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    SPECT和多排CT心脏3D图像异机融合的实验连研究

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    内容提示: 复旦大学硕士学位论文SPECT和多排CT心脏3D图像异机融合的实验研究姓名:王嘉兴申请学位级别:硕士专业:影像医学与核医学指导教师:朱汇庆2010-04-02 复旦大学硕士学位论文摘要第一部分SPECT与64排CT模型31) 图像异机融合的实验研究【摘要】目的:初步探讨SPECT与CT模型图像异机融合。方法:利用核医学质控PET-CT模型,分别使用SPECT、64排CT、SPECT/CT分别进行采集,然后利用M IPAV软件对SPECT、64排CT图像进行异机融合。以SPECT/CTPET- CT模型同机融合图像为金标准,视觉评价异机融合图像质量。然后利用此软件和异机融合方法对M uel l er模型行异机融合。结果:利用M IPA...

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    复旦大学硕士学位论文SPECT和多排CT心脏3D图像异机融合的实验研究姓名:王嘉兴申请学位级别:硕士专业:影像医学与核医学指导教师:朱汇庆2010-04-02 复旦大学硕士学位论文摘要第一部分SPECT与64排CT模型31) 图像异机融合的实验研究【摘要】目的:初步探讨SPECT与CT模型图像异机融合。方法:利用核医学质控PET-CT模型,分别使用SPECT、64排CT、SPECT/CT分别进行采集,然后利用M IPAV软件对SPECT、64排CT图像进行异机融合。以SPECT/CTPET- CT模型同机融合图像为金标准,视觉评价异机融合图像质量。然后利用此软件和异机融合方法对M uel l er模型行异机融合。结果:利用M IPAV软件可将SPECT和64排CT所采集PET-CT模型图像较为理想地进行异机融合。通过影像科医师对异机融合图像与同机融合图像的比较,两者图像质量无显著差异。利用此软件和异机融合方法,对M uel l er模型行3D异机融合具有较高的图像融合质量。结论:对于SPECT和CT所采集图像,利用M IPAV软件进行3D图像异机融合具有临床可行性。【关键词】图像融合;软件配准;体层摄影术,发射型计算机,单光子;体层摄影术,X线计算机【中图分类号】R816.1第二部分SPECToM PI与256排CTA患者31) 图像异机融合的实验研究【摘要】目的:SPECT心肌灌注显像与256排CTA均为诊断冠心病的无创性检查方式,本研究旨在探讨并验证患者M PI与CTA3D图像异机融合的可行性。方法:对30名可疑冠心病患者分别进行SPECT-M PI、256排CTA,经上述无创性检查后行ICA。利用M IPAV软件对M PI、CTA图像进行以特征为基础的3D异机融合。以DSA结果为金标准,评价CTA图像和异机融合图像结果,并判断是否因异机融合更为明确犯罪血管和血流灌注缺损区的关系,以及是否提供额外的诊断信息。结果:利用M IPAV软件可将SPECT-M PI和256排CTA所采集图像较为理想地进行异机融合。异机融合图像形象直观,并可明确狭窄冠脉和血流灌注缺损区的关系,诊断准确性提高。额外的诊断信息多见于存在多支冠脉病变或多处心肌血流灌注缺损的患者( P=0.003<0.05) 。结论:对于患者SPECT-M PI和心脏冠脉CTA图像,利用M IPAV软件进行3D图像异机融合具有临床可行性,3 复旦大学硕士学位论文部分患者可提供额外的诊断信息,并有助于冠心病的诊断及临床治疗。【关键词】图像融合;软件配准;体层摄影术,发射型计算机,单光子;体层摄影术,X线计算机【中图分类号】R816.1ABSTRACTPART IPrel i m i nary experi m entalval i dati on of a newi m agefusi on sof tw are forthree-di m ensi onal i ntegrati onof SPECTandstand--al one 64--sl i ce CT onphantom s【Abstract】O bj ecti veCl i ni caldeci si ons m aybe easi erto be m ade w hi l ecom bi ni ngthe functi onali nform ati on of SPECTm yocardi alperfusi on i m agi ngandthem orphol ogi cal i nform ati on of CTangi ography.111eai mof thestudyi s to eval uatethe val i dati on of M IPAV softw are for three.di m ensi onali ntegrati onof SPECT w i thstand—al one 64一sl i ce CT onphantom s.M ethodsThepl anardata of PET- CTphantomw asacqui redw i thparal l el —hol el owenergy hi ghresol uti on col l i m ators on a dual —headSPECTsystemand 64· sl i ceCT,respecti vel y.Integrati onof SPECTi m ages诚tl l CTi m agesW asperform edon a rem ote w orkstati onusi ngM IPAV softw are.Afteri m agefusi on,doctorsassessed thei m age qual i ty com paredw i th SPECT/CTregardedas agol dstandard.Then thew ay of i ntegrati