專利名稱：基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心肌超聲造影圖像的時(shí)間-強(qiáng)度曲線分析方法，具體涉及一種利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解進(jìn)行時(shí)間-強(qiáng)度曲線的特征提取及利用希爾伯特邊際譜進(jìn)行生理參數(shù)的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
心臟是人體的重要器官，隨著心臟每次收縮，將攜帶氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的血流經(jīng)主動(dòng)脈輸送到全身，以供給各組織細(xì)胞代謝需要。由于脂質(zhì)代謝不正常，血液中的脂質(zhì)沉著在原本光滑的冠動(dòng)脈內(nèi)膜上，形成血栓。微血栓一旦形成，會(huì)使微血管發(fā)生嚴(yán)重狹窄甚至阻塞，產(chǎn)生微循環(huán)灌注異常，嚴(yán)重者發(fā)生心肌急性缺血、壞死、甚至危及生命。即便采用冠脈血運(yùn)重建術(shù)進(jìn)行治療，也大多存在心肌“低灌注”或“無(wú)灌注”異常，即心臟在缺血后再灌注時(shí)心肌存在微循環(huán)障礙。缺血心肌微循環(huán)灌注異常將嚴(yán)重影響受累心肌功能的恢復(fù)，導(dǎo)致病 人心臟功能減退。心肌超聲造影(MyocardialContrast Echocardiography, MCE)是一種影像新技術(shù)，通過(guò)將含有微氣泡的對(duì)比劑注入冠狀循環(huán)，來(lái)觀察二維超聲心動(dòng)圖上的心肌顯影。由于微氣泡通過(guò)心肌時(shí)完全保持在血管內(nèi)，且微泡的大小及變形性與紅細(xì)胞相當(dāng)，因此可將其視作紅細(xì)胞流動(dòng)的示蹤劑，故MCE可用來(lái)在跳動(dòng)的心臟上估價(jià)心肌微循環(huán)狀況。目前臨床上常用定性法分析MCE，該方法雖簡(jiǎn)便、直觀，但很大程度上依賴觀察者的經(jīng)驗(yàn)，缺乏客觀定量分析。超聲造影圖像感興趣區(qū)域的灌注強(qiáng)度曲線可以反映器官、組織的血流灌注情況。該技術(shù)可以在不破壞造影劑氣泡的前提下，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示組織的造影劑灌注，使精確的定量分析成為可能。通過(guò)對(duì)造影劑灌注的時(shí)間-強(qiáng)度曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，獲得反映心肌血流灌注的生理參數(shù)，以便為心肌梗塞或心肌微循環(huán)診斷提供定量數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,簡(jiǎn)稱EMD)方法是由美國(guó)NASA的黃鍔博士提出的一種信號(hào)分析方法。它不會(huì)像傅立葉分解或小波分解那樣，預(yù)先設(shè)定好分解的基函數(shù)，而是會(huì)根據(jù)信號(hào)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行信號(hào)分解。EMD方法在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號(hào)的分解，尤其在處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)上，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。利用心肌超聲造影圖像提取出的灌注強(qiáng)度曲線的內(nèi)部時(shí)間尺度的變化做能量與頻率的解析，將該曲線展開成數(shù)個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMF)的形式,再利用希爾伯特變換(Hilbert Transform, HT)獲得IMF的瞬時(shí)頻率和振幅,從而對(duì)提取出的時(shí)間-強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行分析，從而獲得心肌灌注圖像的生理參數(shù)，為診斷提供可能。EMD是HHT (Hilbert-Huang Transform)算法的重要步驟,它認(rèn)為信號(hào)是由許多個(gè)不同的模態(tài)組合而成的，可以是線性或非線性，分別對(duì)應(yīng)不同過(guò)程，而且要求其相對(duì)于橫坐標(biāo)軸是對(duì)稱的。要成為IMF內(nèi)在模態(tài)函數(shù)有兩個(gè)條件
