基于超聲射頻信號(hào)的心肌彈性成像的研究.pdf

1、隨著人們生活水平的提高，飲食習(xí)慣的改善，心肌梗死成為危害人類(lèi)健康的嚴(yán)重殺手。心肌梗死的病因是冠狀動(dòng)脈閉塞，血流中斷，使部分心肌因嚴(yán)重的持久性缺血而發(fā)生局部壞死。心肌梗死的發(fā)病率隨著年齡增長(zhǎng)而逐步上升，以65～79歲為最高，目前正在向年輕化趨勢(shì)發(fā)展。心肌梗死嚴(yán)重影響人們正常生活，限制人們的活動(dòng)，降低生活質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致猝死。
　　心肌組織與其它生物組織相同，其病理變化與組織硬度變化有關(guān)，組織的彈性對(duì)疾病的診斷與治療具有重要的參考價(jià)

2、值。臨床觸診是診斷疾病的一種重要技術(shù)，是通過(guò)直接接觸感知軟組織的彈性度作為判斷組織病變的標(biāo)準(zhǔn)。但是由于這種診斷方法主要憑借醫(yī)師的主觀(guān)判斷，而且局限于診斷人體表面相對(duì)較大的病灶，不能作為精確診斷的有效方法。近年來(lái)超聲彈性成像技術(shù)的發(fā)展，彌補(bǔ)了利用觸診來(lái)感知病情的方法。超聲彈性成像的方法由J.Ophir等人于1991年提出后廣泛應(yīng)用于軟組織成像，使得醫(yī)學(xué)上對(duì)軟組織的檢測(cè)從定性判斷發(fā)展到定量判斷。超聲彈性成像的基本原理是使用超聲探頭給組織表面

3、一個(gè)垂直的力，可以采集到受力前后組織的信息。利用相關(guān)分析方法對(duì)受力前后組織的信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出組織受力前后形變的大小，進(jìn)而得到組織的應(yīng)變分布來(lái)追蹤組織的彈性。超聲彈性成像作為一種新的影像學(xué)成像方法，是通過(guò)獲取組織的彈性信息進(jìn)行輔助診斷的影像技術(shù)。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超聲影像形式不能直接提供組織彈性信息的不足，具有無(wú)創(chuàng)傷、低成本、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于甲狀腺、血管、肝臟等的臨床影像診斷中。
　　隨著影像技術(shù)硬件和軟件的發(fā)展，

4、超聲心肌彈性成像逐漸發(fā)展成熟起來(lái)。許多學(xué)者嘗試使用射頻(radio frequency)信號(hào)作為心肌彈性成像的基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算心肌彈性。RF信號(hào)的使用相對(duì)于傳統(tǒng)使用灰度圖的計(jì)算有很大的優(yōu)勢(shì)?；叶葓D是在RF信號(hào)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)處理得到的信號(hào)，RF信號(hào)相對(duì)于灰度圖包含更加原始的圖像信息和更多的組織信息。精確的組織信息降低了計(jì)算誤差，從而提高結(jié)果的精準(zhǔn)度。為了更好的觀(guān)察組織的解剖結(jié)構(gòu)，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的RF信號(hào)進(jìn)行重建，轉(zhuǎn)換成灰度圖直觀(guān)的顯示組織的解剖結(jié)

5、構(gòu)。
　　動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法基本概念是將待求解的問(wèn)題分解成若干了問(wèn)題，逐個(gè)求解每一個(gè)子問(wèn)題，并在已經(jīng)得到的一部分子問(wèn)題的解中分析得出下一個(gè)子問(wèn)題的解。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以避免很多重復(fù)計(jì)算，使得總的計(jì)算時(shí)間縮短。Zhang等已經(jīng)將動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法應(yīng)用到甲狀腺疾病中計(jì)算相應(yīng)組織的位移。但是動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法局限于計(jì)算組織的整數(shù)位移，不能滿(mǎn)足一些形變較小的組織的位移計(jì)算。Rivaz等在動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上提出最小化解析方法(Analytic minimiz

