冠状动脉内超声图像序列中运动伪影抑制方法的研究

冠状动脉内超声图像序列中运动伪影抑制方法的研究 华北电力大学(保定) 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 冠状动脉内超声图像序列中运动伪影抑制方法 的研究 姓名:丁伟荣 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:孙 正 2011-03 华北电力大学硕士学位论文 摘 要 血管内超声(Intravascular Ultrasound IVUS)技术是无创伤的超声技术和有创伤的导管介入技术相结合的新型 诊疗方法，是诊断血管病变，特别是冠心病的新型介入影像技术。冠状动脉内超声 (Intracoronary Ultrasound，ICUS)图像序列中存在一种特有的失真—运动伪影。它 是周期性心脏运动和搏动的血流所造成的。在横截面 ICUS 图像中，运动伪影表现 为相邻帧之间管腔横截面的旋转和平移。在 ICUS 纵向视图中，运动伪影表现为血 管壁边缘呈现锯齿状。运动伪影的存在严重影响 ICUS 图像的视觉效果，降低基于 ICUS 图像的定量测量和血管三维重建的精度。 本文在综合 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 连续回撤超声导管 获取的 ICUS 图像序列中运动伪影的产生机制和表现形式的基础上，对运动伪影加 以抑制。首先，对各帧 ICUS 图像进行分割，提取出血管壁的外膜轮廓;然后计算 相邻帧图像中管壁外膜轮廓之间的刚性运动量，即平移矢量和旋转角;最后，在采 用谱分析的方法完成运动分量和几何分量的分离之后，通过对各帧图像中血管壁的 运动分量进行补偿，完成对运动伪影的抑制。通过模拟实验和对临床图像的实验结 果，验证了本文方法的可行性。本文方法的优势在于不需要专门的 ECG 门控图像 采集装置，其结果也不受医生主观因素的影响，而且不需要抛弃有用帧，保证了图 像集合的完整性。关键词:血管内超声;冠状动脉;运动伪影;抑制 I 华北电力大 学硕士学位论文 Abstract Intravascular Ultrasound IVUS combining noninvasive ultrasound techniquewith invasive interventional catheter technique is a new imaging method fordiagnosis and interventional treatment of vascular diseases especially coronaryartery diseases. There exists a kind of special artifact in continuous pullbackIntracoronary Ultrasound ICUS sequences due to periodic cardiac motion andpulsatile blood. It appreciates in the ICUS sequences as a rotation and displacementof the vessel cross-section. And its effect in 3-D ICUS images has been described asa “saw-tooth-shaped” longitudinal appearance of the vessel wall. This is the mainartifact that hinders the visualization of ICUS images and affects the quantitativeanalysis and the accuracy of three dimensional reconstruction of blood vessel. Based on the comprehensive analysis of motion artifact’s generation mecha-nism and manifestationwhich is existing in the continuous pullback ICUSsequences the suppression of motion artifact has been achieved in this dissertation.First each ICUS image frame is segmented to extract the outer contours of vesselwall then the rigid motion between outer contours of the adjacent frames iscalculated including vessel translation and rotation finally