CN111388006B - 一种下腔静脉超声动态自动化测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种下腔静脉超声动态自动化测量系统和方法,所述系统包括IVC测量点自动精确定位模块、IVC直径自动测量模块、图像自动旋转模块、IVC运动跟踪模块和IVC直径变化计算模块。该系统可大大减少医生在超声IVC测量中的手动输入,不用对生物标记物仔细选择,减少交互次数,大大提高了操作者之间的一致性,使得数据准确,对操作者的依赖小。
Description
技术领域
本发明属于超声技术领域,特别涉及一种下腔静脉超声动态自动化测量系统和方法。
背景技术
由于效率和成本的优势,超声检查已越来越多地被临床医生用于测量下腔静脉(IVC)。使用超声测量可以快速和方便地测量病人呼吸期间IVC直径变化,及时提供患者的各种身体状况信息。
然而,超声IVC测量可能会受到IVC随呼吸持运动的影响。首先,测量不断运动的IVC是耗时费力的。为了测量IVC,临床医生必须用一只手固定超声探头,另一只手在超声设备上进行IVC测量,或者脱机测量。因此,超声IVC测量依赖于临床医生的经验和技能。其次,此类测量导致操作者间的测量数据一致性较差,使测量标准化降低。再者,纵向和横截面的筛查系统进一步导致临床实践中的误差。
为了改进超声IVC测量,减少对操作者的依赖性,更好地达成操作者内部一致性,前人开发了基于纵向和横向切面测量的计算机辅助系统。基于纵向切面,Mesin等人(文献1:Semi-automated tracking and continuous monitoring of inferior vena cavadiameter in simulated and experimental ultrasound imaging.Ultrasound MedBiol,2015.41(3):p.845-857)开发了半自动IVC测量系统,要求操作者先超声图像上放置两个参考点作为未来移动和旋转跟踪的基础,然后再放置另外两个点来指示移动的M线,IVC的直径沿框架中的移动M线进行测量。在IVC移动和旋转之后,跟踪两个参考点的移动,并与移动的M线保持恒定的角度。然而,这种系统严重依赖参考点的选择,从而降低其鲁棒性。
另一方面,Bellows等人(文献2:Validation of a computerized technique forautomatically tracking and measuring the inferior vena cava in ultrasoundimagery.Stud Health Technol Inform,2014.207:p.183-192)提出了一种图像处理系统,用于跟踪和测量横向扫描下IVC的直径和呼吸变化。应用了经过修改的分水岭系统,根据手动放置在IVC区域的种子从背景中提取IVC。该算法沿时间步子递归实现,以实现最终测量。然而,在这种系统过程中,IVC很容易在呼吸过程中丢失,视频剪辑被迫暂停,需手动重新初始化执行,以最终完成整个过程,给临床医生带来麻烦。
虽然这些系统减少了医生的重复性工作,但要么需要在初始化过程中仔细选择参考点,要么需要多次手动输入,要么进行多次交互才能完成测量,使其可靠性降低,容易出现人为误差。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明的目的在于提供一种下腔静脉超声动态自动化测量系统和方法。该系统可大大减少医生在超声IVC测量中的手动输入,不用对生物标记物仔细选择,减少交互次数,大大提高了操作者之间的一致性,使得数据准确,对操作者的依赖小。
为了达到上述目的,一方面,本发明提供了一种下腔静脉超声动态自动化测量方法,包括如下步骤:
步骤1、使用超声仪器获取含有IVC的超声图像;
步骤2、用计算机将超声图像转换为可供自动化算法分析的数字矩阵格式;
步骤3、手动指定IVC区域,以确定IVC大致位置;
步骤4、由IVC测量点自动精确定位模块定位出测量点的位置;
步骤5、由图像自动旋转模块自动将图像旋转,以保持IVC水平放置;
步骤6、由IVC直径自动测量模块自动测量出IVC的直径;
步骤7、由IVC运动跟踪模块自动获取IVC的运动变化;
步骤8、由IVC直径变化计算模块自动计算IVC随呼吸的直径连续变化;
步骤9、提示IVC最大直径、最小直径和直径变化率。
进一步地,在步骤1中,获取的超声图像通过高斯低通滤波器降噪处理,其中肝静脉汇合处于所述超声图像的左侧。
进一步地,在步骤3中,通过输入坐标点、点击鼠标等方式手动指定IVC区域,种子点可放置在IVC区域中肝静脉汇合处右侧的任意位置。