6、ation)。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以計(jì)算組織的整數(shù)位移，最小化解析方法在動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上對(duì)整數(shù)位移進(jìn)行二次計(jì)算得到組織的小數(shù)級(jí)別的位移，從而提高位移計(jì)算的精準(zhǔn)度。最小化解析方法已經(jīng)應(yīng)用于甲狀腺、乳腺等組織位移的計(jì)算，但是尚未應(yīng)用于心臟組織的計(jì)算，本文首次將最小化解析方法應(yīng)用于心臟形變的計(jì)算。
　　彩色應(yīng)變圖像可以顯示組織的生物力學(xué)信息，但是應(yīng)變圖顯示的是整個(gè)心肌以及周?chē)M織共同的結(jié)果，心肌組織與周?chē)渌M織混在一起，不易區(qū)分。目前已

7、經(jīng)配有超聲彈性成像功能的相關(guān)設(shè)備中，無(wú)論是剪切波彈性成像還是準(zhǔn)按壓彈性成像，其繪制技術(shù)都是將較規(guī)則形狀的感興趣區(qū)的彈性圖像覆蓋到灰度B超圖上，不能根據(jù)組織具體形狀進(jìn)行勾畫(huà)。本文在此基礎(chǔ)上提出整體勾畫(huà)方法，將整個(gè)心肌區(qū)域的彩色應(yīng)變圖整體映射到灰度圖相應(yīng)位置上，實(shí)現(xiàn)快速繪制心肌區(qū)域的彩色應(yīng)變圖，達(dá)到動(dòng)態(tài)觀(guān)察心肌組織彈性的目的。
　　動(dòng)物疾病模型的準(zhǔn)確建立關(guān)系到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確的評(píng)估動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的成功性非常關(guān)鍵。臨床基礎(chǔ)研究中使用結(jié)扎

8、冠狀動(dòng)脈左前降支的方法對(duì)大鼠進(jìn)行心肌梗死造模已成為公認(rèn)的方法。因此，本文也采用此方法建立心肌梗死大鼠模型，通過(guò)超聲設(shè)備掃描獲得超聲RF信號(hào)?；诔昍F信號(hào)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和最小化解析方法，計(jì)算正常大鼠和心肌梗死大鼠的心肌彈性圖，動(dòng)態(tài)追蹤心肌梗死區(qū)域的彈性。
　　本文主要進(jìn)行以下三個(gè)方面的超聲心肌彈性成像研究:
　?、傩募〗M織的動(dòng)態(tài)位移跟蹤及應(yīng)變分布的算法研究
　　我們采用超聲設(shè)備Ultrasonix Sonix R

9、P系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PC平臺(tái)即Microsoft(R) Visual Studio(R)環(huán)境，是一種開(kāi)放式超聲研究平臺(tái)系統(tǒng)，配有超盧探頭C5-2/60，中心頻率為5 MHz，檢測(cè)深度為15 cm。系統(tǒng)可以同時(shí)保存超聲B型灰度圖像、超聲視頻信號(hào)和超聲RF信號(hào)。本研究招募一24歲健康成年男性為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。采用仰臥位，待心跳穩(wěn)定后（68次每分鐘），進(jìn)行超聲檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)聘請(qǐng)一位有經(jīng)驗(yàn)的臨床超聲醫(yī)師對(duì)受試者進(jìn)行檢測(cè)。超聲探頭放置于左側(cè)胸骨旁位置，獲取心

10、臟左心室長(zhǎng)軸圖。通過(guò)自編軟件讀取超聲RF信號(hào)并重建超聲B型圖像。根據(jù)所獲得的RF信號(hào)，對(duì)其在縱向方向上使用降采樣的方法，在橫向方向上采用插值的方法，以保證重建后的圖像所顯示圖形與超聲設(shè)備所顯示的B超圖像一致。本文利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算心肌收縮之前和收縮過(guò)程中的心肌整數(shù)位移，使用最小化解析方法計(jì)算相應(yīng)小數(shù)級(jí)別的位移，然后經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式擬合方法求得相應(yīng)的應(yīng)變圖像。根據(jù)心電信號(hào)，計(jì)算獲得不同時(shí)刻的心肌超聲應(yīng)變圖像。
　　②心肌組織應(yīng)變圖的快速

