組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建方法

張文蘭 趙可輝 李 建

組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建方法

張文蘭①趙可輝②李 建①

目的：探討組織多普勒超聲心臟圖像動(dòng)態(tài)三維重建方法，以提升診斷的準(zhǔn)確性。方法：將解剖結(jié)構(gòu)以及功能參數(shù)信息從多普勒超聲醫(yī)學(xué)圖像中進(jìn)行分離，結(jié)合三維場(chǎng)分布對(duì)其進(jìn)行重建，并將重建結(jié)果實(shí)施融合顯像。結(jié)果：該方法科學(xué)地展示了功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)兩者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建。結(jié)論：通過(guò)將組織多普勒成像技術(shù)和超聲醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)相結(jié)合，科學(xué)地實(shí)現(xiàn)并完成組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建，在臨床醫(yī)學(xué)上具有十分重要的意義和價(jià)值。

組織多普勒成像；超聲；心臟圖像；動(dòng)態(tài)；三維重建

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, China.

隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的超聲心臟圖像三維重建技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段人們對(duì)于心臟功能評(píng)價(jià)的需求。由于心臟的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，傳統(tǒng)的超聲心臟圖像三維重建技術(shù)只能簡(jiǎn)單的描述動(dòng)態(tài)三維解剖結(jié)構(gòu)，然而單純的解剖對(duì)于診斷信息的提供十分有限，無(wú)法滿足臨床診斷的信息需要。近年來(lái)，隨著超聲圖像三維重建系統(tǒng)的研發(fā)，醫(yī)學(xué)上開(kāi)始在三維空間上，利用二維超聲圖像的方法進(jìn)行心臟的立體形態(tài)重建，實(shí)現(xiàn)了任意角度觀察心臟，同時(shí)可利用后處理的方法，幫助準(zhǔn)確地測(cè)定心腔容積以及游離心臟壁，提升了診斷的準(zhǔn)確性[1]。

1 組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建方法

1.1 重建方法

本研究的目的是分析組織多普勒超聲成像的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)B型超聲圖像三維重建的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)組織多普勒超聲心臟圖像動(dòng)態(tài)三維重建的具體流程(如圖1所示)。

圖1 組織多普勒超聲心臟圖像動(dòng)態(tài)三維重建流程圖

根據(jù)流程圖建立B型超聲醫(yī)學(xué)圖像的三維重建系統(tǒng)，包含圖像采集、濾波、插值以及感興趣區(qū)域提取等步驟組成，能夠有效的實(shí)現(xiàn)超聲圖像中心臟動(dòng)態(tài)三維重建，同時(shí)能夠幫助醫(yī)生獲取心臟解剖結(jié)構(gòu)圖。然而，重建組織多普勒超聲心臟圖像的三維結(jié)構(gòu)圖，仍需要解決下述關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)動(dòng)態(tài)三維重建過(guò)程中解剖結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)的分離。通常情況下，在進(jìn)行多普勒超聲儀圖像采集的過(guò)程中往往包含有兩個(gè)通道：①含有考察組織的解剖結(jié)構(gòu)信息，能夠幫助醫(yī)生獲取常規(guī)B型灰度圖像；②含有多普勒頻移信息，如表征組織運(yùn)動(dòng)速度以及加速度等，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該頻移信息的彩色編碼，最終疊加到B型圖像上[2]。因此，組織多普勒彩色圖像也可以被認(rèn)作合成圖像，同時(shí)ColorBar是多普勒頻移信息的映射表。按照ColorBar映射特點(diǎn)，醫(yī)生能夠從中分離出解剖結(jié)構(gòu)灰度信息以及多普勒頻移彩色編碼信息，繼而根據(jù)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)的還原[3]。

在進(jìn)行組織多普勒超聲心臟圖像的重建過(guò)程中，由于體數(shù)據(jù)空間中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均需根據(jù)映射關(guān)系進(jìn)行彩色編碼對(duì)于功能參數(shù)值的映射，因此必須保證較高的映射過(guò)程、速度以及精度。同時(shí)，在進(jìn)行重建的過(guò)程中，一定要有效地結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及查找表，幫助其快速實(shí)現(xiàn)映射。因ColorBar映射可以幫助訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有助于提升人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度，并且利用其進(jìn)行查找表的構(gòu)造，最終完成映射。

(2)矢量插值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，旨在實(shí)現(xiàn)心肌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的三維速度以及加速度等矢量場(chǎng)的重建，從本質(zhì)上區(qū)別于B型超聲醫(yī)學(xué)圖像重建過(guò)程，因此在實(shí)施的過(guò)程中必須依照空間離散數(shù)據(jù)點(diǎn)插值進(jìn)行重建，并需考慮大小信息以及方向信息。同時(shí)要結(jié)合功能參數(shù)方向信息的物理意義，依照多普勒成像原理進(jìn)行分析。如果某點(diǎn)值為正則表示的方向信息是從檢測(cè)點(diǎn)指向超聲探頭方向；反之，如果某點(diǎn)值為負(fù)則表示的方向信息是從探頭指向檢測(cè)點(diǎn)的方向[4]。因此，為了確定功能參數(shù)值在空間的方向，不僅需要利用旋轉(zhuǎn)掃描獲取原始圖像，還需要利用矢量插值獲取矢量體數(shù)據(jù)。

