基于电磁定位复合血管内超声导管的真实血管形态重建及高通量组织学对比验证研究

发布时间：2018-04-01 04:27

本文选题：聚类分析　切入点：Lab色彩空间　出处：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：根据2008年中国卫生事业发展情况统计显示,心血管病是我国居民第一位死亡原因,平均每1分钟死亡6人。近年研究发现,多数急性心脑血管病患中,动脉粥样硬化(AS)斑块的破裂及血栓形成是其主要发病机制。AS斑块发生于动脉管壁,斑块演变过程涉及炎症、凝血等多环节,单纯显示动脉管腔狭窄度的诊断已不能满足临床的需求。血管内超声成像技术(IVUS)可以弥补了这种不足,其可显示管壁的斑块形态、负荷程度乃至斑块的组成成分。由于IVUS提供的是二维血管横截面图像,仅能显示局部血管病变信息,血管内超声成像三维重建成为目前研究热点。但目前的血管内超声三维成像仍不能反应血管的弯曲度及翘曲。本研究提出一种基于电磁定位信息与IVUS图像的血管三维重建的方法:首先将IVUS图像根据电磁定位系统得到的有关图像坐标、角度的信息,将二维坐标转化到三维坐标系之中;然后通过边缘提取IVUS血管图像中的内膜与外膜,通过采用曲面拟合技术完成管腔外表面的拟合,从而得到最终的血管三维重建图。通过对血管段的三维重建,能准确计算出血管斑块体积。血管内超声技术对易损斑块的识别有重要意义。在血管内超声成像技术中,通过回撤,可观察到整个血管段的所有横截面信息。如何验证IVUS对易损斑块的识别,需要对血管行组织学分析,而这种分析会涉及到一整段长度的动脉,大量的图像和切片分析,工作量巨大。本研究利用聚类分析原理和Lab颜色空间,使用Matlab环境自行研制一款高通量的组织切片图像分析软件,并通过与image-pro plus软件分析结果的对比研究验证了该软件的准确性。结论:(1)本研究成功研制了基于聚类分析和Lab颜色空间的适于动脉粥样硬化组织切片自动分析的软件,所测结果与目前公认分析软件测值间有良好的一致性,使工作效率明显提高,可成批大量分析病理切片。(2)复合导管检查可准确测量动脉粥样硬化斑块体积。(3)复合导管可同步实现血管内超声图像和三维空间信息获取,呈现血管真实空间形态,并利用虚拟内窥式呈递便捷地实现一段血管病变的多视角观察和定位。冠状动脉易损斑块破裂和随后的血栓形成是急性心血管疾病事件的主要原因。血管内超声技术对易损斑块的识别有重要意义。在血管内超声成像技术中,通过回撤,可观察到整个血管段的所有横截面信息。但是对比IVUS图像和组织学结果,会涉及到一整段长度的动脉大量的图像和切片,工作量巨大。动脉粥样硬化斑块的组织学研究中,通常使用一种染色剂为一构成分染色。目前大多数商用软件提供了宏观直方图分析工具。即使在这个成批处理中,参数包括病理信号颜色的阈值,ROI边界,等等,仍然需要为每个不同的情况下手动调整最优结果。显然,大量直方图分析系统以尽量减少人为干预会对提高工作效率及减少主观因素均有很大帮助。本研究利用聚类分析原理和Lab颜色空间,使用Matlab环境自行研制一款高通量的组织切片图像分析软件,并通过与image-pro plus软件分析结果的对比研究验证软件的准确性。1.研究方法1.1软体开发:软件在Matlab环境下研制,首先对动脉内膜和外膜的边界分别手动勾画边界并存储,病理切片每个像素的颜色分散至CIE-LAB颜色空间,基于组件a和b通过使用k均值聚类分析方法将每个像素集群。k最好的聚类数是通过基于在轮廓分析中一个默认从3-5的范围比较集群的结果设定。1.2.实验动物模型建立纯种雄性新西兰白兔10只,体重1.5～2.0 kg,前期予1%高胆固醇饲料喂养1周,以3%戊巴比妥钠(1ml/kg)麻醉成功后,经股动脉入路,以充盈球囊反复回撤损伤腹主动脉内膜3次;术后予1%高胆固醇饲料喂养24周,以建立腹主动脉斑块模型。