11、繪制方法研究
　　在心臟超聲灰度圖上手動(dòng)勾畫(huà)心肌區(qū)域，根據(jù)數(shù)學(xué)算法，將勾畫(huà)區(qū)域內(nèi)外的點(diǎn)的坐標(biāo)區(qū)別開(kāi)來(lái)。將區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)和區(qū)域外的點(diǎn)進(jìn)行圖像二值化處理。經(jīng)過(guò)二值化處理后的圖的像素值分為0和1兩部分，將像素值為1的區(qū)域的點(diǎn)的坐標(biāo)保存下來(lái)。同時(shí)將灰度圖的所有點(diǎn)的像素值復(fù)制三次保存到三維矩陣中。根據(jù)保存的坐標(biāo)點(diǎn)的值，將應(yīng)變圖上相應(yīng)點(diǎn)的值的RGB值轉(zhuǎn)換為0～1之內(nèi)的值，然后整體覆蓋到超聲灰度圖上，即將心肌應(yīng)變圖中心肌區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的RGB值替代超聲

12、灰度圖的心肌區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的灰度值，從而獲得超聲灰度圖與彩色應(yīng)變圖的復(fù)合圖像，既可以顯示心臟的解剖結(jié)構(gòu)信息，又可以顯示心肌彈性信息。
　?、刍谛募」Ｋ绖?dòng)物模型的超聲彈性成像初步研究
　　我們采用超聲設(shè)備Visual Sonics公司的Vevo(R)2100系統(tǒng)，該系統(tǒng)是小動(dòng)物超聲實(shí)時(shí)分子影像系統(tǒng)，帶有小動(dòng)物成像技術(shù)的高頻線(xiàn)性陣列技術(shù)和彩色多普勒功能的高頻率、高分辨率數(shù)字成像平臺(tái)，可存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)信號(hào)，包括In-phaseQuad

13、rature信號(hào)、RF信號(hào)、灰度圖像信號(hào)以及視頻信號(hào)。我們使用6只正常健康大鼠（體重200-250g）,雌雄各3只，首先完成健康大鼠心臟超聲檢測(cè)。使用混合氣體麻醉機(jī)對(duì)大鼠進(jìn)行麻醉，將麻醉機(jī)連接氧氣瓶后在揮發(fā)罐中倒入液體狀的異氟烷，此時(shí)為誘導(dǎo)麻醉（使用2-3％的濃度）。然后將麻醉后的大鼠的四肢固定在ECG加熱板上，保持大鼠體溫在37℃左右，使用1.5-2％濃度的異氟烷維持大鼠麻醉。使用小動(dòng)物剃刀將心臟區(qū)域周?chē)谋幻蕹⒂妹撁噙M(jìn)一步脫

14、掉細(xì)小的毛。Vevo(R)2100的MS-250探頭（頻率為21MHz，深度為22cm）放置于大鼠胸骨旁，獲取左心室長(zhǎng)軸圖。
　　六只健康大鼠超聲檢測(cè)完畢后，行心肌梗死造模手術(shù)以建立心肌梗死大鼠模型。首先對(duì)大鼠稱(chēng)重，根據(jù)體重采用腹腔注射10％水合氯醛(0.4mL/100g)的方法進(jìn)行麻醉。然后分別將頸部和心臟周?chē)幻蕹妹撁嗝摰艏?xì)小的毛。將呼吸機(jī)插入頸部的氣管中，維持大鼠的呼吸。將心臟附近皮膚以及肌肉剪開(kāi)，將左前降支附近的血

15、管和小部分肌肉用手術(shù)線(xiàn)扎緊，觀(guān)察心電圖的ST波是否發(fā)生明顯的抬高，若ST波有明顯的抬高說(shuō)明手術(shù)成功。手術(shù)成功后將胸部肌肉和皮膚分層縫合好后，保持呼吸機(jī)在大鼠氣管中。待大鼠蘇醒后，重新固定大鼠四肢及頭部來(lái)縫合氣管和頸部皮膚，隨時(shí)觀(guān)察術(shù)后大鼠的動(dòng)態(tài)。三小時(shí)后，對(duì)已具有心肌梗死的大鼠再次進(jìn)行超聲檢測(cè)，將超聲探頭放置于大鼠胸骨旁，獲取左心室長(zhǎng)軸圖。基于研究①和研究②，將正常心肌和梗死心肌的超聲RF信號(hào)處理，生成正常和梗死心肌彈性圖。
　　

