的影响；现有技术通常难以将这种低频的全局偏移干扰从管壁真实的弹性形变中剥离，导致提取的位移序列夹杂运动伪影；同时，针对内瘘吻合口处不规则的几何形态，常规的二阶导数曲率计算模型，在分叉奇点处容易出现数值发散，导致对局部形态走向的量化评估失去数值稳定性；

3、此外，搏动血流的冲击具有非定常与异步扩张收缩特性，现有的超声血流分析多采用绝对物理时间轴，对多帧切面数据进行机械对齐；这种固定的时间映射基准在面对复杂心动周期时，容易造成流场数据的跨帧空间错位与相位错乱；这使得提取到的速度梯度张量难以准确对应真实的流体拉伸与剪切变形规律；

4、因此，亟需一种动静脉内瘘状态评估的方法及系统，以解决上述现有技术中存在的难以解耦全局运动干扰、受制于物理时间错位、缺乏流固耗散耦合量化参量以及评估手段受限的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种动静脉内瘘状态评估方法及系统，促进解决了上述背景技术中所提到的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种动静脉内瘘状态评估方法，包括：

3、获取内瘘多帧灰阶图像与血流矩阵，基于梯度极值定位交界标志，构建离散血管边界点坐标序列；

4、结合弧长拓扑差异与欧氏距离，执行跨帧边界匹配，经均值计算剥离全局偏移向量，获取局部形变位移；

5、引入微小常量，结合相邻点求解局部离散切向量，对所述切向量执行升维补零以计算其叉乘模长，进而对所述叉乘模长实施聚合处理，提取几何扭转因子；

6、依据位移差与初始长度计算物理应变比，结合弹性模量执行二次型聚合，叠加生理基底常数生成应变能指标；

7、以应变能时间积分为驱动，提取离散样本点，以相位为自变量，经三次样条插值，构建逆向时间映射反函数；

8、调用流速矩阵与方向参数，利用反函数重采样流速，经符号化截断角补偿，提取投影分量并构建速度梯度张量；

9、提取速度梯度的对称分量，构建变形速率张量，结合粘度系数计算耗散密度，乘以前述扭转因子生成加权耗散密度；

10、将加权耗散密度在参考面积与全相位域内执行二重定积分，生成流固耦合耗散指标，经理论阈值指数映射，输出评估指数。

11、可选的，所述获取内瘘多帧灰阶图像与血流矩阵，基于梯度极值定位交界标志，构建离散血管边界点坐标序列，具体包括：

12、贴附超声探头阵列于靶向区域，同步采集连续多帧灰阶图像矩阵及血流速度矩阵；

13、初始化数据采集时间戳，确立物理演算原点；

14、利用初始时刻的灰阶图像划定感兴趣区域，提取初始时刻的参考横截面积；

15、对所述灰阶图像矩阵计算二维空间坐标系分量上的偏导数，获取局部像素灰度值的变化率；

16、在预设的局部搜索邻域内，筛选所述变化率的极值点，作为组织交界处的几何标志，提取获得血管壁内膜的初始边界点集坐标序列。

17、可选的，所述结合弧长拓扑差异与欧氏距离，执行跨帧边界匹配，经均值计算剥离全局偏移向量，获取局部形变位移，具体包括：

18、获取相邻边界点之间的弧长拓扑结构差异，作为惩罚权重项，将其加入欧氏最短距离计算过程，执行跨帧最近邻匹配；

19、在发生局部匹配丢失时，提取相邻匹配成功的有效边界点坐标作为插值节点，在局部二阶导数连续的平滑约束条件下，执行空间三次样条插值补偿；

20、对配准后的坐标序列，提取边界点在当前时刻的坐标向量与初始基准坐标向量的差值，并计算该差值在配对成功的边界点总数内的算术平均值，生成当前时刻的全局组织位移向量；

21、计算所述边界点在当前时刻的坐标向量与所述初始基准坐标向量的差值向量，从所述差值向量中减去所述全局组织位移向量，获取所述边界点在当前时刻的局部管壁形变位移向量。

22、可选的，所述引入微小常量，结合相邻点求解局部离散切向量，对所述切向量执行升维补零以计算其叉乘模长，进而对所述叉乘模长实施聚合处理，提取几何扭转因子，具体包括：

