左心室超聲圖像分割及特征分析

劉艷麗

（承德醫(yī)學(xué)院，河北 承德 067000）

心功能的定量測(cè)定是臨床對(duì)超聲心動(dòng)圖檢查的一個(gè)基本要求。但是由于超聲心動(dòng)圖的圖像質(zhì)量較差，噪聲高、分辨率低、對(duì)比度低、邊界缺失和邊界不連續(xù)等阻礙了心功能超聲定量測(cè)定的發(fā)展。要對(duì)左心室心功能進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確地勾畫左心室的心內(nèi)膜邊界則是首要條件[1]，而較差的超聲圖像質(zhì)量使心內(nèi)膜面的勾畫變得很困難。KRIPS R[2]等提出了一種離散小波變換結(jié)合time-space算法來實(shí)現(xiàn)心肌組織與血液的鑒別，這樣不需要事先確定ROI區(qū)域，雖實(shí)現(xiàn)了鑒別但并沒有確切地提取出內(nèi)膜的邊界；LACERDA S G[3]等提出了一個(gè)結(jié)合圖像處理技術(shù)的徑向搜索算法對(duì)左心室進(jìn)行分割；姚等提出了一個(gè)新的全自動(dòng)勾畫心內(nèi)膜算法[4]，該算法應(yīng)用中心起源的心形搜索，用改進(jìn)的Sobel算子進(jìn)行放射形邊界探測(cè)，并且依據(jù)相鄰離心距差進(jìn)行邊界點(diǎn)修正。通過對(duì)12幅質(zhì)量不同的超聲圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確率達(dá)到了56%，已經(jīng)是比較好的效果。

心臟的運(yùn)動(dòng)是永不停息的，所以僅對(duì)某一時(shí)刻的靜態(tài)圖像分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，本文采用高解析度的M型超聲成像，應(yīng)用類似腹部超聲顯像中所使用的標(biāo)準(zhǔn)的B掃描聲像儀，用心電圖作為顯波顯像的控制閘門，記錄心動(dòng)周期中每一個(gè)舒張或收縮狀態(tài)，集合許多心動(dòng)周期成一個(gè)斷面圖像[5]。本文以此作為原始材料進(jìn)行研究，在進(jìn)行自適應(yīng)閾值的簡單預(yù)處理后，應(yīng)用改進(jìn)的CV水平集方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，力求從另外的方向來精確地提取左心室的內(nèi)、外膜邊緣，進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)測(cè)量等后續(xù)工作。

1 改進(jìn)的CV水平集算法

活動(dòng)輪廓模型是基于邊緣像素信息的，傳統(tǒng)的CV模型是基于區(qū)域信息的，但是前提是區(qū)域是同質(zhì)的，即假設(shè)同一區(qū)域內(nèi)像素強(qiáng)度均一[6]，但實(shí)際應(yīng)用中，由于技術(shù)限制或采集時(shí)的人為原因，多數(shù)醫(yī)學(xué)圖像都很難達(dá)到區(qū)域同質(zhì)的要求，比如本文討論的心室心肌纖維層。Li Chunming[7]等提出了一種基于區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集算法，提出了一個(gè)RSF擬合區(qū)域擴(kuò)展性能量函數(shù)，以一個(gè)邊界輪廓C和在近似邊界兩端圖像強(qiáng)度的兩個(gè)擬合函數(shù) f1（x）和 f2（x）來定義，區(qū)域擴(kuò)展的能量依賴于特定參數(shù)的核函數(shù)，利用可控范圍內(nèi)區(qū)域強(qiáng)度信息，從小的領(lǐng)域擴(kuò)展到整個(gè)的圖像域，然后將這個(gè)能量并入到變水平集公式中，最終曲線經(jīng)演化獲得能量函數(shù)的極小化值，應(yīng)用可控范圍的局部區(qū)域強(qiáng)度信息來計(jì)算這兩個(gè)擬合函數(shù)，引導(dǎo)曲線擴(kuò)展向目標(biāo)的邊界。

