心臟實時電影成像數(shù)據(jù)處理方法研究

周維林 江 克 鐘耀祖 吳 垠

1(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(東北大學(xué) 沈陽 110819)

1 引 言

心臟磁共振電影成像是臨床上測量心臟功能的常規(guī)成像方法，通常需要在受試者屏氣配合下，在多個心動周期內(nèi)采集完整的 K 空間數(shù)據(jù)。然而在患有嚴(yán)重心臟病(如心肌梗塞、冠狀動脈病)、呼吸疾病的病人和小兒身上難以實現(xiàn)反復(fù)多次屏氣的測試要求，因此該方法臨床局限性較大[1]。

與心臟磁共振電影成像不同的是，心臟磁共振實時電影成像不需要受試者屏氣配合，可在自由呼吸狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集，增強了臨床應(yīng)用推廣，能更好的進行心臟功能的檢測和分析。

自由呼吸心臟磁共振實時電影成像通過適當(dāng)降低空間分辨率、采用并行成像技術(shù)及特殊的重建算法(例如滑窗方法、回波共享方法等)，在一個心動周期內(nèi)即可完成全部 K 空間數(shù)據(jù)的采集，因此圖像質(zhì)量受呼吸運動的影響較小。同時，由于可在受試者自由呼吸狀態(tài)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，大大提高了心臟電影成像的臨床應(yīng)用范圍[2]。但值得注意的是，實時電影成像中呼吸運動會導(dǎo)致同一層面在不同心臟相位以及不同層面之間的空間位置不匹配，為后續(xù)的心臟功能測量引入誤差。

目前的做法通常是在進行實時成像時，采集至少包含一個呼吸運動周期的圖像，然后依靠人眼觀察所有圖像，識別出受試者在呼氣末期(即呼吸運動最小)時段心臟舒張末期(ED)和收縮末期(ES)的圖片[3]。然而該方法較為繁瑣費時，大大降低了其在臨床上的使用效率和應(yīng)用價值。

本文提出一種高效算法，旨在能夠有效快速檢測出呼氣末期時段的心臟舒張末期和收縮末期圖像，并大幅度減少數(shù)據(jù)處理時間，以提高心臟實時電影成像技術(shù)在臨床上的使用效率和應(yīng)用價值。

2 心臟磁共振實時電影成像數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)

本文提出的方法在 MATLAB 等軟件環(huán)境中編程實現(xiàn)。

首先選定某個層面，按照掃描時間順序自動讀取該層所有圖像信息，接著手動放置適當(dāng)?shù)膮⒖季€，使其經(jīng)過胸壁、左心室心腔中心、橫膈膜等能夠反映呼吸和心臟運動信息的組織結(jié)構(gòu)[2](見圖 1)。在電影成像中，參考線上的信號會隨時間變化而變化。

圖1 參考線設(shè)置

然后獲取參考線信號輪廓隨采集時間的動態(tài)變化圖(圖 2)，得到呼吸運動和心臟運動信號。其中，縱軸方向表示參考線上的信號輪廓，橫軸為采集時間。在呼吸運動中，胸壁隨呼吸運動而產(chǎn)生位置變動，所以當(dāng)胸壁達到最低位置時，或當(dāng)心臟/橫膈膜運動至最高位置時即對應(yīng)呼氣末期階段。圖 2 為手動選擇呼氣末期開始和結(jié)束階段對應(yīng)的時間點，此時需保證所選區(qū)間內(nèi)至少存在一個完整的心動周期。

圖2 參考線信號輪廓隨采集時間的動態(tài)變化圖

繼而在選擇的呼氣末期時間區(qū)間內(nèi)，算法自動計算每層所有圖像中心臟相位對應(yīng)的心腔直徑大小。根據(jù)心臟舒張和收縮時的特點，可知心腔直徑最大時即為舒張末期心臟相位，而最小時則為收縮末期心臟相位。

最后將檢測到的每層圖像中的心臟舒張末期和收縮末期圖像保存至指定文件夾，并將圖像按照一定順序命名排列。依次對每層使用算法識別 ED 和 ES，直至所有層面處理完畢。將所有篩選出來的圖像導(dǎo)入到分析軟件中，進行心臟功能分析。

