三維心臟圖像的量化分析與可視化.pdf

1、二尖瓣裝置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)形態(tài)量化分析對(duì)于先天性心臟病的病理研究、診斷治療、手術(shù)規(guī)劃和跟蹤隨訪具有重要的臨床價(jià)值和社會(huì)意義。近年來(lái)，實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖（RT3DE）以其便利、非侵入性、低輻射性和高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，能夠直觀形象地顯示心內(nèi)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀況，是先天性心臟病臨床診斷的最主要的診斷檢測(cè)工具。同時(shí)，雙源CT（DSCT）心血管成像技術(shù)以其時(shí)空分辨率較高、成像范圍大的優(yōu)勢(shì)，可以顯示增強(qiáng)后清晰的心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)，能夠成為心臟建模和心

2、血管虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的基礎(chǔ)。本課題根據(jù)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院專家的建議和指導(dǎo)，利用其提供的RT3DE和DSCT數(shù)據(jù)，對(duì)二尖瓣裝置的三維形態(tài)和運(yùn)動(dòng)的量化分析與心臟虛擬內(nèi)窺鏡應(yīng)用進(jìn)行了研究。
　　本文的主要工作和創(chuàng)新如下：
　　1）基于先驗(yàn)知識(shí)和局部上下文特征識(shí)別二尖瓣瓣環(huán)。采用主成分分析（PCA）對(duì)左心室形狀訓(xùn)練集進(jìn)行學(xué)習(xí)，核密度估計(jì)（KDE）算法進(jìn)行非參數(shù)的形狀建模。將先驗(yàn)形狀和基于局部直方圖擬合的活動(dòng)輪廓模型在約束變

3、分模型框架下相結(jié)合分割左心室。針對(duì)超聲成像噪聲、圖像分辨率不高的特點(diǎn)和心臟解剖結(jié)構(gòu)特性，本文設(shè)計(jì)了一種局部上下文特征。對(duì)二尖瓣瓣環(huán)特征點(diǎn)的局部上下文特征進(jìn)行訓(xùn)練，采用逼近的加性最小核的支持向量機(jī)（SVM）分類器快速識(shí)別瓣環(huán)候選點(diǎn)。然后根據(jù)左心室與二尖瓣的空間位置約束確定最終的二尖瓣瓣環(huán)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可有效分割左心室與二尖瓣瓣環(huán)，為進(jìn)一步二尖瓣裝置建模和多模態(tài)圖像融合等應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。
　　2）建立二尖瓣裝置簡(jiǎn)化的形態(tài)數(shù)學(xué)模

4、型。利用二尖瓣瓣環(huán)的最小二乘擬合平面建立一個(gè)二尖瓣裝置的局部坐標(biāo)系，補(bǔ)償其整體和自身運(yùn)動(dòng)的影響，以利于其整體的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量。提取二尖瓣裝置特征點(diǎn)，建立簡(jiǎn)化形態(tài)模型，估計(jì)其幾何結(jié)構(gòu)和功能描述參數(shù)，得到三維量化信息。通過(guò)對(duì)20組正常兒童樣本和20組先天性返流兒童樣本進(jìn)行分析，初步證明此方法所建模型較準(zhǔn)確地描述二尖瓣裝置的形態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠滿足二尖瓣裝置形態(tài)與功能的量化分析、病變?cè)\斷及其研究的需要。
　　3）引入模式識(shí)別的特征選擇和分類方

5、法，對(duì)二尖瓣裝置的形態(tài)功能參數(shù)進(jìn)行分析。由于處于發(fā)育階段的兒童心臟差異很大，首先探討了二尖瓣裝置形態(tài)功能參數(shù)的歸一化問(wèn)題。根據(jù)特征選擇算法中常用的濾波和封裝方法，采用相關(guān)系數(shù)、SVM權(quán)重向量的零階和一階特征，探索了二尖瓣裝置幾何形態(tài)參數(shù)關(guān)于返流診斷治療的重要性排序。通過(guò)交叉驗(yàn)證，將二尖瓣裝置的形態(tài)參數(shù)和身體尺寸參數(shù)用于輔助先天性心臟病診斷的SVM分類系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該分類系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有樣本的平均準(zhǔn)確率達(dá)到90.0％，對(duì)返流病癥診斷有輔助參考

6、價(jià)值，為醫(yī)生提供了良好的輔助診斷和定量分析工具。
　　4）基于DSCT體數(shù)據(jù)建立心臟虛擬內(nèi)窺鏡。該系統(tǒng)的路徑規(guī)劃采用三維歐式距離為權(quán)重的Dijkstra算法快速生成心臟內(nèi)窺鏡漫游路徑。類似超聲心動(dòng)圖檢測(cè)技術(shù)中的二維顯示方式的預(yù)診斷過(guò)程，利用規(guī)劃路徑信息，估算得到心臟疾病診斷的關(guān)鍵四腔切面的位置?；贕PU的三維紋理映射用于心臟全局實(shí)時(shí)顯示模式，而基于CUDA的直接體繪制用于內(nèi)窺鏡顯示模式。兩種模式任意切換，便于用戶得到更加清晰的心