尚長浩

利用超聲成像方法對頸總動脈進(jìn)行內(nèi)中膜和斑塊情況探查已成為腦卒中早期篩查和診斷的重要方法[1]。目前，大多數(shù)超聲圖像的參數(shù)測量都是由超聲醫(yī)生人工進(jìn)行，存在一定人為誤差。而醫(yī)療資源緊張、病患數(shù)量龐大、多數(shù)超聲醫(yī)生工作負(fù)荷重、勞累以及負(fù)面情緒等不利因素更加大了各項參數(shù)測量的誤差。應(yīng)用計算機(jī)輔助診斷技術(shù)能夠克服人工操作的各種缺點，使得超聲圖像的測量更為精準(zhǔn)。而要測量諸如動脈內(nèi)中膜厚度等參數(shù)，首先要在超聲圖像中找到動脈血管內(nèi)中膜位置，這是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。

1 頸總動脈超聲圖像收集方法

頸總動脈超聲成像一般使用5 MHz以上高頻探頭，根據(jù)需要取橫、縱兩種圖像，利用多普勒功能進(jìn)行血流分析以及其他血壓、管徑變化等檢查。在利用計算機(jī)進(jìn)行頸動脈內(nèi)中膜自動識別定位之前，需要對收集的超聲圖像做出一些規(guī)定，使圖像符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，便于計算機(jī)程序處理。

本研究使用SonoSite公司生產(chǎn)的M-Turbo便攜式超聲成像儀[6]。連接7.5 MHz探頭，在受試者頸部取圖。超聲成像儀開始工作前，先新建患者記錄，選擇血管(Vascular)檢查，使用Zoom和Depth按鍵對圖像放大，便于觀察和分析。沿頸總動脈血管走行方向成像(如圖1所示)。成像后按Patient鍵，在出現(xiàn)的界面中選擇New/End鍵關(guān)閉本次檢查。再按Review鍵顯示患者列表，選擇剛才成像的患者ID，在界面下方的菜單中選擇Export USB鍵，即可輸出圖像至移動存儲設(shè)備中。在輸出圖像前要在Setup界面的USB Device下的Export界面將輸出圖像格式選為BMP，沒有任何壓縮處理。動態(tài)范圍(Dynamic range)固定在0。增益調(diào)整到合適參數(shù)，一般應(yīng)使動脈外膜有較高亮度，調(diào)整合適后在后續(xù)檢查中固定不變。圖像分辨率等其他參數(shù)類似處理，在調(diào)整好后即固定下來，各個樣本均使用相同的設(shè)置。

圖1 頸總動脈圖像示例

2 頸總動脈超聲圖像特征分析

圖1顯示，正常人的頸總動脈超聲圖像中內(nèi)中膜清晰可辨，血管灰度均勻且灰度值很低，在質(zhì)量較高的圖像中，動脈血管灰度值為0。在整幅圖像中只有動脈血管區(qū)域有面積較大的極低灰度值區(qū)域，這可以作為判別動脈血管區(qū)域的依據(jù)之一。正常內(nèi)中膜從動脈腔到動脈壁方向上呈現(xiàn)出灰度值先由大到小，然后變得更大的變化規(guī)律，也可作為判別內(nèi)中膜的依據(jù)之一。只要選擇合適的判別閾值，即可在圖像中判別內(nèi)中膜特征，進(jìn)而找出內(nèi)中膜位置[8]。

3 內(nèi)中膜定位算法及程序流程

算法和程序的目標(biāo)是按照頸動脈內(nèi)中膜在超聲圖像中的特點，利用Matlab編寫程序?qū)D像進(jìn)行處理，找到圖像中內(nèi)中膜所在的像素位置[2-4]。算法的大體思想是根據(jù)圖像特點，在圖像中沿像素列方向自上而下搜尋長距離連續(xù)低灰度值(＜5)區(qū)域，在找到后橫向判斷左右區(qū)域是否也為低灰度值區(qū)域，如果是該區(qū)域，則以其為基準(zhǔn)向下搜尋灰度值從低到高，再變低再更高的變化區(qū)域，然后判斷最后的灰度值更高的區(qū)域取值是否＞200，這是因為在灰度值更高的區(qū)域應(yīng)為動脈外膜，主要為結(jié)締組織其回聲較強(qiáng)，灰度值均在200以上(如圖2所示)。

