基于IVUS圖像序列的關(guān)鍵幀提取及臨床應(yīng)用研究.pdf

1、冠心病是危害人類身體健康的重要疾病之一，死亡率高。冠脈造影(CAG)、血管內(nèi)超聲成像(IVUS)是診斷冠心病最常用的影像技術(shù)。冠脈造影被認(rèn)為是診斷冠心病的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但對(duì)于臨界病變、斑塊破裂、血栓等病變，即便通過多體位投照，也很難發(fā)現(xiàn)明顯的影像學(xué)特征。血管內(nèi)超聲是一種有創(chuàng)的斷層超聲成像技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)獲取血管內(nèi)的橫截面圖像，準(zhǔn)確獲得管壁厚度、管腔直徑、斑塊成分、血管面積、面積狹窄率等信息。IVUS在評(píng)估冠脈造影難以判斷的病變，指導(dǎo)介入治

2、療、測(cè)定斑塊的進(jìn)展和逆轉(zhuǎn)等方面具有重要意義，彌補(bǔ)了CAG的諸多不足，被稱為是診斷冠心病的“新的金標(biāo)準(zhǔn)”。
　　在血管回撤方向，步進(jìn)器勻速回撤超聲探頭，從而形成IVUS圖像序列。冠狀動(dòng)脈是附著在心外膜脂肪內(nèi)的血管，冠脈隨心臟運(yùn)動(dòng)變化。心臟的周期性運(yùn)動(dòng)引起超聲探頭在血管短軸方向上的旋轉(zhuǎn)和平移、探頭在長(zhǎng)軸方向上隨脈沖血流的來回震蕩、血管自身尺寸的擴(kuò)張和收縮。導(dǎo)致IVUS圖像在血管橫截而方向的旋轉(zhuǎn)、超聲探頭與血管壁在垂直血管方向上下移動(dòng)、

3、部分血管段重復(fù)成像或未成像、血管尺寸的周期性變化等。這就導(dǎo)致IVUS圖像序列產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)偽影，運(yùn)動(dòng)偽影在IVUS圖像縱視圖中表現(xiàn)為管壁呈現(xiàn)鋸齒狀分布。
　　IVUS圖像序列的運(yùn)動(dòng)偽影在序列圖像中表現(xiàn)非常強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了冠脈檢查。運(yùn)動(dòng)偽影干擾了血管可視化，減少了管腔容積測(cè)量、血管三維重建、病變定量分析的準(zhǔn)確度，降低了支架介入的指導(dǎo)價(jià)值，給冠心病的診斷和治療帶來不利影響。至今還沒有嚴(yán)格意義上的數(shù)學(xué)模型來描述運(yùn)動(dòng)偽影，需要采用計(jì)算機(jī)輔助的

4、方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影進(jìn)行抑制或補(bǔ)償。
　　門控法是一種有效抑制運(yùn)動(dòng)偽影的方法，門控法的基本原理是在每個(gè)心動(dòng)周期的相同相位處取出一幀IVUS圖像，組成門控序列，抑制運(yùn)動(dòng)偽影。門控法分為ECG門控法和基于圖像的門控法。ECG門控法又分為在線ECG門控法和離線門控法，ECG門控法的缺點(diǎn)是對(duì)硬件的要求過高，臨床上難以實(shí)現(xiàn)，加上方法自身的局限性，限制了其使用。因此，近年來，研究者們致力于尋找利用IVUS圖像序列本身提取門控序列的方法，即基于圖像

5、的門控法。基于圖像的門控法仿照ECG門控法，完全利用圖像處理技術(shù)，提取顯著性特征量作為參考點(diǎn)反映IVUS圖像，參考點(diǎn)隨著圖像序列變化，形成一個(gè)類似ECG的時(shí)間變化信號(hào)，據(jù)此將IVUS圖像分為兩類:心臟舒張末期圖像和非心臟舒張末期圖像。定義心臟舒張末期的IVUS圖像為關(guān)鍵幀，由關(guān)鍵幀組成門控序列。
　　本文提出了兩種基于圖像門控法:序列灰度方法和流形學(xué)習(xí)方法。
　　(1)序列灰度方法。IVUS是一種超聲成像技術(shù)，圖像像素灰度反

