（模式识别与智能系统专业论文）三维超声心动图最佳切面自动检测方法的研究.pdf

0104月， ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a o t o n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y a u t o d e t e c t i o no ft h eo p t i m 队lc r o s ss e c t i o n s i n3 d e c h o c a r d i o g r a p h i ci m a g e s a u t h o r ：l i ux i a o p i n g a d v i s e r ：p r o f e s s o ry a n gx i n m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m s u b j e c t ：m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n g i n s t i t u t eo f i m a g ep r o c e s s i n ga n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n s h a n g h a ij i a o t o n gu n i v e r s i t y m a r c h2 0 0 9 唧0川9眦5 5洲3唧8iiiii_-_舢y 一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：洲小车 1 日期：川年r 月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：5 t l1 小争 日期：弘。i 年r 月6 目 ，歌知缓 b 孕 名 年 签7 币 旷 y 一 狮 加 导 期 指 日 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名 刘小平学号0 0 4 0 3 2 2 0 4 7模式识别与智能系统 学科 指导教师 杨新 答辩 2 0 0 9 0 3 1 6 答辩 交大徐汇区教二楼2 2 6 日期地点 论文题目 = 维超声心动图最佳切面自动检测方法的研究 投票表决结果：7 夕7( 同意票数实到委员数应到委员数) 答辩结论：蝠缸过 口未通过 评语和决议： 本论文以临床医生确定四腔切面的先验知识为指导，利用图像处理与模式识别技术对实 婴自动检测最佳切面算法进行了深入探索。因此，本论文选题具有理论意义和实用价值，弄 取得r 如卜结果： 针对心尖采集的三维超声心动图的特点，提出基于二维图像检索的心尖数据四腔切面检 测方法；对常用互信息算法的不足进仃j ，分析，并提出改进，通过对多种方法的实验结果进 行比较证明，改进的算法能更好地找到最佳四腔切面；提出由粗到精的四腔切面检索方法： 在找到四腔切面的基础上，根据最佳切面位置分布的特点，进一步提出各个最佳切面的检测 方法：实现了利用一幅模板图像，实现不同人的心尖数据最佳切面的快速自动检测；设计了 一种较为可行的三维超声心动图配准方法用以检测最佳切面，该方法通过三维配准，可一次 性检测所有最佳切面：且它对于从不同部位采集的超声心动图的最佳切面检测，具有通用枉。 论文立论正确，条理清晰，层次分明，实验数据可靠。论文有创新性。论文工作体现了 作者已经掌握本专业的坚实的理论基础和系统深入的专业知识，独立从事科研能力强。 该同学在答辩过程中表述清楚，能正确到答所提问题，经答辩委员会无记名投票，一致同 总通过论文答辩。建议校学位委员会授予工学博士学位。 0 2 卯夕年尹月蹈日 职务姓名职称单位整备 善i 主席 章鲁教授上海交通大学 砀锣 答 矮i 里 辩 委员 宋志坚教授 复旦大学 委 委员 严壮志教授上海大学 严l l 知 员 会 委员施鹏飞 教授上海交通大学 ，么私 成 苏t j 勿。彳 员 委员 刘允才教授上海交通大学 签 委员 杨杰教授上海交通大学 扔互j名 委员 杨新教授上海交通大学 孝荔搿 秘书 朱莉莉 工程师 上海交通大学揣 摘要 三维超声心动图最佳切面自动检测方法的研究 摘要 实时三维超声心动图可以同步观察整个心脏的结构和运动，且可通 过选择任意位置的切面观测心脏内部情况。在使用现有实时三维超声系 统检查先天性心脏病的过程中，医生需要人工寻找若干最佳剖视面进行 观察，这是一项繁琐且费时的工作；为便于诊断，我们提出了在三维超 声心动图中自动检测最佳切面的研究课题。由计算机实现最佳切面的自 动检测可以更精确、快速地找到最佳切面；具有可重复性，在最佳切面 自动检测的基础上，可对心脏结构进行测量及其他计算机辅助诊断。目 前，国内外尚未出现与本课题相关的研究报道，作为一项开创性工作， 本文对三维超声心动图最佳切面检测方法进行探索，提出以下几种方法： 得益于图像检索技术的启发，参考医生人工寻找最佳切面的方 法，针对心尖采集的三维超声心动图的特点，提出基于二维图像检索的 心尖数据四腔切面检测方法。