1.3.取材球囊拉伤第24周末,麻醉兔子成功,取腹主动脉,截取血管组织分别进行冻结、石蜡包埋处理。1.4.组织学与免疫组织化学染色所有组织切片以5 μm厚度制片。分组进行油红0染色、天狼星红染色、抗α-SMC染色、抗RAM-11染色,分别观察分析脂质成分、胶原蛋白、平滑肌细胞及巨噬细胞。每个切片是由显微镜观察(10和20 x,依次)并且图像存储为TIFF格式。1.5.统计学处理对每组样本分别用IPP软件和基于MATLAB研制的软件测量斑块内的胶原纤维、平滑肌细胞、脂质及巨噬细胞面积占组织切片面积的百分比。定量数据均采用均数±标准误表示,选用SPSS13.0软件以独立样本t检验或单因素方差分析及Newman-Keuls检验分析数据,p0.05为有统计学意义。2.结果自10只动脉粥样硬化兔腹主动脉共采集50块组织样本,分别在X10和X20倍数下对油红0染色、天狼星红染色、抗a-SMC染色、抗RAM-11染色进行拍照。IPP软件和自行研制的软件测量结果具有良好的相关性。在本实验中合适的聚类分析分类数分别是:油红OX10、油红OX20、天狼星红X10、天狼星红X20、平滑肌X20为3;巨噬细胞X10、平滑肌细胞X10为5;而巨噬细胞X20为4和5,但更倾向于5。也就是说每种染色方法均能通过选择合适的颜色分类数(一般选择3~5,但不局限于3~5),获取准确的聚类分析结果。Bland-Altman和线性回归分析进一步证实两种分析软件间具有良好的相关性,相关系数R2在0.72-0.99间。3.研究结论本研究成功研制了基于聚类分析和Lab颜色空间的适于动脉粥样硬化组织切片自动分析的软件,通过选择合适的聚类分析颜色个数,自行研制软件所测结果与目前公认分析软件测值间有良好的一致性。所研制的软件减少了人为的干扰因素,提高了工作效率,可成批大量分析病理切片,具有良好的使用推广价值。近年研究发现,在多数急性心脑血管病患者中,动脉粥样硬化(AS)斑块的破裂和血栓形成是其主要发病机制。AS斑块是发生于动脉管壁的病变,斑块从稳定到不稳定的过程涉及炎症、凝血等多环节,单纯显示动脉管腔的诊断技术已不能满足临床的需要。血管内超声成像技术(IVUS)弥补了冠状动脉造影单纯显示管腔的不足,其可显示管壁的斑块形态、负荷程度乃至斑块的组成成分。由于二维血管横截面图像仅能提供局部血管病变信息,血管内超声成像三维重建和可视化已成为目前的研究热点。目前的血管内超声成像系统可借助系统配备的回撤装置实现对一段血管的观察,但其三维重建和可视化是把序列图像按采集顺序叠加起来形成一个直管模型的血管段。这种方法没有考虑在图像获取过程中血管自身的弯曲形态。另一种方法为利用多角度CAG提取血管骨架并顺序叠加血管内成像的图像,但基于多角度CAG图像的重建,影响DSA图像与血管内成像图像的配准。且这些重建方法忽略了导管回撤过程中的离平面运动造成图像法平面的翘曲,影响重建后图像显示,尤其是虚拟内窥环境的呈递。本研究提出一种基于电磁定位信息与IVUS图像的血管三维重建的方法:首先将IVUS图像根据电磁定位系统得到的有关图像坐标、角度的信息,将二维坐标转化到三维坐标系之中;然后通过边缘提取,提取出图像中血管的内膜与外膜,通过采用曲面拟合技术完成管腔外表面的拟合,从而得到最终的近似的血管的三维重建图。通过将电磁定位系统得到的空间信息以及从IVUS图像序列中获取的管腔横切面信息整合起来,实现感兴趣血管段的三维准确重建。研究目的:1.设计基于电磁定位跟踪系统的IVUS复合导管。2.验证基于电磁定位跟踪系统的IVUS复合导管的三维成像对动脉粥样硬化斑块的识别及准确性。研究方法:1.使用PVA冷凝胶(PVA-CG)制备血管仿体25个。