onon PET- CTphantomw as appl i edonM uel l erphantomi n order toveri fy theResul ts M IPAVsoftw are Can be used toi ntegrate successful l yof SPECTi m agesw i thfeasi bi l i ty ofstand-al one i m agefusi on.stand.al one CT i m ageson PET- CT phantom .The i m age qual i tyofi ntegratedm odal i ti es W as found nosi gni fi cant di fferent com pared、析thSPECT/CTi m ages.Inaddi ti on,the w ayof stand- al onei m agefusi on i s al so avai l abl e on M uel l erphantom ,w i th an excel l enti m age qual i ty.Concl usi on3Di ntegrati onofSPECTw i tl lstand.al oneCTi m agesi s cl i ni cal feasi bl eusi ngM IPAVsoftw are.【key w ords】Im age regi strati on;Softw are regi strati on;Tom ography, em i ssi ontom ography, si ngl e photon;Tom ography, X-ray com puted4 复旦大学硕士学位论文PARTIIPrel i m i nary experi m entalval i dati on of a newi m agefusi on sof tw arefor three--di m ensi onal i ntegrati onof SPECT- M PI and stand--al one 256· · sl i ce CTAonpati ents[Abstract]O bj ecti veM yocardi al perfusi on i m agi ng、耐th SPECT and 256一sl i ceCTangi ographyare both establ i shedtechni ques for the noni nvasi ve eval uati on ofCAD .The ai m ofthepresentstudyi sanexpl orati onandaval i dati on ofsoftw are-basedi m agefusi onbetw een SPECT- M PI and stand-al one CTA onpati ents.M ethods Thi rtyconsecuti vepati ents、衍mcl i ni cal doubtedcoronary arterydi sease onSPECT-M PI,CTA,andD SAw ere i ncl uded.Thepl anardata ofpati entsW asacqui red、析mparal l el —hol el owenergy hi ghresol uti on col l i m atorson a dual -head SPECTsystem ,256· sl i ce CT, and DSA,respecti vel y.Feature—based i ntegrati onof SPECTi m agesw i mCTAi m ages w asperform edon a rem ote w orkstati onusi ng M IPAVsoftw are.Afteri m age fusi on,doctorsassessed thei m age qual i ty com pared谢tl l D SAregardedi l l s agol d standard and fi nd out w hether stand—al onei m agefusi on Canel i m i nateuncertai nti es i ntherel ati onshi pofperfusi ondefects and di seasedcoronaryarteri es orprovi deextra val uabl edi agnosi si nform ati on.Resul ts M IPAVsoftw are Canbe used toi ntegrate successful l yof SPECTi m ages、析tIlstand-al one CTAi m ages.These fusi on i m ages provi deapanoram i c vi ew of them yocardi um ,the regi onalm yocardi al perfusi onandthe coronary artery tree,el i m i nati ngthe uncertai nti es i n therel ati onshi pofperfusi ondefects andcul pri t coronaryarteri es.Extra useful di agnosi si nform ati on i susual l y provi ded bythepati entsw i thm ul ti pl e perfusi onabnorm al i ti esorm ul ti -stenosedcoronaryarterydi seases( P=O .003<0.05) .Concl usi on3Di ntegrati onof SPECT- M Plw i th stand-al oneC.TA i m agesi s cl i ni