超声心动图斑点追踪技术研究

超声心动图斑点追踪技术研究
摘要：超声心动图斑点追踪技术是一种无创性诊断技术，能提供更多心功能评价指标。

本文描述连续超声心动图获取、提取和斑点追踪技术的基本算法，为斑点追踪技术临床的应用打下基础。

关键词：斑点追踪超声心动图算法
Abstract：Echocardiography speckle tracking is a noninvasive diagnostic techniques that can provide more cardiac function evaluation. This paper describes the continuous echocardiography acquisition, extraction and the basic algorithm of speckle tracking technology. The result lays the foundation for the clinical application of speckle tracking.
Key words: Speckle tracking Echocardiography Algorithm
前言：众所周知心血管病是全球死亡原因之一，估计到2015年每年将有2000万人死于心血管病，为增强心血管的防治意识，世界卫生组织专门制定《心血管风险评估和管理袖珍指南》。

我国政府高度重视心血管病防治工作，在二甲医院配备了目前诊断心脏病最有效的B型超声波诊断仪。

超声波束由于在心肌的散射、反射和干涉等原因在二维超声心动图上形成斑点，这些斑点给人们通过在心脏循环搏动中逐帧追踪心肌活动情况的机会。

超声心动图斑点追踪（Speckle tracking echocardiography ，STE）是通过计算机图像分析技术追踪心肌超声波斑点，客观给出与心肌变形相关的全局和局部心功能评价量化指标一种无创性的新技术。

超声心动图斑点追踪技术已经衍生出应变（Strain）、应变率（SR），二维应变超声心动图（2DSI），自动功能成像（AFI），速度向量成像（VVI），三维斑点追踪成像（3DSTI）等技术。

是当代超声心动图技术结合计算机技术继续发展的核心技术。

通过利用计算机图像处理技术对序列超声心动图中心肌超声波斑点进行追踪，实现超声心动图斑点追踪技术所到达的功能。

本技术属于超声心动图后处理工作，单独作为超声心动图工作站使用可提供更多临床心功能评价量化指标；也可直接融入B型超声波诊断仪中，提升其性能和价值。

对增加我国B型超声波诊断仪技术含量和有效利用超声心动图资源均有促进意义。

1、原始图像获取
较先进的超声波诊断仪如GE vivid 7，可以以DICOM文件格式保存超声心动图全部原始资料，具有回放和事后分析能力。

DICOM文件可以通过外部存储设备进行交换。

在超声设备中，DICOM的图像使用无损RLE压缩，保证资料的完整性。

为实现利用超声心动图斑点追踪得到左心室心功能指标，需要采集长轴切面，短轴切面与四腔心切面的连续超声心动图原始数据DICOM文件，结合电生理学分析心脏舒张过程、收缩过程的超声心动图变化情况，找出斑点图像与应变的关系，完善匹配算法。

分析心脏舒张末期、收缩末期的超声心动图变化情况，找出斑点图像在应变为0的变化规律，并标记舒张末期、收缩末期为特征帧。

2、连续图像提取
DICOM是国际标准，标准文本全球免费公开。

超声波诊断的DICOM文件包含扇形二维256灰阶连续灰度图像，分辨率达到1mm2/pixel。

在GE vivid 7，
图像数据除了以PixelData的标签Tag{0x7FE0,0x0010}表示以外，还有Group{0X6003}和Group{0X7FE1}的私有标签。

使用JPEG2000解压算法后可获得点阵连续图像。

3、光学流模型
光流是运动估算中常用的方法[1][2]。

光流主要有4种算法，即微分法、匹配法、基于能量的方法和基于相位的方法，在心肌运动分析中微分法最为常用。

微分法是基于图像的时间空间变换：
和光强守恒的假设，根据泰勒展开和忽略高阶项得到梯度约束方程：
其中：，为t对I的偏导数，。

实际上，上式得到光强守恒的空间包络的法向速度分量。

法向速度s和法向表达式为：
由于v有两个分量，需要进一步限制，才可能有唯一解。

有几个解决方案。

Horn和Schunck进一步假设全局光流平滑变化，使
最小化作为求解的限制条件。

使用迭代方法计算有两个分量。

其中：k为迭代次数，和为初始速度估算值，可设为0，
和分别为邻近区域的和的平均值，迭代次数通常高达100次。

Lucas and Kanade提出使用局部加权最小方法加以限制，使下式最小化其中：为邻近区域，W为窗口函数。

通过对v求导得v的解满足
其中：
因此，速度可以解析为：
其中：
如果非奇异，则v有解。

Lucas and Kanade提出的解决方法中权重函数应该是可分离和各向同性，例如可以使用高斯分布函数特显区域中心的影响。

邻近区域大小需要合理，邻近区域太小容易出现
奇异，若出现奇异则无法计算速度分量，而且无法估计快速运动。

在计算、可以利用差分近似，例如sobel算子等。

4、实验
在临床应用中，为节省斑点追踪的光流模型时间，首先通过图像滤波方法确定心肌位置，也就是感兴趣的区域（ROI）。

然后在感兴趣的区域，使用Lucas and Kanade算法计算速度场，再联合三个切面速度场重构一个三维空间的速度场。

结语
通过对存有心肌梗死的B超图像进行分析，光流模型能反映心肌梗死的位置，斑点追踪技术能进一步拓展B型超声波诊断的应用，从中获取更多心功能指标。

参考文献：
[1]Barron J,Fleet D , Beauchemin S. Performance of optical flow techniques [J ] . International Journal of Computer Vision , 1994 ,12 (1) : 42 - 77.
[2]Berthol Horn , Brian Schunck.. Determing Optical flow. Artificial Intelligence [M],1981,185 - 203.。