16、超聲掃描后3個(gè)小時(shí)（即手術(shù)后6小時(shí)左右），將大鼠脫頸處死（或未到六小時(shí)大鼠自然死亡）。打開(kāi)大鼠胸腔，剪下完整的心臟。將心臟浸泡在生理鹽水中清洗干凈后放入冰箱冷凍室冷凍30分鐘。冷凍結(jié)束后，沿心臟短軸方向用刀片將心臟均勻切成至少5片左右的切片（每片厚度約2mm）放入器皿中。在器皿中加入1％TTC（2，3，5-氯化三苯基四氮唑）溶液，蓋上錫紙避光，染色兩三分鐘后，取出切片，放入10％甲醛溶液中并置于通風(fēng)廚中，10小時(shí)后取出切片觀(guān)察。根據(jù)正常

17、心肌因脫氫酶還原而呈紅色，而梗死心肌會(huì)因脫氫酶流失而呈白色的原理，觀(guān)察染色結(jié)果。我們可見(jiàn)大鼠心肌有小部分白色梗死區(qū)域，此結(jié)果既可驗(yàn)證心肌梗死大鼠模型是否成功，又可檢驗(yàn)心肌超聲彈性成像的結(jié)果。
　　通過(guò)上述研究，本文獲得以下一些結(jié)論:
　?、倩趧?dòng)態(tài)規(guī)劃和最小化解析方法的動(dòng)態(tài)心肌超聲彈性成像
　　經(jīng)過(guò)超聲RF信號(hào)重建灰度圖、動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和最小化解析方法計(jì)算位移、多項(xiàng)式擬合方法計(jì)算組織應(yīng)變、整體映射方法將心肌區(qū)域應(yīng)變圖覆蓋

18、到灰度圖等步驟后，得到心肌收縮過(guò)程心肌區(qū)域的彈性圖，可以動(dòng)態(tài)觀(guān)察心肌區(qū)域在收縮過(guò)程的彈性變化。本研究基于超聲RF信號(hào)，將動(dòng)態(tài)規(guī)劃和最小化解析方法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)心肌形變跟蹤，根據(jù)收縮過(guò)程中正常心臟的各節(jié)段心肌彈性不同，可看出心肌不同時(shí)刻的彈性不同。
　?、谡w映射方法快速繪制心肌應(yīng)變圖
　　本研究提出的整體映射方法可以快速繪制不規(guī)則心肌的應(yīng)變圖。通過(guò)手動(dòng)勾畫(huà)心肌輪廓，將心肌區(qū)域的應(yīng)變圖整體覆蓋到灰度B超圖中，實(shí)現(xiàn)心肌應(yīng)變圖與灰度B

19、超圖的復(fù)合圖。心肌輪廓區(qū)域內(nèi)約為1×106個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，心肌區(qū)域彩色應(yīng)變圖的繪制時(shí)間為0.24s，實(shí)現(xiàn)快速繪制，達(dá)到動(dòng)態(tài)觀(guān)察心肌彈性的目的。隨著心肌區(qū)域像素點(diǎn)的增加，應(yīng)變圖繪制的時(shí)間也有所增加。
　?、坌募」Ｋ来笫竽Ｐ偷某晱椥猿上?br>　　本研究建立心肌梗死大鼠模型，并對(duì)正常大鼠和心梗大鼠進(jìn)行超聲檢測(cè)，對(duì)比評(píng)價(jià)正常和梗死心肌彈性。離體心臟的TTC染色進(jìn)一步驗(yàn)證造模手術(shù)的成功，并顯示梗死心肌的相對(duì)于正常心肌的變化。結(jié)果可見(jiàn)心梗大鼠

20、的心肌比正常大鼠的心肌窄，這與超聲圖像顯示一致，但心肌彈性圖所反映的心肌梗死區(qū)域不明顯。
　　總之，超聲影像技術(shù)已越來(lái)越多地用于心臟的定量評(píng)價(jià)，對(duì)于心臟疾病的預(yù)防和治療有重要作用。本文基于超聲RF信號(hào)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和最小化解析方法追蹤心肌收縮過(guò)程的心肌細(xì)微形變，實(shí)現(xiàn)了將動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和最小化解析方法應(yīng)用于心肌彈性計(jì)算的目的。提出整體映射方法，快速繪制超聲灰度圖與彩色應(yīng)變圖的復(fù)合圖像，達(dá)到了快速繪制心肌應(yīng)變圖直觀(guān)的觀(guān)察心肌彈性的目的。