calfeasi bl eusi ngM IPAVsoftw are,especi al l y provi di ngsom e m oredi agnosi si nform ati onparti cul arform ul ti -vesselstenosedorm ul ti pl eperfusi onabnorm al i ti esofpati ents,w hi l edi agnosi ngand furthergui di ngthe cl i ni calpracti ceon CADpati ents.5 复旦大学硕士学位论文【key w ords】Im age regi strati on;Softw are regi strati on;Tom ography, em i ssi ontom ography, si ngl e photon;Tom ography, X—m y com puted6 复旦大兰堡主堂垡堡奎——一中英文缩写词BM IBodym ass i ndex体重指数CABGCoronary artery bypass graft冠状动脉搭桥术CADCoronary arterydi seases冠状动脉性心脏病CCSCoronarycal ci umscore冠状动脉钙化积分CTACom puted tom ography angi ographyCT冠状动脉造影D SADi gi talsubtracti veangi ography数字减影血管造影EBCTEl ectron beamcom puted tom ography电子束CTI CAInvasi vecoronary angi ography有创冠脉造影LMLADLeft m ai n coronary artery左主干Left anteri ordescendi ng coronary artery左前降支LCXLeft ci rcum fl excoronary artery左旋支M PIM yocardi al perfusi on i m agi ng心肌灌注显像M RIM agneti cresonancei m agi ng磁共振成像M SCTM ul ti .sl i cecom putedtom ography多排CTPCIPercutaneous transl um i nal coronaryi nterventi on经皮冠状动脉介入治疗PETPosi tronem i ssi ontom ography正电子发射计算机断层成像RADRi ght coronary artery右冠状动脉SPECTSi ngl e photonem i ssi oncom putedtom ography单光子发射计算机断层成像2 复旦大学硕士学位论文前言冠状动脉性心脏病,简称冠心病( Coronary artery di seases,CAD) ,亦称缺血性心脏病,指冠状动脉粥样硬化使血管腔狭窄或阻塞,或( 和) 因冠状动脉功能性改变( 痉挛) 导致心肌缺血缺氧或坏死而引起的心脏病。它是动脉粥样硬化导致器官病变的最常见类型,同时也是严重危害人民健康的常见病。虽然本病在西方发达国家多见,但是随着人民寿命延长,社会城市化及生活方式变化,冠心病在我国等发展中国家的死亡率和发病率亦在逐年提高,从而加大了社会疾病负担和医疗花费【11。能够早期预防、早期诊断,并进行早期及时的临床干预有着重要的意义。冠心病诊断主要依靠患者发病的典型症状,体征,冠心病危险因素以及相关的辅助检查。其中无创性检查方式在冠心病诊断中发挥着重要的作用,包括心电图、心脏冠脉CT血管造影( Com pm edtom ography angi ography, CTA) ,单光子发射计算机断层心肌灌注显像( Si ngl ephotonem i ssi oncom putedtom ography.m yocardi al perfusi on i m agi ng,SPECT-M PI) ,正电子发射计算机断层( Posi tron em i ssi ontom ography,PET) 心肌血流代谢显像,超声心动图等。其中PET心肌血流代谢显像是评价心肌活力的金标准,诊断冠心病强有力的工具。但由于PET普及率不高,显像剂制备转运和检查过程的复杂性以及费用高等原因,临床应用受到限制,现临床诊断冠心病的金标准为冠状动脉数字减影血管造影( Di gi talsubtracti veangi ography,DSA)【2‘ 31。无创性检查对诊断冠心病,进一步对患者行DSA、介入治疗及内科干预起着重要的作用。此外,一种对临床具有较好指导作用的无创性检查方式及图像应该同时包含靶器官结构和功能的信息,即同时包含CAD患者冠状动脉狭窄和心肌血流等功能方面的情况,只有这样才能对患者心脏的病理生理状态有全面准确的认识和评价。如何解决这一问题,图像融合提供了一条切实的思路,一幅融合图像能够同时包含冠状动脉结构( 如CTA) 和心肌血流代谢( 如SPECT和PET) 功能信息。图像融合包括同机融合和异机融合,前者以同机融合机器为基础( SPECT/CT和PET/CT为主) ,后者以软件为基础。众所周知,冠状动脉分布的优势类型主要指分布室间隔后部的后室间支和左心室后外侧壁由哪条冠状动脉供应,在我国70%是左优势类型,即左冠状动脉除发出两大分支外,还发出后室间支和左室后支。此外,后室间支是双侧性的,部分来自右冠状动脉和左冠状动脉旋支或由左、右冠状动脉发出的较小的血管网来代替后室间支。左、右冠状动脉的结构变异或个体差异性使主观融合的准确性较差,仅有50%.60%符合实际的冠脉分布,对7 复旦大学硕士学位论文于明确缺血心肌的犯罪血管具有很多不确定性141。图像融合对于诊断冠心病,明确犯罪血管及狭窄部位均存在优势。近年来我们发现,与同机融合机器的发展更新速度相比,CT技术发展要迅速的多,而且中、高端CT( 64排CT,256排CT) 对于提高冠心病的诊断准确性,扩大适应症等多方面均有很大改进和突破。但国内同机融合机器SPECT/CT多为16排CT,最高端PET/64排CT虽已装备,但是此类机型仅存在于大城市中的个别三甲医院,鉴于我国经济和社会多因素限制,此类中高端同机融合仪器的普及或者更新均存在较多困难。