9_肺循环血液动力学参数无损检测

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(4) 包络提取
四种方法6种信噪比下估计相对误差
∞ 百分比法 改进百分比法 小波变换法 动态规划法 40 (dB) 0.22% 0.17% 0.24% 0.26% 20 (dB) 0.22% 0.17% 0.25% 0.27% 10 (dB) 3.39% 1.29% 0.32% 0.30% 5 (dB) 8.83% 4.98% 1.35% 0.40% 0 (dB) 10.44% 9.94% 7.81% 4.03%
灰度变换一般可分为: 线性变换、分段线性变换、非线性变换
非线性灰度变换
采用两步变换 (1)血流信号灰度分割
血流信号声谱图的灰度分布直方图具有不止 一个波峰,灰度值最小的波峰往往幅度最大, 对应于声谱图中的背景噪声,灰度值较大的 其余波峰则对应图像中的血流信号,一般幅 度较小。以直方图上第一、二个波峰间的波 谷所对应的灰度值为阈值,只对灰度大于此 阈值的像素进行灰度变换,其余像素映射到0, 可以有效地抑制背景噪声。
无创估测临床基础 (2)
无创估测临床基础 (3)
肺血流量估测 血流量测量技术
QP = V × A = V
πD 2
4
V A Q D
:肺动脉血流平均速度 :肺动脉血管截面积 :肺血流量 :肺动脉血管直径
无创估测临床基础 (4)
全肺阻力和肺血管阻力估测 Poiseuille定律(1846) :
kD 4 Q= ∆P L
l +1
xi , k
xi , k
(4) 包络提取
设计动态规划指标函数
xi ,k
xi , k
m 1 r 1 边界能量函数:(i, k ) = ∑ xi ,k − x r ,k + h ∑1 xi ,k − xm−r ,k r i =1 m − r i =r +
其中: x r ,kBaidu Nhomakorabea列向梯度系数 α = 1 边界能量系数 β = 2.5 最优策略p1,n-1
2
(3)声谱图预处理
二维中值滤波 非线性灰度变换 二维灰度形态滤波
二维中值滤波
二维中值滤波(Two Dimension Median Filtering)是一种非线性数字图像处理方法, 对于干扰脉冲和点状噪声具有良好的抑制作用, 对图像边缘则能较好的保持 一维情况下,中值滤波器是一个含有奇数个点 的滑动窗口,滤波过程就是将窗口中心点的值 用窗口内各点的中值代替 推广到二维,针对数字图像采用二维窗口滤波, 将二维窗口内的像素排序,取中值输出
k=
π
128η
Q :流量 △P :压力差 D :圆管内直径 L :管长 k :比例系数 η :流体粘度
无创估测临床基础 (4)
在保持同样的血流量时压力差越大,表 明血液在血管中流动时遇到的阻力越大, 压力差越小,表明血液流动时遇到的阻 力越小 血管阻力关系式
∆P R = Q
R :血管阻力
无创估测临床基础 (4)
(4) 包络提取
已提出的包络自动提取方法主要分为两类: (a)基于数字图像处理技术,利用图像边缘检测或 图像分割的方法,如二值化法、边缘算子法、轮廓 跟踪法等,缺点是算法复杂,计算量较大,且只利 用了声谱图的图像特性 (b)利用多普勒信号在频域的带限特性,采用数字 估计的检测方法,如百分比法、三直线拟合法、几 何法等,这些方法利用了声谱图的频域特性,将包 络与最大频率曲线联系起来,简化了算法,降低了 计算量
非线性灰度变换
一例主动脉血流信号声谱图的灰度分布 直方图 ,图中A点为灰度分割的阈值点
非线性灰度变换
(2)非线性灰度变换 采用如图γ型变换函数,γ 值小于1,图像中小灰度值 像素的灰度值将被拉伸,而 大灰度值像素的灰度值将被 压缩,提高了图像对比度和 血流信号像素饱和度
非线性灰度变换
一例临床采集主动脉血流信号,非线性 灰度变换前后声谱图对比
FPA PAP = AOP FAO
FAO FPA
:主动脉指数 :肺动脉指数
无创估测临床基础 (1)
剔除血流流速峰值简化F 值的改良公式
PEP F= AT × ET
PEP :血流射血前期 AT :血流加速时间 ET :血流射血时间
