基于信號(hào)特征的頸動(dòng)脈內(nèi)中膜厚度提取算法

蔣天宇（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都　610065）

基于信號(hào)特征的頸動(dòng)脈內(nèi)中膜厚度提取算法

蔣天宇
（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0　引言

頸動(dòng)脈血管的內(nèi)中膜厚度 （簡(jiǎn)稱為IMT）定義如下，如圖1所示：內(nèi)膜的上層（即管腔內(nèi)膜邊界，Lumen-Intima Interface，LII）至中膜的下層（即中膜外膜邊界，Media-Adventitia Interface，MAI）之間的厚度。如下圖所示：

圖1　頸動(dòng)脈內(nèi)中膜示意圖

IMT厚度是醫(yī)學(xué)上判斷各種疾病變化的重要依據(jù)，例如心肌梗塞、腦血管疾病、糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化等，同一位患者在不同時(shí)期的IMT變化情況，患者與健康人群IMT值的差異，這些都具有一定的醫(yī)學(xué)意義。一般來(lái)說(shuō)，健康人IMT的正常值如表1所示。

由于手工檢測(cè)存在耗時(shí)，主觀性強(qiáng)等缺點(diǎn)，研究者提出了許多基于計(jì)算機(jī)輔助的IMT分割技術(shù)，其存在以下優(yōu)勢(shì)：自動(dòng)化、快速化、客觀化。

表1　健康人IMT正常值

最先用于頸動(dòng)脈壁分割的方法是基于邊緣檢測(cè)，后來(lái)又有采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法來(lái)分割血管壁，使用動(dòng)輪廓模型來(lái)分割等方法。

1　頸動(dòng)脈內(nèi)中膜包絡(luò)信號(hào)特征

這里的ROI是手動(dòng)選取的。所以從圖2上選取一塊區(qū)域作為ROI，圖中黃色框內(nèi)。

如圖3所示，ROI區(qū)域內(nèi)自左至右第14條采樣線的能量曲線，從ROI的上邊界到下邊界?？梢钥吹侥芰壳€在0-30之間能量極低，實(shí)際上這一段都是血管內(nèi)腔的部分，而在40左右的時(shí)候會(huì)有一個(gè)峰值，這里就是血管內(nèi)膜的位置。

圖2　選取的ROI

圖3　第14條采樣線的能量曲線

2　基于信號(hào)特征的IMT提取算法

首先得確定上邊界的位置。找上邊界的方法還是比較簡(jiǎn)單的，因?yàn)檠軆?nèi)腔信號(hào)強(qiáng)度極低，設(shè)置一個(gè)合適的閾值，找到大于這個(gè)閾值的某個(gè)位置就是上邊界所在了。

閾值的選取，考慮到血管內(nèi)腔與組織的極大差異，這里閾值的可取范圍還是比較大的，從200-600都是可以的。

找到第一個(gè)峰值之后，上邊界就容易確定了，實(shí)際上就是第一個(gè)峰值左側(cè)梯度最大值的位置。至此，確定上邊界的條件總結(jié)為：

●上邊緣在能量曲線第一個(gè)峰值的左側(cè)；

●峰值左側(cè)的梯度最大值就是上邊緣位置。

找下邊界的方法要稍微復(fù)雜一些，實(shí)際上現(xiàn)在的方法也不是最好的，這個(gè)方法是通過(guò)分析某些采樣線的特征來(lái)一步步完善的。確定下邊界的過(guò)程和根據(jù)總結(jié)為：

●坐標(biāo)小于最大值的坐標(biāo)（這個(gè)條件較弱）；

●坐標(biāo)小于最小梯度的坐標(biāo)（這個(gè)條件較弱）；

●坐標(biāo)小于采樣線上大于第一個(gè)峰值的第二個(gè)峰值的坐標(biāo) （這個(gè)峰值不一定是整條采樣線的最大值）；

●此范圍內(nèi)梯度曲線上大于第一個(gè)梯度峰值的第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo) （這個(gè)點(diǎn)不一定是梯度曲線上的峰值）。

3　算法改進(jìn)

正如前面所說(shuō)，下邊界確定的方法還有一些改進(jìn)空間，例如圖4中第2和第16條采樣線的下邊界明顯要比其他地方下沉了一些，然后方法經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，找到的下邊界就比較合理了，如圖5。

圖4　原始算法找到的上下邊界

圖5　改進(jìn)后的算法找到的上下邊界

圖6所示是第16條采樣線上修正前后點(diǎn)的位置，按照修正前的方法，在圖6中，下邊界應(yīng)該是坐標(biāo)為54的位置，但是這個(gè)位置在圖4上看起來(lái)要明顯下沉了一些。而坐標(biāo)為 48的位置看起來(lái)是恰當(dāng)?shù)南逻吔缥恢?，因此，原?lái)的方法中要增加一個(gè)條件：