6、映了血管組織結(jié)構(gòu)特性，同一位置上像素點(diǎn)的灰度值沿著序列方向的變化表示該點(diǎn)處組織結(jié)構(gòu)的變化，隱藏了心臟運(yùn)動(dòng)信息。基于這一原理，將像素點(diǎn)的灰度均值作為顯著性特征量，提取門控序列?；静襟E為:1）將IVUS圖像從直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系，以減少計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)和計(jì)算量。均值濾波極坐標(biāo)下的IVUS圖像，用灰度均值代替像素點(diǎn)的灰度值，非均勻采樣濾波后的IVUS圖像;2）提取采樣點(diǎn)的灰度均值沿序列方向的變化(LMG)曲線，求LMG信號(hào)的幅度譜。分析LMG

7、信號(hào)頻域幅度譜分布特性，設(shè)計(jì)一種反應(yīng)頻域幅度譜幅值、波峰分布的濾波器，篩選關(guān)鍵點(diǎn)，由關(guān)鍵點(diǎn)的LMG信號(hào)組成反應(yīng)心臟運(yùn)動(dòng)的一維信號(hào)簇;3)關(guān)鍵點(diǎn)的LMG信號(hào)除包含心臟運(yùn)動(dòng)信息外，還受到呼吸、圖像噪聲等的干擾。以心臟估計(jì)頻率為中心頻率，設(shè)計(jì)巴特沃斯帶通濾波器濾波一維信號(hào)簇，只保留心臟運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信號(hào);4）濾波后的一維信號(hào)簇的極大值或極小值對(duì)應(yīng)心臟舒張末期圖像，據(jù)此提取關(guān)鍵幀，組成門控序列。該方法基于像素灰度值和組織結(jié)構(gòu)的一致性，算法簡(jiǎn)單，基本

8、實(shí)時(shí)。缺點(diǎn)是對(duì)于心率變化較大的IVUS圖像序列及血管結(jié)構(gòu)多變的IVUS圖像序列，難以準(zhǔn)確檢索到關(guān)鍵幀門控序列。
　　(2)流形學(xué)習(xí)方法。IVUS圖像序列具有維數(shù)高、數(shù)據(jù)量大、非線性的特點(diǎn)。主要由心臟運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)偽影導(dǎo)致IVUS圖像序列相鄰幀的變化都是連續(xù)緩慢的，且相同相位處采集到的圖像相似度很高。據(jù)此做出假設(shè):在心臟周期性運(yùn)動(dòng)的影響下，IVUS圖像序列形成了一個(gè)圖像空間上的連續(xù)平滑流形，且在心臟相同相位初采集到的圖像在流形中應(yīng)距

9、離相近。每一幀IVUS圖像代表高維空間中的一個(gè)樣本點(diǎn)，高維空間的維數(shù)等于圖像像素個(gè)數(shù)。IVUS圖像中包含了成千上萬的圖像特征，而運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生只需要幾個(gè)特征就能描述。流行學(xué)習(xí)方法的關(guān)鍵內(nèi)容是如何提取和選擇心臟運(yùn)動(dòng)相關(guān)的特征，并由這幾個(gè)主要特征量來構(gòu)造反映心臟運(yùn)動(dòng)的一維信號(hào)。流形學(xué)習(xí)方法的基本步驟為:1）將直角坐標(biāo)系下的IVUS圖像轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系。對(duì)于本文使用的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)量減少到原來的35％，計(jì)算機(jī)負(fù)荷減少，計(jì)算時(shí)間縮短。對(duì)坐標(biāo)

