（生物医学工程专业论文）缺血心肌存活评价的核医学图像处理方法.pdf

摘要 第二，重点研究心肌区域的分割提取。心肌是本文研究的主要对象， 但核医学图像中的心肌边缘模糊，还有局部显像缺损，完整提取非常困 难。本文分析了基于形变模型的分割方法，包括s n a k e 方法和水平集方 法。针对上述方法在分割边缘模糊图像时的局限性，将心肌拟合椭球模 型和心肌显像的灰度作为先验知识，提出了基于知识的快速推进法。并 以实验验证本文提出的分割算法能有效分割提取有局部显像稀疏或显 像缺失的心肌区域； 第三，探讨两种显示不同心肌功能的三维核医学图像的配准，提出 了利用胸廓残余影像进行互信息配准的简化方法。 第四，模拟医生的临床诊断思维，分析已经配准的两幅心脏核医学 功能图像的局部区域的一致性，从而给出对缺血心肌存活状态的辅助诊 断信息。利用本文提出的方法对实际心肌缺血病例的分类结果和辅助诊 断信息均与临床诊断结论和手术治疗时所见状况基本相符，表明本文方 法能有效用于临床判断缺血心肌的存活状态。 关键词心肌存活评价，图像分割，图像配准，快速推进法，图像分类 椭球拟合 上海交通大学博士论文 e v a l u a t l o no fv i a b i l l t yo fi s c h e m i cm y o c a r d i u m b a s e do nn u c l e a rm e d i c a ll m a g ep r o c e s s i n g c o r o n a r ya r t e r yd i s e a s e sw i l lc a u s eh e a r ti s c h e r n i aa n di ns e q u e n c ew i l l r e s u l ti nm y o c a r d i u r ni m p a i r i ti se s s e n t i a lt oe s t i m a t et h ev i a b i l i t yo ft h e i s c h e m i cm y o c a r d i u mf o r t h ed i a g n o s i sa n dp r o g n o s i s n ec o m b i n e d e v a l u a t i o no fr e g i o n a lm y o c a r d i a lp e r f u s i o na n df d gm e t a b o l i s mi m a g ei s s t i l lc o n s i d e r e dt ob ea “g o l d e ns t a n d a r d f o rt h em y o c a r d i a lv i a b i l i t y a s s e s s m e n t t h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sc a nb ee m p l o y e dt op r o c e s s a n da n a l y z et h e s et w od i f f e r e n tf u n c t i o n a li m a g e si no r d e rt og r a d et h e v i a b i l i t yo ft h ei s c h e m i cm y o c a r d i u m t 1 1 i st h e s i sf o c u s e so nt h e3 di m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e su s e dt oe v a l u a t et h em y o c a r d i a lv i a b i l i t y t h em a i n t o p i c si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t ，a ne l l i p s o i ds u r f a c ef i t t i n gw i t ht h el e a s ts q u a r ee r r o rw a se m p l o y e dt o f i tt h el e f tv o n t r i c u l a rw a l la sam o d e lo f t r u n c a t e de l l i r l s o i d w i mt h i sm o d e l t h el o n ga x i so fah e a r tw a sd e t e r m i n e da n dt h ec o r r e c ts h o r ta x i s ，l o n ga x i s ， a n dh o r i z o n t a lc u t sw e r ea c h i e v e d 1 1 1 em o d e lw a sa l s op r o v e dv e r yh e l p f u l i nt h