三维超声心动图最佳切面自动检测方法的研究

论文摘要

实时三维超声心动图可以同步观察整个心脏的结构和运动,且可通过选择任意位置的切面观测心脏内部情况。在使用现有实时三维超声系统检查先天性心脏病的过程中,医生需要人工寻找若干最佳剖视面进行观察,这是一项繁琐且费时的工作；为便于诊断,我们提出了在三维超声心动图中自动检测最佳切面的研究课题。由计算机实现最佳切面的自动检测可以更精确、快速地找到最佳切面；具有可重复性,在最佳切面自动检测的基础上,可对心脏结构进行测量及其他计算机辅助诊断。目前,国内外尚未出现与本课题相关的研究报道,作为一项开创性工作,本文对三维超声心动图最佳切面检测方法进行探索,提出以下几种方法：①得益于图像检索技术的启发,参考医生人工寻找最佳切面的方法,针对心尖采集的三维超声心动图的特点,提出基于二维图像检索的心尖数据四腔切面检测方法。首先,选择一幅心脏舒张末期的四腔切面超声图像作为模板；其次,在待检测的三维超声心动图中提取出一系列二维切面图像,建立待检索的图像库；然后,在该图像库中检索出与模板图像最相似的一幅切面图像,将其所在的位置作为该三维超声心动图中四腔切面的位置。在探索合适的四腔切面检索算法时,对常用互信息算法的不足进行了分析,并提出改进算法,通过对多种方法的实验结果进行比较,改进的算法能更好的找到四腔切面。②根据临床需求及采集数据的实际情况,结合图像检索技术,提出由粗到精的四腔切面检索方法。首先,在粗检索阶段采用了对平移、旋转、缩放等变换具有鲁棒性,且计算简单快速的直方图特征；由粗检索筛选出部分图像后,再进行精检索；在进行精检索之前,采用归一化互相关系数测度,在剩下的每一幅切面中寻找与模板图像最匹配的窗口图像位置；由于四腔切面的窗口图像中包含重要的边缘特征,因此,精检索利用高频特征,搜索与模板图像最相似的窗口图像,其所在的切面即作为要寻找的四腔切面。在找到四腔切面的基础上,根据最佳切面位置分布的特点,本文进一步提出其他最佳切面的检测方法。该四腔切面及其他最佳切面的检测方法,可利用一幅模板图像,实现不同人的心尖数据最佳切面的快速自动检测。③结合心脏结构及三维超声心动图的特点,根据临床上对最佳切面检测的实际需求,设计了一种较为可行的三维超声心动图配准方法用以检测最佳切面。首先,从三维超声心动图舒张末期的体数据中截取出一块感兴趣区域作为模板,使得模板图像与待检测最佳切面的三维超声心动图之间的三维配准计算量显著减小。其次,考虑到三维超声心动图的自动分割难以实现,选择最大互信息作为配准准则；根据最佳切面检测在精度上要求不高,而在实时性和自动化程度上要求较高的特点,选择刚体变换作为模板图像与待检测的三维超声心动图之间的变换；并选择Powell优化对参数进行搜索。该方法通过三维配准,可一次性检测所有最佳切面；且它对于从不同部位采集的超声心动图的最佳切面检测,具有通用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 缩写表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 正常心脏结构与功能
• 1.1.2 小儿先天性心脏病
• 1.1.3 小儿先心病的超声诊断
• 1.1.4 三维超声心动图诊断小儿先心病的局限性
• 1.2 课题研究内容
• 1.3 基于二维图像检索的最佳切面检测方法
• 1.3.1 基于内容的图像检索
• 1.3.2 基于二维图像检索的心尖数据最佳切面检测方法
• 1.4 基于三维配准的最佳切面检测方法
• 1.4.1 三维配准方法
• 1.4.2 基于三维配准的最佳切面检测方法
• 1.5 本论文创新点
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 基于二维图像检索的心尖数据四腔切面检测方法
• 2.1 引言
• 2.1.1 三维超声心动图及四腔切面
• 2.1.2 本章研究内容及安排
• 2.2 实验设计
• 2.3 基于内容的图像检索技术
• 2.4 基于二维图像检索的四腔切面检测
• 2.4.1 切面提取
• 2.4.2 四腔切面检索
• 2.5 实验及结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 由粗到精的心尖数据最佳切面检测方法
• 3.1 引言
• 3.2 由粗到精的四腔切面检索方法
• 3.2.1 模板选取
• 3.2.2 基于累积直方图的粗检索
• 3.2.3 基于互相关的最佳窗口定位
• 3.2.4 基于小波特征的精检索
• 3.3 其他切面的定位
• 3.4 实验及结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于三维配准的最佳切面自动检测方法
• 4.1 引言
• 4.2 三维超声图像配准
• 4.2.1 医学图像配准概述
• 4.2.2 三维超声图像配准
• 4.3 基于三维超声心动图配准的最佳切面检测方法
• 4.3.1 模板选取
• 4.3.2 基于三维超声心动图配准的最佳切面检测方法
• 4.4 实验结果及讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文