基于血管内超声影像的血管弹性分析方法的研究

基于血管内超声影像的血管弹性分析方法的研究 ‘ 单位代码: 分类号:. 学 号: 密 级:公开 北京工业大学硕士学位论文 题 英文并列 题 目墼?垦? 旦至坠曼 型坠?壁?璺兰 亘?盥?坠?兰曼卫?卫?旦亘丝 ?星 研究方向: 匡堂图堡丝堡 职称: 熬援 副熬援 论文报告提交日期 生旦 授予单位名称和地址 立直麴田匡壬丕园曼 塞王些太堂独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名: 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名: 聊虢弦 摘要 摘 要 动脉血管壁弹性功能是反映人体血管系统好坏的重要指标,分析血管壁弹性 对早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义。血管内超声四 ,?成像可以显示血管内腔、管壁和粥样斑块的组织形态学特征以 及斑块的病理组成,它比只能提供动脉长轴影像的冠状动脉造影成像更容易 发现 血管的早期病变。目前正越来越广泛地被用于评价冠状动脉粥样硬化特点 及程度,被认为是诊断冠心病的“金标准”,并用于指导选择介入性治疗方法、评 估介入治疗效果等。 目前国内外已经有利用图像分析血管壁弹性的先例,本文总结了现有 的血管壁弹性模型,改进了已有的基于有限元分析和弹性力学的新的血管壁弹性 模型,即利用三角形单元形变计算血管壁应变大小,并结合线段微元的形变理论 推导适用于血管壁形变的应变和应变。然后通过计算机编程语言 加以实现,具体的实现过程是:首先选择同一位置不同压力下的两幅图像, 在血管壁内膜提取后,以一幅图像为原图像另一幅图像为匹配图像进行内膜点追 踪,在匹配图像上得到了若干具有一定追踪精度的点,然后将匹配图像细分成网 格,取每个网格中的最大精度点,利用三角剖分法将所有的最大精度 点连成三角网,利用本文的弹性模型计算应变大小,最后建立弹性图并用色 表示应变的大小。本文所用的方法是从抽象的数学模型出发,然后利用图像处理 的手段实现该模型,与现有方法相比,具有更强的理论深度和更可靠的计算结果, 所得的弹性图也能更清楚的反应血管壁弹性的真实情况。 同时,本文还针对血管壁内膜提取算法进行了探讨,由于医学图像往往每个 病例中包含上百幅图像,因此在处理时要兼顾提取精度和处理速度。本文总 结了 现有的医学图像分割算法,之后利用与血管内超声图像相似度很高的光学相 干断 层成像 ,的图像进行分析,利用阈值法和模板 法,最终成功提取出了血管壁内膜。 本文与山东大学齐鲁医院、北京集翔多维信息技术有限公司合作,开发出 图像管理系统,并与哈尔滨医科大学附属第二医院合作,开发出图像 分析系统。 关键词血管内超声;应变;有限元;吼三角剖分;光学相干断层成像北京业大 学工学硕上学位论文 .. : 弛 时 训 时 趾. .?? , “缸. ,?戤耐 黟 恤 巧铲吼 砌 【 .?.山 , ” 旺 ’ , ., 哆枷劬 . ,】删 够孤 僦 仃 仃趾 皿.肌 蚯 够 . : 觚. 印 曲 舢 缳; 虢 , .虹 讹 : .【啪鲥.西,出 ., . “ 吼仃.,芏 施 甜舶 ,让 , 伊 劬. , 也? 王,出 , 咖 【 . 姐, ..北京业大学学硕卜学位论文 ? 印 .毫. 印, 吼 也 .,. 叩, 姆 ? . ;仃血; ; ; ..目 录 摘要? 第章绪论? .研究背景??.. .研究目的和意义 .国内外研究概况??.. .本文的主要研究内容和结构? 第章血管内超声?。 . 简介?. .?技术原理. .. 系统?. .. 导管??一 . 显像分析??。 . 在病变诊断及治疗中的应用.. . 用于其它血管疾病的观察?.. .本章小结??. 第章血管壁弹性模型.血管弹性图? .现有的血管壁弹性模型..基于应力应变的血管壁弹性模型?.. ..基于图像配准的血管壁弹性模型?.. ..基于有限元变形分析的血管壁弹性模型?.. .本文采用的血管壁弹性模型 ..弹性力学假设? ..物质运动的变形梯度。 ..格林应变??.. ..阿尔曼西应变? ..血管壁弹性模型??.. .本章小结第章血管壁弹性模型实现方法? .追踪匹配点? .应变计算..现有的三角形网格划分方法.. .. 三角剖分法? ..划分三角网并计算?.. .软件设计??. ..算法设计??.. ..功能说明??.. ..结果分析??。北京工业大学学硕二学位论文 .本章小结第章血管壁内膜提取.光学相干断层成像? .医学图像分割算法? ..基于阈值算法?. ..模式识别算法。 ..可变形模型算法 .图像预处理?. .血管壁内膜提取..彩色图像到灰色图像的转换.. .. 阈值算法。 ..利用模板方法标记内膜??.. .软件设计 ..算法设计??.. ..功能说明?.. ..结果分析??。 .本章小结结 论?. 参考文献 附 录?. 攻读学位期间发表的学术论文??. 致 谢?.第章绪论 第章绪论 .研究背景 目前,冠心病是威胁人类健康的头号杀手,冠心病死亡率占所有心脏病死亡 人数的‰%,我国冠心病患者超过万人,今后每年将以%的速度增 加,到年,将达到万人。 冠状动脉性心脏病 ,简称冠心病,是一 种最常见的心脏病,是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍 和或器质性病变,故又称缺血性心肌病。