首先，选择一幅心脏舒张末期的四腔切面 超声图像作为模板；其次，在待检测的三维超声心动图中提取出一系列 二维切面图像，建立待检索的图像库；然后，在该图像库中检索出与模 板图像最相似的一幅切面图像，将其所在的位置作为该三维超声心动图 中四腔切面的位置。在探索合适的四腔切面检索算法时，对常用互信息 算法的不足进行了分析，并提出改进算法，通过对多种方法的实验结果 进行比较，改进的算法能更好的找到四腔切面。 j 芦麦互戈謦博士学位论文 根据临床需求及采集数据的实际情况，结合图像检索技术，提出 由粗到精的四腔切面检索方法。首先，在粗检索阶段采用了对平移、旋 转、缩放等变换具有鲁棒性，且计算简单快速的直方图特征：由粗检索 筛选出部分图像后，再进行精检索；在进行精检索之前，采用归一化互 相关系数测度，在剩下的每一幅切面中寻找与模板图像最匹配的窗口图 像位置；由于四腔切面的窗口图像中包含重要的边缘特征，因此，精检 索利用高频特征，搜索与模板图像最相似的窗口图像，其所在的切面即 作为要寻找的四腔切面。在找到四腔切面的基础上，根据最佳切面位置 分布的特点，本文进一步提出其他最佳切面的检测方法。该四腔切面及 其他最佳切面的检测方法，可利用一幅模板图像，实现不同人的心尖数 据最佳切面的快速自动检测。 结合心脏结构及三维超声心动图的特点，根据临床上对最佳切面 检测的实际需求，设计了一种较为可行的三维超声心动图配准方法用以 检测最佳切面。首先，从三维超声心动图舒张末期的体数据中截取出一 块感兴趣区域作为模板，使得模板图像与待检测最佳切面的三维超声心 动图之间的三维配准计算量显著减小。其次，考虑到三维超声心动图的 自动分割难以实现，选择最大互信息作为配准准则；根据最佳切面检测 在精度上要求不高，而在实时性和自动化程度上要求较高的特点，选择 刚体变换作为模板图像与待检测的三维超声心动图之间的变换；并选择 p o w e l l 优化对参数进行搜索。该方法通过三维配准，可一次性检测所有 最佳切面；且它对于从不同部位采集的超声心动图的最佳切面检测，具 有通用性。 关键词：三维超声心动图，图像检索，累积直方图，互相关系数，小波 变换，互信息，图像配准 a b s t ra c t a u t o d e t e c t i o no ft h eo p t i m - a lc r o s ss e c t i o n si n3 d e c h o c a r d i o g r a p h i ci m a g e s a b s t r a c t n o w a d a y sr e a l - - t i m et h r e e d i m e n s i o n a le c h o c a r d i o g r a p h y ( r t 3 d e ) i sa p o w e r f u lt o o lf o rc l i n i c a ld i a g n o s i sa si ti sa b l et oc a p t u r em o v e m e n to ft h e w h o l eh e a r ta n dd i s p l a yi n t r a - c a r d i a cs t r u c t u r e sb yc h o o s i n ga l la r b i t r a r y c r o s ss e c t i o n ( o ri m a g i n gp l a n e ) i nm o s tc a s e s ，t h ee c h o c a r d i o g r a p h e rm a k e s ad i a g n o s i sb ys t u d y i n gs e v e r a li m p o r t a n tc r o s ss e c t i o n sw h i c ha r ed e f i n e da s t h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n s h o w e v e r , i ti sat i m e c o n s u m i n ga n dt e d i o u st a s k f o re c h o c a r d i o g r a p h e r st om a n u a l l ys e a r c ht h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n sb yt h e e x i s t i n gr t 3 d es y s t e m so ro f f - l i n et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) s o f t w a r e t o a s s i s td o c t o r sw i t hc o n g e n i t a lh e a r td i s e a s e ( c u