（微电子学与固体电子学专业论文）基于血管内超声影像的血管弹性分析方法的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：聊虢弦 j l 摘要 摘要 动脉血管壁弹性功能是反映人体血管系统好坏的重要指标，分析血管壁弹性 对早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义。血管内超声( a s c u l a r u l t r a s o u l l d ，u s ) 成像可以显示血管内腔、管壁和粥样斑块的组织形态学特征以 及斑块的病理组成，它比只能提供动脉长轴影像的冠状动脉造影成像更容易发现 血管的早期病变。目前i v u s 正越来越广泛地被用于评价冠状动脉粥样硬化特点 及程度，被认为是诊断冠心病的“金标准”，并用于指导选择介入性治疗方法、评 估介入治疗效果等。 目前国内外已经有利用i v u s 图像分析血管壁弹性的先例，本文总结了现有 的血管壁弹性模型，改进了已有的基于有限元分析和弹性力学的新的血管壁弹性 模型，即利用三角形单元形变计算血管壁应变大小，并结合线段微元的形变理论 推导适用于血管壁形变的g r e e n 应变和a 1 m a i l s i 应变。然后通过计算机编程语言 加以实现，具体的实现过程是：首先选择同一位置不同压力下的两幅i v u s 图像， 在血管壁内膜提取后，以一幅图像为原图像另一幅图像为匹配图像进行内膜点追 踪，在匹配图像上得到了若干具有一定追踪精度的点，然后将匹配图像细分成网 格，取每个网格中的最大精度点，利用d e l a u n a y 三角剖分法将所有的最大精度 点连成三角网，利用本文的弹性模型计算应变大小，最后建立弹性图并用2 5 6 色 表示应变的大小。本文所用的方法是从抽象的数学模型出发，然后利用图像处理 的手段实现该模型，与现有方法相比，具有更强的理论深度和更可靠的计算结果， 所得的弹性图也能更清楚的反应血管壁弹性的真实情况。 同时，本文还针对血管壁内膜提取算法进行了探讨，由于医学图像往往每个 病例中包含上百幅图像，因此在处理时要兼顾提取精度和处理速度。本文总结了 现有的医学图像分割算法，之后利用与血管内超声图像相似度很高的光学相干断 层成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 的图像进行分析，利用阈值法和模板 法，最终成功提取出了血管壁内膜。 本文与山东大学齐鲁医院、北京集翔多维信息技术有限公司合作，开发出 i v u s 图像管理系统，并与哈尔滨医科大学附属第二医院合作，开发出o c t 图像 分析系统。 关键词血管内超声；应变；有限元；d e l a 吼a y 三角剖分；光学相干断层成像 北京t 业大学工学硕上学位论文 1 i a b s t r a c t a b s t r a c t a n e r i a lw a l le l a s t i c 时i sa i li m p o r t a n ti n d i c a t o rr e j c l e c t i n gt ：h eh u m 弛v a s c u l a r s y s t e mo fg o o do r b a d a n a l y s i so f v 2 l s c u l a rw a l le l a s t i c 时i si i l l p o r t 趾to nt h ee 训y i d e n t i f i c a t i o no f l n e r a b l ep l a q u ea i l dp r e v e m i o no fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e u s “n 缸a v a u s c u l a ru l t r a s o u n d ，u s ) i m a g i n gi su s e dt os h o wb l o o dv e s s e l1 u m e i l ，w a l l a n dp l a q u em o r p h o l o g yc h 戤l c t 耐s t i c sa n dc o n l p o s i t i o no fp l a q u ep a m o l o 黟ni s e a s i e rt 0f i n d 恤b 1 0 0 dv e s s e l so fe 砌yl e s i o n st h a l lc o r o n a 巧a i l g l o 铲a p h y 吼a g m g w m c hc a i lo n l yp r o v i d ea i t e r i a la ) 【i si m a g e u s i sn o wm o r ew i d