1)在整個(gè)函數(shù)中，極值點(diǎn)的數(shù)目與穿越零點(diǎn)的數(shù)目相等或者相差I(lǐng);
2)在任何時(shí)刻，由局部極值包絡(luò)線所定義的包絡(luò)線局部均值為零。其中，第一個(gè)條件與傳統(tǒng)高斯平穩(wěn)過(guò)程中窄頻寬的要求類似。第二個(gè)條件將整體性要求改變?yōu)榫植啃砸?，使得瞬時(shí)頻率不會(huì)因?yàn)椴粚?duì)稱波形的存在而導(dǎo)致不必要的晃動(dòng)。依托這兩個(gè)條件構(gòu)建起來(lái)的EMD及HHT被認(rèn)為是強(qiáng)有力地求解非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的自適應(yīng)方法，是近年來(lái)對(duì)以傅立葉變換為基礎(chǔ)的線性及穩(wěn)態(tài)譜分析的重大突破，并得到了廣泛的應(yīng)用。臨床上經(jīng)常使用擬合曲線對(duì)造影劑灌注的心肌參數(shù)進(jìn)行定性測(cè)量，但是這樣的測(cè)量方法非常依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，而且存在一定的測(cè)量誤差；同時(shí)由于擬合曲線只反映了時(shí)間-平均灰度曲線的變化趨勢(shì)信息，而曲線中蘊(yùn)含的更多信息卻無(wú)法通過(guò)擬合曲線而表現(xiàn)，所以通常情況下健康的心肌區(qū)域和心肌梗塞區(qū)域的擬合曲線是基本類似的，測(cè)量的生理參數(shù)無(wú)法表現(xiàn)待診斷區(qū)域的性質(zhì)，因此利用擬合曲線進(jìn)行生理參數(shù)測(cè)量的臨床實(shí)用價(jià)值受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決了當(dāng)前心肌超聲造影圖像定性理解的主觀依賴性，本發(fā)明提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解進(jìn)行時(shí)間-強(qiáng)度曲線的特征提取，通過(guò)特征挖掘以及希爾伯特邊際譜，來(lái)進(jìn)行心肌灌注情況下的生理參數(shù)測(cè)量方法，從而為基于心肌超聲造影圖像的心肌梗塞或心肌微循環(huán)障礙診斷提供了另一種分析途徑。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一、圖像信號(hào)提取部分對(duì)心肌造影圖像的心肌區(qū)域按圓周順時(shí)針?lè)较蚍譃榱鶄€(gè)區(qū)域進(jìn)行灌注信號(hào)提取，這六個(gè)區(qū)域分別代表前壁心肌區(qū)域、側(cè)壁心肌區(qū)域、后壁心肌區(qū)域、下壁心肌區(qū)域、后間隔心肌區(qū)域和前間隔心肌區(qū)域，分別提取每一個(gè)心肌分割區(qū)域的時(shí)間-強(qiáng)度曲線，曲線以橫時(shí)間為坐標(biāo)，每個(gè)區(qū)域心肌的平均灰度值為縱坐標(biāo)；
二、信號(hào)特征提取部分對(duì)提取出的時(shí)間-平均灰度值強(qiáng)度曲線進(jìn)行EMD分解，得到擴(kuò)展的信號(hào)本征模態(tài)函數(shù)，對(duì)得到的第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，得到瞬時(shí)譜參數(shù)，包括瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位，對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)的幅值進(jìn)行累加，得到Hilbert-Huang 邊際譜；
三、閾值判定部分利用Hilbert邊際譜的能量閾值對(duì)邊際譜進(jìn)行閾值判定，如果邊際譜能量集中且大于閾值，可以得到造影劑灌注過(guò)程中的生理參數(shù)，包括呼吸頻率和心跳頻率參數(shù)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、對(duì)心肌圖像進(jìn)行六區(qū)域分割，可以兼顧臨床診斷及處理信息量的要求，利用區(qū)域內(nèi)的像素平均值可以反映出該區(qū)域內(nèi)的造影劑灌注情況，從而能夠利用時(shí)間-平均像素強(qiáng)度曲線來(lái)描述心肌超聲造影過(guò)程所攜帶的信息。