超声斑点追踪

2.2 有效性
早期组织体模的研究结果表明， 斑点追踪和声纳微测量法的测量结果相比， 尽管在数值
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较低时估计值较高， 但是可以确定具有很好的相关性。 在动物模型测试中也发现具有很好的 相关性，仅在形变很小的时候相关性较差。在如缺血等引起的运动障碍的心肌部分，心肌纤 维定向会改变，从而影响声特性和斑点完整性。使用新的二阶段跟踪算法，在 2DSE 的值和 测试的数值中表现出更好的相关性。 对心肌梗死病人进行的可行性与准确性研究表明， 检测结果具有很好的可重复性。 通过 MRI 的参考对比，对于径向测量，2DSE 比组织多普勒成像的测量更加可靠。
2.4 图像获取
在屛住呼吸，有一个稳定的 ECG 记录的同时，数字化记录最少一个心动周期的图像。 一般认为帧频在 50 到 80 的时候对于左心室长轴和短轴的跟踪质量较好。 对于单个心壁的记 录，帧频在 70 到 110 时较好。
2.5 后处理
(1) 在静态帧里面定义要跟踪的感兴趣区域(ROI)，通常在心脏收缩末期进行。 (2) 设置 ROI 的宽度以匹配心肌厚度。软件在整个心动周期内，逐帧计算 ROI 内的斑 点模式。 (3)跟踪的质量进行评价，结果为可接受或者不可接受。由于斑点追踪跟踪所有的斑点 模式，有可能错误地跟踪伪影。因此追踪结果要进行可视化检查，需要时可以调整。微小的 跟踪失效都会导致应变曲线的漂移。
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超声二维斑点追踪
一、心肌形变背景
心肌在心脏收缩期由于肌节变短产生形变。 这种主动形变产生内部容量变小， 结果就产 生血液从心室喷出。在心脏舒张期，原来的心室由于主动松弛体积恢复，并通过心房的收缩 而被动充满。由于心脏组织实际是不能压缩的，在心动周期内心室壁的体积保持一定，由此 产生三维形变。在心脏的收缩期，三维形变可以通过三个心室的坐标来表达：纵向缩短，周 长缩短和径向变厚。 定义了相对于在心动周期开始时的初始长度， 心脏形变可以用的参数来表达： 应变( )， 心动周期的整个变形，用百分比表达。令 L0 为初始长度，L 为长度的改变量，L 为总长度， 则应变的计算式为：
Baidu Nhomakorabea
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二、二维斑点追踪 2.1 原理
二维应变成像使用标准的 B 模式图像进行斑点追踪分析，其中斑点模式，就是由反射 的超声束产生的反向散射体， 通过一帧一帧的跟踪进行。 对于每个心肌区域该斑点模式是唯 一的， 在整个心动周期中也是相对稳定的。 这个斑点模式的位置经过仔细计算来跟踪心肌的 运动和代表心肌形变的斑点之间的改变。如下图所示，红色框代表一个模式开始位置，绿色 框代表该模式在心脏收缩末期的位置，RA 为右心室，LV 为左心室，RA 为右心房。同时可 以观察到在方框内由于形变引起斑点之间的距离的改变，纵向缩短和径向增厚。
D (i , j )
1 MN
m a n b
(u
M
N
w
( m, n ) um 1 ( m i, n j )) 2 ， p i, j p
(i,j)是相对位移。i 的方向同 m 的方向相同，j 的方向同 n 的方向相同。 第五步：定义 E(x)={(0,0),(x,0),(0,x),(−x,0),(0,−x)} F(x)={(i,j); −x≤i,j≤x} x>0，且为整数 x>0，且为整数
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当在图形中可视化后，心脏周期的不同阶段通常可以识别出来：心脏收缩期，应变的值 更负（S 波） ，负峰值在主动脉瓣关闭处，代表了在收缩期最大的纵向心肌缩短。在心脏舒 张期，应变值转为零（向着心肌段在心动周期的初始长度） ，可以分为三个阶段：(1)早期， 或者快速充满期(E 波)，跟随着(2)平稳期，或者心脏休息期，最后是(3)心房充满期(A 波)。 下图为纵向应变例图。纵向应变来自于健康人的心室隔膜组织多普勒数据。Y 轴表示应 变(%),X 轴表示时间(一个心脏周期)。蓝线表示心脏事件： MVC——二尖瓣关闭 MVO——二尖瓣打开
三、斑点追踪的快速匹配算法
第一步：令 w 表示图像的帧编号，w(a，b)表示第 w 幅图像中坐标为（a，b）的像素值，
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初始时候 w=1。 第二步：将图像 w 分成 M×N 的子块，对各子块用二维数组命名为 J(a，b)，J(a，b)表 示各子块左上角第一个像素的坐标，初始的时候令 a=1，b=1。其中的 M,N 根据实际处理时 的效率和精度做选择 第三步： 令子块 J(a， b)为 U， UR 是参考图像 w+1 以 J(a， b)为中心的 （M+2P） × （N+2P） 的子块，P 是两个方向上的最大允许位移，根据实际处理时的效率和精度做选择 第四步：定义 U 和 UR 间的平均失真函数为：
超声二维斑点追踪
哈尔滨工业大学(威海)检测与控制研究中心
2014 年 4 月 9 日
超声二维斑点追踪
版本： Ver 1.0