进一步地,在步骤5中,图像自动旋转模块通过Matlab中的旋转算法来旋转图像。
进一步地,在步骤7中,IVC运动跟踪模块的采样窗口为矩形,采样窗口的1/3高度覆盖IVC区域,2/3高度覆盖上下IVC壁,并通过归一化互相关(NCC)算法来实现对IVC的运动变化自动跟踪。
进一步地,在步骤8中,IVC直径变化计算模块通过相对方法和/或直接方法来计算IVC随呼吸的直径变化。
另一方面,本发明还提供了一种下腔静脉超声动态自动化测量系统,包括IVC测量点自动精确定位模块、IVC直径自动测量模块、图像自动旋转模块、IVC运动跟踪模块和IVC直径变化计算模块;其中,
IVC测量点自动精确定位模块用于自动精确定位IVC测量点;
IVC直径自动测量模块用于自动测量IVC直径;
图像自动旋转模块用于自动旋转IVC图像,以保持IVC水平放置;
IVC运动跟踪模块用于自动跟踪IVC的运动变化;
IVC直径变化计算模块用于自动计算IVC的最大直径、最小直径和直径变化率。
本发明的下腔静脉超声动态自动化测量系统中,上述各个模块分工合作,其具体原理和方法说明如下:
一、IVC测量点自动精确定位模块、IVC直径自动测量模块
对超声视频数据使用带有8×8滤波器窗口的高斯低通滤波器来降噪,图1显示了IVC和肝静脉的位置。如图2所示,种子点(表示为P0)被手动放置在IVC区域中,其位置不需要精确。然而,由于IVC的测量建议在距离肝静脉的汇合处2厘米的位置(参见文献1),因此需要系统自动精确定位IVC的测量位置。
如图2所示,以P0作为起点,测量点自动精确定位模块的运行方法如下:
1、以P0为中心创建一个圆环(内径:6像素,外径:14像素,宽度:4像素),并在宽度保持不变的情况下逐步增大。每增大一步,计算环形中像素灰度的标准偏差(SD),并与上一步中的灰度差进行比较。当圆环某个方向碰到边界时,SD会发生剧烈变化,此时圆环停止该增长(例如,当SD增加50%时),并向反方向移动,继续上述步骤,直到圆环接触到IVC上下两个壁。而此时圆环的中心正处于IVC的中心线。圆环与IVC上下边界的接触点分别表示为Pu和Pl。圆环的外径等于当前位置IVC的直径。
2、圆环沿IVC的中心线纵向肝静脉汇合处方向移动。所有超声扫描均遵循同样的标准,即肝静脉汇合处在图像的左侧。
3、当圆环到达肝静脉的汇合处时,运动停止,条件是:
(1)圆环的直径显著增加,如直径增加30%以上。
(2)圆环具有两个以上边界的接触点。这是考虑到,肝静脉的汇合类似于三条道路的交汇点。圆环可能触及汇合处的三个边界(如图2中圆心为Pc的圆)。
二、图像自动旋转模块
为了便于NCC算法处理,对图像进行了旋转以保持IVC水平。如图3所示,此类操作由以下程序自动执行:
1、原理与上述相同,圆环向左和向右移动,分别定位P1和P2,(P1和P2距离Pa为0.8厘米)。
2、设置直线P1-P2线相对x轴的角度为θ。
3、将Matlab中的旋转算法应用于处理的图像,即‘imrotate(imm,θ)’。在旋转后的图像中,IVC水平放置,如图4所示。请注意,图4中的圆圈对应于图3中的Pa。
三、IVC运动跟踪模块
1、自动采样窗口选择
如图4所示,以Pu和Pl为参考点,分别创建两个包含Pu和Pl的矩形(表示为Wu和Wl)。Wu和Wl1/3高度覆盖IVC区域,2/3高度覆盖上下IVC壁。采样窗口选择对于以下NCC算法非常重要。窗口覆盖的IVC区域和IVC血管壁的比率基于两点:1)覆盖IVC边界;2)覆盖尽量多的IVC血管壁的信息。
2、基于NCC的自动运动跟踪
通过NCC算法计算Wu、Wl的移动,从而获取IVC的运动和直径变化。
首先,考虑一系列一维信号,这些信号是超声图像帧中沿垂一条直线的灰度变化(如图4中的竖直虚线)。如图5所示,选择一对时间相邻的一维信号进行分析,一个作为参考信号,另一个作为比较信号,重叠区域(即冗余计算)由灰色区域表示。一个移动窗口截取参考信号或比较信号的一部分,分别标记为f(n)和g(n),其中n是样本索引(1≤n≤M,M是样本总数)。f(n)和g(n)的NCC系数RNCC定义为(文献3:Huang,Q.et al.,Fully AutomaticThree-Dimensional Ultrasound Imaging Based on Conventional B-Scan.IEEEtransactions on biomedical circuits and systems,2018.12(2):p.426-436):