临床上突出表现为有冠状动 脉硬化引起的急性心肌梗死、不稳定心绞痛、脑溢血、坏疽、血栓、末梢机 能丧失等【。 冠心病的病因至今尚未完全清楚,但认为与高血压、高脂血症、高粘血 症、糖尿病、内分泌功能低下及年龄大等因素有关。当血液中存在过剩的脂 肪和胆固醇时,脂肪块就逐渐沉积在血管内层中形成动脉粥样化,引起身体 机制发生改变,如胆固醇升高、高血压、高血脂、血管壁破损等。血小板聚 集在受损的血管壁处会导致动脉进一步硬化。为了维持血管内腔形状,使血 液能够流向末梢组织,血管壁中膜层将会变薄,这种结构发展称为血管重构, 亦称代偿性扩大【】。随着内膜平滑肌增生向内腔转移,逐步形成纤维层,此 时血管重构已经不能维持内腔形状,内腔较正常血管狭窄。数年之后,软的 脂肪斑块、纤维斑块慢慢变成富含钙质的硬斑块,阻塞血管内腔、阻碍血液 流动进而引起各种心血管疾病【。 目前诊断冠状动脉狭窄及周围血管疾病主要有以下方法: 心电图:冠心病诊断中最早、最常用的方法。使用方便,易于普及, 当患者病情变化时便可及时捕捉其变化情况,并能连续动态观察和进行各种 负荷试验,以提高其诊断敏感性。无论是心绞痛或心肌梗塞,都有其典型的 心电图变化,特别是对心律失常的诊断更有临床价值。 心电图负荷试验:主要包括运动负荷试验和药物试验如潘生丁、异 丙肾试验等。心电图室临床观察心肌缺血最常用的简易方法。 动态心电图:是一种可以长时间连续记录并编集分析心脏在活动和安 静状态下心电图变化的方法,又称检测。 核素心肌显像:可以显示缺血区、明显缺血部位和范围大小。结合运 动试验再显像,则可提高检出率。 冠状动脉造影:可以明确冠状动脉有无狭窄、狭窄的部位、程度、范北京工 业大学工学硕十学位论文 围等,并可据此指导进一步治疗所应采取的措施。 心肌酶学检查:是急性心肌梗塞的诊断和鉴别诊断的重要手段之一。 临床上根据血清酶浓度的序列变化和特异性同工酶的升高等肯定性酶学改 变,便可明确诊断为急性心肌梗塞。 心电池显像:可用于观察心室壁收缩和舒张的动态显像,对于确定室 壁运动及心功能有重要参考价值。 超声和血管内超声:心脏超声可以对心脏形态、室壁运动以及在左心 室功能进行检查,是目前最常用的检查手段之一。对室壁瘤、心腔内血栓、 心脏破裂、乳头肌功能等有重要的诊断价值。 可见血管内超声可以明确冠状动脉内的管壁形态及狭窄程度,是一项很 有发展前景的新技术。 血管内超声仃 ,?成像是近年来临床应用于诊断血 管病变的一种新的诊断方式,它可以显示血管内腔、管壁和粥样斑块的组织形态 学特征以及斑块的病理组成,如钙化、纤维组织、脂质核心及斑块破裂、离体等。 因此,它比只能提供动脉长轴影像的冠状动脉造影成像更容易发现血管的早期病 变。目前正越来越广泛地被用于评价冠状动脉粥样硬化特点及程度,被认 为是诊断冠心病的“金标准”,并用于指导选择介入性治疗方法、评估介入治疗效 果等【。 .研究目的和意义 近年来,随着动脉内皮功能研究的迅速进展和高血压治疗中对收缩压、脉压 控制问题的重视,动脉弹性功能成为临床心血管研究领域一个重要热点【】。 几个世纪以来,人们一直在借助触诊感知人体组织的解剖结构变化,为临床 诊治疾病提供重要的信息。随着计算机硬件和软件技术的飞速发展,使得超声影 像学得到了广泛的应用,利用计算机软件对超声图像进行数字处理,体现出来越 来越大的价值,并在临床上越来越多的被应用。近年来大量研究证明动脉粥样硬 化斑块破裂和血栓形成是急性心脑血管事件发生的主要原因,而斑块稳定性取决 于脂核的大小、纤维帽的厚度和局部炎症活动的强弱,这些因素决定了斑块组织 的分子结构和空间结构,而后者是影响组织弹性的主要因素【。静力学模型和动 力学模型均证实斑块局部的强烈形变是斑块破裂的表现形式【】。因此,通过对动 脉粥样硬化斑块应变分布规律的研究有可能检测出不稳定斑块、揭示斑块易损的 机制并预测斑块发生破裂的条件和部位。动脉血管处于血管应力场中,呈现周期 性脉动运动,符合弹性显像的实现条件,因此自二十世纪九十年代以来,根据血 管内超声技术的物理特点构建血管弹性图用于评价血管壁和粥样斑块力学 属性第章绪论 的方法成为世界范围内研究的焦点。 动脉血管弹性功能是反映人体血管系统好坏的重要指标,分析血管壁弹性对 早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义【】。 .国内外研究概况 动脉血管处于循环应力场中,呈现周期性脉动运动,符合弹性显像的实现条 件,因而自二十世纪九十年代以来,根据技术的物理特点构建弹性 锄,以评价血管壁和粥样斑块力学属性的方法成 图仃. 为世界范围内研究的焦点。研究者采用绝对差和法 虢, 、最小平方差法 玎、交叉相关系数函数?仃 邪等算法构 劬、斑点示踪法【仃、相差对比. 建了反应血管壁弹性特征的管壁弹性图莎锄和仅反应内膜弹性特征的内 掣。先后在血管凝胶 膜弹性图,二者均属于范畴。 仿体模型、动物血管、尸检获得的人体动脉血管体外实验中进行了弹性图的 研究 工作。等【。】将弹性图信号处理过程限制在血管壁内层组织的回波信号 中,构建了低径向分辨率、高鲁棒性的内膜弹性图。这些一维和二维弹 性显像研究均显示了该技术对于揭示斑块力学不稳定性和评价斑块易损性 方面 的潜在价值 。