經(jīng)過(guò)該信息提取過(guò)程，可以很好地將造影過(guò)程中的生理參數(shù)信息反映出來(lái)。2、對(duì)提取出的時(shí)間-強(qiáng)度曲線進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到能夠反映該曲線特征的本征模態(tài)函數(shù)，由于EMD會(huì)根據(jù)信號(hào)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行信號(hào)分解，所以得到的IMF會(huì)含有豐富的頻率信息。利用HT的瞬時(shí)頻率概念得到希爾伯特譜，通過(guò)對(duì)其在時(shí)間域積分，利用邊際譜來(lái)研究在呼吸和心跳不同頻率內(nèi)幅度值的變化情況，從而為心肌灌注的參數(shù)提取提供可能。
3、Hilbert邊際譜可以反映出信號(hào)能量在頻率軸上的分布情況，利用Hilbert邊際譜的能量閾值對(duì)邊際譜進(jìn)行閾值判定，如果邊際譜能量集中且大于閾值，可以得到造影劑灌注過(guò)程中的呼吸頻率和心跳頻率參數(shù)，為心肌梗塞和心肌微循環(huán)提供定量依據(jù)。4、通過(guò)對(duì)SD大鼠的前壁心肌區(qū)域進(jìn)行結(jié)扎后，通過(guò)心肌超聲造影進(jìn)行觀察，并利用上述所給分析方法進(jìn)行信號(hào)提取及特征提取。分析所得邊際譜可以看出，對(duì)應(yīng)正常心肌區(qū)域的灌注生理參數(shù)，即呼吸頻率范圍為f 2Hz、心跳頻率為7 8Hz，與正常心肌情況下大鼠的基本生理參數(shù)一致。對(duì)于心肌梗塞區(qū)域，從灌注過(guò)程中得不到明確的心肌活動(dòng)生理參數(shù)，與心肌壞死的前提一致，從而證明了本發(fā)明方法進(jìn)行心肌灌注的生理參數(shù)測(cè)量的正確性。


圖I為基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解進(jìn)行大鼠心肌超聲造影圖像時(shí)間-強(qiáng)度曲線的分析方法流程圖；
圖2為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解流程 圖3為心肌的六區(qū)域分割 圖4為大鼠六個(gè)心肌區(qū)域的時(shí)間-強(qiáng)度曲線；
圖5為心肌區(qū)域I的時(shí)間-強(qiáng)度曲線的EMD分解結(jié)果；
圖6為心肌區(qū)域3的時(shí)間-強(qiáng)度曲線的EMD分解結(jié)果；
圖7為心肌區(qū)域I的IMFl中對(duì)應(yīng)的各個(gè)瞬時(shí)參數(shù)；
圖8為心肌區(qū)域3的IMFl中對(duì)應(yīng)的各個(gè)瞬時(shí)參數(shù)；
圖9為區(qū)域I的邊際譜；
圖10為區(qū)域3的邊際譜；
圖11為區(qū)域I的邊際譜閾值判斷 圖12為區(qū)域3的邊際譜閾值判斷圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖I所示，本實(shí)施方式的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法包括如下步驟首先對(duì)心肌造影圖像的心肌區(qū)域按順時(shí)針?lè)譃?個(gè)區(qū)域，分別提取每一個(gè)區(qū)域在心肌灌注過(guò)程中的時(shí)間-強(qiáng)度曲線；利用EMD方法對(duì)時(shí)間-強(qiáng)度曲線進(jìn)行分解，得到對(duì)應(yīng)不同頻率的本征模態(tài)函數(shù)；分別對(duì)本征模態(tài)函數(shù)做Hilbert變換，得到各種瞬時(shí)特征參數(shù)，并最終得到Hilbert邊際譜，根據(jù)能量閾值判斷，可以得到心肌造影圖像所對(duì)應(yīng)的心肌灌注情況下的生理參數(shù)，包括呼吸頻率和心跳頻率范圍，從而為基于心肌超聲造影的心肌梗塞或心肌微循環(huán)診斷提供定量依據(jù)。具體步驟如下