es e g m e n t a t i o na f t e r w a r d s s e c o n d , t h ea l g o r i t h mo fs e g m e n t i n gm y o c a r d i a lr e g i o nf r o mb a c k g r o u n d w a sd e v e l o p e d t h es e g m e n t a t i o no ft h em y o c a r d i a lr e g i o ni nn u c l e a r m e d i c a li m a g ei s v e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h eb l u r r e de d g ea n dt h e d i m i n i s h e ds e g m e n t t 】t h e s i ss t u d i e dt h ea l g o r i t h mo fs e g m e n t a t i o nb a s e d o nt h ed e f o r m a b l em o d e l ，s u c hl i k es n a k em o d e la n d1 e v e l - s c t p r e s e n t e da a b s t r a c t m o d i f l e df a s t - m a r c h i n gm e t h o du t i l i z i n gt h ed r i 砸k n o w l e d g ea b o u tt h e e x t e n to ft h em y o c a r d i a lt e 舀o na n dt h et r u n c a t e de l l i p s o i d - l i k es h a p eo ft h e h e a r t t h ee l l i p s o i dm o d e lw a su s e di nt h es e g m e n t a t i o n 弧ee x p e r i m e n t b a s e do nt h et e s ti m a g e sa n dt h er e a ln u c l e a rm e d i c a li m a g e sv e r i f i e st h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sv e r ye f f e c t i v et om e3 dm y o c a r d i a li m a g ew i t h l o c a ld i s p l a yd i m i n i s h e d t h i r d ，as i m p l i f i e da l g o r i t h mw i t ht h et h e o r yo fm u t u a li n f o r m a t i o nf o r r e g i s t r a t i o no f t w od i f f e r e n tn u c l e a rm e d i c a li m a g e sw a sp r e s e n t e d t h el a s tt o p i cw a sa b o u tt h et r i a l so ft h ei m a g ef u s i n gb a s e do nt h e g r a d eo f m y o c a r d i a lv i a b i l i t yi nt l l er e g i s t e r e d3 di n 孟g e t h ef u s i n gc r i t e r i o nw a s b a s e do nt h ec l i n i c a le x p e r i e n c e s t h ec a s es t u d i e ss h o w e dt h a tt h er e s u l t so f g r a d i n gw e r ei na c c o r dw i t hm ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt h ef a c t ss e e nd u r i n g t h es u r g e r y k e yw o r d s m y o c a r d i a lv i a b i l i t y , i m a g e s e g m e n t a t i o n ，i m a g e r e g i s t r a t i o n ，f a s tm a r c h i n gm e t h o d ，i m a g ec l a s s i f i c a t i o n ，e l l i p s o i df i t t i n g 4 。