基于射频信号超声心肌弹性成像的研究

发布时间：2017-08-30 14:01

  本文关键词：基于射频信号超声心肌弹性成像的研究

  更多相关文章： 超声心肌弹性成像 超声射频信号 动态规划 最小化解析 整体映射 心肌梗死动物模型

【摘要】：随着人们生活水平的提高,饮食习惯的改善,心肌梗死成为危害人类健康的严重杀手。心肌梗死的病因是冠状动脉闭塞,血流中断,使部分心肌因严重的持久性缺血而发生局部坏死。心肌梗死的发病率随着年龄增长而逐步上升,以65～79岁为最高,目前正在向年轻化趋势发展。心肌梗死严重影响人们正常生活,限制人们的活动,降低生活质量,甚至可能导致猝死。心肌组织与其它生物组织相同,其病理变化与组织硬度变化有关,组织的弹性对疾病的诊断与治疗具有重要的参考价值。临床触诊是诊断疾病的一种重要技术,是通过直接接触感知软组织的弹性度作为判断组织病变的标准。但是由于这种诊断方法主要凭借医师的主观判断,而且局限于诊断人体表面相对较大的病灶,不能作为精确诊断的有效方法。近年来超声弹性成像技术的发展,弥补了利用触诊来感知病情的方法。超声弹性成像的方法由J.Ophir等人于1991年提出后广泛应用于软组织成像,使得医学上对软组织的检测从定性判断发展到定量判断。超声弹性成像的基本原理是使用超声探头给组织表面一个垂直的力,可以采集到受力前后组织的信息。利用相关分析方法对受力前后组织的信号进行分析,计算出组织受力前后形变的大小,进而得到组织的应变分布来追踪组织的弹性。超声弹性成像作为一种新的影像学成像方法,是通过获取组织的弹性信息进行辅助诊断的影像技术。它弥补了传统超声影像形式不能直接提供组织弹性信息的不足,具有无创伤、低成本、操作简单等优点,目前已经被广泛应用于甲状腺、血管、肝脏等的临床影像诊断中。随着影像技术硬件和软件的发展,超声心肌弹性成像逐渐发展成熟起来。许多学者尝试使用射频(radio frequency)信号作为心肌弹性成像的基础来计算心肌弹性。RF信号的使用相对于传统使用灰度图的计算有很大的优势。灰度图是在RF信号基础上经过处理得到的信号,RF信号相对于灰度图包含更加原始的图像信息和更多的组织信息。精确的组织信息降低了计算误差,从而提高结果的精准度。为了更好的观察组织的解剖结构,首先对实验中获得的RF信号进行重建,转换成灰度图直观的显示组织的解剖结构。动态规划方法基本概念是将待求解的问题分解成若干子问题,逐个求解每一个子问题,并在已经得到的一部分子问题的解中分析得出下一个子问题的解。动态规划方法可以避免很多重复计算,使得总的计算时间缩短。Zhang等已经将动态规划方法应用到甲状腺疾病中计算相应组织的位移。但是动态规划方法局限于计算组织的整数位移,不能满足一些形变较小的组织的位移计算。Rivaz等在动态规划方法的基础上提出最小化解析方法(Analytic minimization)。动态规划方法可以计算组织的整数位移,最小化解析方法在动态规划方法的基础上对整数位移进行二次计算得到组织的小数级别的位移,从而提高位移计算的精准度。最小化解析方法已经应用于甲状腺、乳腺等组织位移的计算,但是尚未应用于心脏组织的计算,本文首次将最小化解析方法应用于心脏形变的计算。彩色应变图像可以显示组织的生物力学信息,但是应变图显示的是整个心肌以及周围组织共同的结果,心肌组织与周围其它组织混在一起,不易区分。目前已经配有超声弹性成像功能的相关设备中,无论是剪切波弹性成像还是准按压弹性成像,其绘制技术都是将较规则形状的感兴趣区的弹性图像覆盖到灰度B超图上,不能根据组织具体形状进行勾画。本文在此基础上提出整体勾画方法,将整个心肌区域的彩色应变图整体映射到灰度图相应位置上,实现快速绘制心肌区域的彩色应变图,达到动态观察心肌组织弹性的目的。动物疾病模型的准确建立关系到科学实验的准确性,准确的评估动物实验的成功性非常关键。临床基础研究中使用结扎冠状动脉左前降支的方法对大鼠进行心肌梗死造模已成为公认的方法。因此,本文也采用此方法建立心肌梗死大鼠模型,通过超声设备扫描获得超声RF信号。基于超声RF信号,运用动态规划方法和最小化解析方法,计算正常大鼠和心肌梗死大鼠的心肌弹性图,动态追踪心肌梗死区域的弹性。本文主要进行以下三个方面的超声心肌弹性成像研究：①心肌组织的动态位移跟踪及应变分布的算法研究我们采用超声设备Ultrasonix Sonix RP系统,该系统采用PC平台即Microsoft(？) Visual Studio(？)