e l yu s e dt 0 e v 山a t et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl e v e lo fc o r o n a r ya t h e r o s c l e r o s i s ni s c o n s i d e r e dt h e t g o l ds t a i l d a r d ”i nd i a g n o s i so fc o r o m 旺yh e a r td i s e a s e ，a i l du s e dt og u i d e t h es e l e c t i o n o ft r e a n n e n ti n t e r v e n t i o n ，a s s e s s m e n ti n t e n ，e n t i o ne f r e c t s n o wt h e r eh a sb e e np r e c e d e n to fa n a l y s i so nv a s c u l a rw a l le l a s t i c i 哆u s e di v u s i 1 i l a g e s n i sp a p e r ，s l 】删m r i z i n gt h ee x i s t i n gm o d e l o fm ev a s c u l a rw a l le 1 枷c i 劬 i m p r o v e dae x i s t i n gm o d e lo f v a s c u l a rw a l le l a s t i c i 够b a s e do nf i n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i s 孤de l a s t i c i 僦t h a ti st oc a l c u l a = t es t r a i no ft _ h ev e s s e lw a l lu s i n gt r i a i l g u l a re l e m e n t d e f - o 皿a t i o n a 1 1 dd e r i v e dt h eg r e e ns 仃a i n 趾d a l m a i l s is 仃a i na p p l i e dt 0t h ev e s s e l w a l ld e f o m a t i o nw 1 1 i c hi sc o m b i n e dw i mi 蚯m t e s i m a ld e f o 肌a t i o nt h e o 够t l l e n i ti s a c h i e v e dt h r o u 曲c o m p u t e rp r o g r 舢i n gl 觚g u a g e 1 1 1 es t 印sa r ef o l l o w i n g ：f i r s t s e l e c tt w od i 虢r e n ti v u si m a g e sa tt h es a m el o c a t i o n sb u td i 缳；r e n tp r e s s u r e s a r e r i m i m ae x t r a c t e d ，t r a c kp o i n t su s i n go n ei m a g e a st h eo r i g i n a l i m a g ea n da n o t h e ra st h e m a t i ：h i n gi m a g e m a t c l l i n gi m a g e h a sg o 讹ns o m ep o i n t so fn a c 虹n gp r e c l s l o n s l n e n m a t c h i n gi m a g eh a sb e e nb r o k e nd o w ni n t o 鲥d s t ot a l ( et h em a ) 【i m 啪p r e c l s l o n p o i n t si ne a c h 西d ，l i r 出a l lo fm e m a x i m u mp r e c i s i o np o i n t si n t oat r i a l l g l en e t w l t h d e l a 吼a y 仃i a n g u l a t i o nm e t h o d c a l c u l a t es t r a i nu s i n g “se l a s t i cm o d e l f i n a l l y ， c r e a t em ee l a s t i cg r a p h a r