23、在预设的有效节点区间内，提取相邻边界点坐标向量并执行作差处理，获取坐标差值向量，计算所述坐标差值向量的范数；

24、将所述范数与预设的微小正则化常量进行比对，提取两者中的最大值作为分母约束项；

25、将所述坐标差值向量除以所述分母约束项，获取边界点处的离散切向量；

26、将二维坐标系内的所述离散切向量，沿第三空间维度补充零分量构建三维切向量，对相邻的三维切向量执行叉乘处理，获取法向差分向量，并计算所述法向差分向量的标量模长，将其定义为局部几何扭转度指数；

27、将限定计算域节点区间内的局部几何扭转度指数进行求和，并除以剔除越界节点后的有效节点总数，获取空间平均几何扭转因子。

28、可选的，所述依据位移差与初始长度计算物理应变比，结合弹性模量执行二次型聚合，叠加生理基底常数生成应变能指标，具体包括：

29、提取相邻节点的局部管壁形变位移向量并执行作差处理，获取形变差值向量，计算所述形变差值向量的范数；

30、提取相邻节点的初始边界坐标向量并执行作差处理，获取初始长度差值向量，计算所述初始长度差值向量的范数；

31、将所述形变差值向量的范数除以所述初始长度差值向量的范数，获取局部物理应变比；

32、计算所述局部物理应变比的平方值，对全部局部节点的平方值进行求和，并将求和结果与预设的等效弹性模量系数相乘，将乘积结果折半后生成中间聚合指标；

33、在所述中间聚合指标的基础上，累加预设的具备等效压强量纲的生理基底正则化常数，生成离散聚合型动态应变能指标。

34、可选的，所述以应变能时间积分为驱动，提取离散样本点，以相位为自变量，经三次样条插值，构建逆向时间映射反函数，具体包括：

35、对离散聚合型动态应变能指标，在初始时刻至当前时刻的虚拟时间区间内执行积分处理，获取当前应变能累计积分值；

36、获取测取的完整心动周期持续时间，对所述离散聚合型动态应变能指标在所述完整心动周期持续时间内执行积分处理，获取基准周期应变能积分值；

37、将所述当前应变能累计积分值除以所述基准周期应变能积分值，生成对应当前时刻的归一化搏动相位映射因子；

38、提取各物理时间帧及其对应的归一化搏动相位映射因子，构建离散样本点对，以所述归一化搏动相位映射因子作为自变量，以对应的物理时间帧作为因变量，执行离散严格单调三次样条插值，构建将相位映射至物理时间的时间映射反函数。

39、可选的，所述调用流速矩阵与方向参数，利用反函数重采样流速，经符号化截断角补偿，提取投影分量并构建速度梯度张量，具体包括：

40、调取预存的超声探测声束、血管走向多普勒夹角矩阵以及血管走向空间单位向量矩阵；

41、依据所述时间映射反函数，对原始血流速度矩阵元素进行时间域的重采样提取；

42、计算所述多普勒夹角矩阵元素的余弦值，提取所述余弦值的绝对值与预存的安全截断常量阈值中的最大值，将其与所述余弦值对应的符号判定值相乘，构建符号化截断补偿分母；

43、将所述重采样提取的血流速度矩阵元素除以所述符号化截断补偿分母，获取幅度补偿流速；

44、提取所述血管走向空间单位向量矩阵在各个二维空间坐标系基底维度上的方向分量，将所述幅度补偿流速，分别与各个所述方向分量相乘，生成投影速度场向量分量；

45、对所述投影速度场向量分量，沿二维空间坐标系的各基底变量维度分别计算偏导数，将偏导数计算结果构建为空间速度梯度张量。

46、可选的，所述提取速度梯度的对称分量，构建变形速率张量，结合粘度系数计算耗散密度，乘以前述扭转因子生成加权耗散密度，具体包括：

47、提取空间速度梯度张量中，关于主对角线对称的对应位置元素，将对称位置元素进行相加并折半处理，构建变形速率张量元素；

48、计算各维度变形速率张量元素的平方值，对二维空间坐标系各维度的平方值执行双重求和累加，并将累加结果与预获取的血液动力粘度常数及倍乘系数相乘，获取局部粘性耗散密度指标；