在中国,三甲医院已配置64排CT,甚至256排CT的数量明显多于同机融合机器,如何能够将医疗资源充分利用,为患者和社会提供最大可能,有效及时的服务是我们所应该认真考虑的。故认为以软件为基础的异机融合对解决上述问题有较大意义。心脏是活动的器官,异机融合可利用门控技术降低运动对图像造成的影响,同时随着软件异机融合技术的提高,实现对心脏结构和功能的综合评价,提高对冠心病诊断的准确性。因此,本研究旨在逐步通过模型、患者来探讨M IPAV软件进行异机融合的可行性,并进一步分析异机融合能够为诊断冠心病和进一步临床干预所能带来的最大意义。8 复旦大学硕士学位论文参考文献[1】刘小清.冠心病流行病学研究进展及疾病负担.中华心血管病杂志.2008,36( 6) :573.576.【2】Bengel FM ,H i guchi T,J avadi M S,et a1.Cardi ac Posi tron Em i ssi onTom ography.JAm Coi lCardi ol ,2009,549(1):1—15.【3]Knuuti J ,BengeFM .Posi tron em i ssi ontom ographyand m ol ecul ari m agi ng.H eart,2008,94:360-36.【4】Gaem pedi O ,Schepi s T,Val enta I,eta1.Cardi aci m agefusi on fromstand· al oneSPECT and CT:Cl i ni cal experi ence.JN uclM ed,2007,48(5):696—703.9 复旦大学硕士学位论文参考文献[1】刘小清.冠心病流行病学研究进展及疾病负担.中华心血管病杂志.2008,36( 6) :573.576.【2】Bengel FM ,H i guchi T,J avadi M S,et a1.Cardi ac Posi tronEm i ssi onTom ography.JAm Coi lCardi ol ,2009,549(1):1—15.【3]Knuuti J ,BengeFM .Posi tron em i ssi ontom ographyand m ol ecul ari m agi ng.H eart,2008,94:360-36.【4】Gaem pedi O ,Schepi s T,Val enta I,eta1.Cardi aci m agefusi on fromstand· al oneSPECT and CT:Cl i ni calexperi ence.JN uclM ed,2007,48(5):696—703.9 复旦大学硕士学位论文第一部分SPECT与64排CT模型3D图像异机融合的实验研究现代影像技术大体可分为两类,以CT和磁共振成像( M agneti cresonancei m agi ng,M RI) 为代表的“ 偏"解剖成像与以PET和SPECT为代表的功能成像。二者进行图像融合可充分利用各成像设备的优点,不仅可提高疾病的确诊率,而且可提高病灶的定位精度,在临床诊断上具有重要的应用价值Il 刮。正因如此,极大地推动同机融合仪器SPECT/CT和PET/CT的商品化。但上述两类仪器价格不菲,且国内众多医疗单位已装备高质量SPECT和CT,为充分利用医疗资源,使得临床、经济效益最大化,有需要利用软件进行异机图像融合。材料与方法一、PET-CT模型( 模型I) 及其性能参数( 见图1.1)1、最上圆柱体( 插件1) :外径、内径依次为5.1cm 、4.0cm 。外长度和内长度分别为12.0cm 、8.2cm 。容积为408m l 。2、内插圆柱体( 插件2) :外径为5.1cm ,高为18.0cm 。3、5个球体( 插件3) :直径分别为10m m ,13ram ,17ram ,22ram ,28ram 。球体表面到内壁距离7.0cm 。4、铝制中空管( 插件4) :1根12.7cm ,容积1.7m l 。另2根均为17.8cm ,容积2.5m l 。5、主圆柱体规格:高为18cm .。二、M uel l er模型( 模型II) 及其性能参数( 见图1.2)l 、左心室:长为9.3cm ,直径为6.1cm ,心肌厚度为1.0cm ,心肌容积为l10m l ,心室容积为60m l 。2、间壁和下壁各有一透壁缺损区,间壁缺损( 弧度× 长度) 为60。X2cm ,下壁缺损( 弧度× 长度) 为45。× 1.5cm 。3、将模型固定于长方形箱子底部槽中,长× 宽× 高为28.0cm X23.0cm X22.5cm ,厚度为2.5cm ,尽可能模仿人体正常心脏位置。三、试验方法1、首先将185M Bq咖Tc04。溶液(上海欣科医药有限公司提供)及500m l0.9%N aCl 溶液稀释成合适放射性活度溶液,分别注入模型l ~4插件中。2、使用德国Si em ens E.CAM 双探头配置平行孔低能高分辨准直器对模型I进行采集,2个探头呈180。,每个探头绕模型旋转180。,共64帧,每帧计数8× 105,矩阵128× 128,放大倍数为l ,能峰140keV,窗宽20%。( 3) 使用德国Si em ens 64排CT对模型I进行无间隔扫描,管电压120kV,10 复旦大学硕士学位论文管电流400m A,( 4) M IPAV软件( Versi on 4.2.1)异机融合螺距0.2,转速0.35s,层厚0.6m m ,矩阵512× 512。首先将SPECT图像及CT图像源数据( Raw data) 均以DICO M .格式导入M IPAV软件进行图像预处理。其中图像分割是预处理的重要步骤,具体图像分割采用阈值法【7】。根据CT图像得到灰度像素计数分布图,然后可按灰度阈值规则进行图像分割。分割依据为模型中1-4插件空间内与模型插件本身存在密度差异( 有机玻璃和铝棒密度远远大于空气) ,故插件本身和空气在CT图像上表现为不同灰度,定义灰度阈值即可对感兴趣插件空间进行内部特征提取,作为配准基元(feature.based m arkers)瞵以oJ 。