l ds h o ws t r a i nw i t h2 5 6c o l o r s t h em e t h o du s e di nt h i s a 施c l ei ss t 甜i n g 舶mt 1 1 ea b s t r a c tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a 芏1 dt 1 1 e nu s ei m a g e p r o c e s s i n gt o o l s ，让i em o d e lw i t ht h ee x i s t i n gm e t h o d s w e r eb e t t e rt h a i lt 1 1 et h e o r e t l c a l d e 劬a i l dam o r er e l i a b l ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e s u l t se l e c t r 0 伊a p hc a j la l s om o r e c l e a r l vr e a c t i o nv e s s e lw a l le l a s t i c i t ) ，o f t h er e a ls i t u a t i o n m e a i l w 王l i l e ，t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ev e s s e lw a l l i n t i m ae x t r a c t i o na j g o n 也m u s u a l l ve a c hc a s e so fm e d i c a li m a g e si n c l u d e sh u i l 出e d so fi m a g e s ，s ow h e nd e a l m g w i t hm e mw en e e dt ot a l 【ec a r eo fa c c u r a c ys p e e d t 1 l i sp a p e rs 咖a n z e se x l s t m g m e d i c a li m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t t 姐，a i l dt h e na i l m y s e su s i n g t h eo p t i c a lc o h e r e n c e i i i 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 t o m o g r 印h y ( o c t ) i m a g e sw h i c ha r el l i g h l ys i m i l a rt o u si m a g e s v 毫s s e lw a l l i m i m aw a sf i n a l l ys u c c e s s m l l ye x t r a c t e du s i n gt h r e s h o l da 1 1 dt e m p l a t em e t h o d 1 1 1 i sp 印e rc o o p e r a t e dw i t l lq i l uh o s p i t a l ，s h a l l d o n gu n i v e r s i 吼b e i j i n gj x d w t e c h n o l o g yc o ，l t d t od e v e l 叩i v u si m a g em a l l a g e m e n ts y s t e m ，a n dw i t l l 也e s e c o n da m l i a t e d h o s p i t a lo fh a r b i nm e d i c a lu n i v e r s 姆t 0c o d e v e l o p e do c th a g e a 1 1 a l y s i ss y s t e m k e yw o r d si v u s ；s 仃a 血；f i i l i t ee l e m e n t ；d e i a l m a yt r i a l l g u l a t i o n ；o c t i v 目录 摘要i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的和意义2 1 3 国内外研究概况3 1 4 本文的主要研究内容和结构4 第2 章血管内超声。7 2 1i v u s 简介7 2 2 u s 技术原理8 2 2 1i v u s 系统8 2 2 2i v u s 导管一9 2 3i v u s 显像分析。