参考窗口位于[u,u+W-1]的间隔内。u是参考窗口的原点。W是窗口大小,τ是比较窗口和参考窗口之间的偏移,[τ1,τ2]是由生理位移范围确定的搜索范围。
上述的基于一维信号跟踪一维运动的系统同样适用于二维图像的运动跟踪,具体请参考(文献4:Konofagou,E.and J.Ophir,A new elastographic method forestimation and imaging of lateral displacements,lateral strains,correctedaxial strains and Poisson's ratios in tissues.Ultrasound Med Biol,1998.24(8):p.1183-99;文献5:Luo,J.and E.E.Konofagou,A fast normalized cross-correlationcalculation method for motion estimation.IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,2010.57(6):p.1347-1357)。基于NCC,计算目标在二维方向上的动态移动,以Wu和Wl的坐标为参考,可计算每帧中IVC的直径。图6演示了中间某帧处的IVC的运动跟踪。
四、IVC直径变化计算模块
通过上述NCC算法获取到每帧中Wu和Wl的具体位置,下面使用两种方法(称为相对方法和直接方法)来计算IVC随呼吸的直径连续变化。
相对方法:
在相对方法中,使用上述圆环系统测量到一个视频数据的第一帧中IVC直径(即t=1,IVC直径标记为),作为下一步测量的基础。然后,IVC在后续图像帧中的直径通过不断叠加Wu和Wl在垂直方向上的位移(分别标记为/>和/>)而获得,即:
直接方法:
在一个视频数据中的每个图像帧上使用上述圆环系统直接测量IVC直径。而圆环的中心根据Wu和Wl在水平方向上的位置动态确定,即:
本发明的有益技术效果至少表现在以下方面:
1、在本发明中,种子点的位置无需精确放置,便能自动测得IVC测量点,使得在IVC测量大大降低了对操作者的依赖,提高了IVC测量的效率,提升了测量数据的一致性。
2、本发明中只有放置种子点需操作者手动操作,其他模块都是自动化地进行计算和操作,大大减少了与操作者的交互,无需多次手动输入,节约了操作者的时间成本,也提高了数据的一致性和精准性,降低了人为造成误差的可能性。
3、本发明无需选择生物标记物,大大提高了鲁棒性,测量的数据的精确性十分稳定。
4、本发明的IVC超声动态自动化测量系统和方法,节约了医生的操作时间成本,保证了测量数据的一致性和精准性,为医务工作者带来极大的便利。
附图说明
图1-3是本发明一个较佳实施例的显示IVC和肝静脉的B模式超声图像;
图4是本发明一个较佳实施例的显示两个采样窗口的IVC超声图像;
图5是本发明一个较佳实施例的参考窗口和比较窗口之间归一化互相关的冗余计算示意图;
图6是本发明一个较佳实施例的显示运动跟踪的中间帧的示意图;
图7是本发明一个较佳实施例的显示垂直方向和水平方向采样窗口的位移轨迹的示意图;
图8是本发明一个较佳实施例的相对方法、直接方法和手动测量出的所有样本的测量结果示意图;
图9是本发明一个较佳实施例的用相对方法和直接方法测量出的最大、最小直径和直径变化率的精度示意图;
图10是本发明一个较佳实施例的相对方法和直接方法的Bland-Altman示意图;
图11是本发明一个较佳实施例的显示采样窗口对测量结果影响的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明在从猪身上收集的超声数据上进行了测试。两名临床医生(均具有>6年超声临床操作经验)进行了扫描,并使用超声器械CX-50(Philips Healthcare,Bothell,US)配备曲线探头(C5-1,中央频率:1-5MHz)。每个临床医生从动物身上收集了三个超声视频数据。实验室开发的算法使用Matlab(MathWorks,Natick,MA,USA)应用于收集的超声波数据,用于自动IVC移动跟踪和测量系统的开发。
实验步骤如下:
1、动物被固定在手术平台上。
2、动物用846混合物(0.8-1.0毫克/千克)进行麻醉。然后保持3-4%的异氟醚。动物以重量×10mL/kg的通气量,以26-32次呼吸/分钟的速度进行机械通气。
3、在整个研究中,监测收缩和舒张压(SBP和DBP)、心脉搏率(HR)、平均动脉压力(MAP)和体温。
4、一位临床医生将超声探头放置于动物身上,屏幕中央显示IVC(如图1)。
5、识别IVC后,超声探头固定不动。