10、轉(zhuǎn)換前后的IVUS圖像序列降維后選擇到的特征向量之間的平均誤差為0.9％，說明坐標(biāo)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后已然保持了原始數(shù)據(jù)的信息完整性;2）利用拉普拉斯特征映射算法對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的IVUS圖像進(jìn)行降維。取內(nèi)蘊(yùn)維數(shù)為4，提取反映心臟運(yùn)動(dòng)的4個(gè)特征向量;3）定義距離函數(shù)。IVUS圖像序列低維空間分布不規(guī)則，難以用低維流形中IVUS圖像分布的聚類性質(zhì)分類關(guān)鍵幀。定義距離函數(shù)為IVUS圖與其相鄰幀之間的距離和，來反映心臟運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4）提取關(guān)鍵幀門控序列。關(guān)

11、鍵幀對(duì)應(yīng)心臟舒張末期圖像，此時(shí)采集到的IVUS圖像最為穩(wěn)定，距離函數(shù)取局部最小值。檢索距離函數(shù)的局部最小值，提取關(guān)鍵幀，組成門控序列。流形學(xué)習(xí)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何冠脈解剖的先驗(yàn)知識(shí)、不需要訓(xùn)練樣本、無人工干預(yù)、對(duì)于心率變化較大的IVUS序列仍然能準(zhǔn)確檢索到門控序列。但也存在局限，難以對(duì)IVUS圖像短軸方向上的平移和旋轉(zhuǎn)、長(zhǎng)軸方向上的振蕩、血管收縮和擴(kuò)張等運(yùn)動(dòng)加以區(qū)分。
　　收集南方醫(yī)院7位疑似冠心病患者的IVUS圖像，從中取出1

12、3組IVUS圖像序列。從以下幾個(gè)方面對(duì)序列灰度方法和流形學(xué)習(xí)方法進(jìn)行評(píng)價(jià):1）對(duì)比原始序列和門控序列的縱切圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明門控序列保持了原始序列中血管、管腔、斑塊的走勢(shì)，但較原始序列，門控序列的血管等結(jié)構(gòu)更加平滑，抑制了鋸齒狀的波形。2）對(duì)比兩種方法提取到的門控序列結(jié)果。從算法時(shí)間、關(guān)鍵幀幀數(shù)、關(guān)鍵幀平均距離、關(guān)鍵幀之間的距離占心臟周期的比例分?jǐn)?shù)、處理心率變化較大的IVUS圖像序列等幾個(gè)方面評(píng)價(jià)兩種算法。序列灰度方法相對(duì)于流形學(xué)習(xí)方法而

13、言，算法較快，序列灰度方法處理一幀IVUS圖像的平均時(shí)間為18ms，流形學(xué)習(xí)算法處理一幀IVUS圖像的平均時(shí)間約為217ms。計(jì)算兩種方法提取到的關(guān)鍵幀幀數(shù)、關(guān)鍵幀平均距離、關(guān)鍵幀之間的距離占心臟周期的比例分?jǐn)?shù)，結(jié)果表明兩種方法提取到的門控序列基本一致。對(duì)心率變化較大的IVUS序列，序列灰度方法難以準(zhǔn)確提取出門控序列，而流形學(xué)習(xí)方法克服了這一難點(diǎn)。3）手動(dòng)勾畫12組IVUS圖像序列的中外膜界面和管腔內(nèi)膜界面，計(jì)算原始序列和門控序列血管面

14、積、血管容積、管腔面積、管腔容積、斑塊負(fù)荷。統(tǒng)計(jì)12組序列發(fā)現(xiàn)，門控序列的血管容積、管腔容積均小于原始序列，符合實(shí)際;原始序列和門控序列的平均斑塊負(fù)荷差異不顯著，說明門控序列保留了原始序列中的斑塊負(fù)荷信息。門控序列的血管面積方差、管腔面積方差顯著小于原始序列，表明門控序列血管面積和管腔面積變化平緩，較原始序列穩(wěn)定。門控序列有利于臨床診療分析，滿足臨床需要。
　　綜上所述，本文提出的兩種基于圖像的門控方法抑制了運(yùn)動(dòng)偽影，序列灰度方法