8 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： 劢0 日期：2 0 0 6 年 5月8 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，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) t 学位论文作者签名：衲 指导教师签名： 日期：w 嘭年，月p 日日期：计6 年，月占e l 上海交通大学博士学位论文 1 1 缺血心肌的分类及预后 第1 章绪论 冠状动脉梗塞引起心肌损害是严重危害健康的心血管疾病。缺血引起的心肌的损害可以分 为永久性的( 心肌坏死或瘢痕组织形成) 和非永久性的( 心肌存活的) ，而存活的心肌可以分为 以下几类：( 1 ) 静息时的心肌功能和血流灌注都正常，应激时无心肌缺血；( 2 ) 静息时的心肌功 能和血流灌注都正常，但应激时缺血：( 3 ) 顿抑心肌( s t u n n e dm y o c a r d i u m ) ：心肌收缩功能仍 有障碍但心肌灌注已恢复正常；( 4 ) 冬眠心肌( h i b e r n a t i o n ) ：心肌局部灌注与功能均障碍，但 心肌细胞并未死亡虽然后两种情况的局部室壁运动都有障碍，但恢复血供后心肌功能均有望 恢复正常，而心肌坏死或瘢痕组织是无法恢复功能的【1 】在很多实际情况中，不同程度的心肌 损害可同时呈现，例如：既有心肌坏死又有心肌冬眠超过5 0 的发生过心梗的病人瘢痕组织 中混合着功能障碍的存活心肌区域 对于有功能障碍但仍然存活的心肌，可以通过冠状动脉血流重建术( r e v a s c u l a r i z a t i o n ) 来恢复 其功能在能够确定的存活心肌中，2 4 至8 2 的功能障碍区域能够恢复功能【2 】对存活的心 肌行血流重建术，病人的存活率( 8 3 5 ) 要明显高于其他病人( 5 7 2 ) 四。因此，区分心肌损 害的程度，确认心肌是否存活对行冠状动脉血流重建术的病人选择和手术预后都具有重要的l 晦 床意义，而计算机图像处理技术可以在心肌存活定量评价方面提供帮助 1 2 心肌存活评价的影像学方法 临床上常见的心肌存活评价的影像学方法有超声显像法、心肌核素显像法和磁共振显像法 等【4 1 超声心动图主要是通过药物( 如：多巴酚丁胺等影响肌肉股缩力的药物或潘生丁等冠状动 ， 脉扩张药物) 的应激试验评价心肌存活加入一定剂量的上述药物后，存活的心肌能表现出收 第1 章绪论 缩增强，甚至恢复到正常的心壁运动近年来，在利用超声技术测量心肌活力方面还出现了一 些新方法，如组织多普勒显像闭( t i s s u ed o p p l e ri m a g i n g , t d i ) 以及在此基础上发展起来的应变 率显像旧( s l r a i nr a t ei m a g i n g 。s r ) 和心肌反差回波法聊( m y o c a r d i a lc o n t r a s te c h o 。m c e ) - 等。 应用s p e c t 和p e t 等心肌核素显像法可以进行心肌血流灌注成像和心肌代谢成像，也可 测得左室射血分数等心脏功能指标( 采用e c g 门控成像) 1 8 】 s p e c t 使用放射性药物，如“1 1 和”。r c 标记的异腈类化合物c “t c - m i n d ，进行核素心 肌灌注显像。心肌对这些化合物的摄取量和心肌血流量成比例，因此，它们在心肌的分布也就 代表了心肌血流灌注的分布情况。血流灌注也有静息显像和负荷显像两类，负荷显像包括运动 试验( 活动平板或踏车) 和药物试验。 心肌缺血会引起代谢障碍。心肌主要的能量来源为脂肪酸。在缺血、缺氧的情况下，心肌 不能利用脂肪酸以产生能量，核素标记的脂肪酸也不能参加脂肪酸的代谢，形成缺损区。相反， 在缺氧的情况下，葡萄糖无氧代谢加强。因此，”f - 标记的脱氧葡萄糖g ) 在缺血心肌区浓集， 而心肌梗塞区或瘢痕组织不摄取1 8 f 脱氧葡萄糖，形成放射性缺损区。这正是采用正电子断层 显像( p e t ) 技术来鉴别缺血但仍然存活的心肌与梗塞的心肌的基础。 p e t 使用1 8 f - f d g 来显示心肌代谢图像，用【1 柏p m 3 ，【”o h 2 0 或s z r b 来获得心肌血流 灌注图像。正常心肌的血流和葡萄糖摄取均为正常，脂肪酸代谢优于葡萄糖代谢。心肌坏死或 瘢痕组织的血流灌注和葡萄糖摄取都降低( 图像呈现一致性) ；而存活心肌的葡萄糖摄取维持正 常或增加，同时，静息血流减少或潘生丁应激血流储备降低( 图像呈现不一致性) 。核素的心肌 代谢图像和血流灌注图像的一致与否是当前临床上普遍接受的判断心肌是否存活的金标准在 实际临床使用中，除了用p e t 分别做心肌代谢图像和血流灌注图像外，也有用p e t 做1 蕾f d g 图像，而用s p e c t 做“k m i b i 血流灌注图像嗍。由于p e t 的使用成本很高，因此产生了带 有5 1 1 k e v 准直器的s p e c t 以及使用正电子符合电路双探头伽玛照相机做1 8 f f d g 显像。