然而,该方法求出的是径向应变值,而平面内血管壁在管内的压 力下还产生切向的应力,并且某处的应变结果还受相邻组织的影响。因此,上述 文献中的计算方法具有一定的局限性。 国际方面,美国盐湖城放射大学生物工程系的【以和其课题组做 了一些工作。他们采用一种变形理论唧来确定斑块和动脉壁的应力。 首先通过体外成像的方式获得未施加负载的冠脉图像,作为模板图像,由该模板 图像生成有限元模型,并对其施加负载压力变形,确定负载作用下动脉和斑块中 的应力。然后通过体内成像的方式采集到同一位置的图像,作为目标图像。变形 技术通过逐点比较这一对图像间像素强度的不同,产生图像在两个时期负载期 和无负载期的变形映射关系,然后对模板图像实施位移映射变换得到变形图像, 再通过该图像的有限元模型得到动脉和斑块的应力。最后将其与模板图像负载下 的应力分布作对比,如果差异很小,则说明这种变形映射关系是比较准确的,可 以用来预测冠脉和斑块的应力分布。研究表明这种变形技术对物理参数和物理模 型的变换敏感性很低并且对图像中出现的噪声依赖性很低,可以通过斑块的相关 灰度信息预测斑块破裂的可能性。另外,杜克大学的??等利用图像配 准的方法分析血管壁应力。 国内方面,山东大学【】利用自己设计的程序,对血管壁的应变进行了分析。北京业大学学硕十学位论文 其利用编程环境,依次经过图像预处理、边缘检测、位移计算、应变计算、 彩色编码和?三维重建,最终实现和.构建,之后又进行 了病理学检查和统计学分析。对于斑块应力的分析是临床上非常有价值的课题, 但是变形理论在确定形变映射模型时需要利用冠状动脉斑块的物质属性,由于斑 块取样的不均质可能导致属性参数并不准确,使得形变映射模型的完善性与可靠 性还不能达到临床应用的要求,相关的进一步研究将会是非常具有挑战性和有意 义的。 .本文的主要研究内容和结构 从现有的血管壁弹性分析的研究成果来看,弹性模型已有了一定的发展。汪 友生、随晓谛【 等利用有限元方法,结合血管壁应变的特征选择带有三个应变分 量的三角形单元。根据结点的位移模量,建立基于点的应变模型,分别计算每个 单元的应变。根据现有的适用于大形变的格林应变骶、阿尔曼西应变 与点的位移模量推导出基于线段微元的应变公式,并建立应变模型。 本文以血管内超声图像为依据,从有限元理论出发,利用模板匹配方法,建 立血管壁应变的数学模型。在模板匹配过程中,完善了原有的算法,对模板图像 与目标图像按密度进行匹配,然后利用三角剖分法对整幅图像划分均 匀网格,找出每个网格中的最大精度点,将所有最大精度点保存,并用三角剖分 法连成若干三角形,利用应变公式计算出各三角形单元区域的正应变和角应变 值,通过颜色编码把此数据转换为色变色图像,把血管壁应变大小情况形象 直观显示出来。之后,本文对血管壁内膜进行边缘检测,由于弹性模型的分析都 是基于边缘检测的前提,因此一个好的边缘检测算法可以提高弹性分析的精度与 速度。本文利用光学相干断层成像分析,所得的图像与血管内超声图像相似,算 法相近,而且光学相干断层成像较血管内超声图像更为清晰。 本文章节安排如下: 第章:绪论,概括分析本文的研究背景、目的和意义,介绍了基于血管内 超声血管壁弹性分析的国内外研究概况。 第章:血管内超声,介绍血管内超声的技术原理和现象特征,分析血管内 超声显像在医学领域的应用及优势,为深入开展后续图像处理的研究奠定基础。 第章:血管壁弹性模型,介绍了现有的弹性模型,总结方法为本文的弹性 模型提供理论依据。基于有限元分析法与弹性力学理论,提出利用密度划分的模 板匹配法。根据弹性力学公式推导出适用于血管壁应变的陆公式与 公式,然后提出本文的弹性模型,并从三角形单元应变出发,推导出适用于本文 的血管壁应变公式。第章绪论 第章:血管壁弹性模型实现方法,介绍血管壁应变计算的具体步骤、算法 和软件的功能,并分析计算结果。首先利用点追踪的方法寻找两幅图像上的匹配 点,并利用三角剖分法划分网格,记录每个网格中的最大精度点,再 根据已有的血管壁应变公式计算应变值。 第章:血管壁内膜提取,介绍光学相干断层成像的基本原理,并比较其与 血管内超声图像的相似性,总结了现有的医学图像分割算法,并提出了兼顾速度 与精度的图像分割算法。设计血管壁内膜提取程序,并分析计算结果。 最后是全文总结和今后的努力方向。北京业大学学硕士学位论文 .第章血管内超声 第章血管内超声 . 简介 血管内超声饷 仃也?成像是腔内超声显像在血管内的 应用。腔内超声的历史要追溯到上世纪年代,,幽剐最早在年研 制了一根超声导管用于心内超声测量研究,发现该超声导管可以在实验室模型上 得到软组织的回声。年,【】发明了晶体相控阵超声探头,可以提供 心脏实时的切面图像。年,【】研制了一种经食管超声探头监测升主动 脉内同一平面的直径和血流速度。最初超声探头的换能器灵敏度太低、信号放大 技术落后,并且没有进行信号压缩,因而只能检测到组织界面,无法获得软组织 信息。到了上世纪年代末年代初随着超声发生处理技术的发展以及逻辑压 缩西 技术的引入,医学超声的应用就飞速发展起来。 血管内超声成像技术的应用始于上世纪年代末,随着超声显像技术和超 声探头微型化的发展以及临床需求,尤其是介入性心脏病技术突飞猛进的发展, 新的介入技术的应用,传统的冠状动脉造影技术已不能满足临床需要,都大大 促进了血管内超声成像技术特别是冠状动脉内显像技术的发展。 