模型1~4插件空间为放射性核素充满区域,即SPECT采集图像。利用该配准基元与SPECT图像进行容积匹配。配准方法是基于灰度的配准算法,利用相关函数法计算矩阵转换等参数【7】。配准完成后,利用像素级融合中的加权方法进行图像融合及3D图像融合显示。以SPECT/CT模型同机融合图像作为金标准,由影像科医师从球体、圆柱体以及铝棒融合方面,视觉评价M IPAV软件异机融合图像质量。( 5) 将55.5M Bq 99m Tc.M IBI( 上海欣科医药有限公司提供) 及110m l0.9%N aCl 溶液稀释,与60m l 碘造影剂分别注入M uel l er模型心肌容积和心室容积处,分别使用SPECT配置低能高分辨准直器,64排CT进行采集。SPECT设置参数:两探头呈90。,每个探头绕模型旋转90。,共64帧,40s/帧,矩阵64× 64,放大倍数为1.45,能峰140keV,窗宽20%。64排CT设置参数同PET-CT模型。利用M IPAV软件及上述异机融合方法,以心肌部分作为容积配准基元,将CT和SPECT模型II图像行异机融合及3D融合图像显示。结果利用M IPAV软件将SPECT和64排CT所采集模型I图像可以理想地进行异机融合。经医师对异机融合图像与SPECT/CT同机融合图像比较,图像质量无显著差异( 见图1.3,图1-4) 。利用模型I异机融合方法可将CT和SPECT心脏模型II图像较为满意地进行异机融合( 见图1.5) ,M IPAV软件和此种异机融合方法具有良好的临床可行性。讨论本研究采用的是像素级融合中的加权方法,具体指对参与融合图像的源图像进行选择、平均或加权平均等处理后合成融合图像。该种算法具有直观、融合速度快、实时性强等优点,在较多情况下可获得较好的融合效果【71。预处理和图像配准均是图像融合的关键,配准的目的就是对同一对象的像素 复旦大学硕士学位论文点在多源图像中求解最佳坐标、灰度变换等参数,从而进行精确坐标对准和定位,提高配准精度,使得融合结果包含的信息更准确、更可靠r71。本研究采用的是基于灰度的配准算法,它是建立在整个图像的总体特征上,以两幅图像中含有的相应目标区和搜索区中的像素灰度为基础,利用相关系数,由最佳匹配方法判断两图像中的对应点。本研究取得配准基元的方法是图像融合的重要步骤【踟10】。要获取恰当配准基元首先需要了解并熟悉CT和SPECT显像特征,才能进行“ 特征’ ’ 提取。因为CT中的每一个像素均具有相应并且相互联系的位置信息,所以取得的配准基元与CT源数据( Rawdata) 具有同源性,利用配准基元与SPECT图像进行配准,即代表CT与SPECT两者源数据进行配准,该过程进行了矩阵刚体变换,性质不变。该配准方法具有一定的创新性,弥补了CT和SPECT图像直接进行融合或叠加所出现的冗余信息大,准确度较低等不足。众所周知,CT信息量远远大于SPECT,如何解决两者信息匹配是研究的重点。本研究经过CT和SPECT两者内部特征即配准基元的提取,CT和SPECT有效信息量基本相仿,故可进行准确配准。该配准方法提供一种新的思路,先将不同影像方式进行信息等量容积匹配,而非传统意义上的逐层匹配,容积匹配可较大程度上实现两者图像位移相对不变,从而可进行准确图像异机融合,而且方便迅速。对于不同部位或器官的异机融合,配准基元的选取具有较大的灵活性,具体图像融合需具体分析,方可实现异机融合。异机融合配准通常需设置外标记点【8】,但本异机融合方法亮点在于不需要设置外标记点,而是将其转变为具有内部特征意义的配准基元,而且融合图像质量与同机融合无明显差异。本试验不建议使用同位素作为外标记点原因包括,一方面由于受到其自身放射性核素物理性质( 散射、半衰期、放射性活度等) 的局限性,标记点位置不易确定,易造成图像位移,使得配准精度降低;另一方面容易造成放射性核素污染,存在众多不确定因素( 放射性标记物的选取,放射性核素标记剂量、患者配合等) 。故通过利用CT和SPECT各自显像特点,提取配准基元进行容积配准显得更加优势。目前中国三级医院多已装备较高质量的CT、M 刚和SPECT,如何对现有影像设备进行及时充分的利用,从而可对病灶的解剖和功能同时显像是我们应该关注的课题。本研究异机融合的方法在一定程度上解决了该问题,在不增加现有影像设备投入的前提下,达到提高对疾病诊断的准确性。由于利用M IPAV软件对模型I进行异机融合具有较好的可行性,故采用此异机融合方法对心脏M uel l er模型进行异机融合,模型异机融合图像表明该软件和方法具有一定的临床实践意义。模型II异机融合的可行,为今后患者进行心脏以及其他器官行3D异机融合打下良好的基础。12 复旦大学硕士学位论文总而言之,本研究利用M IPAV软件进行SPECT和64排CT 3D图像异机融合,利用核医学质控PET-CT模型及其固有插件即铝管、圆柱体和球体提取配准基元,从而对异机融合进行了可行性探索。使用M uel l er模型对本软件和方法进一步验证,有良好的重复性和可行性,这将是以后对临床患者行异机融合的前提,值得注意的是仍需对临床工作中异机融合影响因素做进一步克服和排除。相信异机融合在今后临床工作中仍会充当较为重要的角色。13 复旦大学硕士学位论文附图与说明图1-1模型I:PET-CT模型。1最上圆柱体2内插圆柱体3球体插件4铝制空心管5主圆柱体√。船图1.2模型II:M uel l er模型。l 透壁缺损插件2心室容积区3心肌容积区14 复旦大学硕士学位论文图1.3 SPECT和64 tt}CT PET-CT模型3D图像异机融合。a为3D图像异机融合。b、c、d依次为融合图像的横断面、欠状面、冠状面。15 复旦大学硕士学位论文图1-4 PET-CT模型SPECT和CT同机融合和异机融合图像。l 为SPECT/CT同机融合( 中山医院核医学科,上海市核医学质控中心提供) ,2为SPECT与CT异机融合。a、b、c依次为CT、SPECT和融合图像。16 复旦大学硕士学位论文图1—5异机融合。第2_4排依次为M uel l er模型异机融合图像( 2D 图像) ,CT图像,SPECT图像。SPECT利64排CTM uel l er模型3D图像异机融合。