這里引入了一個(gè)正性的高斯核函數(shù)。

RSF局部強(qiáng)度擬合在給定一個(gè)中心點(diǎn)x處的能量函數(shù) εFx（加權(quán)平均誤差）定義如下：

其中，I（y）為圖像亮度，λ1和 λ2為正常數(shù)，C 為圖像區(qū)域中一個(gè)閉合邊界，Ω1為邊界外部，Ω2為邊界內(nèi)部。文中將擬合函數(shù)定位在點(diǎn)x附近，是因?yàn)槿我稽c(diǎn)y的強(qiáng)度由K（x-y）計(jì)算，根據(jù)核函數(shù)的局域化性質(zhì)，當(dāng)點(diǎn) y遠(yuǎn)離中心點(diǎn)x時(shí)，強(qiáng)度 I（y）對(duì)擬合能量的貢獻(xiàn)會(huì)逐漸消失，高斯核 K（x-y）會(huì)同時(shí)徹底減少到 0，因此說能量函數(shù)是被鄰近x的y指針的強(qiáng)度控制的。一般來說，當(dāng)x-y>3σ，高斯核為0，因此，只有鄰近點(diǎn)的強(qiáng)度才對(duì)能量函數(shù)有支配地位。當(dāng)對(duì)εFx的積分極小化處理后就能找到一個(gè)邊界C能對(duì)所有x的擬合能量最小化，從而獲得整個(gè)目標(biāo)邊界。為了實(shí)現(xiàn)拓?fù)洌瑒t將積分公式轉(zhuǎn)化為規(guī)則化的水平集公式進(jìn)行處理。

其中，M1（φ）=H（φ），M2（φ）=1-H（φ），固定 φ，極小化能量泛函，得到 f1（x）、f2（x），它們的值由尺度 σ 控制，一般來說σ大，則圖像評(píng)定的范圍要大些。

實(shí)驗(yàn)過程中首先采用隱性活動(dòng)輪廓將初始輪廓標(biāo)記圖上，基于此進(jìn)行水平集演化。此外，參數(shù)的設(shè)定對(duì)圖像分割結(jié)果影響較大。本文在參數(shù)λ1和λ2的選擇上進(jìn)行了部分研究，由于能量函數(shù)值是由輪廓內(nèi)部和外部兩部分決定，如果取 λ1=λ2，則拓?fù)渫瑫r(shí)發(fā)生，朝向整個(gè)圖像。而為了剔除非心肌組織的干擾，需要拓?fù)湎蜉喞拗茀^(qū)域內(nèi)，即設(shè)定了 2λ1=λ2。

2 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果

圖1所示為一張包含4個(gè)心動(dòng)周期的心室肌舒張和收縮過程的經(jīng)食道胃底短軸切面超聲圖像。從圖中可看到，中空部分的上下兩側(cè)是由很多層心肌纖維層組成的左心室心肌，這樣的層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致左心室心肌剖面圖像的灰度是明暗相間的，也就是說心肌區(qū)域是灰度不均勻的，這在圖像分割上是一個(gè)很大的難題。

圖1 4個(gè)心動(dòng)周期的左心室剖面超聲圖像

首先是圖像ROI區(qū)域的選擇，實(shí)驗(yàn)先選取了一個(gè)心動(dòng)周期的剖面圖像，應(yīng)用傳統(tǒng)的CV模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的基于區(qū)域同質(zhì)的分割方法不適用于左心室剖面的圖像分割。因此，本文針對(duì)ROI圖像的特點(diǎn)，應(yīng)用了基于區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集模型分割，希望能得到好的結(jié)果。

應(yīng)用改進(jìn)的CV水平集能量擬合方法進(jìn)行圖像分割的結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集模型分割結(jié)果