超声系统从早期的手动旋转型逐步被机械旋转型和相控阵型所替代,其可靠 性和安全性也得到了很大的发展。最近几年中血管内超声技术显像导管平均每隔 ~年更新一代,临床常用的是机械旋转型导管和晶体相控阵导管。在图像 质量方面,过去数年里,每更新一代导管,图像质量都有很大改善。不久前,一 在牛津大学问世,用于观测导管无 种前向透视装置川州. 法进入的血管完全阻塞区域,还有一种由德国大学开发的将血管造影图像 与图像相融合的“画中画”技术【,可以使血管内超声探头在冠脉中精确 的定位。 血管内超声具有以下特点: 小身材的超声探头与传统的医用超声探头相比,血管内超声探头最显著 的特点是个头小,最小的探头直径只有.毫米,最大的也不超过毫米。微型 超声探头由相控阵型环状排列的多晶体换能器所组成,它能够生成度血管截 面图像。通过导丝引导,将心导管通过静脉造口放入血管中,微型超声探头就固 定在心导管的顶端。微型超声探头轮廓光滑,易于插入,血管损伤可能性也很小。 血管评测更加客观冠脉造影虽然一直被认为是冠心病诊断的“金标准”, 但其在评价管壁形态、壁厚、管腔特征方面存在很大局限性。血管内超声可显示 管壁的组织学特征,精确地测量管腔径及截面积,发现冠脉造影不能显示的血管北京工业大学学硕上学位论文 早期病变。可显示动脉夹层、内膜撕裂及血栓等,特别适用于观察分叉处或因血 管重叠致血管造影图像模糊的病变。结合冠状动脉内多普勒还可以评价冠状动脉 的功能,尤其是对于冠状动脉造影正常的病人,血管内超声检查可以发现存在的 粥样病变,这是由于动脉粥样硬化早期冠状动脉会发生代偿性扩大,或者因为弥 漫性病变的存在而降低造影对于冠心病诊断的准确性。 提供斑块血栓信息血管内超声不但可显示血管断面的灰阶实时图像,而 且还能提供冠状动脉内的血流信息,对斑块类型的识别有很高的敏感性和特异 性。借助血管内超声可以充分了解斑块的成分,发现斑块内脂质成分的多少及其 钙化情况,评价斑块的进展和消退。在临床应用中血管内超声不仅可以观察到血 管重构现象,而且可以在体内观察血管重构的动态过程。斑块破裂和血栓形成是 急性冠状动脉综合征的主要发病机制,血管内超声则可以及早检测出易损斑块和 已经破裂的斑块。 准确评价介入手术冠心病介入治疗技术迅速发展,血管内超声可以评价 各种冠脉介入性治疗及效果。球囊扩张术时,血管内超声可以准确测量血管直径 和病变的长度,指导球囊的选择。在球囊扩张术后,可以用血管内超声观察是否 存在夹层等术后并发症,还可以决定是否需要进一步置入支架等。使用裸支架时, 血管内超声能观察支架是否完全覆盖粥样病变以及贴壁效果,了解侧枝闭塞的原 因等。应用血管内超声,还可以指导在裸支架内用高压球囊进一步扩张狭窄部位, 明显降低亚急性血栓和有症状的再狭窄发生率。血管内超声也可以观察并评价不 同药物支架的效果,评价旋磨或旋切治疗的即刻效果和远期疗效。 . 技术原理 超声波在生物组织内传播时,组织特性和尺寸的差异使声波所出现的透射、 反射、散射、绕射及干涉等传播规律和波动现象有所不同,从而使回波信号的幅 度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变。血管内超声诊断通过对这些参量 进行成像来识别这种差异、判别组织,从而辅助医生诊断各种血管粥样硬化症状。 .. 系统 血管内超声系统的基本组成有:医用超声换能器,超声发射和接收电路,数 字扫描变换器和图像处理单元。 以目前临床中常用的位相控阵探头为例,其工作原理如下:由激励脉冲 发生电路产生同一个脉冲信号送到路延迟通道中进行不同的偏转和延迟后, 获得一组个经延迟后的脉冲信号,然后经整形和激励单元,各自去出发超声第章『管内超声 导管顶端的探头上对应的压电晶体,晶体将电信号转换为声波,发射到血液和组 织中,完成相控发射。来自血液和组织的所有回波信号经换能器各晶体接收、转 变为电信号后,送到前置放大器放大,同时电子开关改变延迟线两端的连接,使 之处于接收状态。各路前放输出经不同延迟后,送加法器求和叠加,使来自发射 声束方向的接收信号增强,而其它方向的回波信号减弱甚至完全抵消,这样就实 现了相控发射声束方向的相控接收。 最后对信号采用逻辑压缩放大信号动态范围,由刖变换器量化后,进行 数字扫描变化和必要的图像处理,显示在与声束方向和探测深度位置相应的 显示 器坐标处。 .. 导管 探头主要有机械性的单晶体探头和电子的多晶体相控阵型探头。机械 性的单晶体探头由单超声晶体或结合有旋转镜组成,通过体外的马达,晶体 或镜 子在导管鞘内旋转以获得血管的截面图像,如图.所示。电子的多晶体相 控阵型探头在导管顶端有多晶体环形排列,通过电子连续激动而获得的横 断面图像。 秘 ?。。 嘴玉? 。。 厂??世~:。一一葛紧 \ \,...懒亘一?。?;?一一?乙一 瓷 罗 。。, 罐蠢?撂 图. 导管示意图 ‘ 导管显像基于两种基本方式:一种是固态相控阵方法;一种是机械旋 转方法。两种显像方式均产生垂直于导管尖端超声探头的。范围横截面显像。 固态显像系统如系列,在导管尖端周径上放射状排列个超声晶片, 换能器频率为。固态显像方法通过动态聚焦方式重建图像:先是超声晶 片组接受反射、背向散射回来的超声信号,送入计算机进行图像重建,然后以实 时的方式显像。这种方法利用装置于导管尖端的高度整合的晶片接受超声 信号,并对回收信号进行时间综合电子延迟。