第l 排为M uel l er模型3D图像17 复旦大学硕士学位论文参考文献【1】Petretta M ,Costanzo P,Acam pa W ,et a1.N oni nvasi ve assessm ent 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PI为代表的功能成像进行图像融合可充分利用各成像设备的优点,不仅可提高冠心病的确诊率,而且可提高狭窄部位的定位精度,在临床诊断上具有重要的应用价值f19。28】。同机融合仪器SPECT/CT和PET/CT已经较好地实现冠脉解剖和功能信息的结合,但是上述两类仪器价格不菲,国内众多医疗单位尚未安装。目前三甲医院装备高质量SPECT和中高端CT较多,为充分利用医疗资源,使得临床、经济效益最大化,有需要利用软件进行异机图像融合,探讨在临床上的可行性。对象与方法1、研究对象:2009.11.2010.2复旦大学附属华山医院心内科住院病人,入院诊断为疑似冠心病,共30例,分别进行SPECT-M PI,心脏冠脉CTA,部分患者行冠脉DSA检查。2、试验方法( 1) SPECT心肌灌注显像部分患者采取一日法,门控双核素心肌灌注显像。负荷前静脉注射201TI,剂量为148M Bq,10m i n后进行亚极量运动负荷试验,达到终止标准后,静脉注射1110M Bq咖TC.M IBI,保持负荷状态3m i n-5m i n,终止运动负荷。30m i n后脂肪餐,以促进胆囊收缩,药物排泄,提高图像质量。再30m i n后,进行心肌断层图像采集。部分患者进行隔日法心肌灌注显像,分别注射1110M Bq99m Tc.M IBI,可以提高负荷和静息心肌显像的对比性。心肌血流灌注显像仪器,德国Si em ens E.CAM 可变角双探头SPECT配备平19 复旦大学硕士学位论文行孔低能高分辨准直器,2个探头呈900,每个探头绕患者旋转900,共64帧,每帧5× 104,矩阵64x64,放大倍数为1.45,能峰140KeV,窗宽20%。未行外置X线衰减校正。所有患者进行心肌灌注负荷显像前均签署知情同意书。( 2) 心脏冠脉CTA荷兰Phi l i ps 256排CT,对患者进行无间隔扫描,管电压120kV,管电流400m A,螺距0.2,转速0.35s,层厚0.6m m ,矩阵512x512。所有患者检查前均进行碘过敏试验。( 3)ICA所有患者均按照冠脉DSA介入手术标准操作规范进行,均安全返回病房。造影结果均由两名专家进行诊断。( 4) 异机融合( 流程图见图2-1)SPECT-M PI采集完毕后,进行图像预处理,选取合适的感兴趣区即左心室心肌,导出数据以体长轴位为标准,非心脏长轴,数据格式为DICO M .。心脏冠脉CTA采集完毕后,导出数据,数据格式为M RIhdr.& M RIi m g.。将此格式数据导入M RIcro软件,手工逐层提取感兴趣区即左心室心肌,数据格式为M RIhdr.& M RIi m g.( 见图2.2) 。将SPECT-M PI得到的左心室心肌DICO M .数据与心脏CTA提取的左心室心肌M RIhdr.& M RIi m g.数据导入独立工作站中,利用M IPAV软件进行异机融合。首先利用两者三维数据,直接进行容积配准,而非逐层匹配,此配准方法是基于灰度的配准算法。利用相关函数法计算矩阵转换参数即配准参数。配准完成后,利用像素级融合方法中的加权方法进行原始SPECT-M PI和心脏冠脉CTA数据的图像融合及3D图像融合显示。利用M IPAV软件相关图像处理工具进行图像后处理,提取冠状动脉,对异机融合诊断冠心病不相关结构模糊化,诊断相关结构突出化。( 5) 图像分析以ICA作为金标准,由影像科医师对M IPAV软件异机融合图像视觉评价,并与各自独立诊断模式下的诊断结果比较,分析是否因异机融合使得狭窄冠脉和血流灌注缺损区的关系更为明确,是否因异机融合提供更多有价值的诊断信息。并据此图像融合和分析结果推测异机融合的意义。结果1、所有患者均顺利完成SPECT-M PI和心脏冠脉CTA,76.7%患者完成三种检查,并通过M RIcro软件和M IPAV软件完成异机融合( 见表2.1,表2.2) 。 复旦大学硕士学位论文2、心脏冠脉CTA用于诊断冠心病的灵敏度、特异性、阳性预测值、阴性预测值分别为72%,99%,89%,96%。以ICA为金标准,评价CTA图像及3D异机融合图像质量,结果认为并未因异机融合使得各自诊断图像效能下降,异机融合图像更为直观形象准确。3、表2—3针对心脏冠脉CTA和SPECT-M PI不同结果进行分类,对不同类别异机融合有意义率进行统计分析,采用Fi sher精确概率检验,P=0.003<0.05,差异具有统计学意义。CTA中重度狭窄且存在至少一处血流灌注缺损区患者中,45.5%( 5/11) 通过异机融合可确定“ 犯罪” 血管。另外可得到两种检查信息互补,心脏冠脉CTA可帮助SPECT-M PI确定血流灌注缺损区( 见图2.4) 。4、异机融合使得狭窄冠脉和心肌血流灌注缺损区的关系更为明确,对“ 犯罪"血管的狭窄部位定位更为精确,对冠心病的诊断准确性提高,并可对临床患者进行治疗方案的选择(见图2.3、图2.4)。讨论目前用于诊断冠心病无创性检查方式主要包括心脏冠脉CTA和SPECT-M PI。随着CT技术的迅速发展,CTA评价冠状动脉狭窄的准确性不断提高,几可与ICA媲美。SPECT-M PI是临床上评价心肌功能较为常用的方法。为了对患者心脏做出准确的评价,有必要综合结构和功能信息,所以图像融合成为解决问题的主要途径。一般临床医师可进行主观融合,按照前壁和间壁为左冠状动脉血供区,侧壁为左旋支血供区,下壁为右冠状动脉血供区。从本研究入选的患者看,异机融合亦并不一定适合每一位患者,对于两者检查结果均正常,或者CTA结果异常,但M PI正常的患者,主观融合即可,没有必要异机融合。但是模式化的冠脉树与实际冠脉分布区相吻合的可能性为50%.60%,而且临床上存在冠状动脉分布优势类型,主要取决于分布室间隔后部的后室间支和左心室后外侧壁由哪条冠状动脉供应,我国70%的人是左优势类型,即左冠状动脉除发出两大分支外,还发出后室间支和左室后支。