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心肌应变与弹性模量三维成像的研究

作　者: 金杰锋
导　师: 刘华锋
学　校: 浙江大学
专　业: 光通信技术
关键词: 心脏左心室应变成像弹性模量成像有限元方法状态空间方法扩展卡尔曼滤波估计 H无穷滤波估计
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

心脏疾病的早期诊断和治疗有助于人类健康状况的改善,现代医学影像技术已经使我们可以无创地观察心脏运动的情况。左心室的形变异常一直是临床上评估心脏病变的重要依据。应变是描述物体发生形变程度的一个力学量,它能够直接反映局部心肌收缩和舒张的程度,而不受心脏整体运动的影响,是一项定量评价心肌功能的有效参数。而心肌材料参数中的弹性模量,又称为杨氏模量,是衡量材料发生变形难易程度的一项指标,它是与心脏形变有着密切关系的一项参数。很多研究表明,病变会引起生物组织弹性系数的变化,尤其是对于像心脏这样由肌肉组织构成的器官。因此实现弹性模量成像在心脏疾病的诊断上也有重要的意义。目前常用的应变成像和弹性成像手段都存在一些缺点,例如超声弹性成像能对一维方向上的应变量成像,MRE技术通常是二维成像,而且需要外部的激励源,成像质量均不高等。因此,本文提出了基于MRI心脏电影图像和优化理论的心肌应变和弹性模量三维成像的鲁棒算法。为了实现可靠、自动地从心脏MRI图像序列中提取心肌的形变信息,本文将心脏图像分割和运动联合估计框架和扩展卡尔曼滤波参数估计方法结合起来,提出了自适应心脏生物力学模型方法,利用先验的材料信息和部分已知运动数据实现恢复完整的心脏运动数据,从而实现应变成像。本文还研究了利用MRI图像实现三维弹性模量成像的鲁棒算法。在已经获得受到相当噪声干扰的运动信息的情况下,分别采用最小二乘法、扩展卡尔曼滤波估计、基于H无穷滤波估计的全状态导数信息(FSDI)方法和噪声干扰下的全状态信息(NPFSI)方法实现三维材料弹性模量分布的重建,并对这几种方法进行了比较。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-24
  1.1 课题意义  15-16
  1.2 研究背景  16-21
    1.2.1 心脏的结构和电生理活动  16-19
    1.2.2 心脏的生物力学模型  19-20
    1.2.3 心肌应变成像与弹性成像现状  20-21
  1.3 本文贡献  21-22
  1.4 论文组织  22-24
第2章应变成像与弹性成像概述  24-33
  2.1 引言  24
  2.2 超声应变成像与弹性成像技术  24-26
  2.3 磁共振弹性成像(应变成像)技术  26-29
    2.3.1 MRI基本原理  26
    2.3.2 MRI标记成像  26-27
    2.3.3 MRI相对比成像  27-28
    2.3.4 MRE技术  28-29
  2.4 基于心脏电影图像的心肌应变成像和弹性模量成像  29-32
    2.4.1 心脏电影MRI成像  30-31
    2.4.2 心脏图像分割  31
    2.4.3 心脏运动重建  31-32
    2.4.4 心脏应变分析和弹性分析  32
  2.5 本章小结  32-33
第3章基于自适应模型的左心室应变成像  33-68
  3.1 引言  33-34
  3.2 左心室三维生物力学模型的建立  34-41
    3.2.1 左心室三维表面提取  34-37
    3.2.2 左心室三维有限元表示  37-41
  3.3 左心室三维运动信息的预提取  41-43
    3.3.1 左心室静态平衡方程  42-43
    3.3.2 图像力的构造  43
  3.4 基于自适应模型的左心室形变重建  43-49
    3.4.1 左心室的自适应参数模型  43-44
    3.4.2 左心室动态系统方程  44-45
    3.4.3 状态空间模型  45-47
    3.4.4 运动信息再次重建  47-49
    3.4.5 应变场的计算  49
  3.5 实验结果与讨论  49-67
    3.5.1 仿真实验  49-52
    3.5.2 人体心脏实验  52-67
  3.6 本章小结  67-68
第4章心肌组织弹性模量成像的鲁棒算法研究  68-83
  4.1 引言  68-69
  4.2 弹性模量成像原理  69-70
  4.3 边界条件与力的构造  70-71
  4.4 弹性模量成像的估计算法  71-77
    4.4.1 最小二乘算法  71
    4.4.2 EKF滤波估计算法  71-72
    4.4.3 H_∞滤波估计算法  72-76
    4.4.4 收敛判断条件  76-77
  4.5 实验结果与分析  77-82
    4.5.1 仿真实验  77-81
    4.5.2 心脏实验  81-82
  4.6 本章小结  82-83
第5章总结和展望  83-86
  5.1 本文工作总结  83-84
  5.2 后续工作展望  84-86
    5.2.1 采用更复杂的心脏生物力学模型  84
    5.2.2 使用无网格方法代替有限元方法  84-86
参考文献  86-91
作者简历  91

心肌应变与弹性模量三维成像的研究

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