after completing theseparation of motion component and geometric component with spectral analysisthe motion artifact is suppressed through the compensation of motion component.The feasibility of this method is verified by the results of simulation and clinicalimages experiments.The advantages of this method do not require a dedicatedECG-gated acquisition device and its results aren’t subject to the doctor’ssubjective factors. To the more importance it does not abandon any useful ICUSframe which ensures the integrity of ICUS images.Keywords: Intravascular UltrasoundIVUS coronary artery motion artifactsuppression II 华北电力大学硕士学位 论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《冠状动脉内超声图像 序列中运动伪影抑制方法的研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《冠状动脉内超声图像序列中运动伪影抑制方法的研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 ) 本学位论文属于(请在以下相应方框内打“?” : 保密?，在 年解密后适用本授权书 不保密? 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 第1章 绪 论 冠状动脉疾病(coronary artery disease，CAD)是最常见的动脉粥样硬化性疾病，早在 20 世纪 60 年代，WHO 就宣布 CAD 是最严重的疾病之一。近年来，全球冠心病发病率呈上升趋势，有文献预计到 2020 年，冠心病将成为世界排名第一的最重要的疾病 1 。因此，对冠心病的诊断治疗手段的研究就显得至关重要。 X 射 线 血 管 造 影 ( X-ray angiography ) 和 血 管 内 超 声 ( IntravascularUltrasound，IVUS)是目前临床诊断血管病变，尤其是冠心病的两种主要介入性影像技术。血管造影仅显示血管内腔长轴方向的二维投影图像，需要采用正常血管段作为参照，来估算病变血管段的相对狭窄程度，易受投射角度及参考血管段的影响。IVUS 是一种超声显像技术，是无创伤的超声技术和有创伤的导管介入技术相结合的血管病变诊断方法，它不仅能显示血管内腔的形态，同时也能反映含斑块在内的管腔横断面结构、血管壁厚度和形态以及斑块成分(包括钙化、纤维化、脂质池)等 2。 目前，临床上普遍采用 IVUS 图像评价冠脉粥 不 氐慵俺潭龋 芯恐嘌 不 ”涮氐阌肓俅脖硐种 涞墓叵担 秆?视诮槿胫瘟频牟”溲 芏危 傅佳?窠槿胄灾瘟品椒ú?兰燮渲瘟菩Ч 取, 爻烦 脊芑袢〉墓谧炊脉内超声(Intracoronary Ultrasound，ICUS)图像序列中存在一种特有的失真—运动伪影，它是由周期性心脏运动和管腔中的搏动血流所致。运动伪影的存在，严重阻碍了管腔纵向形态的准确可视化，影响了血管形态结构参数的准确测量和对动脉粥样硬化斑块的准确分析，也直接威胁到 IVUS 超声弹性成像的鲁棒性和可靠性 3。 本文的主要研究目的是根据连续回撤超声导管采集的 ICUS 图像序列中存在的、由心脏运动所致的运动伪影的产生机理和表现形式，采用建立运动模型的方法，对其加以抑制，从而提供更为准确的血管壁和管腔的形态结构信息，以辅助冠心病的诊治。1.1 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景1.1.1 冠心病 冠心病是冠状动脉粥样硬化导致冠状动脉狭窄、闭塞，引起心肌缺血、缺 1 华北电力大学硕士学位论文氧的疾病，又称冠状动脉粥样硬化性心脏病。 心脏有节律的跳动依赖心肌周期性的收缩和扩张，心肌血液供应来自左右冠状动脉。如图 1-1 所示，冠状动脉有左右两条，从主动脉根部分出来，然后再分成小支，像蚯蚓一样盘绕在心脏外面，逐渐分成无数小支进入心肌内。营养物质和氧气就通过这些复杂、密集的血管网送到心脏。冠脉左、右两支的开口分别在左、右主动脉窦 4。 图 1-1 心脏及其表面血管示意图 心脏本身的营养和能量是由冠状动脉供给的。冠状动脉血流 量很大，占心脏排血量的 10左右，以供给日夜心跳工作量极大的心肌代谢需要。