●在此范圍內(nèi)梯度曲線上第二個(gè)梯度峰值的坐標(biāo)（此峰值應(yīng)當(dāng)大于 0）（如果第一個(gè)峰值大于第二個(gè)峰值）。

上述方法中有個(gè)“此峰值應(yīng)當(dāng)大于 0”的條件，這個(gè)條件是通過(guò)觀察采樣線信號(hào)強(qiáng)度的特征歸納出來(lái)的，因此有一定概率會(huì)發(fā)生不適用的情況。對(duì)原方法再次進(jìn)行改進(jìn)，可以規(guī)避這種情況。例如5中最右側(cè)的第41條采樣線，原方法明顯上浮，改進(jìn)后的情況如圖7中加號(hào)所示，得到一些改善。

這次添加的條件實(shí)際是限制左側(cè)邊界。在圖8中，算法的目的是要過(guò)濾掉第38個(gè)點(diǎn)，但是此處的值卻是大于0的，無(wú)法將其過(guò)濾掉?？紤]到能量曲線上的特征，在第一個(gè)峰值和大于第一個(gè)峰值的第二個(gè)峰值之間存在一個(gè)最小值，將這個(gè)最小值的坐標(biāo)作為左邊界，即可過(guò)濾掉類似于第38個(gè)點(diǎn)這樣的情況，例如圖9中左邊界為41，IMT下邊界的位置應(yīng)該在41之后。這樣的話，條件中要增加一條“坐標(biāo)大于某處”，總共六條：

●坐標(biāo)小于最大值的坐標(biāo)（這個(gè)條件較弱）；

●坐標(biāo)小于最小梯度的坐標(biāo) （這個(gè)條件較弱）；

●坐標(biāo)小于采樣線上大于第一個(gè)峰值的第二個(gè)峰值的坐標(biāo)（這個(gè)峰值不一定是整條采樣線的最大值）；

●坐標(biāo)大于上述第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值之間最小值的坐標(biāo)；

●在此范圍內(nèi)梯度曲線上大于第一個(gè)梯度峰值的第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)（這個(gè)點(diǎn)不一定是梯度曲線上的峰值）（如果第一個(gè)峰值小于第二個(gè)峰值）；

●在此范圍內(nèi)梯度曲線上第二個(gè)梯度峰值的坐標(biāo)（此峰值應(yīng)當(dāng)大于0）（如果第一個(gè)峰值大于第二個(gè)峰值）。

3　實(shí)驗(yàn)對(duì)比

本文對(duì)原始算法，改進(jìn)后的算法和手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明改進(jìn)后算法與手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果很接近，相比原始算法也有比較明顯的改進(jìn)。

表2　原始算法，改進(jìn)后算法與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6　第16條采樣線的梯度曲線　

圖7　修正后第41條采樣線的下邊界點(diǎn)

圖8　第41條采樣線的梯度曲線　

圖9　第41條采樣線的能量曲線

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文的方法能比較準(zhǔn)確地自動(dòng)計(jì)算頸動(dòng)脈內(nèi)中膜厚度。本文的算法是基于信號(hào)特征歸納出的，對(duì)信號(hào)預(yù)處理的要求比較低。

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Carotid Artery；Intima-Media Thickness；Envelope Signal

An Approach to Detect the Intima-Media Thickness Based on Characteristic of Envelope Signal

JIANG Tian-yu
（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065）

1007-1423（2015）35-0057-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.35.012

蔣天宇（1991-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，本科，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)超聲圖像處理

2015-10-27

2015-12-05

人頸動(dòng)脈內(nèi)中膜厚度是衡量心血管疾病的一個(gè)重要指標(biāo)，臨床上通常使用超聲診斷儀來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。厚度計(jì)算的方法一般是人工計(jì)算或者計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，人工計(jì)算效率低下，而自動(dòng)計(jì)算通常使用的是通用型的圖像邊緣檢測(cè)類算法，并沒有應(yīng)對(duì)頸動(dòng)脈內(nèi)中膜處信號(hào)的特征作合理的優(yōu)化。根據(jù)頸動(dòng)脈內(nèi)中膜包絡(luò)信號(hào)的特征，提出一種新的方法來(lái)自動(dòng)計(jì)算其厚度。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠有效地在圖像上標(biāo)記出頸動(dòng)脈內(nèi)中膜上下邊界的位置，從而獲得準(zhǔn)確的厚度值。

頸動(dòng)脈；內(nèi)中膜厚度；包絡(luò)信號(hào)

The Intima-Media Thickness of Carotid Artery is an important index to measure cardiovascular disease，usually in clinical use of ultrasonic diagnostic apparatus for testing.The thickness is generally calculated manually or automatically，manual method is inefficient，and automatical method usually use the general image edge detection algorithms，with no optimization for signal characteristics.According to the characteristics of carotid intima-media envelope，presents a new method to calculate its thickness.Experiments show that this method can efficiently mark the position of carotid intima-media up and down the border，then obtains accurate thickness values.