以上仿真中σ取3.0，比較結(jié)果可得，本文應(yīng)用基于隱性區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集模型分割取得了預(yù)期的結(jié)果，分割效果比較滿意。實(shí)驗(yàn)中參數(shù)的設(shè)定包括迭代次數(shù)、λ1和 λ2，比較圖 2（a）和（f），若 λ1=λ2=1，則拓?fù)湎蛘麄€(gè)圖像，這樣的多目標(biāo)尋找與多相位方法優(yōu)缺參半，對(duì)于圖 2（e）和（f），若設(shè)定 2λ1=λ2=2 和 2λ1=λ2=6的兩種情況，心肌邊緣清晰可見，完全濾掉了腱索和肌小梁的干擾。實(shí)驗(yàn)對(duì)原圖像4個(gè)周期的ROI進(jìn)行分析，設(shè)定 λ1=3，λ2=6，iter=400， 圖 3為另外 3個(gè)心動(dòng)周期的仿真結(jié)果，除了第4個(gè)周期的圖像效果較差外，其他的圖像都能準(zhǔn)確得到心室上邊界的內(nèi)外膜。M型超聲隨時(shí)間變化而高速采樣，時(shí)間越長，圖像的效果越差，造成分割的困難，而對(duì)于左心室下半部分，從4個(gè)周期可見，邊界都比較模糊，暫不做分析。基于隱性的區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集模型分割實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確提取上半部分的內(nèi)外膜目的。這樣的分割的方法同時(shí)應(yīng)用于心室邊界。分割還需要結(jié)合醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，來識(shí)別正確的邊緣，以免出現(xiàn)誤分割。

圖3 另外3個(gè)心動(dòng)周期的左心室內(nèi)外膜邊界提取

3 左心室超聲圖像的特征參數(shù)分析

首先依據(jù)得到的邊界信息來分析內(nèi)外膜收縮和舒張的速度變化，如圖4所示。利用樣條插值擬合方法得到了曲線上對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)梯度變化，實(shí)驗(yàn)證明這種擬合方法更貼近左心室內(nèi)外膜邊界的變化。最終得到內(nèi)外膜收縮期和舒張期速度情況如表1所示。

圖4 心室后壁內(nèi)外膜與梯度變化

表1 內(nèi)外膜速度變化參數(shù)表

由表1可見，心室外膜的速度變化小于內(nèi)膜的速度變化，對(duì)于心室內(nèi)膜還可以得出心肌收縮階段的平均速度變化要小于舒張階段，舒張過程在加速，但在收縮末期附近速度變化比較均勻，而在舒張的末期會(huì)出現(xiàn)速度變化比較大的情況。由4個(gè)周期分割后的邊界輪廓還可以得到，內(nèi)膜收縮時(shí)間和舒張時(shí)間比約為 9：10，這與正常心動(dòng)周期內(nèi)舒張過程比收縮過程長是一致的，這樣既有利于血液流回心臟，又能使心肌有充分的時(shí)間休息。

接著進(jìn)行了舒張期與收縮期紋理比較。首先采用共生矩陣方法，如表2所示，從4個(gè)方向進(jìn)行紋理灰度共生矩陣統(tǒng)計(jì)后各個(gè)值。為了統(tǒng)計(jì)各參數(shù)的影響，選取了4個(gè)周期的狀態(tài)最后各參數(shù)取平均值。

表2 4個(gè)心動(dòng)周期特征參數(shù)均值

由表2可以分析得出，除了IDM相差不大外，其他參數(shù)（如對(duì)比度、角二階矩和相關(guān)等）均相差較大，其中在水平方向上，收縮期與舒張期的對(duì)比度相差不大，但在其他方向上有COND>CONS，這表明在取樣區(qū)域內(nèi)舒張期出現(xiàn)了大的灰度差異頻移，而收縮期內(nèi)的紋理相對(duì)細(xì)膩柔和，與人眼的感知相符。同時(shí)，對(duì)于角二階矩ASMS>ASMD，也反映收縮過程中的紋理是規(guī)則變化的。兩個(gè)過程圖像的熵和紋理方差都有一定差異，這都反映出了心肌緊縮階段的紋理變化比較均勻。分析引起該狀況的原因主要是：收縮期心肌增厚，小梁相互交叉，心肌分層達(dá)最大值，層與層之間的力學(xué)特征基本一致，比較舒張過程中心肌之間的回聲一致性下降的結(jié)果。