6、在B模式下,在一般腹部成像模式下收集20秒数据(至少覆盖3个呼吸周期),深度为14厘米。
7、改变测量点,重复步骤4-6两次。
8、另一个超声医生重复步骤4-7。
9、数据以DICOM格式存储在超声机器中,随后被下载到计算机中。
在使用本发明的算法处理数据之前,每个临床医生首先对每个超声数据进行双盲测量,包括IVC最大直径、最小直径和IVC的直径变化率,其计算方式为:
然后,按本发明提供的下腔静脉(IVC)超声动态自动化测量方法对实验动物进行测量,具体步骤如下:
步骤1、使用超声仪器获取含有IVC的超声图像;
步骤2、用计算机将图像转换为可供自动化算法分析的数字矩阵格式;
步骤3、手动指定IVC区域,通过输入坐标点或点击鼠标的方式确定IVC大致位置;
步骤4、IVC测量点自动精确定位模块定位出测量点的位置;
步骤5、图像自动旋转模块自动将处理好的图像旋转,以保持IVC水平放置;
步骤6、IVC直径自动测量模块自动测量出IVC的直径;
步骤7、IVC运动跟踪模块自动获取IVC的运动变化;
步骤8、IVC直径变化计算模块自动计算IVC随呼吸的直径连续变化;
步骤9、提示IVC最大直径、最小直径和直径变化率。
将手动测量的结果与本发明提供的方法测出的结果相比较,图8显示了通过相对方法、直接方法和手动测量出的所有样本的测量结果。由图8可见,相对于直接法和手工法,相对法的最小、最大直径和dIVC有较大的变化。另外,直接法的测量结果与手工法的测量结果相比,具有更高的一致性。此外,如图9所示,以人工结果作为真实测量,直接法的精度优于相对法。这可以解释为,相对方法对偏差或噪声敏感,因为在帧处计算的直径基于前一帧中跟踪窗口的所有位置,从而导致累积误差。另一方面,在直接法中,IVC的直径是在每个单帧上直接测量的,因此,它不受测量偏差或历史测量误差的影响。因此,在IVC的测量中,直接法优于相对法,尽管如Bland-Altman图(图10)所示,两种方法显示出与手动测量一致。
基于NCC的运动跟踪矩形的大小可以改变,但会影响IVC直径的测量。通常情况下,矩形越大,运动跟踪的鲁棒性越强,因为计算NCC系数的信息越丰富,但灵敏度越低。相比之下,矩形越小,跟踪灵敏度越高,但鲁棒性越低。为了探讨采样窗口大小对运动跟踪的影响,寻找最优的折衷方案,申请人对不同采样窗口大小的IVC自动测量算法进行了测试。图11示出了通过使用从20像素到高度50像素(高度与宽度的比率固定为1:2)的采样窗口的自动算法获得的某实验样本的IVC最大直径和最小直径。与图11中的手动测量的数据比较,我们观察到30×60像素的窗口大小是计算最大和最小直径以及DIDC的最佳选择。后续实验中,所有采样窗口的大小都为30×60像素。
本发明提出的一种下腔静脉超声动态自动化测量系统和方法,为传统IVC测量提供了新的选择,在以下方面具有显著优势:
1、现有技术中,Mesin等人(请参见文献1)的研究至少需要四次人工输入,在Bellows等人(请参见文献2)的研究中,人工将种子在测量开始时放入IVC区,然而当算法无法跟踪IVC时,后续的IVC运动跟踪和直径测量可能还需要多个手动输入来重新初始化。而本发明所提出的方法需要最少的人工输入,只需单击一次即可自动处理后续测量,减少了很多现有研究中的人为干预。
2、大多数现有的技术中都需要人工测量IVC直径,在Bellows等人(请参见文献2)的研究中,IVC直径必须在初始时手动测量,作为后续IVC测量的基础,这很有可能引入人为误差。而本发明虽然在初始时需要人工识别IVC,但所有最大、最小直径和直径变化率的测量都是由算法自动执行的。
3、在Mesin等人(请参见文献1)的研究中,生物标记物的选择尤为重要,两个参考点被放置在生物标记物中或附近(例如在血管的边界上),作为运动跟踪的基础。然而这损害了应用的普遍性,在本发明中并没有对生物标记物的选择有依赖。
4、在本发明中所提出的增加环的直径测量方法可以保证测量的直径是IVC边界之间的最近距离,因此在某些病理条件下,如果IVC壁不平行,则误差最小。然而,在Mesin等人(请参见文献1)的研究中,在呼吸过程中,IVC的直径是沿着一条移动的M线计算的,该M线沿着相对于参考点的固定角度旋转。如果IVC的一侧被挤压导致IVC边界不平行,或者如果由于M线在测量期间被旋转而不垂直于IVC壁,则这种方式可能会在直径计算中引入重大误差。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围。
Claims (9)
1.一种下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、使用超声仪器获取含有IVC的超声图像;