d ) d i a g n o s i s ，w ed e s i g na n a u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h e o p t i m a l c r o s ss e c t i o n si nt h r e e - d i m e n s i o n a l e c h o c a r d i o g r a p h i c ( 3 d e ) i m a g e s a u t o m a t i cd e t e c t i o n ，b a s e do nc o m p u t e r p r o g r a m s ，m i g h to f f e rb e t t e ra c c u r a c ya n dr e p e a t a b i l i t ya n d s a v et i m e f u r t h e r m o r e ，i tc a nb e a p r i o rp r o c e d u r e f o rm e a s u r e m e n ta n dt h e c o m p u t e r - a i d e dd i a g n o s i s s i n c et h e r ei sn or e f e r e n c er e l a t e dt ot h i ss t u d ya t h o m ea n da b r o a d ，o u rr e s e a r c ho nt h ea u t o d e t e c t i o no ft h eo p t i m a lc r o s s s e c t i o n si n3 d e i m a g e si st h ei n i t i a lw o r k t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i n s p i r e db yt h et e c h n i q u e so fi m a g er e t r i e v a la n dm a n u a ls e a r c ho f t h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n s ，w ep r e s e n tam e t h o dt os e a r c ht h ef o u r - c h a m b e r p l a n e ( 4 c p ) i nt h ea p i c a ld a t a s e ta c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea p i c a l d a t a s e t f i r s t l y , at y p i c a le n d - d i a s t o l i c ( e d ) f o u r - c h a m b e r ( 4 c ) i m a g ei s c h o s e na sat e m p l a t e s e c o n d l y , i no r d e rt of i n dt h e4 c pi na3 da p i c a l d a t a s e t ，a ni m a g ed a t a b a s ei sb u i l tb ye x t r a c t i n gc r o s ss e c t i o n sf r o mt h ee d i i i ，芦麦互天謦博士学位论文 v o l u m eo ft h ed a t a s e t t h e nb yi m a g er e t r i e v a l ，t h em o s ts i m i l a ri m a g eo ft h e t e m p l a t ei sr e t r i e v e df r o mt h es t a c ko fi m a g e sa st h e4 c po ft h ed a t a s e t w b t r i e ds e v e r a lm e t h o d st or e t r i e v et h e4 c pa n dt h em o d i f i e da l g o r i t h mb a s e d o nm u m a li n f o r m a t i o n p e r f o r m e db e s t t 0c o p ew i t i lm em i s a l i g n m e n te r r o ro fe a c hd a t a s e t s af a s t c o a r s e t o f i n es t r a t e g yi sd e v e l o p e dt or e t r i e v et h e4 c pf r o mt h es t a c ko f i m a g e