1 l 2 4i v u s 在病变诊断及治疗中的应用1 2 2 5i v u s 用于其它血管疾病的观察1 3 2 6 本章小结1 4 第3 章血管壁弹性模型1 5 3 1 血管弹性图15 3 2 现有的血管壁弹性模型1 6 3 2 1 基于应力应变的血管壁弹性模型1 6 3 2 2 基于图像配准的血管壁弹性模型1 8 3 2 3 基于有限元变形分析的血管壁弹性模型2 1 3 3 本文采用的血管壁弹性模型2 2 3 3 1 弹性力学假设2 2 3 3 2 物质运动的变形梯度。2 3 3 2 3 格林应变2 6 3 2 4 阿尔曼西应变2 8 3 3 5 血管壁弹性模型2 8 3 4 本章小结3 0 第4 章血管壁弹性模型实现方法3 l 4 1 追踪匹配点3 1 4 2 应变计算3 5 4 2 1 现有的三角形网格划分方法3 5 4 2 2d e l a u n a v 三角剖分法3 5 4 2 3 划分三角网并计算3 6 4 3 软件设计3 8 4 3 1 算法设计3 8 4 3 2 功能说明3 9 4 3 3 结果分析。4 1 北京工业大学t 学硕 二学位论文 4 4 本章小结4 2 第5 章血管壁内膜提取4 3 5 1 光学相干断层成像4 3 5 2 医学图像分割算法4 4 5 2 1 基于阈值算法4 5 5 2 2 模式识别算法。4 5 5 2 3 可变形模型算法4 6 5 3 图像预处理4 7 5 4 血管壁内膜提取4 7 5 4 1 彩色图像到灰色图像的转换4 7 5 4 2o t s u 阈值算法。4 8 5 4 3 利用模板方法标记内膜5 0 5 5 软件设计51 5 5 1 算法设计5 2 5 4 2 功能说明5 2 5 4 2 结果分析。5 3 5 6 本章小结5 4 结 论5 5 参考文献5 7 附录6 1 攻读学位期间发表的学术论文6 3 致 谢6 5 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 目前，冠心病是威胁人类健康的头号杀手，冠心病死亡率占所有心脏病死亡 人数的l o 2 0 ，我国冠心病患者超过1 0 0 0 万人，今后每年将以2 0 的速度增 加，到2 0 1 0 年，将达到8 0 0 0 万人。 冠状动脉性心脏病( c o r o n a r ya n e r yh e a nd i s e a s e ，c h d ) 简称冠心病，是一 种最常见的心脏病，是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍 和( 或) 器质性病变，故又称缺血性心肌病( i h d ) 。临床上突出表现为有冠状动 脉硬化引起的急性心肌梗死、不稳定心绞痛、脑溢血、坏疽、血栓、末梢机 能丧失等【1 1 。 冠心病的病因至今尚未完全清楚，但认为与高血压、高脂血症、高粘血 症、糖尿病、内分泌功能低下及年龄大等因素有关。当血液中存在过剩的脂 肪和胆固醇时，脂肪块就逐渐沉积在血管内层中形成动脉粥样化，引起身体 机制发生改变，如胆固醇升高、高血压、高血脂、血管壁破损等。血小板聚 集在受损的血管壁处会导致动脉进一步硬化。为了维持血管内腔形状，使血 液能够流向末梢组织，血管壁中膜层将会变薄，这种结构发展称为血管重构， 亦称代偿性扩大【2 】。随着内膜平滑肌增生向内腔转移，逐步形成纤维层，此 时血管重构已经不能维持内腔形状，内腔较正常血管狭窄。数年之后，软的 脂肪斑块、纤维斑块慢慢变成富含钙质的硬斑块，阻塞血管内腔、阻碍血液 流动进而引起各种心血管疾病【j j 。 目前诊断冠状动脉狭窄及周围血管疾病主要有以下方法： ( 1 ) 心电图：冠心病诊断中最早、最常用的方法。使用方便，易于普及， 当患者病情变化时便可及时捕捉其变化情况，并能连续动态观察和进行各种 负荷试验，以提高其诊断敏感性。无论是心绞痛或心肌梗塞，都有其典型的 心电图变化，特别是对心律失常的诊断更有临床价值。 ( 2 ) 心电图负荷试验：主要包括运动负荷试验和药物试验( 如潘生丁、异 丙肾试验等) 。心电图室临床观察心肌缺血最常用的简易方法。 ( 3 ) 动态心电图：是一种可以长时间连续记录并编集分析心脏在活动和安 静状态下心电图变化的方法，又称h o l t e r 检测。 ( 4 ) 核素心肌显像：可以显示缺血区、明显缺血部位和范围大小。结合运 动试验再显像，则可提高检出率。 ( 5 ) 冠状动脉造影：可以明确冠状动脉有无狭窄、狭窄的部位、程度、范 北京工业大学工学硕十学位论文 围等，并可据此指导进一步治疗所应采取的措施。 ( 6 ) 心肌酶学检查：是急性心肌梗塞的诊断和鉴别诊断的重要手段之一。 临床上根据血清酶浓度的序列变化和特异性同工酶的升高等肯定性酶学改 变，便可明确诊断为急性心肌梗塞。 ( 7 ) 心电池显像：可用于观察心室壁收缩和舒张的动态显像，对于确定室 壁运动及心功能有重要参考价值。 ( 8 ) 超声和血管内超声：心脏超声可以对心脏形态、室壁运动以及在左心 室功能进行检查，是目前最常用的检查手段之一。对室壁瘤、心腔内血栓、 心脏破裂、乳头肌功能等有重要的诊断价值。 可见血管内超声可以明确冠状动脉内的管壁形态及狭窄程度，是一项很 有发展前景的新技术。 血管内超声( i n 仃a v a s c u l a ru l t r a s o u i l d ，u s ) 成像是近年来临床应用于诊断血 管病变的一种新的诊断方式，它可以显示血管内腔、管壁和粥样斑块的组织形态 学特征以及斑块的病理组成，如钙化、纤维组织、脂质核心及斑块破裂、离体等。 因此，它比只能提供动脉长轴影像的冠状动脉造影成像更容易发现血管的早期病 变。目前i v u s 正越来越广泛地被用于评价冠状动脉粥样硬化特点及程度，被认 为是诊断冠心病的“金标准”，并用于指导选择介入性治疗方法、评估介入治疗效 果等【3 1 。 1 2 研究目的和意义 近年来，随着动脉内皮功能研究的迅速进展和高血压治疗中对收缩压、脉压 控制问题的重视，动脉弹性功能成为临床心血管研究领域一个重要热点【4 】。 几个世纪以来，人们一直在借助触诊感知人体组织的解剖结构变化，为临床 诊治疾病提供重要的信息。随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，使得超声影 像学得到了广泛的应用，利用计算机软件对超声图像进行数字处理，体现出来越 来越大的价值，并在临床上越来越多的被应用。近年来大量研究证明动脉粥样硬 化斑块破裂和血栓形成是急性心脑血管事件发生的主要原因，而斑块稳定性取决 于脂核的大小、纤维帽的厚度和局部炎症活动的强弱，这些因素决定了斑块组织 的分子结构和空间结构，而后者是影响组织弹性的主要因素【5 1 。静力学模型和动 力学模型均证实斑块局部的强烈形变是斑块破裂的表现形式【6 】。因此，通过对动 脉粥样硬化斑块应变分布规律的研究有可能检测出不稳定斑块、揭示斑块易损的 机制并预测斑块发生破裂的条件和部位。动脉血管处于血管应力场中，呈现周期 性脉动运动，符合弹性显像的实现条件，因此自二十世纪九十年代以来，根据血 管内超声技术的物理特点构建血管弹性图用于评价血管壁和粥样斑块力学属性 第l 章绪论 的方法成为世界范围内研究的焦点。 动脉血管弹性功能是反映人体血管系统好坏的重要指标，分析血管壁弹性对 早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义【7 】。 1 3 国内外研究概况 动脉血管处于循环应力场中，呈现周期性脉动运动，符合弹性显像的实现条 件，因而自二十世纪九十年代以来，根据i v u s 技术的物理特点构建i v u s 弹性 图( i n 仃a v a u s c u l a re l a s t o g r 锄，i v u s e ) 以评价血管壁和粥样斑块力学属性的方法成 为世界范围内研究的焦点。研究者采用绝对差和法( s u ma b s o l u t ed i 虢r e n c e ， s a d ) 、最小平方差法( t h el e a s ts q u a r ee 玎o r ) 、交叉相关系数函数( c r o s s c o 仃e l a t i o n 劬c t i o n ) 、斑点示踪法( s p e c l 【l e 仃a c h n g ) 、相差对比( p h 2 u s e s h i f tc o n t r 邪t ) 等算法构 建了反应血管壁弹性特征的管壁弹性图( e l a s t o 莎锄) 和仅反应内膜弹性特征的内 膜弹性图( p a l p o g r a m ) ，二者均属于i v u s e 范畴。d ek o m 掣8 。1 0 j 先后在血管凝胶 仿体模型、动物血管、尸检获得的人体动脉血管体外实验中进行了弹性图的研究 工作。c e s p e d e s 等【1 1 。2 】将弹性图信号处理过程限制在血管壁内层组织的回波信号 中，构建了低径向分辨率、高鲁棒性( r o b u s t ) 的内膜弹性图。这些一维和二维弹 性显像研究均显示了该技术对于揭示斑块力学不稳定性和评价斑块易损性方面 的潜在价值f l3 1 。然而，该方法求出的是径向应变值，而平面内血管壁在管内的压 力下还产生切向的应力，并且某处的应变结果还受相邻组织的影响。因此，上述 文献中的计算方法具有一定的局限性。 国际方面，美国盐湖城放射大学生物工程系的a l e x a l l d e r 【1 4 以5 j 和其课题组做 了一些工作。他们采用一种变形理论( w 唧i n g ) 来确定斑块和动脉壁的应力。 首先通过体外成像的方式获得未施加负载的冠脉图像，作为模板图像，由该模板 图像生成有限元模型，并对其施加负载压力变形，确定负载作用下动脉和斑块中 的应力。