步骤2、用计算机将所述超声图像转换为可供自动化算法分析的数字矩阵格式;
步骤3、手动指定IVC区域,以确定IVC大致位置;在IVC区域中手动放置种子点P0,其位置不需要精确;
步骤4、由IVC测量点自动精确定位模块定位出测量点的位置:(1)以P0为中心创建一个圆环,并在圆环的宽度保持不变的情况下逐步增大圆环的直径,每增大一步,计算圆环环形中像素灰度的标准偏差SD,并与上一步中的SD进行比较;当圆环某个方向碰到边界时,SD会发生剧烈变化,此时圆环停止增大,并向反方向移动,继续上述步骤,直到圆环接触到IVC上下两个壁,此时圆环的中心正处于IVC的中心线,圆环与IVC上下边界的接触点分别表示为Pu和Pl,圆环的外径等于当前位置IVC的直径;(2)圆环沿IVC的中心线纵向肝静脉汇合处方向移动;(3)当圆环到达肝静脉的汇合处时,运动停止,此时圆环的中心为Pc;(4)以Pc为参考点,IVC测量点Pa的位置由沿IVC中心线到Pc的距离所确定;
步骤5、由图像自动旋转模块自动将图像旋转,以保持IVC水平放置;
步骤7、由IVC运动跟踪模块自动获取IVC的运动变化:(1)以Pu和Pl为参考点,分别创建两个包含Pu和Pl的采样窗口Wu和Wl,覆盖IVC边界且覆盖尽量多的IVC血管壁的信息;(2)通过NCC算法计算Wu和Wl在二维方向上的动态移动,以Wu和Wl的坐标为参考,计算每帧中IVC的直径;
步骤8、由IVC直径变化计算模块通过相对方法和/或直接方法来自动计算IVC随呼吸的直径连续变化;其中,在所述相对方法中,将第一帧中IVC的直径作为下一步测量的基础,后续帧中IVC的直径通过不断叠加Wu和Wl在垂直方向上的位移而获得;在所述直接方法中,每帧中IVC的直径通过直接测量获得,而圆环的中心根据Wu和Wl在水平方向上的位置动态确定;
步骤9、提示IVC最大直径、最小直径和直径变化率。
2.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,在步骤1中,获取的所述超声图像通过高斯低通滤波器降噪处理,其中肝静脉汇合处处于所述超声图像的左侧。
3.如权利要求2所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,所述超声图像通过对超声视频数据使用带有8×8滤波器窗口的高斯低通滤波器降噪后获得。
4.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,在步骤3中,通过输入坐标点或点击鼠标的方式手动指定IVC区域,种子点P0可放置在IVC区域中肝静脉汇合处右侧的任意位置。
5.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,步骤4的步骤(1)中以P0为中心创建的圆环的内径为6像素,外径为14像素,宽度为4像素;SD发生剧烈变化是指SD增加达到50%。
6.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,步骤4的步骤(3)中判断圆环到达肝静脉的汇合处的条件是:圆环的直径增加30%以上,且圆环具有两个以上边界的接触点。
7.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,在步骤5中,所述图像自动旋转模块通过Matlab中的旋转算法来旋转图像。
8.如权利要求1所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法,其特征在于,在步骤7的步骤(1)中,所述采样窗口Wu和Wl为矩形,所述采样窗口Wu和Wl的1/3高度覆盖IVC区域,2/3高度覆盖上下IVC壁。
9.一种下腔静脉超声动态自动化测量系统,其特征在于,所述系统包括IVC测量点自动精确定位模块、IVC直径自动测量模块、图像自动旋转模块、IVC运动跟踪模块和IVC直径变化计算模块;其中,
所述IVC测量点自动精确定位模块用于自动精确定位IVC测量点;
所述IVC直径自动测量模块用于自动测量IVC直径;
所述图像自动旋转模块用于自动旋转IVC图像,以保持IVC水平放置;
所述IVC运动跟踪模块用于自动跟踪IVC的运动变化;
所述IVC直径变化计算模块用于自动计算IVC的最大直径、最小直径和直径变化率;
所述系统按照权利要求1-8中任一项所述的下腔静脉超声动态自动化测量方法进行测量。
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