基于光学相干断层扫描影像的可降解支架自动分析研究

发布时间：2020-10-09 06:02

　　冠心病是目前世界范围内致死人数最多的疾病。经皮冠状动脉治疗是治疗冠心病的常用手段,其原理是借助心脏导管技术对冠状动脉的狭窄处进行扩张,并通过植入支架对扩张后的血管进行支撑,以改善心肌的供血状况,从而降低冠心病的发病风险。目前,最新一代支架为可降解支架,由生物可吸收的聚合材料构成。可降解支架被认为是未来最有发展前景的支架类型。血管内光学相干断层扫描技术(Intravascular optical coherence tomography,IVOCT),凭借其极高的成像分辨率,逐渐成为介入心脏病学中最常用的腔内影像技术之一。IVOCT能够对血管内部结构进行清晰成像,从而辅助临床医生在支架植入过程中对支架状态进行实时分析,因此具有重要的研究意义和应用价值。然而,由于IVOCT序列所包含的图像极多,一个IVOCT序列往往包含上百张图像和近千个支架,因此手动分析IVOCT影像中的支架信息将耗费巨大的时间和精力,也难以满足临床实时性的需求。因此,本文提出了一种针对IVOCT影像中可降解支架的自动分析方法。利用Adaboost算法训练级联分类器,对可降解支架的位置和大小进行检测;并利用深度学习R-FCN模型训练支架检测网络,以进一步提升检测精度;在检测基础上,借助霍夫变换将每个支架转换至极坐标空间,利用动态规划算法寻找极坐标空间下的最优路径,从而实现支架轮廓的自动分割。基于分割结果,最终实现对支架贴壁情况的自动分析,以辅助医生在临床手术中进行诊断。为了评估本方法的综合性能,本文在5组IVOCT回拉序列上进行了测试,并且将算法自动检测和分割的结果与专家标记的金标准进行对比。结果显示,基于Adaboost算法的可降解支架检测算法可达到91.3%的召回率和89.6%的准确率,基于深度学习R-FCN模型的可降解支架检测算法进一步将召回率和准确率提升至97.9%和95.2%;支架轮廓分割的平均Dice系数为0.812;针对单个回拉序列,Adaboost算法检测耗时为30.21秒,R-FCN算法检测耗时为14.64秒,分割耗时为32.34秒。实验结果表明,本方法能够实现IVOCT影像中可降解支架的自动检测与分割,并且满足临床实时性的需求。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R541.4;TP391.41;TP18
【部分图文】：

示意图,机制,示意图,心血管疾病

血管疾病是目前世界范围内死亡率最高和致死人数最多的疾病。据每年有近 1730 万人死于心血管疾病，并且这一数字还在持续增长0 年将达到 2360 万人[1]。心血管疾病包括冠心病、心脏瓣膜病、风高血压性心脏病、心肌炎、主动脉瘤、外周动脉疾病等[2]，其中冠数占所有心血管疾病的近 50%，仅 2015 年全世界就有约 890 万人]。心病，全称是冠状动脉粥样硬化性心脏病。如图 1-1 所示，冠心病因是动脉血管粥样硬化而引起的血管腔狭窄或堵塞，进而导致心肌足，严重时引发心肌坏死。常见的临床症状为突发性胸部绞痛或不散至肩部、颈部和手臂。近年来，冠心病不仅在 65 岁以上年龄段不下，在 18 至 45 岁青壮年人群中的发病率也不断上升，目前已成康的第一大杀手。

结构图,成像原理,技术

从而产生物体的结构域 OCT 和频域 OCT 两类。Figure 1.2第 1 章引言发展前景的支架类型。在本课题中，我们的研究对象即为美Absorb bioresorbable vascular scaffolds (BVS)Optical Coherence Tomography, OCT）技术1991 年提出[7]，并在此后迎来了快速发展10-15 微米，非常适合对人体组织结在眼部成像、消化道成像、心血管成像等多个领域的成像原理主要基于相干光干涉原理核心部件包括低相干光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和数据低相干光经过分光镜被分为相同的两束，一束发射至被测物[8]并产生干涉，光电探测器接收干涉信号并将其传输至数据处理器进行后续处理并物体的结构图像。根据成像原理的不同，OCT图1.2 OCT技术成像原理The imaging principle of OCT3在本课题中，我们的研究对象即为美。技术最初由麻省并在此后迎来了快速发展。OCT 具有成像、心血管成像等多个领域均得到原理

OCT图像,成像系统

OCT图像图1.3 IVOCT成像系统Figure 1.3 IVOCT imaging systemOCT 技术在医学成像领域已取得了广泛应用。其中，血管内光学相干断层成像技术（Intravascular Optical Coherence Tomography, IVOCT）已逐步成为心血管疾病临床分析的主要成像方式之一。图 1.3 显示了一套典型的 IVOCT 成像系统，除了之前介绍的 OCT 成像系统外，还包括探头接口单元、冲洗液注射装置、导管、导丝、弹簧管、光纤探头等设备。血管内成像时，首先通过冲洗液注射装

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