然后通过体内成像的方式采集到同一位置的图像，作为目标图像。变形 技术通过逐点比较这一对图像间像素强度的不同，产生图像在两个时期( 负载期 和无负载期) 的变形映射关系，然后对模板图像实施位移映射变换得到变形图像， 再通过该图像的有限元模型得到动脉和斑块的应力。最后将其与模板图像负载下 的应力分布作对比，如果差异很小，则说明这种变形映射关系是比较准确的，可 以用来预测冠脉和斑块的应力分布。研究表明这种变形技术对物理参数和物理模 型的变换敏感性很低并且对图像中出现的噪声依赖性很低，可以通过斑块的相关 灰度信息预测斑块破裂的可能性。另外，杜克大学的l i a n g 6 j 等利用图像配 准的方法分析血管壁应力。 国内方面，山东大学【5 】利用自己设计的程序，对血管壁的应变进行了分析。 北京1 = 业大学t 学硕十学位论文 其利用c + + 编程环境，依次经过图像预处理、边缘检测、位移计算、应变计算、 彩色编码和u s 三维重建，最终实现i v u s e 和3 d i v u s e 构建，之后又进行 了病理学检查和统计学分析。对于斑块应力的分析是临床上非常有价值的课题， 但是变形理论在确定形变映射模型时需要利用冠状动脉斑块的物质属性，由于斑 块取样的不均质可能导致属性参数并不准确，使得形变映射模型的完善性与可靠 性还不能达到临床应用的要求，相关的进一步研究将会是非常具有挑战性和有意 义的。 1 4 本文的主要研究内容和结构 从现有的血管壁弹性分析的研究成果来看，弹性模型已有了一定的发展。汪 友生、随晓谛【l7 j 等利用有限元方法，结合血管壁应变的特征选择带有三个应变分 量的三角形单元。根据结点的位移模量，建立基于点的应变模型，分别计算每个 单元的应变。根据现有的适用于大形变的格林应变( 骶e n ) 、阿尔曼西应变 ( a l m a l l s i ) 与点的位移模量推导出基于线段微元的应变公式，并建立应变模型。 本文以血管内超声图像为依据，从有限元理论出发，利用模板匹配方法，建 立血管壁应变的数学模型。在模板匹配过程中，完善了原有的算法，对模板图像 与目标图像按密度进行匹配，然后利用d e l a u n a y 三角剖分法对整幅图像划分均 匀网格，找出每个网格中的最大精度点，将所有最大精度点保存，并用三角剖分 法连成若干三角形，利用应变公式计算出各三角形单元区域的正应变和角应变 值，通过颜色编码把此数据转换为2 5 6 色变色图像，把血管壁应变大小情况形象 直观显示出来。之后，本文对血管壁内膜进行边缘检测，由于弹性模型的分析都 是基于边缘检测的前提，因此一个好的边缘检测算法可以提高弹性分析的精度与 速度。本文利用光学相干断层成像分析，所得的图像与血管内超声图像相似，算 法相近，而且光学相干断层成像较血管内超声图像更为清晰。 本文章节安排如下： 第1 章：绪论，概括分析本文的研究背景、目的和意义，介绍了基于血管内 超声血管壁弹性分析的国内外研究概况。 第2 章：血管内超声，介绍血管内超声的技术原理和现象特征，分析血管内 超声显像在医学领域的应用及优势，为深入开展后续图像处理的研究奠定基础。 第3 章：血管壁弹性模型，介绍了现有的弹性模型，总结方法为本文的弹性 模型提供理论依据。基于有限元分析法与弹性力学理论，提出利用密度划分的模 板匹配法。根据弹性力学公式推导出适用于血管壁应变的陆e n 公式与a l m a n s i 公式，然后提出本文的弹性模型，并从三角形单元应变出发，推导出适用于本文 的血管壁应变公式。 第1 章绪论 第4 章：血管壁弹性模型实现方法，介绍血管壁应变计算的具体步骤、算法 和软件的功能，并分析计算结果。首先利用点追踪的方法寻找两幅图像上的匹配 点，并利用d e l a u n a y 三角剖分法划分网格，记录每个网格中的最大精度点，再 根据已有的血管壁应变公式计算应变值。 第5 章：血管壁内膜提取，介绍光学相干断层成像的基本原理，并比较其与 血管内超声图像的相似性，总结了现有的医学图像分割算法，并提出了兼顾速度 与精度的图像分割算法。设计血管壁内膜提取程序，并分析计算结果。 最后是全文总结和今后的努力方向。 北京t 业大学t 学硕士学位论文 - 6 第2 章血管内超声 2 1i v u s 简介 第2 章血管内超声 血管内超声( i n 饷v a s c u l a ru l 仃a s o u i l 也u s ) 成像是腔内超声显像在血管内的 应用。腔内超声的历史要追溯到上世纪5 0 年代，c i e s z ) ，1 1 幽l l 剐最早在1 9 5 6 年研 制了一根超声导管用于心内超声测量研究，发现该超声导管可以在实验室模型上 得到软组织的回声。1 9 7 1 年，b o m 【1 9 】发明了3 2 晶体相控阵超声探头，可以提供 心脏实时的切面图像。1 9 7 4 年，o l s o n 【2 0 】研制了一种经食管超声探头监测升主动 脉内同一平面的直径和血流速度。