讀入圖像后首先標(biāo)準(zhǔn)化，包括圖像灰度值歸一化和將圖像進(jìn)行切割。圖像灰度值歸一化利用公式1對每一點像素進(jìn)行[5]：

式中Pnew是換算后的像素灰度值，Pold是原來該點像素的灰度值，Pmin、Pmax是整幅圖像中最小、最大的灰度值。經(jīng)歸一化后所有像素的灰度值按相同比例分布在0～255區(qū)間內(nèi)。在本研究中該步驟可以省略，因為采集圖像的設(shè)備參數(shù)均固定不變。但在以后進(jìn)一步開發(fā)中，很難保證所有圖像都是同一臺成像儀器采集，因此標(biāo)準(zhǔn)化必不可少。

圖2 內(nèi)中膜定位程序流程圖

由于圖像中含有無用信息，如圖1中四周的文字等，因此需要將感興趣的區(qū)域從原始圖像中分離出來，以便程序工作。超聲成像儀的圖像中，真正的組織結(jié)構(gòu)圖像一般有固定范圍，如圖1中的中間區(qū)域，不管如何取圖，超聲圖像都只顯示在這一固定大小的區(qū)域內(nèi)，因此只要找出感興趣圖像像素的起止行列號，直接在程序中取出即可。本研究取60～410行，85～590列的圖像范圍作為感興趣區(qū)域。在尋找長距離低像素區(qū)域時，采用多個像素累加取均值的方式[10－11]。實驗表明，以60個像素灰度值累加后平均基本可以滿足需要[7]。按照圖1所示圖像，根據(jù)圖中距離標(biāo)尺計算其分辨率為0.075 mm/pixel，60個像素約為4.5 mm，小于頸動脈寬度，可以在頸動脈內(nèi)部找到符合條件的區(qū)域。圖中淺表部位的血管為靜脈血管，管腔內(nèi)有噪聲存在，4.5 mm范圍內(nèi)具備足夠低灰度值像素的可能性不大，且由于靜脈血管管壁構(gòu)造與動脈明顯不同，內(nèi)中膜遠(yuǎn)沒有動脈清晰[9]。在檢查內(nèi)中膜灰度變化規(guī)律時不符合要求，因此在圖中不會對動脈內(nèi)中膜定位產(chǎn)生干擾。除動、靜脈外，圖中沒有其他區(qū)域有較大范圍的低灰度值區(qū)域，滿足算法適用條件。

圖3 圖像的程序定位結(jié)果

4 實驗及結(jié)果

按照上述圖像采集方法采集5名受試者的頸總動脈圖像均為健康人，其中男性4名、女性1名。利用這些樣本檢驗程序能否準(zhǔn)確找到正常頸總動脈內(nèi)中膜位置。首先利用程序?qū)D像進(jìn)行處理，給出像素位置，然后將同一幅圖像在Photoshop程序中打開，按照程序給出的結(jié)果人工在圖中尋找相應(yīng)的像素點，判斷程序定位是否準(zhǔn)確。程序處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看到，程序給出的內(nèi)中膜位置是第100列的第271行到第279行像素。在Photoshop程序中將圖像放大，進(jìn)行像素位置換算，程序給出的位置在實際圖像中是第185列第331行至339行的像素范圍，正好是內(nèi)中膜的厚度，如圖4所示。

圖4 在Photoshop程序中找到的圖像的程序定位位置

從圖4可以看到，按照程序給出的位置，找到X坐標(biāo)第185列，Y坐標(biāo)第331行，即為內(nèi)中膜起始像素點，同樣在第339行是終止像素點，圖像表明，程序定位較準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

本研究所述方法用于頸總動脈超聲圖像中正常內(nèi)中膜位置的定位。在5名健康人樣本圖像上試驗，均得到較理想的結(jié)果，程序定位精度誤差在1～2個像素，即誤差±0.15 mm。本研究所述定位方法是在輸入圖像符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下應(yīng)用的，需要圖像采集者嚴(yán)格把關(guān)，否則采集的圖像不滿足這一前提算法就未必奏效[12]。要進(jìn)一步檢驗算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，需要搜集更多的樣本進(jìn)行試驗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，這將在未來的工作中進(jìn)行[13]。

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