另后室间支可能是双侧性的,部分来自右冠状动脉和左冠状动脉旋支或由左、右冠状动脉发出的较小的血管网来代替后室间支f291。故异机融合可提供个体化差异的额外诊断信息,对提高冠心病的诊断准确性[30-32J 。从本研究结果看,45.5%两者检查结果均异常的患者异机融合有意义,具体分析发现存在多支冠脉病变,或心肌血流灌注缺损部位发生在间壁和后侧壁,以及多处血流灌注缺损区,异机融合意义最大( 见表2.3) 。换言之,不能明确犯罪血管与血流灌注缺损部位,异机融合意义较为突出。以此推断若为多支病变,包括同时存在中间支,心肌桥或侧枝循环的存在,对于犯罪血管与心肌血流灌注缺21 复旦大学硕士学位论文损区的对应关系就需要通过异机融合明确,以便进一步指导临床诊断及治疗。当然,若为单支病变,单处血流灌注缺损,异机融合的意义值得商榷。但亦可通过异机融合,利用CTA定位的准确性提高SPECT-M PI诊断的准确性【33-351,尤其是对后间壁和后侧壁的血流灌注缺损区范围的判断( 见图2.4) 。本研究30例患者,尽可能完成SPECT-M PI,心脏冠脉CTA,以及冠脉DSA,从无创性检查到有创性检查及介入干预,其中SPECToM PI包括静息和负荷门控显像两部分。所有患者异机融合均顺利完成,说明利用M IPAV软件进行M PI和心脏冠脉CTA异机融合具有临床可行性( 见表2.2) 。异机融合关键在于图像配准,配准的精确度直接决定融合图像的准确性。本研究图像配准采取容积匹配,可实现两者图像位移相对不变,所以可进行准确异机融合,方便迅速。容积匹配所需配准基元是图像融合的重要步骤【33, 36-38]。获取配准基元首先要了解并分析两种显像方式的显像特点,找到两者用于配准的最佳结构特征。通过反复试验我们认为心脏冠脉CTA和SPECT-M PI可用于容积配准的最佳结构特征是左心室心肌,故对两者图像分别进行左心室心肌部分手工提取( 见图2.2) 。如果利用软件对心脏冠脉CTA左心室心肌进行自动提取,存在众多不确定性,准确度较低,而通过手工提取左心室心肌虽然较为费时耗力,但不失为进行准确配准的一种选择。众所周知,不将两者图像直接进行配准是因为CT信息量远远大于SPECT,而且两者像素大小不同,如何解决两者信息匹配是图像融合的难点。但是,如果通过提取各自显像特征提取配准基元则可使两者有效信息量相仿,便可进行准确配准。容积匹配,不是传统意义上的逐层匹配,它弥补了CT和SPECT图像直接进行融合或叠加所出现的冗余信息大,准确度较低等不足。心脏是运动的器官,如何消除运动伪影,一直是困扰心脏异机融合的难点。本研究采用门控技术,可在现有软硬件条件下使得心脏运动对图像质量的影响降至最低。另有研究亦表明可采用舒张末时相下的图像数据进行融合来降低运动对图像质量的影响【39, 40] 。将来同机融合机器SPECT与高端CT( 256排CT) 的出现,对于图像配准有一定的改进,但仍需考虑心脏运动和呼吸运动等影响因素。此外,鉴于目前我国经济发展程度和人民生活水平,同机融合机器的普及还有较大差距。近年来,由于CT技术的快速发展,64排CT逐渐普及化,256排乃至“ 平板” CT的出现,使得心率对心脏冠脉CTA的影响大大降低,适应症拓宽,图像质量亦获得很大提高【30.41‘ 421。但是SPECT/CT同机融合机器革新速度落后于CT,如何能够充分利用医疗资源,并为患者提供额外信息亦是进行本研究的初衷。异机融合提供了一种可行的解决方案,提高了患者检查的性价比,在一定程度上可 复旦大学硕士学位论文避免进行额外的有创检查或者治疗,减轻了患者的经济和精神负担。显像仪器软件和硬件技术都在不断地更新和发展,软件为基础的异机融合技术也必定会进一步改进、提高和成熟,半自动的图像处理会向全自动方向发展,从而使得更多的患者受益。总而言之,在现有的软硬件条件下,利用M IPAV软件对患者SPECT-M PI和心脏冠脉CTA进行异机融合具有临床可行性。对于多支病变,多处心肌血流灌注缺损的患者具有明显的临床意义,可明确犯罪血管和心肌血流灌注缺损的对应关系,对定位狭窄部位更为精确,提高了对冠心病诊断的准确性,并对迸一步做出正确临床决策有较大帮助。 复旦大学硕士学位论文附图与说明表2-1患者基本信息( n=30)项目年龄( 岁)女性( 例数)BM I(kg心率(次/分)血肌酐( p m ol /L)病史(例数)单支病变两支病变三支病变心肌梗塞( 心肌酶标志物异常)PCI史CABG 史胸痛,胸闷或呼吸困难心电图ST段压低心血管病危险因素( 例数)糖尿病高血压高血脂吸烟史rl ( %)m -2)63± 1211( 36.7)25.9± 3.972± 1282.O ± 20.913( 43.3)6( 20.0)5( 16.7)O ( 0)4(13.3)0( O )30(100.0)9( 30.0)618l O720.0)( 60.O( 33.323.3)注:体重指数( Bodym ass i ndex,BM I) ;经皮冠状动脉介入治疗( Percutaneous tm nsl um i nalcoronary i nterventi on,PCI) 冠状动脉搭桥术( Coronary artery bypass graft,CABG ) 复旦大学硕士学位论文表2-2异机融合编性年龄号别病变累及范围图像融合犯罪血管心脏CT冠A脉sPECT- M PI主观融合异机融合冠脉DSA( 狭窄%)1男596,7,13正常正常正常2男821,63男703,134女6665男652,6,76男692,6,77女675,128女74正常9女63510女男7611l12女42篝臀瘤正常13女826,756正常心尖可逆性缺血间壁、侧壁可逆性缺血心尖可逆性缺血心尖可逆性缺血后间壁可逆性缺血心尖部可逆性缺血正常正常正常正常正常63或1366,72或6,75正常正常正常正常正常正常14男572,7,12正常正常15男661,6:!釜:.