双核 素s p e c t 可同时获得血流灌注和代谢图像，而且设备成本较低，但其分辨率和计数灵敏度远低 于p e t 。尽管双探头符合电路伽玛照相机成像比s p e c r 更清晰，但其判断成活组织的准确性 比p e t ，甚至比s p e c t 更低【” 由于磁共振设备在医院中的普及和具有更高的分辨率，利用磁共振技术进行心肌存活的评 价发展很快可以采用网格标记磁共振成像( 衄璐h 】gm p j ) 技术结合多巴酚丁胺应激试验定量 2 上海交通大学博士学位论文 分析心肌的运动并检测心肌活力j 。近几年来，以g d - d t p a 显影剂对心肌组织进行定征检查 的对比增强磁共振成像技术( c 2 m r i ) 展现了其特有的价值：g d d t p a 在心肌梗死区域的储留 大大缩短驰豫时间t 。，图像中出现与心肌梗死区域相对应的过增强区域；受损但可恢复的心肌 不会产生g d - d t p a 浓聚或过增强区域。c e m r i 探测大范围心肌梗塞的准确率与s p e c t 和 1 8 f - p e t 相仿；但其分辨率更高，因此还能检测到心内膜下的小范围心肌梗塞【4 】此外，采用 高能磁共振频谱分析也可能检测心肌的代谢。尽管如此，利用磁共振技术进行心肌存活还需要 积累更多的l 艋床研究。目前一般还是认为1 s f - p e t 是判断心肌存活的金标准。美国医疗保险和 医疗补助服务中心( c m s ) 已提议修改有关条款，使保险和补助范围覆盖心脏血运重建术之前 的1 s f - p e t 心肌存活检查和术后随访 应用医学成像技术进行心肌存活评价的方法有多种，但还没有任何一种方法可以覆盖或替 代其它方法。多种方法综合分析有助于提高诊断准确率，这也提示了探索多种模式心脏图像的 配准和融合的必要性 1 3 图像处理技术对核医学心肌存活评价的作用与意义 利用核医学显像进行心肌的存活评价需要综合分析及判断心肌血流灌注图像和心肌代谢图 像的信息尽管这两者都是利用放射性同位素显像的核医学图像，但却是两种不同模式的三维 立体图像。因此，只有将两幅描述同一对象的不同模式三维图像配准后，才能进行综合比较和 分析 三维图像的配准和融合是近年来医学图像处理的热点核医学图像是以放射性同位素在体 内的分布反映人体组织分子结构信息的功能图像因受传感器材料性能的限制，核医学图像显 示解剖结构的空问分辩率较低，效果较差另一方面，x - c t 能够以较高的空间分辩率准确地 显示出人体的解剖结构( 尤其是骨骼等密度高的组织) ，而m r 图像则能清晰地显示人体的软 组织和神经系统。若将核医学图像和相应的x - c t 或m r 图像配准融合，则能够结合解剖信息 和功能信息，有助于确定在某一特定组织结构上的分子结构及功能变化与此不同，进行心肌 的存活评价需要将两种功能图像进行配准融合，并且要从融合图像中提取两种心肌功能显像的 不一致性 3 第l 章绪论 图像融合是将两个或两个以上传感器在同一时间或不同时间采集的关于同一对象的图像加 以综合，生成一个新的有关此对象的解释，而这个新解释无法从单一传感器获取的图像中得到。 图像配准是图像融合的基础，只有将配准的图像进行融合才有意义。将心肌血流灌注图像和心 肌代谢图像配准并融合的目的是为了获得缺血心肌是否仍然存活的信息，从而为临床治疗和预 后提供依据。 进行心肌核医学图像的配准和融合，衍生出了一系列必须要解决的关键技术问题。包括心 肌的分割和感兴趣区域的提取，心脏左心室长轴和短轴的确定和坐标轴的旋转、融合结果的可 视化等问题。首先，为了分析感兴趣的左心室心肌区，必须先从图像背景中分割出心肌区心 脏核医学图像中心肌边界模糊以及病理状态下的部分心肌节段核素显像缺失都造成心肌区分割 的困难其次，确定心室的长轴，并通过坐标轴的旋转变换将斜置的心脏转换成沿着长轴的剖 面图像和与长轴垂直的短轴剖面图，以适应医生的观察习惯。最后，要以合适的形式显示融合 的结果。比较常见的一种显示方式是将三维立体的心脏图形展开成平面的极坐标图，这样的显 示方式可以确定冠状动脉分布，但必须将有厚度的心肌薄壳化，且无法显示心内膜和心外膜附 近心肌的情况；另一种是将结果以截面方式显示，但必须建立在正确分割的基础上，可以用伪 彩色的办法将结果添加在原来的灰度图像上，犹如彩超的显示方式 目前i 临床使用的核医学成像设备还没有提供能完成上述功能的软件即使是双核素的专用 于心脏的单光子成像设备，也只是同时列出两排图像，由医生根据临床经验对照分析和作出定 性判断。 1 4 本论文的研究工作和内容安排 本论文的研究工作的目标就要是在核医学图像的基础上为计算机自动定量分析心肌存活状 态建立一套切实可行的方法，为临床实际使用提供可靠的技术平台根据上述分析，若要配准 和融合不同模式的心脏核医学三维图像，必须完成下列相关工作：( 1 ) 自动求解和计算心脏长 轴及其三维方位角，在此基础上将图像坐标旋转至医生习惯的观察位置，并显示最后结果；( 2 ) 分割提取左心室的心肌区域( 也即进行图像融合的感兴趣区) ，其难度在于这一区域呈现为边缘 模糊的薄壳状，且感兴趣区中还包括部分显像缺损的心肌区域；( 3 ) 配准心肌血流灌注图像和 4 l 霉 上海交通大学博士学位论文 心肌代谢图像，并融合两个图像的信息对心肌活力作出分类。