固态显像导管有全导丝交换和快 速交换两种。目前常用的冠状动脉内导管直径为..姗,可以通过 导引导管的内腔。固态显像导管没有马达旋转部分,通过电子相控阵检测深 度的动态聚焦,由于不断改用更高质量的超声晶片,其显像质量不断提高。 固态显像?导管的使用方法:导管末端由台下操作者连接于从主机上连 出的超声激发和接收器。此连接器与主机通过电缆连接,悬挂于输液架上,便于北京工业大学学硕:学位论文 台上操作导管,主机上有显示器、光盘记录系统和数字化测量系统。由于 固态显像换能器有多次反射形成的信号环形减弱环绕伪像区,尚须通过一步操 作,将?导管和伪像区遮住,并从显像中清除,这一步操作,须将导引导管 从冠状动脉口撤出少许,使导管尖在主动脉内显示伪像,并将此伪像清除。 许多厂家生产机械旋转式导管。机械式?显像系统,用小马达通 过容忍且有扭力的电缆与导管尖内的单一超声换能器相连,高速旋转此换能 器达 到。显像,换能器频率为。目前常用的机械旋转式导管有两种, 一种为导管尖端设计有一短的管腔,导引导丝从此管腔穿过以支持 导管,此时导丝大部分处于?导管外,在超声显像时能看到导丝伪像,此种 导管常用的有两型,导管直径分别为.和.;另一种设计是使导丝穿 过更长一段导管腔约,由于有更长的导丝支持,使导管定位 性更稳定,其中最远测管腔为导丝和换能器共用管腔,这使得在? 显像时,先将导丝从共用腔撤走,单纯显示管壁管腔病例变化,这类?导管 有两个优势:一是显像没有导丝伪像干扰,另一优势是导丝外形更小,常用的导 丝为..,可以通过导引导管。 机械旋转式导管与固态显像导管使用上的不同之处在于前者显像时要同时 连续注入生理盐水以消除导管与超声换能器之间的气体,盐水冲洗不完全时,换 能器周围的微气泡使显像质量较差或不显像。 无论是固态还是机械显像系统,均有自动回撤系统连于导管后部,精 确测量病灶段的长度,为选择球囊和支架长度提供准确参照,在此基础上可以进 行三维重建,立体多角度显示斑块大小。 机械旋转式的优势是无须遮住信号环形减弱伪像,近场显像非常清晰,但有 特殊伪像:非均匀的旋转扭曲,此类伪像主要产生于解剖上过度弯曲的管腔显像 上,可以通过调整导管或导引导管的位置来取消。机械式显像无电子动态 式聚焦,对远场显示不如固态相控阵显像,后者的主要优势在于无须注水,自动 显像,操作方便。 在进行常规血管造影后进行检查。首先追加肝素,然后将导 丝送入需检查的血管。沿着导丝将?导管送入血管的尽可能的远端,之后缓 慢回撤导管,观察图像。导管的粗细及探头的频率根据所检查的血管有所 不同。冠状动脉内超声导管的直径一般为~.~.舢【,探头的频率一般 为~。其他血管内超声导管的直径较冠状动脉内超声出粗而频率低。 可提供血管腔和血管壁的解剖和功能信息,被认为是血管检查“新的金标 准”,尤其是在冠状动脉病变方面进行了深入的研究,并得到了广泛的临床应用。传统上评价血管病变的主要检查方法是血管造影和血管内超声。它们都是通 过有创方法,在局部麻醉下将造影管或米粒大的超声探头从患者的大血管送入体 内,并直达要检查的血管部位,通过特殊造影剂或特殊的视频设备显示血管的形 态和结构。血管造影是通过管腔内充盈造影剂来显示血管腔轮廓长轴影像,但无 法了解血管壁的结构和粥样斑块的特征,与此相比,血管内超声利用特制的超声 探头,可以进入人体任意部位的血管腔内,通过超声波反射探查病变,能够清晰 地显示血管壁的结构,较早发现血管壁结构变化,准确地了解血管腔内粥样斑块 的大小、面积及形态特点【。 ?应用的主要目的是直接显示管壁结构,?显像的基础是动脉三层 结构能够清晰地分开,特别在中膜以平滑肌结构为主的冠状动脉显像中,肌性动 脉中膜平滑肌为低回声显像,并通过内、外弹力板回声分别与相邻的内、外膜 相近与略强回声的内膜和强回声的外膜分辨开来。在中膜为弹力纤维的主动脉 或颈动脉,由于中膜弹性纤维与内、外膜组织间阻抗差别不大,故显像时三层膜 结构的分辨欠清晰,导管检查的动脉多为肌性动脉或介于肌性及弹性动脉 之间的动脉,故既能评价病灶性质,又能为介入治疗提供全新的信息。 动脉粥样硬化是内膜病变,纤维帽是动脉粥样硬化表面的病变组织,是病变 内膜的一部分。在许多冠状动脉造影中正常的冠脉,?却显示有明确的内膜 增厚或斑块形成,这正是冠状动脉显像的最主要优势:直接显示管壁病变, 而不管管腔是否出现重塑性改变,冠状动脉造影是通过管腔的显像间接反映管壁 病变,只有在管壁病变较重或扩张性重塑不足以维持正常管腔大小时才能显示出 来狭窄病变。 除了显示管壁斑块的严重程度和分布外,显像能提供斑块组成成分的 信息【】。钙化斑块为强回声伴声影,声影妨碍测量钙化斑的真实厚度,钙化斑存 在多次反射伪像,即在钙化斑后方出现放射状排列的环形或弧形以钙化斑形状 为基础的等距离的强回声;致密的纤维组织也可有强回声伴声影,只是回声强 度较钙化斑回声略低,并与周围病理组织有回声递减过度,声影的程度与纤维斑 块厚度、密度有关;脂质斑块回声低于纤维斑。外膜回声可作为参照,用区别脂 质斑或纤维斑,斑块回声低于外膜提示为脂质斑块,斑块中无回声区则为脂质池, 斑块中低于回声并非一定是脂质,斑块中的假腔或源于钙化的声影也可能误诊为 脂质池;斑块回声与外膜相似提示为纤维斑,如图.所示。北京业大学工学硕士学位论文 正常图像 软斑块纤维斑块 钙化斑块 图. 