49、获取预设的半经验型拓扑放大系数，将所述空间平均几何扭转因子与所述半经验型拓扑放大系数相乘后加1，构建非线性拓扑放大权重；

50、将所述局部粘性耗散密度指标与所述非线性拓扑放大权重相乘，生成扭转加权耗散密度指标。

51、可选的，所述将加权耗散密度在参考面积与全相位域内执行二重定积分，生成流固耦合耗散指标，经理论阈值指数映射，输出评估指数，包括：

52、将所述扭转加权耗散密度指标除以预获取的血液绝对温度常数，获取商值被积函数；

53、以提取的血管参考横截面积作为空间二维积分域，以归一化搏动相位作为相位积分变量，对所述商值被积函数执行二重定积分计算，生成二维流固耦合相位耗散积分指标；

54、获取流入道空间平均基准流速常量，计算所述流入道空间平均基准流速常量的平方值；

55、获取预设的流体力学解析常数，将预设的圆周率常数、血液动力粘度常数、所述流体力学解析常数以及所述平方值依次相乘，并将乘积结果除以所述血液绝对温度常数，生成基准理论极限阈值常量；

56、将所述二维流固耦合相位耗散积分指标除以所述基准理论极限阈值常量，对除法计算结果取负值处理，生成被映射变量；

57、对所述被映射变量执行自然指数运算，生成无量纲的状态评估指数。

58、一种用于实现所述动静脉内瘘状态评估方法的系统，包括：

59、图像采集模块：用于获取内瘘灰阶图像与血流矩阵；

60、边界提取模块：用于基于梯度极值构建血管边界点坐标序列；

61、位移解耦模块：用于匹配跨帧边界，并剥离质心偏移量以获取局部形变位移；

62、扭转计算模块：用于计算切向量的叉乘模长，并对所述叉乘模长执行聚合计算，以生成空间平均几何扭转因子；

63、应变能构建模块：依据物理应变比，聚合生成动态应变能指标；

64、时间映射模块：基于应变能时间积分，插值构建时间映射反函数；

65、流场重构模块：用于依据映射反函数重采样流速，并构建速度梯度张量；

66、耗散加权模块：结合变形速率张量与扭转因子，生成加权耗散密度；

67、评估输出模块：用于对加权耗散密度执行双重定积分，并经指数映射输出评估指数。

68、本发明具备以下有益效果：

69、1.针对动静脉内瘘在非定常搏动血流冲击下，血管壁异步形变与空间形态扭曲，容易引发流场错位及内摩擦量化困难等问题，本方案通过提取多帧图像边界坐标以剥离全局偏移，结合离散切向量提取几何扭转因子，并依据物理应变比生成动态应变能指标，随后以应变能积分为驱动构建时间映射反函数，对流速进行重采样并构建速度梯度张量，进而计算变形速率张量对应的粘性耗散密度，将其与扭转因子融合生成加权耗散密度，并在二维空间与全相位域执行二重定积分与理论阈值映射，以输出评估指数；上述技术步骤打破了表观形态测量与单点血流检测的独立分析壁垒，在底层机理上建立了结构形变与流体做功的拓扑反馈机制；利用管壁累积应变能重构时间映射反函数，克服了常规绝对物理时间在异步搏动状态下的空间匹配偏差，实现了高速血流信息与动态管壁特征在能量维度的相位对齐；同时，方案将表征宏观结构异常的几何扭转度，直接作为非线性变量嵌入微观流体力学的内摩擦计算模型中，这种跨维度的特征耦合机制，将不可视的流场边界分离风险与客观存在的血管弯曲构型，统一转化为流固耦合体系下的动能衰减参量，提供了一种独立于主观视觉经验的评价标尺；

70、2.通过在目标评估区域同步获取多模态超声图像并提取基准流速与几何方向先验参数，利用图像空间坐标分量上的偏导数计算像素灰度变化率，在设定的局部搜索范围内准确筛选该变化率的空间极值点，以此作为组织交界面的客观几何标志，生成连续且独立的血管壁内膜离散坐标提取序列，该处理逻辑有效避免了人工视觉勾画带来的主观判断误差，为后续的动态形变评估确立了客观的空间物理约束面，同时排除了复杂生理背景组织非目标回声对内壁边界识别造成的干扰，提升了底层基础形态数据的提取精度与数值稳定性，为整体流体动力学演算奠定了稳固的基准原点条件；

71、3.通过将相邻边界点间的弧长拓扑差异作为惩罚权重项加入最短距离匹配运算，结合连续平滑约束条件下的空间样条插值补偿机制，有效消解了因局部遮挡引发的同距冲突与匹配丢失风险，维持了跨帧坐标序列演进的独立索引一致性；进一步提取配准序列在当前时刻与初始基准的坐标差值，并计算空间算术平均值，生成代表低频全局偏移的组织位移分量，将当前绝对坐标差值减去该全局组织位移分量，成功解耦了由外界呼吸起伏或探头抖动等环境因素造成的非目标整体偏移干扰，还原了剥离外部运动伪影后的弹性形变特征，提高了局部形变位移数据的保真度；