一、心肌形变背景 ..............................................................................2 二、二维斑点追踪 ..............................................................................5 2.1 原理..........................................................................................5 2.2 有效性......................................................................................5 2.3 限制..........................................................................................6 2.4 图像获取 .................................................................................6 2.5 后处理......................................................................................6 三、斑点追踪的快速匹配算法 ..........................................................6
2.3 限制
2DSE 通常比组织多普勒更加光滑，因此受到伪影的影响更小，对于小区域的异常状态 检测灵敏度也更小。 目前，斑点跟踪的最优帧频是每秒 50 到 70 帧，远远低于组织多普勒的 180 帧/秒。这 样会导致采样不足，尤其对于心动过速的病人，心脏周期重的快速事件会跟踪不上，峰值 SR 和速度值会变小。高帧频会减小欠采样问题，但是导致减小了空间分辨率，从而影响最 佳跟踪。低帧频减小了空间分辨率，也产生新问题，斑点模式会出现在追踪搜索区域之外。 另一个限制是由于采用了各段的平均值， 对于早期心肌肥厚等， 由于相邻心肌的正常形 变，会导致结果正常。

L L0 L L0 L0
这意味着纵向和周长的缩短产生负应变， 径向变厚产生正应变。 当要研究的心肌段在心 动周期的初始长度已知时， 全部心动周期的相对的长度改变可以计算出来。 局部的末期应变 值反应了区域的射血分数， 全程的左心室末期应变反映了左心室的射血分数。 下图为左心室 射血分数和绝对应变值的相关性。
AVC——主动脉瓣打开 AVO——主动脉瓣关闭
心肌应变发生的速度称为应变率(SR),表示应变在一个周期时间的改变。因此，当心肌
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变短，有负的 SR，应变曲线越陡，SR 值越大。心脏收缩的峰值应变率和单独的伸缩性指标 有很好的相关性。和应变类似，当用图形画出来的时候，不同的心脏阶段可以识别出来：心 脏收缩期，负的斜率代表心肌收缩，心脏收缩的峰值 SR 在应变曲线最陡的部分，心脏舒张 期有两个正的斜率：E 波和 A 波，没有改变的时候就是休息期。 。在心脏收缩 下图为纵向应变率曲线。Y 轴为应变率(s-1)，X 轴为时间（1 个心动周期） 期有负的 SR，此时对应的应变更负（心肌收缩） ，在应变曲线上冲的 E 波和 A 波时有正的 SR。当没有应变的时候，SR 为零。
当跟踪一个定义的斑点区域时， 用软件算法跟踪该区域几何位置的改变， 一帧一帧地提 取定义的心肌段的位置、速度、应变和应变率。和组织多普勒成像仅能成像一维参数相比， 纵向与横向参数都可以计算出来， 因此常常称为二维应变超声心动学 （two dimensional strain echocardiography, 2DSE） 。
第六步：令 D(i,j)=∞ （初始化） V0=[log2p] v=max{2，2 ^(V0-1)} q=l=0 第七步：对所有(i,j)∈E(v)，计算 D(i+q,j+l,)，并比较获得最小值，并记录最小值时 i,j 的值，如果 i=0 且 j=0，跳到第九步；否则跳到第八步。 第八步：令 q=q+i, l=l+j；E(v)=E(v)+(i,j)；进入第七步。 第九步：v=v/2。如果 n=1，进入第十步；否则，进入第七步。 第十步：寻找(i,j)∈N(1)使得 D(i+q, j+l,)为最小值，令 q=i+q, l=l+j。令 w(a，b)=(q,l) 第十一步：当 a<阈值时，如果 b<阈值，则 a=a，b=b+N；否则令 a=a+M，b=1，回到第 三步。当 a>某值时，令 w=w+1，回到第二步。阈值需要根据实际处理时的效率和精度做选 择。 [*]是一个整数截断函数
为了更好地评价区域的心肌功能，应变和 SR 都要被计算，因为两者提供互补的信息： 在收缩末期应变估计射血分数，峰值心脏收缩 SR 是对于收缩性的测量。这就和旅行中开车 的总距离以及旅途中车的速度一起提供有价值的信息一样。 目前，有两种不同的方式使用超声计算心肌的形变：组织多普勒得到应变，以及从 B 模图像用斑点追踪得到二维的应变。
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