环境,是一种开放式超声研究平台系统,配有超声探头C5-2/60,中心频率为5 MHz,检测深度为15 cm。系统可以同时保存超声B型灰度图像、超声视频信号和超声RF信号。本研究招募一24岁健康成年男性为实验对象。采用仰卧位,待心跳稳定后(68次每分钟),进行超声检测。实验聘请一位有经验的临床超声医师对受试者进行检测。超声探头放置于左侧胸骨旁位置,获取心脏左心室长轴图。通过自编软件读取超声RF信号并重建超声B型图像。根据所获得的RF信号,对其在纵向方向上使用降采样的方法,在横向方向上采用插值的方法,以保证重建后的图像所显示图形与超声设备所显示的B超图像一致。本文利用动态规划方法计算心肌收缩之前和收缩过程中的心肌整数位移,使用最小化解析方法计算相应小数级别的位移,然后经过多项式拟合方法求得相应的应变图像。根据心电信号,计算获得不同时刻的心肌超声应变图像。②心肌组织应变图的快速绘制方法研究在心脏超声灰度图上手动勾画心肌区域,根据数学算法,将勾画区域内外的点的坐标区别开来。将区域内的点和区域外的点进行图像二值化处理。经过二值化处理后的图的像素值分为0和1两部分,将像素值为1的区域的点的坐标保存下来。同时将灰度图的所有点的像素值复制三次保存到三维矩阵中。根据保存的坐标点的值,将应变图上相应点的值的RGB值转换为0-1之内的值,然后整体覆盖到超声灰度图上,即将心肌应变图中心肌区域内各点的RGB值替代超声灰度图的心肌区域内各点的灰度值,从而获得超声灰度图与彩色应变图的复合图像,既可以显示心脏的解剖结构信息,又可以显示心肌弹性信息。③基于心肌梗死动物模型的超声弹性成像初步研究我们采用超声设备Visual Sonics公司的Vevo(？)2100系统,该系统是小动物超声实时分子影像系统,带有小动物成像技术的高频线性阵列技术和彩色多普勒功能的高频率、高分辨率数字成像平台,可存储多种数据信号,包括In-phase Quadrature信号、RF信号、灰度图像信号以及视频信号。我们使用6只正常健康大鼠(体重200-250g),雌雄各3只,首先完成健康大鼠心脏超声检测。使用混合气体麻醉机对大鼠进行麻醉,将麻醉机连接氧气瓶后在挥发罐中倒入液体状的异氟烷,此时为诱导麻醉(使用2-3%的浓度)。然后将麻醉后的大鼠的四肢固定在ECG加热板上,保持大鼠体温在37℃左右,使用1.5-2%浓度的异氟烷维持大鼠麻醉。使用小动物剃刀将心脏区域周围的被毛剔除,并用脱毛膏进一步脱掉细小的毛。Vevo(？)2100的MS-250探头(频率为21MHz,深度为22cm)放置于大鼠胸骨旁,获取左心室长轴图。六只健康大鼠超声检测完毕后,行心肌梗死造模手术以建立心肌梗死大鼠模型。首先对大鼠称重,根据体重采用腹腔注射10%水合氯醛(0.4mL/100g)的方法进行麻醉。然后分别将颈部和心脏周围被毛剔除,用脱毛膏脱掉细小的毛。将呼吸机插入颈部的气管中,维持大鼠的呼吸。将心脏附近皮肤以及肌肉剪开,将左前降支附近的血管和小部分肌肉用手术线扎紧,观察心电图的ST波是否发生明显的抬高,若ST波有明显的抬高说明手术成功。手术成功后将胸部肌肉和皮肤分层缝合好后,保持呼吸机在大鼠气管中。待大鼠苏醒后,重新固定大鼠四肢及头部来缝合气管和颈部皮肤,随时观察术后大鼠的动态。三小时后,对已具有心肌梗死的大鼠再次进行超声检测,将超声探头放置于大鼠胸骨旁,获取左心室长轴图。基于研究①和研究②,将正常心肌和梗死心肌的超声RF信号处理,生成正常和梗死心肌弹性图。超声扫描后3个小时(即手术后6小时左右),将大鼠脱颈处死(或未到六小时大鼠自然死亡)。打开大鼠胸腔,剪下完整的心脏。将心脏浸泡在生理盐水中清洗干净后放入冰箱冷冻室冷冻30分钟。冷冻结束后,沿心脏短轴方向用刀片将心脏均匀切成至少5片左右的切片(每片厚度约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,盖上锡纸避光,染色两三分钟后,取出切片,放入10%甲醛溶液中并置于通风厨中,10小时后取出切片观察。根据正常心肌因脱氢酶还原而呈红色,而梗死心肌会因脱氢酶流失而呈白色的原理,观察染色结果。我们可见大鼠心肌有小部分白色梗死区域,此结果既可验证心肌梗死大鼠模型是否成功,又可检验心肌超声弹性成像的结果。