无创估测临床基础 (1)
肺动脉收缩压 肺动脉舒张压
F PA PASP = AOSP F AO
全肺阻力
PAMP TPR = QP
肺血管阻力
PAMP − PAWP PVR = QP
估测系统实现:系统框图
估测系统实现:软件实现
信号采集流程
估测系统实现:软件实现
血流信号 与心电信号
信号处理 与分析流程
信号降噪
心电信号
血流信号 声谱图处理 声谱图 包络提取 包络曲线 特征点识别 特征点 参数计算 肺血流动力学参数
(4) 包络提取
动态规划方法 解决多阶段决策过程问题的一种最优化 数学方法 目的 :在系统每个阶段可供选择的多种决 策方案中,选择一种适当的决策,若将 整个系统的决策序列称为系统的一个策 略,则在所有允许的策略集合中,确定 一个最优策略 关键:设计合理的动态规划指标函数
(4) 包络提取
曲线的动态规划模型
(4) 包络提取
小波变换法
同样定义多普勒信号功率谱密度的积分函数,在 积分域内适当旋转积分曲线后采用三阶样条小波 进行二进离散小波变换。根据:当信号的奇异点 (对应于最大频率点)是一个上升沿和下降沿的交 点时,该奇异点对应小尺度上小波变换系数的一 对模极大值的零交叉点的知识,从大尺度到小尺 度逐步搜索确定模极大值零交叉点的具体位置 小波变换法的抗噪声性能得到一定改善
假设曲线的长度为n,即由n个点组成 阶段(step):曲线上相邻两点间的空间连接,阶段变 量k,k=1,2,…n-1 状态(state):每个阶段开始时所处的点的位置,状态 变量s,sk表示第k段空间连线的起始点 决策(decision):一个点确定后,可选择多条空间连 线从当前点连接到下一点,决策变量dk(sk)表示处 于第sk个点搜索第k阶段连线时所作的决策
(1)时域信号降噪
血流信号特点:非平稳信号 传统的自适应滤波降噪方法仅考虑均方 误差(MSE)最小化,在降噪的同时引入额 外的噪声分量,降噪效果不理想 采用张羽等提出的利用离散小波框架结 合软阈值的降噪算法。和正交小波变换 方法相比,小波框架分析具有时移不变 性,能更好地保持信号的局部特性。
(2)短时傅里叶变换(STFT)
(4) 包络提取
百分比法 基于多普勒信号(包括噪声)功率谱密度的积 分提出的一种方法,定义某一时刻多普勒信 号功率谱密度的积分函数:
ϕ( f )
ϕ ( f ) = ∫ S ( f )df
fL
fL
f max
f
fS / 2
f
关键是要找到一个合适的百分比值以确定拐 点位置
(4) 包络提取
改进百分比法 由于百分比法很难找到一个固定不变的 最优百分比值,特别是对于舒张期血流 较少或缺损的时刻 考虑针对一个心动周期内不同阶段信号 加噪声总功率的积分,选取不同的百分 比值来估计最大频率
(4) 包络提取
曲线的动态规划模型
策略(policy):确定曲线上各点间连线时所作决策组 成的序列,由初始点s1开始的搜索全过程的策略记 为p1,n-1(s1)={d1(s1), … , dn-1(sn-1)} 指标函数:衡量决策过程优劣,定义为:
Vk ,n−1 ( s k , d k , s k +1 , d k +1 ,⋯ s n ) = ∑ v j ( s j , d j )
本课题方法的提出
本课题考虑将基于计算机处理的超声血 流信号检测与分析技术应用于肺循环血 流动力学检测,实现肺血管阻力(PVR)等 指标的自动无创估测 希望在一定程度上代替有创的心导管手 术方法
无创估测临床基础 (1)
肺动脉收缩压、舒张压和平均压估测 Morera等提出肺动脉-主动脉血流时间间 期比方法
权值 W1=9,W2=1 1 前后两点间的连接度函数: L(l ) = L( x , x i ,k i + l , k +1 ) = 点 xi , k 处的能量函数: E (i, k ) = αg (i, k ) − β h(i, k ) 列向梯度函数: g (i, k ) = xi +1,k − xi ,k
FPA PADP = AODP FAO
肺动脉平均压与收缩压、舒张压间的经验 关系式
1 2 PAMP = PASP + PADP 3 3