脂肪物质和胆固醇很可能侵入血管壁，在管壁上逐渐形成粥样斑块，堆积在冠状动脉内膜上，久而久之，越积越多，使血管腔越来越狭窄甚至闭塞，当堵塞程度达到70,80以上时，就会造成冠心病，如图 1-2 所示。 血栓 动 脉 斑 块 正常冠状动脉 病变的冠状动脉 图 1-2 冠状动脉病变示意图 2 华北电力大学硕士学位论文1.1.2 冠状动脉影像手段 最初人们是根据典型的临床表现(包括症状和体征)、心肌酶学检查和心电图特征来诊断冠心病。近年来，随着现代科技的迅猛发展和医学工作者对冠心病的深入研究和探索，出现了许多新的检查方法和技术 5 ，现在临床上应用的主要有: 1核素心肌显像:可以显示缺血区，明确缺血的部位和范围大小。结合运动试验再显像，可提高检出率。 2X 射线血管造影:被誉为冠心病诊断的“金 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ”。可以明确冠状动脉有无狭窄、狭窄的部位、程度、范围等，并可据此指导进一步治疗所应采取的措施。同时，进行左心室造影，还可对心脏功能进行评价。 3超声心动图和血管内超声:心脏超声可以对心脏形态、室壁运动及左心室功能进行检查。 冠血管内超声可以明确冠状动脉腔内的管壁形态及狭窄程度 6 。1.1.3 血管内超声状动脉造影虽然一直被认为是冠心病诊断的“金标准”，但其在评价管壁形态、壁厚、管腔特征方面存在很大局限性。血管内超声技术诞生于 20 世纪末，可显示管壁的组织学特征，精确地测量血管腔径及截面积，发现造影不能显示的血管早期病变。可显示动脉夹层、内膜撕裂及血栓等，特别适用于观察分叉处或因血管重叠致血管造影图像模糊的病变。同时，IVUS 成像还可以指导冠脉介入性治疗及效果评价。 如图 1-3 所示，血管内超声利用安装在心导管顶端的微型超声探头，实时显示血管的截面图像，包括管壁结构、管腔大小和形状等，可精确测量血管腔径及截面积，甚至可以辨认钙化、纤维化和脂质池等病变。 图 1-3 IVUS 成像示意图 图 1-4 一帧典型的 IVUS 图像 3 华北电力大学硕士学位论文 如图 1-4 所示，在 IVUS 图像中，正常血管壁表现为三层结构，内层为一强回声亮环，厚度为 0.2 mm，来自血管内膜和内弹力膜;中层为低回声暗带，厚度为 0.6,0.7 mm，来自血管中膜;外层为较明亮的强回声带，是由外膜外弹力层构成的 7 8。 血管内超声在介入治疗中的应用主要包括以下几方面: 1选择介入治疗设备的类型与大小:确定球囊扩张、斑块旋切、旋磨或置入支架的类型和大小; 2引导介入治疗过程:评价冠脉狭窄严重程度，诊断或除外血栓，测量切除组织的深度; 3综合评价介入治疗的机理和并发症:评价球囊扩张的疗效，判定夹层的有无，评价介入治疗术后再狭窄。联机实时的 IVUS 三维重建可立体全面地引导介入治疗并评价其疗效和并发症。1.1.4 冠状动脉内超声图像序列中的运动伪影 1.1.4.1 产生机理 冠状动脉内超声图像序列中存在一种特有的失真—运动伪影。心脏的周期性搏动，管腔内搏动的血流，再加之冠状动脉本身的不规则形态结构，这些因素导致了超声导管在回撤过程中的抖动，从而造成超声探头发生偏转，进而导致组织区域偏离接收传感器的焦点，因此在相邻帧图像中产生失真。换句话说，反射回来的超声波和之前发射的超声波来自不同的空间位置，因而接收到的反射超声波不能准确反映管壁的形态结构特征。 1.1.4.2 表现形式 在 ICUS 纵向视图中，运动伪影表现为血管壁边缘呈现锯齿状 9-11 。如图1-5 所示，运动伪影使得纵切面上的组织结构时有时无，导致外膜及钙化斑块边缘的锯齿状形态。在横截面 ICUS 图像中，运动伪影表现为相邻帧之间管腔横截面的旋转和平移，如图 1-6 所示。 由于存在运动伪影，严重阻碍了管腔纵向形态 的可视化，影响了血管形态结构参数的准确测量和对动脉粥样硬化斑块的准确分析，也直接威胁到 ICUS超声弹性成像的鲁棒性和可靠性 10。 4 华北电力大学硕士学位论文 图 1-5 ICUS 纵向视图 心脏舒张末期 管壁轮廓 心脏收缩末期 图 1-6 运动伪影在 ICUS 图像序列横截面视图中的表现1.2 本文的研究目的和意义1.2.1 目的和意义 在进行冠状动脉内超声成像时，由心脏运动和搏动的血流所造成的运动伪影是影响 ICUS 图像序列纵向视图的视觉效果、准确定量分析和血管三维重建的主要因素。 本文的主要目的是克服现有方法的不足，采用计算机辅助的方法，对连续回撤超声导管采集的 ICUS 图像序列中存在的运动伪影进行抑制和补偿，既不需要专门的 ECG 门控图像采集装置，其结果也不受医生主观因素的影响，并且 5 华北电力大学硕士学位论文能保证图像数据集合完整性，从而便于医生作出准确诊断和制定最佳诊疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，辅助冠心病的诊治。1.2.2 研究现状和进展 目前，抑制 ICUS 图像序列中的运动伪影的方法主要有以下几种: 1ECG 门控图像采集 心电(Electrocardiogram，ECG)门控图像采集方法即根据 ECG 信号只在每个心动周期 。 