步驟一圖像信號(hào)提取部分，為了滿足臨床上對(duì)于心肌梗塞診斷的要求，將心肌按圓周分為六個(gè)區(qū)域進(jìn)行灌注分析，這六個(gè)區(qū)域分別代表心肌的不同部分。六個(gè)心肌區(qū)域按順時(shí)針?lè)謩e標(biāo)號(hào)為Region-I至Region-6,如圖3所示。Region-1,即順時(shí)針I(yè)點(diǎn)到3點(diǎn)的部分(I點(diǎn)為時(shí)鐘在I點(diǎn)時(shí)的位置，依次類推)對(duì)應(yīng)實(shí)際心肌的前壁心肌區(qū)域；Region-2，即順時(shí)針3點(diǎn)到5點(diǎn)的部分對(duì)應(yīng)心肌的側(cè)壁心肌區(qū)域；Region-3，即順時(shí)針5點(diǎn)到7點(diǎn)的部分對(duì)應(yīng)心肌的后壁心肌區(qū)域；Region-4，即7點(diǎn)到9點(diǎn)的部分對(duì)應(yīng)心肌的下壁心肌區(qū)域；Region-5，即9點(diǎn)到11點(diǎn)的部分對(duì)應(yīng)心肌的后間隔心肌區(qū)域；Region-6，即11點(diǎn)到I點(diǎn)的部分對(duì)應(yīng)心肌的前間隔心肌區(qū)域。心肌區(qū)域分割的目的是為了對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行分別處理，每個(gè)區(qū)域分別代表了心肌的不同部分，在臨床中通常僅對(duì)不同區(qū)域的心肌進(jìn)行微循環(huán)灌注分析，通過(guò)計(jì)算每一個(gè)區(qū)域的平均灌注強(qiáng)度信息，來(lái)盡量反映該區(qū)域內(nèi)的心肌灌注情況。實(shí)踐證明，將心肌進(jìn)行分區(qū)處理能夠明顯提高灌注生理參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。時(shí)間-強(qiáng)度曲線提取是將分割出來(lái)的心肌區(qū)域進(jìn)行時(shí)間-強(qiáng)度曲線繪制，由于心肌超聲造影圖像的幀順序反映了時(shí)間信息，而每一幀中的每個(gè)心肌區(qū)域中的平均像素強(qiáng)度反映了在該時(shí)刻上造影劑的灌注情況，所以以時(shí)間為橫坐標(biāo)，每個(gè)區(qū)域心肌的平均灰度值為縱坐標(biāo)可以做出時(shí)間-強(qiáng)度曲線，該曲線可以反映心肌內(nèi)造影劑的灌注情況。直接使用平均灰度值繪制曲線的方法，能夠完全保留心腔區(qū)域灰度變化的信息，而且沒(méi)有引入心腔區(qū)域灰度變化的干擾、簡(jiǎn)單直觀，后面的研究都是基于這種平均灰度值曲線的繪制方法進(jìn)行的。
步驟二 信號(hào)特征提取部分，對(duì)提取出的時(shí)間-平均灰度值強(qiáng)度曲線進(jìn)行EMD分解，得到擴(kuò)展的信號(hào)本征模態(tài)函數(shù)。對(duì)經(jīng)過(guò)提取的信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)，得到擴(kuò)展的特征曲線，用本征模態(tài)函數(shù)(IMF)表示。要成為IMF有兩個(gè)條件(I)極值及過(guò)零點(diǎn)相差不可以超過(guò)I個(gè)；(2)上下包絡(luò)線和為O。要完全嚴(yán)格的滿足這兩條中的第(2)條是不可能的，所以只能要求其盡量小?？梢酝ㄟ^(guò)如下的分解方法得到IMF。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的流程圖如圖2所示，具體描述如下
為了 得到分解的本征模態(tài)函數(shù)IMF，定義. ^),其中1=1，…，L.代表了 IMF的序號(hào)，k=l，…K.代表了篩選次數(shù)。篩選過(guò)程從輸入信號(hào)開始，定義、(9 =忒4為了得到下一個(gè)IMF，我們將前一個(gè)IMF函數(shù)的余項(xiàng)作為輸入信號(hào)，對(duì)于給定信號(hào)χ( )的IMF篩選過(guò)程，包括以下步驟
(I)程序初始化，并搜索信號(hào)的振幅極大值及振幅極小值。(2)使用三次樣條插值得到上下包絡(luò)線，分別記為《+(O和.<(I)。并計(jì)算上下包絡(luò)的均值
、^(0+e~(t)
&^{ )=-；
2
(3)通過(guò)前一級(jí)信號(hào)與包絡(luò)均值計(jì)算出后一級(jí)信號(hào)
l^) =七觀(f);
檢查步驟(3)得到的信號(hào)是否滿足IMF的條件，即當(dāng)包絡(luò)均值足夠接近零時(shí)迭代終止
卜.( )| < ε ；
(4)通過(guò)判定準(zhǔn)則來(lái)判斷信號(hào)均值是否足夠趨近于零，如果不符合則重復(fù)步驟I至3。當(dāng)滿足判定準(zhǔn)則時(shí)，IMF函數(shù)Ci(Wj)定義為步驟3最后一次的結(jié)果，即
c 1(f) — ;
定義余項(xiàng)
= ^io ￠^) — cI (β)；
(5)計(jì)算下一個(gè)IMF需要重新初始化，將余項(xiàng)作為輸入信號(hào)，通過(guò)步驟I進(jìn)行重復(fù)篩選，