图像 陀? . 在病变诊断及治疗中的应用 对鉴别不同的斑块类型有很高的敏感性和特异性,这些是冠脉造影所 不及的。?在冠状动脉病变的诊断和介入治疗中具有重要的价值。 判断冠状动脉的狭窄程度冠脉造影通过不同的投照面了解冠状动脉的 显影情况,可对冠状动脉的狭窄进行定量分析。冠脉造影计算程度时是通过测量 冠状动脉直径反映其横截面积,与实际面积可存在误差,尤其是偏心性的斑块在 狭窄程度判断时误差更明显。另外冠脉造影所采用的正常参考节段的冠状动脉内 常有斑块形成,也可能低估狭窄程度。则可观察斑块的大小及其偏心程度, 直接测量血管腔的面积,准确的判断狭窄程度。对于有心肌缺血症状而冠脉造影 显示为中等程度的病变进行检查十分必要,可进一步明确病变的性质及狭 窄程度,从而采取适当的治疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 帮助选择合适的介入治疗方法及疗效的判断经皮冠状动脉球囊扩张术 巧,已成为冠状动脉狭窄介入 治疗的主要手段。后冠状动脉因斑块压缩、整个血管段的扩张导致管腔扩 大使狭窄程度得以减轻。但后?检查发现部分病例可导致斑块破裂、 内膜下或中膜的夹层形成,这些病变可产生急性冠状动脉综合征,需进一步置入第章血管内超声 支架【。 冠状动脉内植入支架可用于介入治疗中并发症的处理、后弹性回缩的 预防和选择性地增大一些手术后的最小管腔直径。冠脉造影不能准确地评价支架 是否完全扩张,而?可充分显示支架与血管壁的情况,指导介入治疗使支架 达到充分扩张【。 冠状动脉内支架植入后可发生支架内再狭窄,的研究结果显示支架再 狭窄主要与支架内及邻近冠脉内膜的增生有关,支架的弹性回缩则较少发生。近 年来,为了防止支架再狭窄,临床上开展了支架内局部放射性治疗、药物涂层支 架的置入等方法【加。 冠脉造影可显示斑块的钙化,但不能确定钙化的深浅。?则可明确钙化 是位于斑块的浅表还是深部。对于浅表钙化的斑块可采用高频旋磨血管成形术 西行 ,,通过含钻石的探头的高频旋转消 融和研磨无顺应性的冠脉斑块组织。直接研磨斑块用来减少斑块组织使血 管腔得以增大,通常用于完全或几乎完全闭塞的冠脉血管的再通,并辅以 和支架等介入治疗手段以获得理想的治疗效果【引。 . 用于其它血管疾病的观察 除广泛用于冠状动脉病变外,还用于主动脉、肺动脉等大血管病变的 观察。 主动脉病变可用于观察主动脉内斑块,应用较多的是观察主动脉 夹层所累及的范围和破口的部位,选择治疗方案的、确定支架大小的、置入的部 位并指导支架的释放】。?导管也可将放入食管内观察主动脉夹层并可进 行三维图像的重建。由于导管较细,明显减轻了患者的不良反应?。 内脏动脉在主动脉夹层中对内脏动脉的观察亦十分重要。可清晰 显示主动脉夹层的真假腔,观察内脏动脉的起始部位,即确定内脏动脉是起自主 动脉的真腔还是假腔,从而阐明主动脉夹层导致内脏缺血的原因。 下腔静脉可准确测量下腔静脉的内径并肾静脉的部位,对下腔静 脉过滤器的植入有重要意义。通过的观察可确定过滤器的大小和长度,避 开肾静脉。是一项安全、准确引导下腔静脉过滤器植入的方法,并且可避 ‘。 免使用造影剂 肺动脉病变可用于肺动脉病变的观察,包括肺动脉内斑块和血栓。 可观察血管造影不能发现的贴壁和游离于管腔内活动血栓。 肺静脉近年来随着房颤消融治疗的开展,也发挥了作用。一 方面可观察肺静脉壁的厚度,确定肺静脉内是否存在心房组织,从而明确房颤的北京工业大学工学硕十学位论文 原因。另一方面在消融过程中显示肺静脉,使消融更为准确和完全,减少复发【。 .本章小结 本章详细介绍了血管内超声的起源、发展、技术原理、在临床中的应用以及 和其他检查方式的对比。对?成像原理有了系统的阐述,并着重分析了? 成像导管的作用。通过本章可以清楚的了解的优点及缺点,尤其是 图像分析更是医学应用和学术研究的重 点。????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????????????’???????????????????? 第章血管壁弹性模型 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼皇曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼 第章血管壁弹性模型 动脉弹性功能是临床心血管研究领域一个重要热点,弹性是一个人体组织生 物力学参数,其受病理和生理过程影响最大。在弹性力学的假设条件下建立血管 壁弹性模型,对检测不稳定斑块、揭示斑块的易损性并预测斑块发生破裂的条件 和部位都有重要的意义。目前,血管壁的弹性分析都是基于血管弹性图的原理, 本文总结现有的方法,提出了有限元方法分析血管壁弹性的模型。 .血管弹性图 血管内介入技术缓解有效血管腔损失的原理是基于斑块形态的重塑或者是 斑块去除后管腔的再通【】。这些机械性方法的选择、结果及血管壁夹层等 并发症 的发生在很大程度上取决于斑块的几何形态和斑块的成分。血管内超声显像的出 现可获取实时血管横断面信息,并为评价粥样斑块的形态学提供了手段,但根据 超声图像判断斑块的类别以及图像信息的解释还缺乏准确性和可重复性【训。 