最初超声探头的换能器灵敏度太低、信号放大 技术落后，并且没有进行信号压缩，因而只能检测到组织界面，无法获得软组织 信息。到了上世纪7 0 年代末8 0 年代初随着超声发生处理技术的发展以及逻辑压 缩( 1 0 西cc o m p r e s s i o n ) 技术的引入，医学超声的应用就飞速发展起来。 血管内超声成像技术的应用始于上世纪8 0 年代末，随着超声显像技术和超 声探头微型化的发展以及临床需求，尤其是介入性心脏病技术突飞猛进的发展， 新的介入技术的应用，传统的冠状动脉造影技术已不能满足临床需要，都大大 促进了血管内超声成像技术特别是冠状动脉内显像技术的发展。 超声系统从早期的手动旋转型逐步被机械旋转型和相控阵型所替代，其可靠 性和安全性也得到了很大的发展。最近几年中血管内超声技术显像导管平均每隔 2 3 年更新一代，临床常用的是机械旋转型导管和6 4 晶体相控阵导管。在图像 质量方面，过去数年里，每更新一代导管，图像质量都有很大改善。不久前，一 种前向透视装置川( f o 州a r d l o o k i n gd e v i c e s ) 在牛津大学问世，用于观测导管无 法进入的血管完全阻塞区域，还有一种由德国e s s e n 大学开发的将血管造影图像 与i v u s 图像相融合的“画中画”技术【2 2 1 ，可以使血管内超声探头在冠脉中精确 的定位。 血管内超声具有以下特点： ( 1 ) 小身材的超声探头与传统的医用超声探头相比，血管内超声探头最显著 的特点是个头小，最小的探头直径只有1 2 毫米，最大的也不超过3 毫米。微型 超声探头由相控阵型环状排列的多晶体换能器所组成，它能够生成3 6 0 度血管截 面图像。通过导丝引导，将心导管通过静脉造口放入血管中，微型超声探头就固 定在心导管的顶端。微型超声探头轮廓光滑，易于插入，血管损伤可能性也很小。 ( 2 ) 血管评测更加客观冠脉造影虽然一直被认为是冠心病诊断的“金标准”， 但其在评价管壁形态、壁厚、管腔特征方面存在很大局限性。血管内超声可显示 管壁的组织学特征，精确地测量管腔径及截面积，发现冠脉造影不能显示的血管 北京工业大学t 学硕上学位论文 早期病变。可显示动脉夹层、内膜撕裂及血栓等，特别适用于观察分叉处或因血 管重叠致血管造影图像模糊的病变。结合冠状动脉内多普勒还可以评价冠状动脉 的功能，尤其是对于冠状动脉造影正常的病人，血管内超声检查可以发现存在的 粥样病变，这是由于动脉粥样硬化早期冠状动脉会发生代偿性扩大，或者因为弥 漫性病变的存在而降低造影对于冠心病诊断的准确性。 ( 3 ) 提供斑块血栓信息血管内超声不但可显示血管断面的灰阶实时图像，而 且还能提供冠状动脉内的血流信息，对斑块类型的识别有很高的敏感性和特异 性。借助血管内超声可以充分了解斑块的成分，发现斑块内脂质成分的多少及其 钙化情况，评价斑块的进展和消退。在临床应用中血管内超声不仅可以观察到血 管重构现象，而且可以在体内观察血管重构的动态过程。斑块破裂和血栓形成是 急性冠状动脉综合征的主要发病机制，血管内超声则可以及早检测出易损斑块和 已经破裂的斑块。 ( 4 ) 准确评价介入手术冠心病介入治疗技术迅速发展，血管内超声可以评价 各种冠脉介入性治疗及效果。球囊扩张术时，血管内超声可以准确测量血管直径 和病变的长度，指导球囊的选择。在球囊扩张术后，可以用血管内超声观察是否 存在夹层等术后并发症，还可以决定是否需要进一步置入支架等。使用裸支架时， 血管内超声能观察支架是否完全覆盖粥样病变以及贴壁效果，了解侧枝闭塞的原 因等。应用血管内超声，还可以指导在裸支架内用高压球囊进一步扩张狭窄部位， 明显降低亚急性血栓和有症状的再狭窄发生率。血管内超声也可以观察并评价不 同药物支架的效果，评价旋磨或旋切治疗的即刻效果和远期疗效。 2 2i v u s 技术原理 超声波在生物组织内传播时，组织特性和尺寸的差异使声波所出现的透射、 反射、散射、绕射及干涉等传播规律和波动现象有所不同，从而使回波信号的幅 度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变。血管内超声诊断通过对这些参量 进行成像来识别这种差异、判别组织，从而辅助医生诊断各种血管粥样硬化症状。 2 2 1i v u s 系统 血管内超声系统的基本组成有：医用超声换能器，超声发射和接收电路，数 字扫描变换器和图像处理单元。 以目前临床中常用的6 4 位相控阵探头为例，其工作原理如下：由激励脉冲 发生电路产生同一个脉冲信号送到6 4 路延迟通道中进行不同的偏转和延迟后， 获得一组6 4 个经延迟后的脉冲信号，然后经整形和激励单元，各自去出发超声 第2 章f f l 管内超声 导管顶端的探头上对应的压电晶体，晶体将电信号转换为声波，发射到血液和组 织中，完成相控发射。