由于心脏本身几乎没有明显的特 征点可作为配准的基准，因此本文利用胸廓残影进行基于互信息的配准。心肌分类是基于医学 知识进行的，有比较可靠的医学解释 本论文的内容安排基本与上述研究工作相一致，具体安排如下： 第1 章概述心肌存活评价的意义，心肌存活评价的影像学方法以及对图像进行计算机自动 分析的意义，介绍了论文研究的内容。 第2 章先简单介绍心脏的解剖位置和结构、核医学成像设备和成像特点，在这些基础上介 绍心脏核医学成像的类型，显示方式，图像分析方法和要求，最后介绍本研究图像数据采集的 方法 第3 章讨论对心脏左心室壁作椭球曲面拟合，并利用这个椭球模型实现自动长轴确定和心 脏旋转定位，为心肌区域的分割和融合的结果奠定基础 第4 章介绍心肌区域的分割提取。首先分析基于形变模型的分割方法，根据其不足之处， 将上述椭球模型和心肌显像的灰度作为先验知识，提出基于知识的快速推进法并以实验验证 本文提出的分割算法能有效分割提取有局部放射显像稀疏或显像缺失的心肌区域。 第5 章探讨心肌图像的配准和融合，提出了利用胸廓残余显影进行互信息配准和基于医学 知识的融合两幅图像的信息进行心肌分类的方法，并将分类结果和临床诊断结果进行了对照 第6 章总结本论文的工作，并分析和提出本课题后续研究的方向。 1 5 本论文的创新之处 本论文根据定量分析心肌存活状况的需要，对核医学心脏图像，进行了包括心脏长轴提取 和重取向，心肌区域的提取和分割，两种功能图像的配准，以及配准后的两个心肌区域的融合 和分类等一系列工作，为进一步作l 临床病例分析奠定了基础。在这些工作中有创新的部分包括： 1 、 利用三维椭球拟合的方法确定心脏的长轴和短轴方位，并以此为基础将心脏截面重 新取向为临床医生习惯的短轴截面、水平长轴截面和垂直长轴截面由于采用三维 信息拟合，即使在心脏部分室壁缺损的情况下，仍能得到三维误差最小的长轴 2 、 将心脏解剖结构知识结合进心室肌区域的分割方法中在核医学图像中，仅有心室 5 第1 章绪论 肌显像，一般比背景明亮，呈截顶椭球形，但边界模糊；在病理状态下，还会有部 分心肌显像缺失。而心肌存活分析就是需要分析有显像缺失的心肌，一般图像分割 方法难以胜任本文提出基于拟合椭球曲面距离模型和快速推进法结合的分割方法 能有效分割和完整提取有室壁显像缺失的心肌区域。 提出了利用5 n a k e 动态轮廓模型进行三维核医学心肌分割的方法目前未见有其他 文献介绍类似使用。 利用胸廓等的残余背景辐射显影直接配准两种不同模式的功能图像( 血流灌注图像 和心肌代谢图像) 。核医学图像之间或核医学图像与其他模式的图像的配准多利用透 射图像( 校正图) 作间接配准，显然，直接配准有助于减少误差。 将配准的心肌区域按照为医生认可的半定量心肌存活分析准则进行心肌活力分类， 可以为临床提供新的有价值的诊断信息。 6 “ 孔 乱 又 上海交通大学博士学位论文 2 1 引言 第2 章缺血心肌的核医学显像及特点 核医学成像是利用注入放射性同位素标记的药物形成体内特定组织中的分布而示踪成像。 注入的药物与疾病相关分子或亚分子特异性结合，参与体内的某些代谢过程，能反映体内分子 或亚分子水平上的功能和代谢信息，敌核医学影像被称为功能影像在医学影像技术日臻完善 的当今，核医学影像与反映形态结构改变为主的c t 、衄i 、超声互为补充，在临床研究与疾病 诊断上越来越显示出无可比拟与替代的优势，得到了广泛的应用【” 核医学成像技术( p e t 或s p e c t ) 可采用心肌血流灌注成像和心肌葡萄糖代谢成像，检测 心肌的缺血情况和心肌代谢状态，提供临床诊断信息此外，核医学成像技术也能和其他成像 设备一样检测出心室壁的解剖位置，可结合心电门控技术检测舒张末期和射血末期的心室容积 并计算心脏射血分数等心功能指标本研究的主要对象是核医学图像，而应用的目标是和冠心 病相关的临床诊断。本章首先简要介绍心脏的解剖和生理知识、心脏核医学成像的原理和特点、 不同缺血心肌类别的心肌血流灌注成像和心肌葡萄糖代谢成像的显像特点，最后介绍本研究中 的图像采集方法 2 2 心脏的解剖与生理 1 3 j 】 心脏可分为左右心室( 1 e f tv e n t r i c l e ，r i g h tv e n t r i c l e ) 和左右心房( 1 e f ta t r i u m ，r i 2 蛳a t r i u m ) ， 见图1 1 1 ”左心室是充满血液的空腔，左心室壁主要由心肌组成，可分为下壁，前壁，侧壁， 后壁和室间隔( 间壁) 人体血液循环可分为体循环和肺循环从体循环回心的血液经上、下腔 静脉( s u p p e r , i n f e r i o r v c n a c a v a ) 进入到右心房。右心房内的血液在心脏舒张期经三尖m ( t r i c u s p i d v a l v e ) 被抽入到右心室，而在心脏收缩期又经过肺主动脉瓣( p u l m o n a r yv a l v e ) 被压入到肺动 脉( p u l m o n a r ya t t c r y ) ，进入肺循环。血液在肺部毛细血管处进行气体交换，血红蛋白释放二氧 7 第2 章缺血心肌的核医学显像及特点 化碳，与氧结合而成为含氧的血红蛋白。