權(quán)利要求
1.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述方法包括如下步驟 一、圖像信號(hào)提取部分對(duì)心肌造影圖像的心肌區(qū)域按圓周順時(shí)針?lè)较蚍譃榱鶄€(gè)區(qū)域進(jìn)行灌注信號(hào)提取，這六個(gè)區(qū)域分別代表前壁心肌區(qū)域、側(cè)壁心肌區(qū)域、后壁心肌區(qū)域、下壁心肌區(qū)域、后間隔心肌區(qū)域和前間隔心肌區(qū)域，分別提取每一個(gè)心肌分割區(qū)域的時(shí)間-強(qiáng)度曲線，曲線以橫時(shí)間為坐標(biāo)，每個(gè)區(qū)域心肌的平均灰度值為縱坐標(biāo)； 二、信號(hào)特征提取部分對(duì)提取出的時(shí)間-平均灰度值強(qiáng)度曲線進(jìn)行EMD分解，得到擴(kuò)展的信號(hào)本征模態(tài)函數(shù)，對(duì)得到的第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，得到瞬時(shí)譜參數(shù)，包括瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位，對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)的幅值進(jìn)行累加，得到Hilbert-Huang 邊際譜； 三、閾值判定部分利用Hilbert邊際譜的能量閾值對(duì)邊際譜進(jìn)行閾值判定，如果邊際譜能量集中且大于閾值，可以得到造影劑灌注過(guò)程中的生理參數(shù)，包括呼吸頻率和心跳頻率參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)相位弓￠)和瞬時(shí)頻率A ￠)的表達(dá)式為
3.根據(jù)權(quán)利I所述的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述邊際譜表達(dá)式為
4.根據(jù)權(quán)利I所述的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述邊際譜有兩個(gè)大的能量幅值，且超過(guò)給定閾值之上，則該兩個(gè)能量閾值范圍對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)呼吸頻率點(diǎn)和心跳頻率點(diǎn)范圍。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述邊際譜只含有一個(gè)超過(guò)能量閾值的頻率段，則該能量閾值范圍對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為呼吸頻率范圍。
全文摘要
基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的心肌超聲造影圖像生理參數(shù)測(cè)量方法，涉及一種心肌超聲造影圖像的時(shí)間-強(qiáng)度曲線分析方法。本發(fā)明包括如下步驟一、對(duì)心肌區(qū)域按圓周分為六個(gè)區(qū)域進(jìn)行灌注信號(hào)提取，分別提取每一個(gè)心肌分割區(qū)域的時(shí)間-強(qiáng)度曲線；二、對(duì)提取出的時(shí)間-平均灰度值強(qiáng)度曲線進(jìn)行EMD分解，得到擴(kuò)展的信號(hào)本征模態(tài)函數(shù)，對(duì)得到的第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，得到瞬時(shí)譜參數(shù)，對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)的幅值進(jìn)行累加，得到邊際譜；三、利用邊際譜的能量閾值對(duì)邊際譜進(jìn)行閾值判定。本發(fā)明為基于心肌超聲造影圖像的心肌梗塞或心肌微循環(huán)診斷提供了一種分析途徑，從而提高基于心肌超聲造影的生理參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了醫(yī)生的主觀依賴性。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102855623SQ20121025001
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者金晶, 杜國(guó)慶, 沈毅 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)