1.2 融合顯像

圖1顯示，獲取功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)的體數(shù)據(jù)后，需要分別進(jìn)行體繪制然后才能獲取考察區(qū)域功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)之間的重建結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系研究，實(shí)驗(yàn)需要滿足功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)之間的重建結(jié)果能同時(shí)顯現(xiàn)在同一視場(chǎng)中，因此需要采用融合顯像的方法。

通常情況下，功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)之間的重建結(jié)果同時(shí)顯現(xiàn)在同一視場(chǎng)中有兩種方法：①按照時(shí)間的順序，將每個(gè)時(shí)相的重建結(jié)果進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)以及功能參數(shù)的顯現(xiàn)，當(dāng)顯示幀頻達(dá)到一定程度時(shí)，由于人體自身視覺(jué)暫留的原因，會(huì)產(chǎn)生出功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)同時(shí)顯現(xiàn)在同一視場(chǎng)中的現(xiàn)象；②按照空間的順序，將每個(gè)時(shí)相重建結(jié)果下的功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)各自進(jìn)行編碼，然后合成圖像并按照空間的順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)播放，即可得到兩者的動(dòng)態(tài)融合顯像[5]?？傊?，兩種方法均與多普勒超聲醫(yī)學(xué)圖像的成像原理有所相似，均是借助于兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)以及功能參數(shù)的成像，然后按照ColorBar的編碼方式進(jìn)行結(jié)果合成。然而，在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了有效的實(shí)現(xiàn)超聲儀多普勒成像過(guò)程的一致性，實(shí)驗(yàn)往往采用按照空間順序進(jìn)行融合顯像的方法。

2 組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究對(duì)心臟的解剖結(jié)構(gòu)以及心臟組織運(yùn)動(dòng)能量、速度等一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行重建，同時(shí)傳導(dǎo)了系統(tǒng)電活動(dòng)以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)這兩者在時(shí)間和空間關(guān)系之間的表征，補(bǔ)充了現(xiàn)有的超聲成像方法的不足之處。通過(guò)分析組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建方法，利用具體的實(shí)驗(yàn)表明了重建結(jié)果與心臟生理相符，而且指明了功能參數(shù)以及解剖結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)空間位置關(guān)系，有助于心臟疾病的診斷以及心臟功能的評(píng)價(jià)，有助于醫(yī)生分析患者心臟靶點(diǎn)起搏和精確消融的情況，對(duì)于心臟電生理在臨床中的應(yīng)用具有十分重要的意義和價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

在臨床診斷中通常對(duì)于患者心臟起搏點(diǎn)的位置以及激動(dòng)程序等功能信息十分關(guān)注，然而，組織多普勒成像技術(shù)能夠同時(shí)滿足醫(yī)生對(duì)于二維的解剖結(jié)構(gòu)以及二維的組織運(yùn)動(dòng)信息獲取，因此，本研究通過(guò)將組織多普勒成像技術(shù)和超聲醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)兩者的相結(jié)合，科學(xué)的實(shí)現(xiàn)并完成了組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建，在臨床醫(yī)學(xué)上具有十分重要的意義和價(jià)值，有待繼續(xù)深入研究。

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Research on dynamic three-dimensional reconstruction of tissue doppler ultrasound heart images

HANG Wen-lan, ZHAO Ke-hui, LI Jian

China Medical Equipment,2014,11(4):60-62.

Objective: To discuss the dynamic three-dimensional reconstruction of tissue Doppler ultrasound cardiac image. Methods: To separate anatomical structure and function parameter information from Doppler ultrasound medical image, and then combines with the three-dimensional distribution to reconstruct it and fuse imaging. Results: Ultimately, it reveals the relationship between function parameter and anatomical structure. The dynamic threedimensional reconstruction of tissue Doppler ultrasound cardiac image is also expounded in this paper. Conclusion: It scientifically completed the dynamic three-dimensional reconstruction of tissue Doppler ultrasound cardiac image by combining both tissue Doppler imaging and ultrasound medical image reconstruction technique. It is of great significance in clinical medicine.

Tissue doppler imaging; Ultrasound; Cardiac image; Dynamic; Three dimensional reconstructions

1672-8270(2014)04-0060-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.020

張文蘭,女,(1980- ),碩士研究生。山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院，研究方向：醫(yī)學(xué)影像信息處理。

2014-01-06

①山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院 山東 濟(jì)南 250355

②山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院第二附屬醫(yī)院特檢科 山東 濟(jì)南 250001