最近几年,基于技术的物理特点查找评价血管和粥样斑块的机械属性 方法已经变成世界范围内研究的热点与焦点,弹性显像舯是当中一种 行之有效的方法,它把组织在应力场中的应变情况用灰度或伪彩图像来表示,即 弹性图锄,并且根据不一样的应力.应变关系来反映出组织的弹性特征。 目前构建的弹性图大多为径向应变的分布图。年,峭工作组开始将组 织弹性测定和?技术相结合来构建血管内超声弹性图 锄,,成为一种新型的评价血管与斑块机械属性的方法。 图像均为灰阶图像,虽然在组织特征方面?图像可以发挥重要作 用,但仍然具有较多的局限性。不一样的组织成分的回波特征有可能是相似的, 血管腔内的可疑无回声区域却有可能是血栓,又有可能是脂肪性斑块,也有可能 是支架内新生内膜。灰阶超声图像可以显示范围较大、回声均一的物质构成,但 。。然而,冠状动 是在不均一的物质当中相邻的微小物质的辨别仍然是不可靠的 脉硬化斑块绝大多数是不均匀的多成分构成。的另外一个问题是对斑块成 分的识别依赖于对斑块回声强度的描述,而回声强度取决于仪器的增益设 置及探头的参数配置等【】。直接去比较回声强度是很难实现的,病人的体内组织 差异会增加观察结果的不确定性。 影像可以鉴别出易损斑块与稳定斑块,这一点对于处理多处应变时, 选择处理何处病变从而预防急性冠状动脉综合症 , 尤为重要。?灰阶成像可以较容易的分辨钙化病变,但是对纤维性斑块、脂北京工业大学掌硕上学位论文 质性斑块和纤维脂质性斑块的辨别就比较困难了,所以需要研制新的定征 技术。这其中,血管弹性图是最有希望达到这一标准的技术。血管弹性图基于组 织受压产生的弹性原理,用?导管收集不同的压力作用下冠状动脉血管壁和 斑块所产生的射频信号,经过局部置换建立反映组织受牵拉情况的横截面弹性 图,结合提供的有关冠状动脉内斑块形态学资料,将有助于评价冠状动脉 内斑块的破裂趋势或者弹性物质构成【】。 组织对机械刺激的反应取决于其机械特征,不同的组织在收到外界压力时反 应不同,坚硬的组织如钙化和纤维组织受压和被牵拉的程度小于柔软的组织 如脂质,由此根据机械性特征可疑判断组织的组成成分以及高压应变区域 【阳引。将管壁内部组织的不同特征用弹性变现出来即血管弹性图。 .现有的血管壁弹性模型 ..基于应力应变的血管壁弹性模型 应力与应变的比值以弹性力学中的胡克定律为基础,应力是血管壁区域内某 点的压力,应变是血管壁沿半径方向的形变比例值。将二者的比值表示在图像中 就得到了弹性图像。 年玛曾经分析过“尽管过去对血管的组织特征已经分析非常全面 了,但是仍然缺少准确的量值”【。事实表明,要想全面的描述血管壁的组织特 征是十分困难的,因为它包含了大量的弹性模量,并且这些数据是很难在体外独 立测量的【。为了获得真实的血管壁弹性数据,需要进行大量的假设:血管壁是 等方的,同性质的,独立的,线性的【‘。 定义局部的应力应变系数尉为: ‰:丝 . 式中?卜血管的压力; ?/??血管壁的径向应力【】; 径向应变; 血管壁局部径向应变为: :竺鱼 ??. % 式中卜血管壁的厚度; %??内部压力下的血管壁厚度; 应变是由血管壁内膜与外膜边界点的位移计算出来的,被选中的计算区域需 要有第章血管壁弹性模型: 一定的厚度。根据这个计算观点,血管壁的径向应变可以通过位移计算: :些二垡 ??三?? .。 恐一墨 式中欲广血管壁内膜点的位移; ?广血管壁外膜点的位移; 欲一?厂?选择计算区域血管壁的厚度; 在等方性的模拟软管中,径向的应变为: ‘寺?%一峨 式中田??径向应力分量; 国??切向应力分量; 砚一纵向应力分量; : ??泊松比例; 为了测量全局的应变情况,定义整体的应变系数时为: 世 。已姗 ? ‘,苫 其中, .,/ 、,、, ? ‰去户叫秒 整体应变系数邑:并不直接相当于任何常规的弹性测量值,但是在同性、 等方等的假设前提下,它与杨氏弹性模量是相等的。图.是用伪彩色表示的应 变图像,可以观察到明显的斑块和斑块的硬度特征。顺时针点到点的血管 段病变严重,应变图上位为红色,说明该处形变小硬度大。 衄%, 。曩 嚣‘ 茹黪, 。一 ?卜删 ?脚倒胍?眦 图.内膜应变图像 ?‰ 血擎 图.是不同压力下应力应变的内膜弹性图,与应变图像对应,可以看出当 管腔内部压强不同时,对应力应变系数的影响非常小。由此可知,应力应变是 物北京。业大学学硕十学位论文 质本身特性,反应血管的组织的固有特性。 删丑 吃删州 问姗 图内膜硬度图像 髑 上述应变图像和应力应变图像在一定程度上反映了血管壁内膜的应变与弹 性特征。该方法仅提供了血管壁的径向的应变信息,而血管壁和动脉粥样硬化斑 块的应变有径向、周向和纵向三个分量,只有综合考虑上述三个分量,才能够真 正解释动脉粥样硬化斑块破裂的生物力学机制并实现不稳定斑块的早期识别。 ..基于图像配准的血管壁弹性模型 图像配准是将取自同一目标区域的两幅或多幅影像在空间位置上最佳地套 合起来,它是一个最优化的问题,它的目的是将一个关联的成本函数最小化。成 本函数是一个结合的函数,它以参考图像和原始图像的相似性为特征。以圆柱形 几何学为参考,假设图像的配准在一个二维坐标系中,以内腔的质心为原点,这 样就简化了计算。内腔质心的点列对图像配准时出现的导管偏移有帮助。血管壁 区域的图像分割是用来在配准时定位内腔的质心和感兴趣的区域的。内膜和 外膜 边界使用“.”方法确定。在坐标系中计算位移和应变张量。最后,应变 分量转换为笛卡尔坐标系下显示出来。 