1、心臟瓣膜的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)形態(tài)分析對(duì)于心臟疾病的診斷和治療具有重要的臨床意義。近年來，三維超聲心動(dòng)圖由于能直觀形象的再現(xiàn)心臟內(nèi)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀況，因而在臨床上得到了廣泛應(yīng)用。在國家自然科學(xué)基金和上海市科委相關(guān)項(xiàng)目的支持下，本課題與上海兒童醫(yī)學(xué)中心合作，對(duì)經(jīng)胸旋轉(zhuǎn)采集的三維超聲心動(dòng)圖進(jìn)行了瓣膜形態(tài)分析研究。工作主要由兩部分組成，一是三維超聲心動(dòng)圖的斷層重建研究；二是心臟瓣膜的三維運(yùn)動(dòng)分析。 斷層重建是指在采集得到的超聲圖像序列的基

2、礎(chǔ)上，通過重建空間上各體素的灰度值，達(dá)到體重建心臟瓣膜形態(tài)的目的。在此基礎(chǔ)上，通過切片，觀察瓣膜的斷層形態(tài)，從而獲得瓣膜靜態(tài)解剖結(jié)構(gòu)信息。由于成像機(jī)理以及在采集過程中的電子噪聲，超聲圖像具有信噪比低的特點(diǎn)。因此，如何有效提高超聲圖像的信噪比，是斷層重建中需要解決的問題。本課題將超聲噪聲分布的近似分布作為先驗(yàn)知識(shí)，建立了馬爾可夫可夫隨機(jī)場一后驗(yàn)概率最大化(MRF-MAP)框架下的瓣膜體數(shù)據(jù)重建模型。該模型不但可以重建三維體數(shù)據(jù)，而且在三維

3、重建的過程中，有效的提高了超聲圖像的信噪比，并且該模型還利用了圖像中梯度的分布，各項(xiàng)異性的增強(qiáng)了圖像的邊緣，從而提高了三維超聲圖像斷層重建的質(zhì)量。 在心動(dòng)周期內(nèi)，心臟瓣膜不斷在運(yùn)動(dòng)中改變著自身的形態(tài)，承擔(dān)著血液流動(dòng)單向閥門的作用。研究其動(dòng)態(tài)特性，對(duì)臨床診斷瓣膜疾病更具指導(dǎo)意義。本課題引入了彈性匹配的運(yùn)動(dòng)分析思想，討論了其在三維空間中的應(yīng)用，提出了基于橢圓方程的三維瓣膜運(yùn)動(dòng)分析數(shù)學(xué)模型。該模型構(gòu)造了一個(gè)能量方程函數(shù)，它由兩項(xiàng)組成：

4、一是匹配誤差項(xiàng)，另一項(xiàng)是平滑約束條件。通過最小化這個(gè)能量方程可以獲得瓣膜各部位在三維空間中運(yùn)動(dòng)的速度場分布。 在瓣膜運(yùn)動(dòng)過程中，某些瓣膜運(yùn)動(dòng)的幾何特征直接反映了瓣膜運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，瓣膜運(yùn)動(dòng)角就是其中之一。通過跟蹤瓣膜運(yùn)動(dòng)角變化，本課題給出了分析瓣膜運(yùn)動(dòng)特征的方法，即在進(jìn)行瓣膜分割后，提取瓣膜的頂點(diǎn)和根點(diǎn)的位置，之后計(jì)算出瓣膜運(yùn)動(dòng)角度，跟蹤并可視化瓣膜運(yùn)動(dòng)角度在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的三維變化過程，最后利用隱馬爾可夫理論(HMM)建立了瓣膜運(yùn)

5、動(dòng)特征分析模型。 瓣膜分割效率是整個(gè)瓣膜運(yùn)動(dòng)特征分析的關(guān)鍵。本課題將水平集瓣膜分割模型擴(kuò)展到區(qū)域先驗(yàn)框架下，并使先驗(yàn)區(qū)域能在相鄰的圖像之間進(jìn)行迭代傳遞，從而大大提高了瓣膜的分割效率；在瓣膜分割結(jié)果的基礎(chǔ)上，計(jì)算瓣膜運(yùn)動(dòng)角在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的三維變化過程,并將其通過特征曲面可視化.在特征曲面上,運(yùn)用曲面幾何的理論，可以對(duì)瓣膜的三維運(yùn)動(dòng)過程作進(jìn)一步的特征分析。課題中使用了隱馬爾可夫模型理論對(duì)以特征曲面表征的瓣膜運(yùn)動(dòng)變化過程做了進(jìn)一步的

6、特征分析，提出了“子瓣膜形狀”模型，通過分析人體樣本和動(dòng)物樣本，建立了正常瓣膜運(yùn)動(dòng)的隱馬爾可夫模型。 本課題創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1) 建立了定量描述心臟瓣膜三維運(yùn)動(dòng)的方法，該方法由圖像重建、瓣膜分割、瓣膜運(yùn)動(dòng)角度計(jì)算和獲取特征曲面等步驟組成，可以數(shù)字的、直觀的描述瓣膜三維運(yùn)動(dòng)過程。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行更深層次的瓣膜運(yùn)動(dòng)特征挖掘。 2) 提出了基于馬爾可夫隨機(jī)場-后驗(yàn)概率最大化模型的統(tǒng)計(jì)重建體數(shù)據(jù)的方法。該方法將噪聲的

7、近似分布和馬爾可夫隨機(jī)場引入到三維體數(shù)據(jù)的估計(jì)過程中。在重建三維體數(shù)據(jù)的過程中，有效的去除了超聲噪聲，增強(qiáng)了邊緣，提高了三維超聲心動(dòng)圖斷層重建的質(zhì)量。 3) 探索了將彈性匹配的思想擴(kuò)展到三維運(yùn)動(dòng)分析，提出了基于橢圓方程的位移場估計(jì)模型。該模型通過最小化由匹配誤差項(xiàng)和平滑約束項(xiàng)組成的能量方程，從而得到心臟瓣膜三維運(yùn)動(dòng)的位移場分布情況。 4) 將先驗(yàn)知識(shí)融入到水平集分割方法，提出了基于區(qū)域先驗(yàn)知識(shí)的瓣膜分割方法。由于相鄰

8、時(shí)空位置上的先驗(yàn)區(qū)域具有相似性，所以先驗(yàn)區(qū)域可以在相鄰時(shí)空位置的圖像之間進(jìn)行傳遞。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面提高了瓣膜分割的準(zhǔn)確性，另一方面，提高了大量圖像數(shù)據(jù)的分割工作效率，從而使瓣膜三維運(yùn)動(dòng)特征分析更具有實(shí)用性。 5) 提出了瓣膜三維運(yùn)動(dòng)特征曲面概念，該特征曲面反映了整個(gè)瓣膜組織在心動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變化情況。在該曲面上可應(yīng)用曲面幾何的理論進(jìn)行瓣膜的三維運(yùn)動(dòng)特性分析。 6) 在瓣膜三維運(yùn)動(dòng)特征曲面的基礎(chǔ)上，探索了應(yīng)用隱