另一方面，由于分形維數(shù)直觀上與物體表面的租糙程度相吻合，而自然界中的不同物體租糙度有很大差別，可用分形維數(shù)作為區(qū)分不同類別物體的有效參數(shù)。因此如何準(zhǔn)確地估計(jì)計(jì)算分形維數(shù)成為研究的重點(diǎn)。本文應(yīng)用差分盒維數(shù)法，采集到的2個(gè)心動(dòng)周期的左心室舒張收縮過程AVI幀進(jìn)行分析，找到整個(gè)過程的分形值的規(guī)律，然后再比較舒張過程和收縮過程心室壁的分形維信息，找到它們之間的聯(lián)系。

在提取了二維B超心室心肌收縮和舒張過程中AVI幀后，選取了一個(gè)完整的心動(dòng)周期的左心室圖像，圖 5（a）、（b）顯示的是舒張末和收縮末左心室的形態(tài)及紋理。選取了一個(gè)心動(dòng)周期共55幀B超圖像來計(jì)算左心室的分形維數(shù)，得到的差分分形維數(shù)FD值曲線（圖5（c）），可以看到分形維的變化：在心肌收縮末點(diǎn)時(shí)最小，舒張末取得最大值，有FDmax=1.715 7、FDmax=1.556 7。

從曲線走勢(shì)來看，在收縮過程中的值是下降的，舒張過程中是上升的，也可以得出舒張過程的時(shí)間要長于收縮時(shí)間。這與之前分割出來的心室內(nèi)膜邊界的走勢(shì)是極為相似的，與參考文獻(xiàn)[8]中是利用聲學(xué)造影劑后得出的結(jié)論基本一致。

圖5 分形紋理的提取

另外，比較如圖6(b)(圖片來源于維基百科left ventricular pressure)心動(dòng)周期各時(shí)相心室內(nèi)壓所示，心室在心動(dòng)周期中的壓力變化在收縮期和舒張期也體現(xiàn)的比較明顯，具體為：心室肌的收縮使室內(nèi)壓突然增加，等容收縮期內(nèi)心室內(nèi)壓上升的速率加快，當(dāng)心室收縮結(jié)束，立即開始心室舒張，室內(nèi)壓會(huì)下降，在等容舒張期內(nèi)左心室內(nèi)壓急劇下降。這一過程與圖5中分析的分形值的反向變化(圖 6(a)所示)趨勢(shì)相關(guān)，推測(cè)可以進(jìn)一步應(yīng)用分形維在估計(jì)心室壓力曲線的變化值。

為了比較左心室超聲心動(dòng)圖心肌纖維層的紋理變化，本文進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，計(jì)算心室收縮過程的25幀圖像與舒張過程中的30幀圖像各自的平均分形維數(shù)，結(jié)果如下：mean（FDS）=1.644 1

M型超聲心動(dòng)圖最早應(yīng)用于心臟結(jié)構(gòu)的探測(cè)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是解剖型、全方向M型超聲的發(fā)展，使得M型超聲圖像的每秒掃描取樣線大大增加，因而更能準(zhǔn)確掌握室壁在心動(dòng)周期不同時(shí)相中的活動(dòng)規(guī)律，了解心壁各層在收縮期跨壁速度梯度的差異。由于圖像紋理灰度的差異不同，因而醫(yī)學(xué)分割方法不盡相同。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的左心室剖面，在分析前首先找出心肌組織，應(yīng)用改進(jìn)的CV水平集方法，基于區(qū)域擴(kuò)展性擬合能量的水平集模型，通過更改參數(shù)準(zhǔn)確得到了心室的內(nèi)外膜的邊界，從而為后面的特征分析奠定了基礎(chǔ)。最后，重點(diǎn)對(duì)心肌收縮和舒張過程的紋理變化作比較分析，得出了心肌運(yùn)動(dòng)的過程中收縮期和舒張期的時(shí)間、共生矩陣各特性參數(shù)、分形維等均有差別，可為醫(yī)生的臨床診斷提供參考。

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