血液经肺循环后从肺静脉( p u l m o n a r y v e i n ) 入口进入 到左心房，再经二尖瓣( n u t r a lv a l v e ) 进入到左心室。在心脏收缩期，左心室内的血液受心肌 挤压经主动脉瓣( a o r t i cv a l v e ) 射入到主动脉在心电的作用下，两个心室所有心肌纤维同步 收缩可产生强大的射血推力，推动和维持体循环 冠状动脉和静脉是心脏的特殊血液循环系统。主动脉的血液在心室舒张期经位于主动脉根 部的开口进入冠状动脉，向心肌细胞供氧和提供营养冠状动脉主要有两支：左冠状动脉( 1 e f t c o r o n a r y a r t e r y ) 和右冠状动脉( f i g h t c o r o n a r y a r t e r y ，r c a ) ，见图2 。左冠状动脉较粗，起自 主动脉左后窦，经左心耳与肺动脉起始部之间沿冠状沟向左前方行走，随即分为前降支( 1 e a a n t e r i o rd e s c e n d i n g ，l a d ) 和旋支( c i r c u m l l u x ，l c x ) , 右冠状动脉起自主动脉前，在肺动脉 起始部与右心耳之间入冠状沟，向右下行，并分为二个终支。左、右冠状动脉都有伴随的静脉， 心脏的静脉绝大多数先汇集于冠状沟后部的冠状窦，经冠状窦口注入右心房，只有一些细小的 静脉直接开口于心腔。 图1 心脏的内部解剖结构”1 f i g u r e l a n a t o m y o f t h e h u m a n h e a r t 图2 冠状动脉及其分支”1 f i g u r e2c o r o n a r ya r t e r i e $ 冠状动脉前降支分布于左、右心室前壁和室间隔的前上2 ，3 部分前降支闭塞可引起左，f i , 8 上海交通大学博士学位论文 室前壁及部分室间隔心肌缺血。旋支分布于左心房壁、左心室外侧壁、左心室前、后壁的一部， 旋支闭塞可引起左心室外侧壁缺血右冠状动脉分布于左、右心室后壁和室间隔后下1 3 部分 以及右心房，右心室前壁等，临床上所见的后壁心肌缺血多数是由于右冠状动脉闭塞所造成的 左、右冠状动脉在心壁内有很多的侧枝吻合，在冠状动脉闭塞时侧枝循环可以恢复部分血供。 心脏位于胸腔内，2 3 在正中线左侧，1 3 在右侧。心脏两侧及前面大部分被左右肺叶所掩 盖，后面有食管等后纵隔器官，下方是膈，膈下是腹部器官。心脏的心尖朝向左前下方；心底 较宽，连着大血管朝向右后上方，右房右室在前，左房左室在后，心脏的纵轴( 长轴) 是斜置 且略呈扭转，见图3 【l q 。显然，要旋转图像后才能显示心脏的长轴或短轴截面。 图3 心脏轴向对胸廓的相对倾斜示意 f i g u 砷3a n a t o m i co r i e n t a t i o no f h e a r t 2 3 核医学成像原理和成像特点 核医学成像设备包括y 照相机( g a m m ac a m e r a ) ，单光子发射计算机断层成像仪( s i n g i e 劬d 幻n e m i s s i o n c o n j u r e d t o m o g r a p h y ，s p e c o 、正电子发射型电子计算机断层成像仪( p o s i t r o n e m i s s i o n c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，p e d 、符合线路正电子成像断层仪以及在p e t 上加装计算机断层扫描机 9 第2 章缺血心肌的核医学显像及特点 ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c n 的p e t c t 等，已有很多著述涉及它们的原理和临床应用 1 7 i l s 1 9 1 , 本节仅对与本研究有关的内容作一简要陈述。 2 3 1 单光子发射成像( s p e c t ) s p e c t 的成像原理是：将单光子放射性核素引入人体内后聚集在特定器官，由体外的传感 器阵列检测其发射的y 射线密度分布并转化为电信号，再将这些电信号投影经过重建而得到体 层图像。s p e c t 的探头系统相当于一个旋转型的y 照相机，由准直器、晶体( 最常用的是n a l ) 、 光导、光电倍增管和前置放大器等组成。探头围绕轴心作3 6 0 。或1 8 0 。的圆周或椭圆旋转，采 集一系列平面投影。s p e c t 采用多探头( 双探头和三探头) 的技术，可以减少探头的旋转或固 定探头的位置，甚至可根据对病人的检测部位改变多探头之间的相互位置以及探头和病人之间 的相对位置。探测器的扫描轨迹可根据人体形状改变，使探头更加贴近人体表面，增加探测系 统的灵敏度和空间分辨率。常用的采集矩阵是“6 4 和1 2 8 1 2 8 。 s p e c t 用于心肌灌注显像的原理是：正常的心肌细胞能选择性摄取流经冠状动脉的放 射性药物，且摄取量与冠状动脉血流量呈正比。当因动脉管腔狭窄引起冠状动脉血流减少或阻 塞，以及心肌细胞损伤甚至梗死时，心肌摄取放射性药物的功能明显减退甚至丧失。