se x t r a c t e df r o mt h e3 d ei m a g e ，s u i t a b l ef o rt h er e a l t i m ea p p l i c a t i o n s f i r s t l y , t h ec o a r s er e t r i e v a li sp e r f o r m e db yc o m p a r i n gt h ec u m u l a t i v e h i s t o g r a m so ft h et w oi m a g e s n e x t ，ar i g i dr e g i s t r a t i o na p p r o a c hi sa d o p t e d t of i n dt h eb e s tm a t c ho ft h et e m p l a t ei ne a c hi m a g eo ft h er e d u c e di m a g e s e t ， r e s u l t i n gf r o mt h ec o a r s er e t r i e v a l t h e n ，b e c a u s et h er e c t a n g u l a rr e g i o na t t h ec e n t e ro fa4 ci m a g ec o n t a i n sd i s t i n c te d g e s ，t h eh i g hf r e q u e n c yd e t a i l so f t h ei m a g ea r es e l e c t e da st h ef e a t u r e sf o rt h ef i n er e t r i e v a l t h eo t h e ro p t i m a l c r o s ss e c t i o n sa r eo b t a i n e d ，a c c o r d i n gt ot h es p a t i a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h e m s e l v e sa n dt h e4 c eo u rm e t h o dc a na u t o m a t i c a l l ya n dr a p i d l yd e t e c tt h e o p t i m a lc r o s ss e c t i o n si nt h ea p i c a ld a t a s e t so fd i f f e r e n ts u b j e c t sb yu s i n g o n l yt h ec o r r e s p o n d i n gt e m p l a t ei m a g e si no n en o r m a le dv o l u m e t r i cd a t a ( 9t op e r f o r mr e a l t i m ea u t o d e t e c t i o n a na l g o r i t h mb a s e do n3 d r e g i s t r a t i o ni sd e s i g n e dt od e t e c tt h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n si n3 d ei m a g e s f i r s t l y , i n s t e a do ft h ew h o l ee dv o l u m e 。o n l yp a r to fi ti ss e l e c t e da st h e t e m p l a t e ，w h i c hc o u l db em o r er o b u s tt ot h ec h a n g eo ft h es i z eo rs h a p eo f t h eh e a r ta n dr e d u c et h et i m eo ft h er e g i s t r a t i o n s e c o n d l y , a st h ea u t o m a t i c s e g m e n t a t i o ni nt h e3 d ei m a g ei sd i 伍c u l tt op e r f o r m ，m u m a l i n f o r m a t i o n b a s e d r e g i s t r a t i o ni sa d o p t e d s i n c et h ep o s i t i o n so f t h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n s a r en o tf i x e do rh i g h l ya c c u r a t e ，t h ef l o a tt