翼壁可l或6逆性缺血‘ 一16男742,4,5,11正常正常17男713,8正常正常18男502,5,7,8正常正常19男44正常2021222324女男男男男74巍6’ 7’11' 13497,1175644正常11,13心肌43正常心尖,下壁近心尖处,间壁不能确定正常可逆性缺血正常心尖可逆性缺血正常一6正常正常正常正常6间壁为3,侧壁为1366,775正常正常正常正常正常正常正常6正常正常正常正常心尖为6,7下壁,间壁为2,3正常6正常正常2( 30%) :6( 40%) ;13( 30%)1( 30%) :6( 70%)3( 90%) ;6( 30%) ;13( 99%)6( 50%)2( 20%) ;6( 70%) :7( 20%) 伴心肌桥2( 20%) :7( 60%一70%)6(30%)木2( 30%) ;7( 30%) ;12( 30%)1( 30%- 40%) :6,7(90%):9(80%一90%)2( 30%) ;5( 40%) :1l ( 30%)正常木5( 40%一50%) ;7( 30%) o8( 30%)7( 30%)6( 50%)正常;I=正常木ll圣踹 复旦大学硕士学位论文桥25女782,726男506,1127男28女29男30女667心肌桥51正常646,7,l l51正常正常前壁,后侧壁近心尖处可逆性缺血正常正常前间壁,心尖可逆性缺血正常正常前壁为6,侧后壁为6或l l正常正常正常6正常正常6,76,7正常正常6( 50%) :11( 40%)正常木6。7( 80%)注:宰代表患者要求。美国心脏病协会( Am eri canH eartAssoci ati on,AH A) 心脏冠脉CTA分段法:1=RCA近段;2=RCA中段;3=RCA远段;4=后降支;5=LM ;6=LAD近段;7=LAD中段;8=LAD远段;9=-第1对角支;10=第2对角支;11=LCX近段;12=钝缘支;13=LCX中段;14=第1侧后支;15=第2侧后支;16=中间支。表2-3不同组别异机融合分析注:Fi sher精确概率检验得:P---0。003<0.05,差别具有统计学意义。 复旦大学硕士学位论文kIla93e。fu’一sio⋯n⋯一1:lRaw、I一⋯一』也一咖· 、■。器宇一一1|③,⋯尬、L小}Co—regi strati on①lPre-segm eCT D atam ]l ljl|Pre—segm ent|SPECT D ata:l 屹lkIJ三|Cross—correl ati on图Z-1异机融合流程图。依次按照①②③④进行,容积配准方法为相关函数法。27 复旦大学硕士学位论文图2-2手『:提取容积配准基元l 原始心脏冠脉CTA 2手I:勾画左心室心肌3最终输出容积配准基元 复旦大学硕士学位论文图2.3患者,男,66岁,胆囊切除术后,甲状腺结节术后,反复活动后胸闷、心悸1月余,休息后好转,高血脂,心电图示房内传导阻滞,ST改变,心肌标志物正常。a双核素心肌显像,踏车运动负荷及静息心肌双核素显像示左室心尖部,间壁可逆性缺血表现。b-c心脏冠脉CTA提示左前降支近端软斑块伴管腔狭窄,右冠近段斑块形成伴狭窄d-e异机融合图像,不同角度观察狭窄冠脉所对应的心肌血流灌注缺损区。可以直观形象地明确狭窄冠脉与缺血心肌的关系,间壁及心尖的缺血心肌可以明确诊断左前降支为犯罪血管,而非右磁状动脉狭窄造成。异机融合明确地给临床提供介入治疗参考意见,患者进行PCI术即可缓解心肌缺血。F.gLM 正常,LAD中段病变斑块形成,狭窄约90%,第一对角支近段病变斑块形成,狭窄约80%.90%。RCA近段可见斑块形成约30%.40%。29 复旦大学硕士学位论文图2—4患者,男,70岁,活动后胸闷、气喘3周,后背压榨感,高血压10余年,药物控制尚可,甘油三酯偏高,否认糖尿病史,亚极量运动平板试验阳性。a隔日法核素心肌显像提示左室侧壁可逆性缺血,后间避轻度可逆性缺血表现可能?b-c心脏冠脉CTA提示左旋支,右冠状动脉远端狭窄可能大。d_e 3D图像异机融合,提示左旋支狭窄,为侧壁血流灌注缺损的犯罪血管;右冠状动脉狭窄,为后间壁血流灌注缺损的犯罪血管f异机融合后截取二维图像提示后间壁亦有血流灌注缺损区g-hICA分别提示LM 正常,LAD近段不规则,LCX中远段狭窄约99%;RCA远段长病变最狭窄处约99%。该病例通过异机融合可以明确间壁、侧壁血流灌注缺损的犯罪血管,并可以帮助SPECT-M PI提高诊断准确性,明确后间壁血流灌注缺损区。患者通过PCI安装两个支架方可缓解心肌缺血。30 复旦大学硕士学位论文参考文献【1】刘小清.冠心病流行病学研究进展及疾病负担.中华心血管病杂志,2008,36( 6) :573.576.【2】W armS,Rao P,Prez RD.Cardi accom puted tom ographi c angi ography:eval uati onofnon-cardi ac structures.J N uclCardi ol ,2009,16(1):139—150.[3】N uci fora G Schuof J D,W erkhoven J M ,et al 。Preval ence of coronary arterydi sease across theFram i nghamri skcategori es:coronary arterycal ci umscori ngandM SCTcoronary angi ography.JN ucl Cardi ol ,2009;16(3):368-375.[4】W erkhoven J M ,Bax J J ,N uci fora Get a1.The val ue ofm ul ti .sl i ce—com putedtom ography coronary angi ographyfor ri skstrati fi cati on.JN uclCardi ol ,2009,publ i shedonl i ne.【5】Leschka S,Al kadhi H ,Pl ass A,et a1.Accuracyof M SCTcoronary angi ographyw i th 64-sl i cetechnol ogy:fi rst experi ence.EuropeanH eartJ ournal 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