因此，s p e c t 影像可以反映冠状动脉血流状况和心肌细胞的成活状态 s p e c t 成像有如下的特点：( 1 ) 可获得三维图像矩阵。( 2 ) 在准直器作用下，传感器只能 检测到少量光子，灵敏度低，因而信号采集时间较长( 需经多个心动周期的累积成像) ，易受心 脏搏动和呼吸的影响，致使心脏边缘十分模糊。( 3 ) 空间分辨力比较低：横向分辨力为3 s m m ， 平行于孔准直器的纵向分辨力( 体层厚度) 约为1 5 m m 。一般地说，旋转半径愈大，空间分辨 力愈差。对于6 4x6 4 或1 2 8 x1 2 8 的投影采样矩阵，它的每一行是采集一个层面的投影，如果 使用6 4 6 4 采样矩阵则可同时采集“个层面，其典型的厚度可达1 2 - 2 4 m m 。观察角的采样间 隔一般定为3 。6 。，即旋转1 8 0 。可对应获得6 0 3 0 个视角下的投影数据( 4 ) 体内辐射源强 度的绝对值难以确定：核医学检测的y 射线能量大约在8 0 5 0 0 k e v ，在体内传播中的衰减明显 除了在成像过程中要减少从心脏到探测器的间距外，还必须校正人体衰减引起的伪像。通常是 在同一台s p e c t 上同时获取“透射”和“发射”两种图像从透射图像中得到被探测部位的三 维衰减系数分布图，然后借助衰减系数的分布信息来校正s p e c t 的图像 1 0 上海交通大学博士学位论文 2 3 2 正电子发射成像( p e t ) 正电子发射体发射出的正电子，在组织中很快与负电子( 8 3 相互碰撞而发生湮没辐射 ( a n n i l u l a t i o n r a d i a t i o n ) ，同时产生两个方向相反、能量相同( 5 1 1 k c v ) 的y 光子在组织中只能 瞬态存在的正电子无法被直接测量，只有利用测量湮没辐射的y 光子探测正电子的存在。p e t 正是以正电子核素在湮没时发射出的双光子为探测对象和s p e c t 不同，p e t 一般不需要几 何准直，而是采用电子准直，只有同时探测到湮没辐射所产生的两个光子时，才有输出信号表 示检测到有释放正电子的核素存在，从而提高了检测灵敏度。 p e t 既可以用来进行心肌灌注显像也可以进行心肌代谢成像。心肌能量来源的4 0 - 6 0 0 , 6 为脂 肪酸在缺血、缺氧的情况下，心肌不能利用脂肪酸产生a t p ，核素标记的脂肪酸也不能参加 代谢，形成缺损区相反，在缺氧的情况下，葡萄糖无氧代谢加强，心肌细胞主要以葡萄糖的 无氧糖酵解产生能量，大约相当于心脏所需能量的1 0 - 3 0 因此，1 啊标记的脱氧葡萄糖( f d g ) 在缺血心肌区浓集。而心肌梗塞区或瘢痕组织不摄取1 。f 脱氧葡萄糖，形成放射性缺损区这 可以用来鉴别缺血但仍然存活的心肌与梗塞的心肌，成为正电子断层显像( p e t ) 检查的基础。 2 4 核医学心脏图像的显示方式 引入的放射性同位素总是聚集在心室肌区域，因此，心肌灌注图像和心肌代谢图像一般都 只能显示心室习惯上采用断层影像法或靶心图法将三维的心室图像以= 维形式显示 2 4 1 断层影像 心脏在胸腔中是倾斜的习惯上所取的短轴截面、水平长轴截面和垂直长轴截面与人体的 冠状面、矢状面、横截面都形成一个夹角，见图4 。因此，首先确定心室的长轴，再根据长轴 在相应平面中投影的夹角旋转心室影像的投影。在通状面或矢状面中将心室转成横卧( 转x 角) ， 在横截面中将心室转成直立( 转z 角) ，形成新的截面分别称为垂直长轴截面和水平长轴截面； 取垂直于长轴的截面，称为短轴截面 第2 章缺血心肌的核医学显像及特点 图4 在心脏截面中的长轴与水平轴的夹角( a ) 和与垂直轴的夹角( b ) f i g u ”4t h ea n g l e sb e t w e t h el o n g - a x i so f t h ev e n t r i c l ea n dt h ea x e 8o f t h eh o r i z o n t a l c o o r d i n a t e ( a ) ，a n dt h ea x i so f t h ev e r t i c a lc o o r d i n a t e ( b ) 正常心肌的断层影像有下列特点： ( 1 ) 短轴截面：左心室壁呈环状，中心无放射性区为心室腔，上部为前壁，下部为下壁和 后壁，右侧为侧壁，左侧为间隔。放射性分布均匀，而一般情况下侧壁放射性最高。 ( 2 ) 水平长轴截面：呈倒立马蹄形，右侧为侧壁，左侧为间隔，心尖部放射性略低，因该 部心肌较薄所致。 ( 3 ) 垂直长轴截面：呈横向马蹄形，上部为前壁，下部为下壁和后壁。 2 4 2 靶心图 将上述位置摆正的心脏沿长轴从心底部到接近心尖部划分成三段：近段( p r o x i m a l ) 、中段 ( m i d d l e ) 和远段( d i s t a l ) ，每段沿短轴截面的圆周平分成若干节( 如每段6 节，再加上心尖部，总 共分成1 9 个节段，如图5 所示) ，每个节段相当于一个扇区。将每一段比作一个环，则三段就 形成由嵌套圆环组成的靶心图：中心是心尖部，向外依次是远段、中段和近段。