e m p l a t ei m a g ei sa l i g n e dw i t ht h e r e f e r e n c ei m a g eb y3 dr i g i dr e g i s t r a t i o n a n dp o w e l lm e t h o di sa p p l i e dt o m a x i m i z et h em u m a li n f o r m a t i o nm e a s u r e t h i sr e g i s t r a t i o n b a s e dm e t h o d c a nd e t e c ta l lt h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n so fa3 d ei m a g eb ya l i g n i n gt h e t e m p l a t ei m a g ew i t ht h e3 d ei m a g e a n dt h e r ea r en o tt o om a n yp r o b l e m st o a p p l yt h i ss c h e m ef o rt h ea u t o - d e t e c t i o no ft h eo p t ：i m a lc r o s ss e c t i o n si nt h e p a r a s t e m a lo rs u b c o s t a ld a t a s e t s i v a b s t ra c t k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a le c h o c a r d i o g r a p h y , i m a g e c u m u l a t i v eh i s t o g r a m ，c r o s sc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ，w a v e l e t m u t u a li n f o r m a t i o n ，i m a g er e g i s t r a t i o n v r e t r i e v a l ， t r a n s f o m ， j 萱麦至戈亭博士学位论文 v i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 图表目录i x 缩写表x i 第一章绪论l 1 1 课题背景。l 1 1 1 正常心脏结构与功能。l 1 1 2小儿先天性心脏病2 1 1 3 , b j l 先心病的超声诊断。3 1 1 4三维超声心动图诊断, b j l , 先心病的局限性7 1 2 课题研究内容。8 1 3 基于二维图像检索的最佳切面检测方法一9 1 3 1 基于内容的图像检索9 1 3 2基于二维图像检索的心尖数据最佳切面检测方法9 1 4基于三维配准的最佳切面检测方法1 0 1 4 1 三维配准方法1 0 1 4 2 基于三维配准的最佳切面检测方法1 0 1 5本论文创新点l l 1 6 论文章节安排l2 第二章基于二维图像检索的心尖数据四腔切面检测方法1 3 2 1 引言1 3 2 1 1 三维超声心动图及四腔切面1 3 2 1 2 本章研究内容及安排l5 2 2 实验设计l5 2 3 基于内容的图像检索技术1 6 2 4 基于二维图像检索的四腔切面检测2 0 2 4 1 切面提取2 l 2 4 2 四腔切面检索2 4 2 5 实验及结果分析3 7 2 6本章小结4 3 第三章由粗到精的心尖数据最佳切面检测方法4 5 3 1弓i 言4 5 3 2 由粗到精的四腔切面检索方法4 6 3 2 1 模板选取4 6 3 2 2基于累积直方图的粗检索4 7 v i i ，支至天謦博士学位论文 3 2 3 基于互相关的最佳窗口定位5 1 3 2 4 基于小波特征的精检索6 l 3 3其他切面的定位“ 3 4 实验及结果分析6 6 3 5本章小结7 2 第四章基于三维配准的最佳切面自动检测方法7 5 4 1 引言7 5 4 2 三维超卢图像配准7 5 4 2 1 医学图像配准概述。7 6 4 2 2 三维超声图像配准7 9 4 3 基于三维超声心动图配准的最佳切面检测方法8 0 4 3 1 模板选取8 l 4 3 2 基于三维超声心动图配准的最佳切面检测方法8 1 4 4实验结果及讨论8 9 4 5 本章小结9 2 第五章总结与展望。9 3 5 1 总结9 3 5 2 展望9 5 参考文献9 7 致谢10 9 攻读博士学位期间已发表或录用的论文1 1 1 v i i i 图表目录 图表目录 图1 1 心脏结构及功能示意图2 图l - 2 美国心动图协会推荐二维超声心动图探测位置及标准切面4 图1 3 二维面阵探头工作示意图6 图1 4 五个最佳切面位置示意图8 图2 1 心尖采集数据1 4 图2 2 切面分布示意图2 0 图2 3 切面位置及其在x o y 面内投影示意图2 l 图2 4 在横切面上的切面位置关系2 2 图2 5 在层间的一维线性插值2 3 图2 - 6 二维超声图像2 4 图2 7 基于l s o d a t a 算法对图2 - 6 的分割结果。