基于三维超声的小儿心脏二尖瓣运动分析

论文摘要

心脏二尖瓣的静态及动态形态定量分析对于心脏瓣膜疾病的诊断和手术规划具有重要的临床意义。近年来,三维超声心动图由于能直观形象地再现心脏二尖瓣复杂的空间结构及运动状况,使二尖瓣形态定量测量成为可能。我们与上海儿童医学中心合作,利用实时三维超声心动图对二尖瓣形态,尤其是心脏二尖瓣环和瓣膜的三维运动测量和分析进行了研究。并编写了三维超声心动图的实时可视化,和心脏二尖瓣三维运动测量及计算机辅助诊断软件。本文的主要贡献点在于:1)本文提出二尖瓣环“最佳参考平面”用于辅助分析二尖瓣三维运动。二尖瓣在心脏中的运动由两部分组成,首先,二尖瓣在心脏中随胸腔的肺呼吸做整体运动,然后二尖瓣按心跳周期在左心室作为一个阀门,对血流做打开和关闭动作。本文基于实时三维心脏超声图像,提出二尖瓣环“最佳参考平面”用于消除二尖瓣整体运动的影响,并对二尖瓣在心动周期内运动提供一个可靠和理想的测量参考平面。我们估计出二尖瓣环运动参数,得到了运动中二尖瓣环三维量化信息。通过对31组病例分析,初步证明此方法所建模型较准确反映患者的二尖瓣环的运动,能满足二尖瓣环运动分析研究的需要。2)引入模式识别的方法,分析不同二尖瓣样本的运动差异。由于儿童的心脏处于发育阶段,为了将二尖瓣环的运动的测量参数用于临床,需要将这些参数归一化。本文引入模式识别分析的分类方法,探索将基于左心室容积的归一化方法引入到二尖瓣环运动测量参数的分析中。实验表明,这个方法使正常儿童与重度反流儿童二尖瓣环运动测量参数有很好的特异性。对患儿病症的诊断有提示作用,也就是说,为医生提供了良好的辅助诊断功能和定量分析方法。3)针对二尖瓣环曲线描述匹配问题,提出了一种等长曲线夹角链码方法描述重建出来的二尖瓣环三维形态。传统的二尖瓣环描述方法,主要包括二尖瓣环周长,二尖瓣环面积,二尖瓣环高高点距离等参数。本文提出的等长曲线夹角链码具有平移、拉伸和旋转的不变性等优点。通过试验分析,初步证明此方法可以刻画患者的心脏二尖瓣环的运动形态,能满足二尖瓣环三维描述和分析研究的需要。4)为了方便医生定性观察和定量测量二尖瓣三维运动情况,我们编写了三维超声心动图的实时可视化,心脏二尖瓣环和瓣膜的三维运动测量及计算机辅助诊断软件。首先通过人机交互方式提取出二尖瓣环的特征点,并根据位置关系对特征点排序,然后利用非均匀有理B样条曲线建立二尖瓣环三维形态模型,最后编程实现二尖瓣环的动态显示和运动定量分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 心脏二尖瓣的病生理结构
• 1.1.2 三维超声心动图
• 1.1.3 实时三维超声在二尖瓣疾病诊断中的应用
• 1.2 本课题创新点
• 1.3 论文章节安排
• 第二章 基于实时三维超声图像的二尖瓣环重建
• 2.1 引言
• 2.2 二尖瓣环形态模型的建立
• 2.2.1 二尖瓣环非平面特性
• 2.2.2 提取二尖瓣环的特征信息
• 2.2.3 二尖瓣环三维形态建模
• 2.3 二尖瓣环三维形态的定量分析
• 2.3.1 二尖瓣环运动参数选择
• 2.3.2 二尖瓣环最佳拟合平面的求解
• 2.3.3 二尖瓣环运动参数求解
• 2.4 试验结果
• 2.5 本章小节
• 第三章 基于模式识别的二尖瓣环运动参数分析
• 3.1 引言
• 3.2 常见的模式识别分类方法
• 3.2.1 主成分分析
• 3.2.2 支持向量机
• 3.2.3 线性判别分析
• 3.3 基于Fisher 线性判别规则分析二尖瓣环运动参数
• 3.3.1 Fisher 线性判别理论
• 3.3.2 二尖瓣环运动参数的归一化处理
• 3.4 基于模式识别方法分析试验结果
• 3.4.1 试验数据
• 3.4.2 数据有效性
• 3.4.3 分类结果
• 3.5 本章小节
• 第四章 基于等长曲线夹角链码的二尖瓣环运动分析算法
• 4.1 引言
• 4.2 曲线的链码表示理论
• 4.2.1 Freeman 链码
• 4.2.2 缝隙链码
• 4.2.3 顶点链码
• 4.3 等长曲线夹角链码
• 4.4 二尖瓣环的等长曲线夹角链码描述
• 4.4.1 二尖瓣环闭合曲线描述
• 4.4.2 确定二尖瓣环闭合曲线首曲线段的起始点
• 4.4.3 二尖瓣环上等长曲线段的生成
• 4.4.4 等长曲线段数的选择
• 4.4.5 等长曲线夹角链码的性质
• 4.4.6 算法的时间复杂度
• 4.5 试验结果
• 4.6 本章小节
• 第五章 基于测地活动轮廓模型的二尖瓣膜分割
• 5.1 前言
• 5.2 水平集方法
• 5.2.1 水平集理论
• 5.2.2 测地活动轮廓模型
• 5.3 二尖瓣膜几何参数量化
• 5.3.1 二尖瓣膜开口面积
• 5.3.2 二尖瓣环面积
• 5.4 二尖瓣分割提取算法
• 5.4.1 三维数据来源
• 5.4.2 人机交互方式标记约束点
• 5.4.3 区域约束项的构造
• 5.4.4 加入区域约束项的测地活动轮廓分割模型
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 二尖瓣膜分割提取
• 5.5.2 二尖瓣膜参数量化结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于曲率矢量场的三维心脏超声运动估计
• 6.1 前言
• 6.2 心脏超声图像运动场估计算法研究现状
• 6.2.1 基于形状特征的方法
• 6.2.2 基于图像灰度信息的方法
• 6.3 二尖瓣膜运动估计模型
• 6.3.1 二尖瓣膜生理结构
• 6.3.2 二尖瓣膜的整体运动分析
• 6.3.3 二尖瓣膜的局部运动分析
• 6.4 试验结果
• 6.5 本章小节
• 第七章 三维超声实时可视化和分析系统
• 7.1 数据格式
• 7.2 三维重建
• 7.3 程序功能
• 7.3.1 播放功能
• 7.3.2 测量功能
• 7.3.3 调节功能
• 7.3.4 伪彩色功能
• 7.3.5 保存和读取图片功能
• 7.3.6 定位功能
• 7.3.7 保存连续帧功能
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文及专利