这样就把立体 的图像转换成了平面图形( 四个同心圆) ，便于全面观察每个节段。每个节段都可以用极坐标来 表示，因此，靶心图也常被称为极图( p o l a r m a p ) 或牛眼图( b u l l s e y e m a p ) 每个节段可以 对应于冠状动脉的分布。明确每个节段供血的来源。 上海交通大学博士学位论文 图5 心脏左室心月j 【碱面方向与节段啕 f i g u r e5a x e sa n ds e g m e n t so f t h el e f tv e n t r i c l e a p i c a l m i d b ，a s a l m i d ，t 3 ”谚囝仃 西圈 l d 眩豹 r c 4 口 l c x 图6 心肌节段与对应的冠状动脉分布o ” f i g u r e6m y o c a r d i a ls e g m e n t sv e r s u sc o r o n a r ya r t e r yt e r r i t o r i e s 为了便于比较不同模式的心脏图像，美国心脏协会( a h a ) 组织专家在2 0 0 2 年提出了节 段划分的标准和名称鲫；( 参照图6 、图7 ) 将心室壁沿长轴以短轴截面切分成四段，并展开成 1 3 第2 章缺血心肌的核医学显像及特点 平面上的四个同心圆，心底部在外，心尖部在内外面两个同心圆组成的圆环各分成六个节段， 第三个同心圆分成四个节段，心尖部为中心圆自成一节段，总共1 7 个节段。l ，2 ，7 ，s ，1 3 ，1 4 ，1 7 节段由冠状动脉的左前支供血，3 ，4 ，9 1 0 ，1 5 节段一般由右冠状动脉供血，5 ，6 ，1 1 ，1 2 ，1 6 节段 通常由冠状动脉的左旋支供血。p e t 和s p e c t 产生的血流灌注图像和心肌代谢图像( 或c t 、 m r 等其它模式的图像) 都可以按此标准表示、定位和比较，并以灰度或伪彩色表示放射性同 位素的浓聚程度。 1 b a s a la n t e r i o r 2b a s a la n t e r o s e p t a i 3 b a s a li n f e r o z e p t s o tb a s a li n f o d o r 5 b a s a lw d e r o | a t o r a | 。b a s a la n t e r o l a t o m l 7 m i d a n h 棘 t m i d a m 辫捌啊删 孰m i dl n f e v o o a p t a l o m i n f e f l o r 。m l e i n 锄o l a t e r a l l zm k la n t o m i a t o r a l t 3 a p i c a l 州暗f t o r 1 4 a p i c a ls e p t a | 1 6 a p i c a li n f e r i o r 1 i a p i c a i l 粕i t 7 a p e x 图7 左心空心肌节段和名称2 。1 f i g u r e7l e f tv e n u i c u l a rs e g m e n t a t i o na n dr e c o m m e n d e dn o m e n c l a t u r e 2 5 检测心肌活性的显像模式 一般公认的测定存活心肌的标准方案是联合应用“f - f d g 代谢显像与血流灌注显像，即需 要综合心肌血流灌注图像和心肌代谢图像的信息。本节将简单讨论两图像的一致性与不一致性 的各种模式 首先需要将不同模式的图像作标准化。假定以绿色表示正常，红色表示局部增强，蓝色表 示局部稀疏或缺损，则各种模式如图8 所示【2 1 】 1 4 上海交通大学博士学位论文 图8 心肌血流灌注图像和心肌代谢图像的不同关系 f i g u r e8f l o w - m e t a b o l i cp a t t e r ns t u d yo ft h em y o c a r d i u m 图8 中各图左边是血流灌注示意图，右边是心肌代谢示意图图8 ( a ) 显示正常的心肌功 能，血流灌注和葡萄糖代谢均正常；图8 ( b ) 显示前室间隔节段灌注和相应部位的代谢均缺损 ( 两图像有“一致性”。“匹配”) ，表示该区域心肌存活的可能性很小；图8 ( c ) 显示前室间隔 节段灌注缺损，但相应部位的代谢增强( 图像有“不一致性”，“不匹配”) ，表示该区域心肌存 活的可能性很大，血流重建的预期效果可能较好；图8 ( d ) 显示先天性心肌扩张：灌注和代谢 都是正常模式，但心室容积明显增大( 若心室扩张由缺血引起，则灌注图中应出现缺血的灌注 缺损模式) ：图8 ( e ) 显示缺血性心肌扩张：灌注图有多处放射性稀疏，而代谢图像正常。心 室明显扩张；图8 ( f ) 显示在前心室间擘的心肌葡萄糖代谢增强而心肌血流灌注全部正常，表 明该节段可能曾经有过血供不足。由此可见，对照分析心肌血流灌注图像与心肌葡萄糖代谢图 像，有助于判断缺血心肌是否存活并确定合理的治疗方案，有十分重要的临床意义