动脉粥样硬化兔腹主动脉斑块11个。2.复合导管的设计安装:在IVUS探头近端平齐以下0.2mmm处安放NDI线圈并固定于IVUS外鞘壁上,一直固定到达IVUS近端,组合成复合导管;在复合导管外套装鞘管。IVUS及NDI分别连接主机,可同步进退,并进行信息整合。3.准确性验证3.1NDI电磁定位精度验证通过不同位置,观察静止状态下电磁线圈在磁场显影中的振幅。采用位移平台观察比较动态位移。结果显示随距离的增加,其观测到的电磁振幅呈增大趋势,离磁场40cm以内,经降噪处理后最大振幅所产生的误差为0.155mmn以内。遂设定本系统的精度为0.2mmmm。复合导管运动状态下,距离磁场15cm、30cm处时,磁场所显示的位移值与位移平台所对应的位移值无统计学差异;距离45cm时均有统计学差异。Bland-Altman法亦证实,在距离磁场15cm、30cm处,一致性界限的可信区间(LOACI)内,均在95%以上,同时可信区间均未超过可接受的临界值范围,即0.2mm。3.2仿体实验:3.2.1采用体外密封装置,装置内注入去离子水,从密封阀内安装7F动脉鞘管,将血管模型两端分别固定在动脉鞘管末端,血管模型缠绕于直径为84mm筒状物体上,使其呈弧形弯曲。在0.014mm指引导丝引导下,从动脉鞘管插入IVUS复合导管。接通IVUS装置及电磁装置,并同时启动自动回撤,获取血管仿体图像信息。将获得的IUVS及电磁定位信息通过软件进行整合,进而得到血管仿体的三维立体结构。3.2.2复合导管测量出的血管模型斑块体积,与仿体实际斑块体积进行比对分析。3.3实验动物动脉粥样斑块模型检查:3.3.1穿刺已建立动脉粥样硬化斑块模型的新西兰兔股动脉,沿导丝置入复合导管到达腹主动脉,同时开启复合导管内的IVUS及NDI,在复合导管回撤过程中同步采集IVUS图像信息及NDI位置信息。以上信息进行整合,以取得腹主动脉三维信息。3.3.2分离腹主动脉,结扎腹主动脉侧支,然后缠绕于直径为84mm圆柱上,两端固定连接鞘管加压注水充盈。置入复合导管到达腹主动脉内,标记血管,同时开动IVUS及NDI,在复合导管回撤过程中同步采集IVUS图像信息及NDI位置信息。回撤结束,再次标记血管。以上信息进行整合,以取得缠绕后的腹主动脉三维信息。3.3.3病理学染色:把以上血管剪切成长度为5mm的血管段,记录顺序,放入4%多聚甲醛中,4℃情况下固定24-48小时。随后石蜡组织包埋,以5um厚度连续切片,每隔50um保留2张切片,行HE染色。3.3.4计算斑块体积并比较:病理切片内动脉粥样硬化斑块逐层叠加,算出斑块体积,与复合导管测量出的对应动脉粥样硬化斑块体积进行比对分析。3.4统计学处理:采用SPSS13.0软件以及MedCalc软件进行分析。计量资料以均数±标准差(mean±SD)表示,以P0.05为无统计学差异意义。研究结果:(1)复合导管检查能准确测量动脉粥样硬化斑块的体积。本研究中共观测血管仿体25例,实验动物血管段11个。血管仿体检查中复合导管检查与实际斑块体积对比、实验动物中复合导管检查与病理切片检查动脉粥样硬化斑块体积均无明显统计学差异(P0.05)。(2)复合导管可同步实现血管内超声图像和三维空间信息获取,呈现血管真实空间形态,并利用虚拟内窥式呈递便捷地实现一段血管病变的多视角观察和定位。研究结论:(1)复合导管检查可准确测量动脉粥样硬化斑块体积。(2)复合导管可同步实现血管内超声图像和三维空间信息获取,呈现血管真实空间形态,并利用虚拟内窥式呈递便捷地实现一段血管病变的多视角观察和定位。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R54

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