圖3 呼氣末期的左心室心腔大小動態(tài)變化圖

3 心臟磁共振實時電影成像數(shù)據(jù)處理方法實驗

3.1 心臟實時電影成像實驗

為了驗證本文所提出數(shù)據(jù)處理方法的準(zhǔn)確性和有效性，在 3T 磁共振系統(tǒng)(TIM TRIO，Siemens,Germany)上分別對 8 名健康自愿者(年齡 26±3 歲)進行結(jié)合屏氣的標(biāo)準(zhǔn)電影成像和自由呼吸的實時成像試驗。具體操作如下：

首先確定定位成像平面為短軸位視野，運用電影成像技術(shù)，獲取 10 層短軸位包括心臟基底和心尖的完整圖像。其中，成像層厚均為 8 mm，層間距為 2 mm，視野為 340×287 mm2。結(jié)合屏氣的標(biāo)準(zhǔn)電影成像參數(shù)為：TR/TE＝3.4/1.5 ms，矩陣大小為 256×216，帶寬為 977 Hz/pixel，時間分辨率為 40.7 ms。自由呼吸的實時成像參數(shù)為：TR/TE＝2.5/1.1 ms，矩陣大小為 160×128，帶寬為 1488 Hz/pixel，時間分辨率為 59.5 ms，每層掃描時間均為 5 s，以確保涵蓋一個完整的呼吸運動周期。運用一個時間方向上的 KLT 濾波器來提高信號的信噪比[4]。

然后，運用本文提出的數(shù)據(jù)處理方法程序能夠半自動定位呼氣末期的心臟舒張末期和收縮末期圖像，之后將圖像導(dǎo)入到圖像分析軟件中進行心臟功能分析。分析參數(shù)有左心室心肌質(zhì)量(Mass)、舒張末期體積(EDV)、收縮末期體積(ESV)、心搏量(SV)及射血分?jǐn)?shù)(EF)，數(shù)據(jù)由一位測試者獨立分析兩次。IOV(Inter-Observer Variability)定義為(測試 1—測試2)/(兩次測試的平均值)，對兩次測量的結(jié)果做相關(guān)性分析(r)。用雙尾配對 t 檢測(two-tailed paired t-test)做統(tǒng)計分析(P-value)，當(dāng) P＜0.05 時認(rèn)為具有顯著性差異。

3.2 實驗結(jié)果分析

運用本文提出的檢測方法獲取呼氣末期的舒張末期和收縮末期圖像，并與作為金標(biāo)準(zhǔn)的屏氣狀態(tài)下獲得的電影成像圖像進行對比(見圖 4)。

圖4 ED(a, c)和 ES (b, d)圖像(a，b 為屏氣標(biāo)準(zhǔn)成像，c，d 為實時自由呼吸成像)

表1 兩種成像方法所得的心臟功能

心臟功能的定量分析結(jié)果如表 1，數(shù)據(jù)顯示由兩種成像方法獲得的舒張末期心腔體積(EDV)、收縮末期心腔體積(ESV)、心搏量(SV)、射血分?jǐn)?shù)(EF)和心肌質(zhì)量(Mass)值非常地接近，且統(tǒng)計分析顯示無顯著性差異，相關(guān)系數(shù)達 0.92 以上，兩次測量的差異較小(<±5%)，其中實時成像方法的 IOV 要小于屏氣方法。表明本文所提供數(shù)據(jù)處理方法具有較好的準(zhǔn)確性和有效性。

4 總 結(jié)

心臟實時電影成像以無需測試者屏氣配合的優(yōu)勢，為臨床上快速有效地測量心臟功能提供了全新的途徑，具有重要的應(yīng)用潛力和研究價值。然而目前繁瑣的圖像處理流程極大地制約了其在臨床上的應(yīng)用推廣。本文提出了一種半自動的數(shù)據(jù)處理方法，可以有效地實現(xiàn)呼氣末期心臟舒張末期和收縮末期圖像的快速檢測，大大減少了數(shù)據(jù)處理時間。初步研究結(jié)果顯示，該方法可以較為準(zhǔn)確的獲取心臟功能信息[5]，有利于推動心臟實時電影成像技術(shù)的發(fā)展，同時也還需在臨床上進一步驗證和完善。

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