三維超聲心動圖斷層重建及心臟瓣膜運動分析.pdf

1、心臟瓣膜的靜態(tài)及動態(tài)形態(tài)分析對于心臟疾病的診斷和治療具有重要的臨床意義。近年來，三維超聲心動圖由于能直觀形象的再現(xiàn)心臟內(nèi)復雜的空間結(jié)構(gòu)及運動狀況，因而在臨床上得到了廣泛應用。在國家自然科學基金和上海市科委相關(guān)項目的支持下，本課題與上海兒童醫(yī)學中心合作，對經(jīng)胸旋轉(zhuǎn)采集的三維超聲心動圖進行了瓣膜形態(tài)分析研究。工作主要由兩部分組成，一是三維超聲心動圖的斷層重建研究；二是心臟瓣膜的三維運動分析。 斷層重建是指在采集得到的超聲圖像序列的基

2、礎上，通過重建空間上各體素的灰度值，達到體重建心臟瓣膜形態(tài)的目的。在此基礎上，通過切片，觀察瓣膜的斷層形態(tài)，從而獲得瓣膜靜態(tài)解剖結(jié)構(gòu)信息。由于成像機理以及在采集過程中的電子噪聲，超聲圖像具有信噪比低的特點。因此，如何有效提高超聲圖像的信噪比，是斷層重建中需要解決的問題。本課題將超聲噪聲分布的近似分布作為先驗知識，建立了馬爾可夫可夫隨機場一后驗概率最大化(MRF-MAP)框架下的瓣膜體數(shù)據(jù)重建模型。該模型不但可以重建三維體數(shù)據(jù)，而且在三維

3、重建的過程中，有效的提高了超聲圖像的信噪比，并且該模型還利用了圖像中梯度的分布，各項異性的增強了圖像的邊緣，從而提高了三維超聲圖像斷層重建的質(zhì)量。 在心動周期內(nèi)，心臟瓣膜不斷在運動中改變著自身的形態(tài)，承擔著血液流動單向閥門的作用。研究其動態(tài)特性，對臨床診斷瓣膜疾病更具指導意義。本課題引入了彈性匹配的運動分析思想，討論了其在三維空間中的應用，提出了基于橢圓方程的三維瓣膜運動分析數(shù)學模型。該模型構(gòu)造了一個能量方程函數(shù)，它由兩項組成：

4、一是匹配誤差項，另一項是平滑約束條件。通過最小化這個能量方程可以獲得瓣膜各部位在三維空間中運動的速度場分布。 在瓣膜運動過程中，某些瓣膜運動的幾何特征直接反映了瓣膜運動的特點，瓣膜運動角就是其中之一。通過跟蹤瓣膜運動角變化，本課題給出了分析瓣膜運動特征的方法，即在進行瓣膜分割后，提取瓣膜的頂點和根點的位置，之后計算出瓣膜運動角度，跟蹤并可視化瓣膜運動角度在整個心動周期內(nèi)的三維變化過程，最后利用隱馬爾可夫理論(HMM)建立了瓣膜運

5、動特征分析模型。 瓣膜分割效率是整個瓣膜運動特征分析的關(guān)鍵。本課題將水平集瓣膜分割模型擴展到區(qū)域先驗框架下，并使先驗區(qū)域能在相鄰的圖像之間進行迭代傳遞，從而大大提高了瓣膜的分割效率；在瓣膜分割結(jié)果的基礎上，計算瓣膜運動角在整個心動周期內(nèi)的三維變化過程,并將其通過特征曲面可視化.在特征曲面上,運用曲面幾何的理論，可以對瓣膜的三維運動過程作進一步的特征分析。課題中使用了隱馬爾可夫模型理論對以特征曲面表征的瓣膜運動變化過程做了進一步的

6、特征分析，提出了“子瓣膜形狀”模型，通過分析人體樣本和動物樣本，建立了正常瓣膜運動的隱馬爾可夫模型。 本課題創(chuàng)新點如下： 1) 建立了定量描述心臟瓣膜三維運動的方法，該方法由圖像重建、瓣膜分割、瓣膜運動角度計算和獲取特征曲面等步驟組成，可以數(shù)字的、直觀的描述瓣膜三維運動過程。在此基礎上，可以進行更深層次的瓣膜運動特征挖掘。 2) 提出了基于馬爾可夫隨機場-后驗概率最大化模型的統(tǒng)計重建體數(shù)據(jù)的方法。該方法將噪聲的

7、近似分布和馬爾可夫隨機場引入到三維體數(shù)據(jù)的估計過程中。在重建三維體數(shù)據(jù)的過程中，有效的去除了超聲噪聲，增強了邊緣，提高了三維超聲心動圖斷層重建的質(zhì)量。 3) 探索了將彈性匹配的思想擴展到三維運動分析，提出了基于橢圓方程的位移場估計模型。該模型通過最小化由匹配誤差項和平滑約束項組成的能量方程，從而得到心臟瓣膜三維運動的位移場分布情況。 4) 將先驗知識融入到水平集分割方法，提出了基于區(qū)域先驗知識的瓣膜分割方法。由于相鄰

8、時空位置上的先驗區(qū)域具有相似性，所以先驗區(qū)域可以在相鄰時空位置的圖像之間進行傳遞。該方法的優(yōu)點在于：一方面提高了瓣膜分割的準確性，另一方面，提高了大量圖像數(shù)據(jù)的分割工作效率，從而使瓣膜三維運動特征分析更具有實用性。 5) 提出了瓣膜三維運動特征曲面概念，該特征曲面反映了整個瓣膜組織在心動周期內(nèi)的運動變化情況。在該曲面上可應用曲面幾何的理論進行瓣膜的三維運動特性分析。 6) 在瓣膜三維運動特征曲面的基礎上，探索了應用隱