2基于图像的离线门中的相同相位处采集超声图像，改善心脏搏动所致的伪影 12 控法(Image-based Gating) 不需要 ECG 信号，而是运用图像处理技术，从连续回撤超声导管获取的图像序列中选择在每个心脏周期的相同相位处采集的图像，组成一个新的序列13-16 。 3块匹配法(BM) 块匹配(Block Matching，BM)法通过寻找图像序列中各帧之间特征的相似度，来估计某一图像段或者是感兴趣区域的位移变化 17。 4光流法(OF) 光流(Optical Flow，OF)描述的是图像序列中物体的表面运动 18 。光流表达了图像的变化，包含了图像的运动信息，因此可被用来确定目标的运动情况。 5运动模型法 运动模型法只针对引起冠状动脉动态变化的刚性运动进行补偿。这种方法通过神经网络模型提取出冠脉管壁轮廓信息，然后用椭圆模型来模拟这个全局的线性变化 19。1.3 本文的主要研究内容 本文的主要内容是在保留 ICUS 图像序列中所有帧的基础上，运用计算机辅助的方法对运动伪影进行抑制和补偿。主要研究内容包括以下几部分: 一、简介冠心病及主要的冠状动脉影像手段 首先介绍本文的研究背景，概述冠心病的发病机理和目前的主要诊疗方法。简介血管内超声的图像特点和临床应用价值、ICUS 图像序列中运动伪影的产生机理、表现以及现有的主要抑制方法。 二、综述 ICUS 图像序列中运动伪影抑制的研究现状与进展 根据目前国内外对 ICUS 图像序列中运动伪影的补偿手段的不同，将主要 6 华北电力大学硕士学位论文方法分为门控法和非门控法两大类:门控法包括 ECG 门控和基于图像的门控两种;非门控法主要有块匹配法、光流法和运动模型法三种。简介这几种方法的工作原理，并分析比较其各自的优缺点。 三、ICUS 图像序列中运动伪影的补偿 首先，对各帧 ICUS 图像进行分割，提取出血管壁的外膜轮廓;然后计算相邻帧图像中管壁外膜轮廓之间的刚性运动量;最后，在采用谱分析的方法完成运动分量和几何分量的分离之后，通过对各帧图像中血管壁的运动分量进行补偿，完成对运动伪影的抑制。 四、算法的程序实现 在 Visual C中编程实现上述算法，分别采用模拟图像数据和临床 ICUS图像数据进行实验，并对实验结果进行分析和讨论。 7 华北电力大学硕士学位论文第 2 章 ICUS 图像序列中运动伪影抑制方法的研究现 状与进展 目前，临床广泛采用的减小或消除 ICUS 图像序列中的运动伪影的方法是使 ICUS 图像的获取和心脏的周期性运动同步，如心电(ECG)门控的方法和基于图像的门控方法。此外，对非门控方法的 研究也有一定进展，即直接对图像序列中的运动伪影进行定量的估计和补偿，主要方法有块匹配法、光流法及运动模型法。2.1 ECG 门控法2.1.1 ECG 的图像特点 心电图反映了心脏激动的电学活动，它作为心血管疾病诊断中的一种重要的方法，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标，对心血管疾病的诊断有重要价值。 心脏在收缩之前先有电激动，约在 0.020.07s 后，才有机械的收缩活动。心脏的电激动产生动作电流。人体是一个很好的容积导体，心脏正处在这一导体之中，可以将心脏的动作电流传到身体各部。因此，在一定的两个体表部位放置电极板，用导线连接至心电图机，就可以描述心电活动的曲线，即称为心动电流图，简称心电图 20。 RR R R PP ST T U T P P Q S QRS Q S Q-T 图 2-1 常规心电图的波形 如图 2-1 所示，一个常见的心电波形由 P 波、QRS 波群和 T 波组成。通常P、T 波的波形比 QRS 波平滑很多，P 波、QRS 波、T 波的交替出现就构成了 8 华北电力大学硕士学位论文整个心电周期。从心电信号的波形来看，它比较接近于一个周期重复的确定性信号，但实际上它又有很大的不确定性 21。心电信号波形总是不断地进行细微变化，它们不仅会随着人体各种生理因素的变化而变化，而且如果心脏功能出现异常，就会出现更复杂的波形。2.1.2 ECG 门控图像采集法 ECG 信号表现出的特性和心脏运动非常相似，因此，常作为一种非介入性的指示器来标识心脏位置。所谓心电门控就是为了减少或消除心脏大血管的搏动对图像造成的影响而采取的技术手段。心动周期的变化与心电活动相对应，心动周期可简单分为收缩期和舒张期。收缩期一般从 R 波的波峰开始，到 T 波末结束;舒张期一般从 T 波开始到 R 波的波峰结束。心脏图像信号的采集一般是在舒张中后期，这个时段一般心脏运动相对较缓慢。 抑制 ICUS 图像序列中运动伪影的 ECG 门控图像采集方法即根据 ECG 信号只在每个心动周期中相同相位处采集超声图像，从而改善心脏搏动所致的伪影。在 ECG 信号中，特征最显著的是 R 波 14。通常一个心脏周期指的是相邻两个 R 波之间的间隔。只要在相邻的 R 波之间选择一个合适位置，就可以在每个心动周期中选择和保留与此位置最为接近的图像。在每个心动周期中，心脏.