2 8 图2 8m r 图像和c t 图像生成的特征空间。3 1 图2 - 9m r 图像与其自身经过不同角度旋转图像的联合直方图3 2 图2 1 0 实验结果比较3 6 图2 1 1 三维超声心动图中四腔切面检测算法流程3 7 图2 1 2 三维超声心动图中人工寻找四腔切面结果3 8 图2 1 3 直方图方法检测结果3 9 图2 1 4h u 不变矩方法检测结果3 9 图2 1 5 互信息方法( 阼：2 ) 检测结果4 0 图2 1 6r r - - 0 ，1 ，5 时，e c c 测度所得最相似四腔切面位置与标准位置的比较4 1 图2 1 7 不同相似测度所得最相似四腔切面位置与标准位置的比较4 2 图2 1 8i s o d a t a 算法分割超声图像4 3 图3 1 四腔切面中矩形窗口定位示意图4 6 图3 - 2 腔室壁几乎无法辨认的四腔切面4 8 图3 3 相似测度曲线5 0 图3 - 4 模板图像在其自身所在的切面图像中的匹配相似度曲面5 6 图3 5 模板窗口图像在不同人的四腔切面图像中的匹配相似度曲面5 7 图3 - 6 三角形a b g 职中点m 与反射点r 。5 9 图3 7 三角形a b g 职点r 和开拓点e 5 9 图3 8 收缩点c ，和c 2 示意图6 0 图3 - 9 向曰收缩三角形。6 0 图3 1 0 图像的二级小波变换6 2 图3 1 l 图像二层金字塔( 上) 及树状结构( 下) 小波分解6 2 图3 1 2 ( a ) 原始信号；c o ) d , 波变换分解信号；( c ) 二进小波变换的模极大6 3 图3 1 3 最佳切面位置示意图6 5 i x ，支互z 亭博士学位论文 图3 1 4 流程图。6 6 图3 1 52 8 例正常人数据中四腔切面人工寻找与实验结果的对比6 9 图3 1 62 2 例c a v c 数据中四腔切面人工寻找与实验结果的对比7 0 图3 1 7 最佳切面检测结果7 2 图4 1 基于体素配准流程图7 7 图4 2 三维刚体变换坐标与参数示意图8 3 图4 3 心脏超声体数据中三维坐标系示意图8 5 图4 _ 4 二维情况下三种插值方法示意图8 8 图4 5 互信息测度曲面9 0 图4 _ 6 基于三维配准方法检测四腔切面结果9 l 表2 - 1 各种相似测度正确率列表4 2 表3 - 1 实验数据相关医学信g - 歹, j 表。6 7 表3 - 2 口取不同值的四腔切面检测算法的错误率列表7 l 表5 1 不同方法运行时间与正确率列表：。9 4 x 缩写表 i 玎3 d e c h d 4 c p c a v c e d c t 删 i v u s p w t t w t f f t d c t p c a g s a t i s o d a t a e c c 瑚 n c c s a d t f u n n p v 缩写表 实时三维超声心动图 先天性心脏病 四腔平面 完全性房室通道或完全性房室间隔缺损 舒张末期 x 射线计算机断层成像 核磁共振成像 血管内超声成像 金字塔小波变换 树状结构小波变换 傅立叶变换 离散余弦变换 主成分分析 灰度对称轴变换 迭代自组织数据分析 熵的互相关系数 归一化互信息 归一化互相关 绝对图像灰度差分测度 三线性插值 最近邻插值 部分体积插值 x i ，芦支至z 謦博士学位论文 i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 心脏是人体最重要的脏器之一，它的基本功能是推动血液的流动，保证人体必 需的营养物质的运输和及时将废物排出。先天性心脏病导致心脏功能衰竭，在我国， 先天性心脏病是婴幼儿死亡的主要原因【l i 。近年来，随着超声心动图仪器性能的不断 完善和提高，超声心动图已成为临床先天性心脏病诊断首选的检查方法之一。三维 超声心动图是目前最新的超声诊断技术，先天性心脏病的三维超声心动图诊断是当 前国内外的重点研究课题。 1 1 1 正常心脏结构与功能 心脏位于人体的“中央。它在胸腔之内，前后有胸骨和脊柱骨保护，两侧有肺 和肋骨“把守，下面是横膈，把它和腹腔隔离开来。心脏的形状呈桃形，是一个中 空的肌性脏器，其内部结构较为复杂，分为四个腔，靠右侧的为右心房与右心室， 靠左侧的为左心房与左心型2 1 。左、右心房之间以房间隔分隔开来，左、右心室之间 以室间隔分隔开来。左、右侧心腔之间是不交通的。右心室与肺动脉连接，左心室 与主动脉连接，为其出口。左心房与左心室相通，二者之间有瓣膜，即二尖瓣：右 心房与右心室之间有三尖瓣；左心室与主动脉之间有主动脉瓣、右心室与肺动脉之 间分别有肺动脉瓣；如图1 1 所示。 心脏的作用类似于水泵，将血液输送到肺血管中进行气体交换，排出二氧化碳， 同时吸纳氧气，将血液输送到全身血管，供应组织器官新陈代谢所需的氧气与营养。 心脏依靠其特殊的心肌结构，能够保持有规则的舒张与收缩。