图像配准中,整体的成本函数为: ,;,蜀,包晒名,;,只/多,谚 这个成本函数依赖与位移区域: ? ,;,印,;,,,巧,舅】 式中“帆卜?一径向位移; %岛卜切向位移; 图像的相似程度为:? %,;,包专二厶‘吩,瞑一厶,;,毋】 不可压缩性的限制条件定义为: : . 互,‘,谚?,,乡 应变平滑限制调节为: &肌胁』害等嘉秒 转换模型是基于立方样条慨删建立的自由形变,位移代表二维样条, 由一小部分控制点堙,和也所控制,这些点依赖于一条粗糙的样条网格: 甜,;,毋?五/弓,;,?五% 。。’ 比四:壹嘭酏,咖壹也嘞 曰‘,谚是立方样条基础函数,对于每个像素,位移的计算来自周围相邻 ×个像素。根据位移区域的估计,在坐标系中计算形变矩阵【】: 孔 抛 尺 ? 跏 ,却 ,赢页丽 形变矩阵与应变张量的关系为: 。, 丢? 【乏乏 ‘口% 式中卜单位矩阵; 易厂?径向应变; 国广切向应变; 杜克大学的吼“等人用图像配准的方法建立了血管壁弹性图。图. 是一幅动脉的血管内超声图像,图. 是经过区域形变公式应用到图. 后的图像,内膜与外膜的边界已经找出用红色表示出来。北京业大学工学硕 士学位论文 原始? 理论形变后? 舀、 ? 巧 图原始和形变后的图像 向? 】?? 西衄 % 下组图中,左边表示径向应变,右边表示切向应变。图.是在已知给定的 位移状态下,理论上产生的应变。图.是通过与原图像本身形变后的图像配准 得到的应变图像。图是原图像与另一幅形变后的图像配准后的应变图。 该方法参考了血管壁的径向应变与周向应变,提供了两种应变分别对应的应 变图像。在计算时运用了.和配准公式,虽然能比较精确的找出血管壁区 域,但只是从整体的角度分析了应变情况,没有给出具体区域的具体应变值。 姗 圈黧 四 图?与原图像形变后的图像配准应变图像 觚 .姗 ? 百仃 百 :第章血管壁弹性模型 圜 图原图像与另一幅形变后的图像配准后的应变图 石妇 锄加 酬姐 : 西删 ..基于有限元变形分析的血管壁弹性模型 / 有限元方法是世纪年代以后蓬勃发展的一种计算方法,它在结构力学、 弹性力学、流体力学、热传导和电磁场计算等方面都有着广泛的应用,是求偏微 分方程数值解的一个重要方法,它在数学上属于变分方法的范畴,是古典变分方 法.方法与分块多项式插值结合的产物。这种结合不仅使有限元 方法保持了原有变分方法的优点,而且还兼有差分方法的灵活性,使古典变分方 法不足之处得到了充分的弥补。因此,有限元方法是古典变分方法的革新和发展, 把古典变分方法大大的向前推进了一步。 血管壁部分的有限元划分 有限元划分后的图像‰彻盱 图?有限元方法分析图像锄即 ? 美国犹他大学的砧锄 .【】等人利用??有限元分析软件,应用 变性理论四对血管壁进行了有限元划分。选取两幅图像,一副为模 ,另一幅目标图像 ,利用有限元分析方法得 板图像锄 到的结果如图.所示。由于有限元分析需要在模型上施加外力,因此图.北京业大学学硕十学位论文 中的箭头表示血管壁内部的压力。 经过有限元分析,得到了血管壁弹性图如图.所示。 图培基于有限元分析方法的血管壁弹性图 嬲 ?? .本文采用的血管壁弹性模型 有限元方法可以直接利用?设备提供的图像信息,清晰直观的建立血管 壁弹性模型。本文依然应用有限元方法进行分析,但区别是不直接利用有限元分 析软件,而是将有限元思想与应力应变的思想结合起来,把血管壁区域进行三角 单元划分,只要划分的单元足够小,就可以把三角形区域近似看作一个应变均匀 的整体,即符合有限元分析的条件,再结合血管壁受力情况,建立血管壁应变的 数学模型,计算各个三角形的应变数值,即可得到血管壁各处的应变情况。 ..弹性力学假设 根据弹性理论基础可知,弹性系数,也称为弹性模量,是弹性材料的一种最 重要、最具特征的力学性质。是物体形变难易程度的表征,用表示。的大小 与物体的粗细、长短等形状无关,只决定于材料的性质【。分析血管弹性成像领 域的现状,所谓弹性成像实质上只是应变成像,很大程度上受弹性模量分布、组 织形状、位置、外力类型等边界条件的限制,并不显示真正的血管弹性哗。 由于人体组织不是工程材料,生物组织的弹性力学特征与人体的生理状况、 年龄和病理过程等因素都有关系【】,难以用数学模型将这些特征进行准确的描 述。当外力周期性持续施加作用或者施加作用的时间趋于无限小时,人体组织的 粘滞性可以忽略,此时组织力学行为符合弹性体,其状态只取决于当前施加的外 力而与先前的受力情况无关】,本文可以根据此原理建立弹性体假设。由于人体 组织具有严密的层次结构,因此将研究对象限制在仅大于组织弹性变化长度的局第章血管壁弹性模型 部区域,可以认为样本中所有的微小结构都随机和均匀分布并建立均质体和各向 同性的假设【。 弹性模量作为弹性体的基本属性理论上反映人体组织弹性的最佳指标,但由 于血管壁内的应力不易直接测量,使得的计算相当困难。由于血管壁满足弹性 体的假设,根据弹性力学中的广义胡克定律,在相同应力下,的差异总能表现 为应变差异,换言之,从反问题角度,血管壁和动脉粥样硬化斑块应变的大小能 够反映出人体血管组织的差异,并进而映射血管壁组织和斑块的分子组成与构架 的差异。 血管壁应变有三种,包括径向应变、周向应变和纵向应变。在平面内发生形 变,血管壁的纵向应变可以忽略。基于应力应变的弹性模型只计算血管壁沿半径 方向的应变值,丢失其它两个方向的应变信息,具有一定的局限性。而基于图像 配准