无创估测临床基础 (2)
肺动脉楔入压估测 临床经验关系式
PAWP = −12.3018SF % + 0.0147EDR + 5.61
SF % :肺静脉收缩分数 EDR :二尖瓣E波减速度
二维灰度形态滤波
一例临床采集主动脉血流信号,二维灰 度形态滤波前后声谱图对比效果
(4) 包络提取
包络提取的意义:
声谱图包络对应于血流信号最大频率(速度)曲 线,具有重要的临床应用价值 从包络上获得的声谱参数, 如收缩期血流速度最大值 与舒张末期血流速度值之 比S/D、搏动指数PI、阻力 指数RI等,可以作为临床 上血流状况与心血管疾病 诊断的依据
目前的临床测量方法
临床上获得肺循环血流动力学参数的主要方 法是心导管手术方法 心导管手术方法两大局限性: 1. 只能获得若干原始参数,需由医生借助超 声设备进行手工测量并计算得到肺血管阻力 等指标,可操作性与可重复性差 2. 心导管测量是一项创伤性操作,适用范围 有限,常伴有多种并发症,安全性和可靠性 有待提高
二维中值滤波
以一例临床采集的主动脉血流信号为例, 声谱图二维中值滤波前后的效果
非线性灰度变换
数字图像增强手段,可使图像的动态范围增 大,对比度增强,特征更加明显 假设原图像f(x,y)的灰度分布范围[a,b], 变换后图像g(x,y)的灰度分布范围[c,d], 它们之间的关系可表示为:
g ( x, y ) = T [ f ( x, y )], f ∈ [a, b], g ∈ [c, d ]
j =k n −1
使指标函数Vk,n-1达到最优的策略是从第k个点开始 的后续搜索过程的最优策略,记为pk,n-1*。动态规划 的最终目标即为求解全过程的最优策略p1,n-1*。
(4) 包络提取
设计动态规划指标函数
阶段指标函数:
v j ( s j , d j ) = W1 E (i, j ) + W2 L (l )
二维灰度形态滤波
数学形态学运算是由一组形态学代数运 算子组成,基本运算包括:膨胀、腐蚀、 开和闭 具体操作是用由点集构成的称为结构元 素(Structuring Element)的探针对数字 图像进行移位、交、并等集合运算,以 便分析和处理图像的形状和结构特征
二维灰度形态滤波
采用一次腐蚀和一次膨胀组成的开运算 对声谱图进行二维灰度形态滤波 进行腐蚀是为了抑制背景噪声特别是散 点噪声,再进行膨胀处理是为了减小边 缘毛刺现象和恢复亮度
加窗后的多普勒信号: x w (t ) = w(t ) x d (t ) 多普勒信号的短时傅里叶变换:
STFTx (t , f ) = ∫ w(τ ) x d (τ − t )e − j 2πfτ dτ
−∞ ∞
多普勒信号的功率谱密度:
S x (t , f ) =


−∞
w(τ ) x d (τ − t )e − j 2πfτ dτ
*:
*
1 r = ∑ xi ,k r i =1
x m − r ,k
m 1 = ∑1xi ,k m − r i =r +
p1,n −1 = max{V1,n −1 } = max{∑ v j ( s j , d j )}
j =1
n −1
(4) 包络提取
对于仿真信号叠加不同强度白噪声,得到信 噪比为∞、40 dB、20 dB、10 dB、5 dB和0 dB 6组信号。采用四种方法提取6组信号的最 大频率曲线,得到平均误差示意图
肺血管阻力自动无创估测 新方法与系统的研究
复旦大学电子工程系 汪源源 蔡晓冬
肺循环血流动力学参数
为了定量表征肺循环系统的形态结构和 功能特征而引入的血流动力学参数 目的:通过检测肺循环血流动力学参数 的变化,为临床诊断与疾病治疗提供有 价值的信息
肺循环血流动力学参数主要包括
肺动脉收缩压(PASP) 肺动脉舒张压(PADP) 肺动脉平均压(PAMP) 肺动脉楔入压(PAWP) 心率(HR) 每搏输出量(SV) 肺血流量(QP) 全肺阻力(TPR) 肺血管阻力(PVR) …… 肺动脉压力、肺血流量、全肺阻力、肺血管 阻力是临床常用的重要指标
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