通过上述研究,本文获得以下一些结论：①基于动态规划和最小化解析方法的动态心肌超声弹性成像经过超声RF信号重建灰度图、动态规划方法和最小化解析方法计算位移、多项式拟合方法计算组织应变、整体映射方法将心肌区域应变图覆盖到灰度图等步骤后,得到心肌收缩过程心肌区域的弹性图,可以动态观察心肌区域在收缩过程的弹性变化。本研究基于超声RF信号,将动态规划和最小化解析方法应用于动态心肌形变跟踪,根据收缩过程中正常心脏的各节段心肌弹性不同,可看出心肌不同时刻的弹性不同。②整体映射方法快速绘制心肌应变图本研究提出的整体映射方法可以快速绘制不规则心肌的应变图。通过手动勾画心肌轮廓,将心肌区域的应变图整体覆盖到灰度B超图中,实现心肌应变图与灰度B超图的复合图。心肌轮廓区域内约为1×106个像素点时,心肌区域彩色应变图的绘制时间为0.24s,实现快速绘制,达到动态观察心肌弹性的目的。随着心肌区域像素点的增加,应变图绘制的时间也有所增加。③心肌梗死大鼠模型的超声弹性成像本研究建立心肌梗死大鼠模型,并对正常大鼠和心梗大鼠进行超声检测,对比评价正常和梗死心肌弹性。离体心脏的TTC染色进一步验证造模手术的成功,并显示梗死心肌的相对于正常心肌的变化。结果可见心梗大鼠的心肌比正常大鼠的心肌窄,这与超声图像显示一致,但心肌弹性图所反映的心肌梗死区域不明显。总之,超声影像技术已越来越多地用于心脏的定量评价,对于心脏疾病的预防和治疗有重要作用。本文基于超声RF信号,运用动态规划和最小化解析方法追踪心肌收缩过程的心肌细微形变,实现了将动态规划方法和最小化解析方法应用于心肌弹性计算的目的。提出整体映射方法,快速绘制超声灰度图与彩色应变图的复合图像,达到了快速绘制心肌应变图直观的观察心肌弹性的目的。并对比评价正常和梗死心肌的弹性,为心肌梗死疾病进一步研究奠定了基础。
【关键词】：超声心肌弹性成像 超声射频信号 动态规划 最小化解析 整体映射 心肌梗死动物模型
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.1;R542.22
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 第一章 绪论18-23
• 1.1 引言18
• 1.2 超声心肌弹性成像18-20
• 1.3 课题的研究意义20-22
• 1.4 本文内容和章节安排22-23
• 第二章 心肌组织的动态位移跟踪及应变分布的算法研究23-33
• 2.1 引言23-25
• 2.2 超声系统及数据采集25-27
• 2.3 动态规划方法(Dynamic Programming)的基本原理27-28
• 2.4 最小化解析方法(Analytic Minimization)原理28-29
• 2.5 多项式拟合方法求组织的应变29-30
• 2.6 实验结果与分析30-31
• 2.7 本章小结31-33
• 第三章 心肌组织应变图的快速绘制方法研究33-38
• 3.1 引言33
• 3.2 整体映射方法原理33-35
• 3.2.1 心肌轮廓的勾画33-34
• 3.2.2 彩色应变图的RGB值的转换34-35
• 3.2.3 心肌应变图的快速绘制方法35
• 3.3 实验结果与分析35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 基于心肌梗死动物模型的超声弹性成像初步研究38-45
• 4.1 引言38-39
• 4.2 实验动物及心梗模型的建立39-40
• 4.3 大鼠心肌超声检测40-41
• 4.3.1 超声设备40
• 4.3.2 大鼠心肌检测方法及数据读取40-41
• 4.4 大鼠超声心肌弹性成像41
• 4.5 心肌组织的病理分析41-42
• 4.6 实验结果与分析42-43
• 4.7 本章小结43-45
• 第五章 总结和展望45-50
• 5.1 本文工作总结45-47
• 5.1.1 基于超声RF信号心肌收缩形变追踪算法的研究45-46
• 5.1.2 心肌梗死动物超声弹性成像研究46-47
• 5.2 未来工作展望47-50
• 5.2.1 基于RF信号追踪心肌弹性研究展望47-48
• 5.2.2 基于大鼠心肌梗死模型判别梗死心肌研究展望48-50
• 参考文献50-54
• 硕士期间研究成果54-55
• 致谢55-56

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