来自血液和组织的所有回波信号经换能器各晶体接收、转 变为电信号后，送到前置放大器放大，同时电子开关改变延迟线两端的连接，使 之处于接收状态。各路前放输出经不同延迟后，送加法器求和叠加，使来自发射 声束方向的接收信号增强，而其它方向的回波信号减弱甚至完全抵消，这样就实 现了相控发射声束方向的相控接收。 最后对信号采用逻辑压缩放大信号动态范围，由刖d 变换器量化后，进行 数字扫描变化和必要的图像处理，显示在与声束方向和探测深度位置相应的显示 器坐标处。 2 2 2i v u s 导管 i v u s 探头主要有机械性的单晶体探头和电子的多晶体相控阵型探头。机械 性的单晶体探头由单超声晶体或结合有旋转镜组成，通过体外的马达，晶体或镜 子在导管鞘内旋转以获得血管3 6 0 0 的截面图像，如图2 1 所示。电子的多晶体相 控阵型探头在导管顶端有多晶体环形排列，通过电子连续激动而获得3 6 0 0 的横 断面图像。 厂世：。? 一一葛紧 ，懒亘一。k ；一一乙一 瓷罗。，- s 罐蠢h a c e 撂 图2 1i v u s 导管示意图 1 1 o 。d 。 o 。0 3 0 。 # f i g u r e2 ls c h e m a t i ci vu sc a t h e t e r i v u s 导管显像基于两种基本方式：一种是固态相控阵方法；一种是机械旋 转方法。两种显像方式均产生垂直于导管尖端超声探头的3 6 0 。范围横截面显像。 固态显像系统如e n d o s o i l i c 系列，在导管尖端周径上放射状排列6 4 个超声晶片， 换能器频率为2 0 m h z 。固态显像方法通过动态聚焦方式重建图像：先是超声晶 片组接受反射、背向散射回来的超声信号，送入计算机进行图像重建，然后以实 时的方式显像。这种方法利用装置于i v u s 导管尖端的高度整合的晶片接受超声 信号，并对回收信号进行时间综合( 电子延迟) 。固态显像导管有全导丝交换和快 速交换两种。目前常用的冠状动脉内i v u s 导管直径为3 2 f ( 1 0 1 姗) ，可以通过 6 f 导引导管的内腔。固态显像导管没有马达旋转部分，通过电子相控阵检测深 度的动态聚焦，由于不断改用更高质量的超声晶片，其显像质量不断提高。 固态显像u s 导管的使用方法：导管末端由台下操作者连接于从主机上连 出的超声激发和接收器。此连接器与主机通过电缆连接，悬挂于输液架上，便于 y d 嘴玉 i秘 北京工业大学t 学硕l ：学位论文 台上操作i v u s 导管，主机上有显示器、光盘记录系统和数字化测量系统。由于 固态显像换能器有多次反射形成的信号环形减弱环绕伪像区，尚须通过一步操 作，将u s 导管和伪像区遮住，并从显像中清除，这一步操作，须将导引导管 从冠状动脉口撤出少许，使i v u s 导管尖在主动脉内显示伪像，并将此伪像清除。 许多厂家生产机械旋转式i v u s 导管。机械式u s 显像系统，用小马达通 过容忍且有扭力的电缆与导管尖内的单一超声换能器相连，高速旋转此换能器达 到3 6 0 。显像，换能器频率为3 0 m h z 。目前常用的机械旋转式i v u s 导管有两种， 一种为i v u s 导管尖端设计有一短的管腔，导引导丝从此管腔穿过以支持i v u s 导管，此时导丝大部分处于u s 导管外，在超声显像时能看到导丝伪像，此种 i v u s 导管常用的有两型，导管直径分别为3 2 f 和2 9 f ；另一种设计是使导丝穿 过更长一段i v u s 导管腔( 约3 0 c m ) ，由于有更长的导丝支持，使i v u s 导管定位 性更稳定，其中最远测1 5 c m 管腔为导丝和i v u s 换能器共用管腔，这使得在u s 显像时，先将导丝从共用腔撤走，单纯显示管壁管腔病例变化，这类u s 导管 有两个优势：一是显像没有导丝伪像干扰，另一优势是导丝外形更小，常用的导 丝为2 5 f ( o 9 2 m m ) ，可以通过7 f 导引导管。 机械旋转式导管与固态显像导管使用上的不同之处在于前者显像时要同时 连续注入生理盐水以消除导管与超声换能器之间的气体，盐水冲洗不完全时，换 能器周围的微气泡使显像质量较差或不显像。 无论是固态还是机械显像系统，均有自动回撤系统连于i v u s 导管后部，精 确测量病灶段的长度，为选择球囊和支架长度提供准确参照，在此基础上可以进 行三维重建，立体多角度显示斑块大小。 机械旋转式的优势是无须遮住信号环形减弱伪像，近场显像非常清晰，但有 特殊伪像：非均匀的旋转扭曲，此类伪像主要产生于解剖上过度弯曲的管腔显像 上，可以通过调整i v u s 导管或导引导管的位置来取消。机械式显像无电子动态 式聚焦，对远场显示不如固态相控阵显像，后者的主要优势在于无须注水，自动 显像，操作方便。 在进行常规血管造影后进行i w s 检查。首先追加3 0 0 0 i u 肝素，然后将导 丝送入需检查的血管。沿着导丝将u s 导管送入血管的尽可能的