如图1 1 所示，全身静 脉血( 暗红色) 经腔静脉回流到右心房，然后到右心室，右心室收缩而将血流输送 到肺动脉，在肺中进行气体交换。经过氧合的血( 鲜红色) 经肺静脉回流到左心房 然后到左心室，左心室收缩而将血流输送到全身，如此循环不断，其中，三尖瓣、 ，麦童声謦博士学位论文 肺动脉瓣、二尖瓣和主动脉瓣起着单向阀门的作用，使血液按一定方向流动。心脏 每舒、缩一次所构成的机械活动周期，称为心动周期。在一个心动周期中，首先是 两心房同时收缩，继之以心房舒张，在心房开始舒张后即刻两心室又几乎同时进行 收缩，然后心室舒张，接着心房又开始收缩而进入下一个心动周期。心房与心室的 心动周期均包括收缩期和舒张期。由于心室在心脏泵血活动中起主要作用，故通常 所说的心动周期是指心室的活动周期而言。心脏有序而协调的舒张与收缩，及正常 的血流通道保证了正常的心脏泵血功能。 图1 - 1 心脏结构及功能示意图 f i g 1 1d i a g r a mo f h e a r ts t r u c t u r ea n df u n c t i o n 1 1 2 小儿先天性心脏病 先天性心脏病是临床常见的小儿心血管疾病，指某些d ) l m 生时已存在的心脏 畸形【l 】o 先天性心脏畸形和先天性心脏病通常被认为是同一概念，但“畸形这个词 更确切，因为先天性心脏病并不是疾病，而是心脏或大血管的某些部位在胚胎发育 时发生缺损或异常，但这类缺损常可导致婴儿心脏功能衰竭、经常伤风感冒甚至患 2 第一章绪论 肺炎。故习惯上都称之为先天性心脏病，简称先心病( c o n g e n i t a lh e a r td i s e a s e ，缩写 为c h d ) 。先心病的类型复杂，变化多端，可有单一的结构异常，也可伴有多种畸形。 随着经济发展，人民生活水平的提高，曾经严重危害儿童健康的急性传染病的 发病率显著降低，先天性心脏病已成为危害小儿健康的重要疾病，其发病率占出生 活婴的0 7 - - 0 8 ，按目前我国人口出生水平，每年新增加大约1 0 万1 5 万患先天 性心脏病的新生几。对小儿先天性心脏病患儿，如能早期确诊，及时进行手术或介 入性治疗，多数能够治愈。先天性心脏病的诊断与治疗，对于降低儿童死亡率，提 高人口生存质量具有十分重要的意义。 1 1 3 小儿先心病的超声诊断 随着医学科技的发展，先天性心脏病的诊断和治疗水平有了很大的提高。近2 0 多年来，超声心动图的仪器性能不断完善提高，已衍生出多种超声技术，如二维及 多普勒超声心动图、组织多普勒显像、经食管超声心动图、三维超声心动图及胎儿 超声心动图等，已能够从解剖结构、功能及血流动力学等方面全面地提供诊断依据。 经胸超声心动图以其操作简便、成像直观、无创、实时、可重复性强等优点，逐渐 成为先天性心脏病最主要的确诊手段及随访工具。常见经胸超声心动图主要有二维 经胸超声心动图和三维经胸超声心动图，以下文中出现的超声心动图均为经胸型。 1 1 3 1二维超声心动图 二维超声心动图属辉度调制型超声成像【3 4 】。由探头发出声束，扫过组织的平面 即显示光点组成的切面图像，能实时地显示心脏搏动的情况。探头由多片晶体构成， 按工作方式不同可分为机械扫描及电子扫描两种，探头较小，声束作扇形扫查，扇 形扫查的角度为6 0 - 9 0 度。二维超声心动图的切面图像与心脏解剖切面相似，可直 观地显示心脏、瓣膜及大血管的解剖特点与连接关系。 由于心脏大部分被胸骨及肺组织遮盖，超声波受肺内气体反射及胸骨影响不能 到达心脏。1 9 8 0 年，美国超声心动图协会推荐了六个能够让超声束达到心脏表面的 部位( 透声窗) 来获取二维超声心动图，主要有左、右胸骨旁( 第2 4 肋间) ，左、右 3 ，芦支鱼z 乎博士学位论文 心尖部、剑突下( 超声束穿过部分肝组织及隔肌到达心脏) 及胸骨上窝；以及三个 相互垂直的标准切面( 1 长轴切面：与左心室的中轴线平行，即心底到心尖的轴线； 2 短轴切面：与长轴垂直；3 额状切面：显示心脏四腔切面) 来观察心脏( 见图1 - 2 ) ： 并给出了如何获取这一系列标准切面的二维超声心动图的操作规范【5 l 。这一方案成为 后来二维超声心动图规范化的诊断方案；它提高了二维超声诊断的准确率，避免了 漏诊和误诊。 胸骨e 肋下 ( a ) 图1 - 2 美国心动图协会推荐二维超声心动图探测位置及标准切面( a ) 心脏二维超声探测位置； ( b ) 二维超声心动图标准切面 f i g 1 - 2d i a g r a mo ft h et r a n s d u c e rl o c a t i o n sa n dt h es t a n d a r dh n a 西n gp l a n e sw i t ht w o - d i m e n s i o n a l e c h o c a r d i o g r a p h yr e c o m m e n d e db yt h ea m e r i c a ns o c i e t yo fe c h o c a r d i o g r a p h yc o m m i t t e e