72、4.通过在有效节点区间内计算相邻边界坐标差值向量的范数，将其与预设的微小正则化常量进行比对，并提取最大值作为分母约束项，有效规避了在极端结构闭合或塌陷状态下触发的除零发散风险，维持了离散切向量方向的原始物理分布规律，将该切向量沿第三空间维度补充零分量并执行空间叉乘处理，提取法向差分向量的标量模长，以构建局部几何扭转指数，随后在有效计算域内对该局部扭转指数进行无量纲的空间求和与平均运算，客观量化了由于长期受压所引发的异常空间弯曲与几何畸变程度，克服了常规曲率算法在非规则分叉奇点处的数值不稳定缺陷；

73、5.通过提取局部管壁形变位移差值，并将其与初始长度差值相比，构建出物理应变比，对该应变比的平方值进行全域求和聚合，并结合等效弹性模量系数，计算结构吸收的机械能量，将管壁的二维空间位移特征转化为表征组织拉伸阻抗特性的动态能量参数，同时在聚合运算结果的基础上，累加具备等效压强量纲的生理基底正则化常数，赋予了系统在舒张停滞期的基础流体静压基态能量，防止了由于形变停滞导致的输出数值归零异常，保障了后续时间映射与积分运算的数值连续性，客观反映了管壁在搏动血流冲击下的动态能量储备状态与物理形变代偿能力；

74、6.通过对提取的离散聚合型动态应变能指标，在当前虚拟时间跨度与完整心动周期内，分别执行时间积分处理，将累积的应变能积分值进行比值运算，生成对应当前时刻的归一化搏动相位因子，以该归一化相位因子作为自变量，并结合对应的物理时间帧作为因变量，在单调性约束条件下执行离散样条插值，构建了将结构演进相位逆向映射至物理时间的反函数，利用结构响应的历史能量累积，替代了传统的固定物理时间基准，有效改善了空间匹配错位现象，保障了流场多维数据在复杂搏动周期内的相位对齐稳定性，提升了跨帧重采样的时空同步精度；

75、7.通过调取预存的多普勒夹角参数与空间走向方向分量，依据逆向时间映射反函数对血流速度进行时间域的重采样，计算声束夹角的余弦绝对值并与安全截断阈值比对，提取出最大值，并结合符号判定条件构建截断补偿分母，有效规避了在声束与血流近乎垂直时引发的幅度除零发散风险，防止了探测角度抖动造成的速度数值失真，将经幅度补偿的流速与空间单位方向分量相乘，获取投影速度场向量分量，并沿空间坐标系各维度计算偏导数，以构建速度梯度张量，真实还原了具备能量相位对齐特性的流场分布矩阵，为后续剥离复杂流体内部的空间剪切变形与旋转趋势，提供了可靠的数据基础；

76、8.通过提取空间速度梯度张量的主对角线对称元素，并执行相加与折半处理，剥离了流体微团运动中的刚体旋转分量，保留了真实引发内部摩擦做功的纯物理拉伸与剪切变形速率张量，计算该变形速率各维度元素的平方值并执行双重求和，结合动力粘度参数获取局部粘性耗散密度，进而引入预先提取的空间平均几何扭转因子与半经验型拓扑系数，构建非线性放大权重，将该拓扑权重与局部粘性耗散密度相乘，把宏观的三维空间几何扭曲畸变，直接耦合至微观的流体内摩擦计算模型中，客观量化了不规则空间构型对流体涡旋耗散的物理放大效应，提高了整体评估体系的敏锐度；

77、9.通过将扭转加权耗散密度除以绝对温度常数，获取商值被积函数，在参考横截面积与归一化搏动相位的二维物理闭环约束下，执行二重定积分，计算出评价整体截面能量劣化的流固耦合耗散积分指标，基于层流模型原理，利用空间平均基准流速与流体力学解析常数，构建具有同源物理量纲的理论极限阈值，将实际耗散积分指标除以该理论极限阈值，并执行自然指数映射运算，生成了去除量纲干扰的独立状态评估参量，通过该状态评估参量，输出客观反映系统内血流动力学综合优劣程度的量化结果，降低了评估结果对视觉阅片经验的依赖。