發(fā)布時間：2018-04-01 04:27

  本文選題：聚類分析　切入點：Lab色彩空間　出處：《山東大學》2017年碩士論文

【摘要】：根據(jù)2008年中國衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計顯示,心血管病是我國居民第一位死亡原因,平均每1分鐘死亡6人。近年研究發(fā)現(xiàn),多數(shù)急性心腦血管病患中,動脈粥樣硬化(AS)斑塊的破裂及血栓形成是其主要發(fā)病機制。AS斑塊發(fā)生于動脈管壁,斑塊演變過程涉及炎癥、凝血等多環(huán)節(jié),單純顯示動脈管腔狹窄度的診斷已不能滿足臨床的需求。血管內(nèi)超聲成像技術(shù)(IVUS)可以彌補了這種不足,其可顯示管壁的斑塊形態(tài)、負荷程度乃至斑塊的組成成分。由于IVUS提供的是二維血管橫截面圖像,僅能顯示局部血管病變信息,血管內(nèi)超聲成像三維重建成為目前研究熱點。但目前的血管內(nèi)超聲三維成像仍不能反應(yīng)血管的彎曲度及翹曲。本研究提出一種基于電磁定位信息與IVUS圖像的血管三維重建的方法:首先將IVUS圖像根據(jù)電磁定位系統(tǒng)得到的有關(guān)圖像坐標、角度的信息,將二維坐標轉(zhuǎn)化到三維坐標系之中;然后通過邊緣提取IVUS血管圖像中的內(nèi)膜與外膜,通過采用曲面擬合技術(shù)完成管腔外表面的擬合,從而得到最終的血管三維重建圖。通過對血管段的三維重建,能準確計算出血管斑塊體積。血管內(nèi)超聲技術(shù)對易損斑塊的識別有重要意義。在血管內(nèi)超聲成像技術(shù)中,通過回撤,可觀察到整個血管段的所有橫截面信息。如何驗證IVUS對易損斑塊的識別,需要對血管行組織學分析,而這種分析會涉及到一整段長度的動脈,大量的圖像和切片分析,工作量巨大。本研究利用聚類分析原理和Lab顏色空間,使用Matlab環(huán)境自行研制一款高通量的組織切片圖像分析軟件,并通過與image-pro plus軟件分析結(jié)果的對比研究驗證了該軟件的準確性。結(jié)論:(1)本研究成功研制了基于聚類分析和Lab顏色空間的適于動脈粥樣硬化組織切片自動分析的軟件,所測結(jié)果與目前公認分析軟件測值間有良好的一致性,使工作效率明顯提高,可成批大量分析病理切片。(2)復(fù)合導管檢查可準確測量動脈粥樣硬化斑塊體積。(3)復(fù)合導管可同步實現(xiàn)血管內(nèi)超聲圖像和三維空間信息獲取,呈現(xiàn)血管真實空間形態(tài),并利用虛擬內(nèi)窺式呈遞便捷地實現(xiàn)一段血管病變的多視角觀察和定位。冠狀動脈易損斑塊破裂和隨后的血栓形成是急性心血管疾病事件的主要原因。血管內(nèi)超聲技術(shù)對易損斑塊的識別有重要意義。在血管內(nèi)超聲成像技術(shù)中,通過回撤,可觀察到整個血管段的所有橫截面信息。但是對比IVUS圖像和組織學結(jié)果,會涉及到一整段長度的動脈大量的圖像和切片,工作量巨大。動脈粥樣硬化斑塊的組織學研究中,通常使用一種染色劑為一構(gòu)成分染色。目前大多數(shù)商用軟件提供了宏觀直方圖分析工具。即使在這個成批處理中,參數(shù)包括病理信號顏色的閾值,ROI邊界,等等,仍然需要為每個不同的情況下手動調(diào)整最優(yōu)結(jié)果。顯然,大量直方圖分析系統(tǒng)以盡量減少人為干預(yù)會對提高工作效率及減少主觀因素均有很大幫助。本研究利用聚類分析原理和Lab顏色空間,使用Matlab環(huán)境自行研制一款高通量的組織切片圖像分析軟件,并通過與image-pro plus軟件分析結(jié)果的對比研究驗證軟件的準確性。1.研究方法1.1軟體開發(fā):軟件在Matlab環(huán)境下研制,首先對動脈內(nèi)膜和外膜的邊界分別手動勾畫邊界并存儲,病理切片每個像素的顏色分散至CIE-LAB顏色空間,基于組件a和b通過使用k均值聚類分析方法將每個像素集群。k最好的聚類數(shù)是通過基于在輪廓分析中一個默認從3-5的范圍比較集群的結(jié)果設(shè)定。1.2.實驗動物模型建立純種雄性新西蘭白兔10只,體重1.5～2.0 kg,前期予1%高膽固醇飼料喂養(yǎng)1周,以3%戊巴比妥鈉(1ml/kg)麻醉成功后,經(jīng)股動脈入路,以充盈球囊反復(fù)回撤損傷腹主動脈內(nèi)膜3次;術(shù)后予1%高膽固醇飼料喂養(yǎng)24周,以建立腹主動脈斑塊模型。1.3.取材球囊拉傷第24周末,麻醉兔子成功,取腹主動脈,截取血管組織分別進行凍結(jié)、石蠟包埋處理。1.4.組織學與免疫組織化學染色所有組織切片以5 μm厚度制片。分組進行油紅0染色、天狼星紅染色、抗α-SMC染色、抗RAM-11染色,分別觀察分析脂質(zhì)成分、膠原蛋白、平滑肌細胞及巨噬細胞。每個切片是由顯微鏡觀察(10和20 x,依次)并且圖像存儲為TIFF格式。1.5.統(tǒng)計學處理對每組樣本分別用IPP軟件和基于MATLAB研制的軟件測量斑塊內(nèi)的膠原纖維、平滑肌細胞、脂質(zhì)及巨噬細胞面積占組織切片面積的百分比。定量數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標準誤表示,選用SPSS13.0軟件以獨立樣本t檢驗或單因素方差分析及Newman-Keuls檢驗分析數(shù)據(jù),p0.05為有統(tǒng)計學意義。2.結(jié)果自10只動脈粥樣硬化兔腹主動脈共采集50塊組織樣本,分別在X10和X20倍數(shù)下對油紅0染色、天狼星紅染色、抗a-SMC染色、抗RAM-11染色進行拍照。IPP軟件和自行研制的軟件測量結(jié)果具有良好的相關(guān)性。在本實驗中合適的聚類分析分類數(shù)分別是:油紅OX10、油紅OX20、天狼星紅X10、天狼星紅X20、平滑肌X20為3;巨噬細胞X10、平滑肌細胞X10為5;而巨噬細胞X20為4和5,但更傾向于5。也就是說每種染色方法均能通過選擇合適的顏色分類數(shù)(一般選擇3~5,但不局限于3~5),獲取準確的聚類分析結(jié)果。Bland-Altman和線性回歸分析進一步證實兩種分析軟件間具有良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2在0.72-0.99間。3.研究結(jié)論本研究成功研制了基于聚類分析和Lab顏色空間的適于動脈粥樣硬化組織切片自動分析的軟件,通過選擇合適的聚類分析顏色個數(shù),自行研制軟件所測結(jié)果與目前公認分析軟件測值間有良好的一致性。所研制的軟件減少了人為的干擾因素,提高了工作效率,可成批大量分析病理切片,具有良好的使用推廣價值。近年研究發(fā)現(xiàn),在多數(shù)急性心腦血管病患者中,動脈粥樣硬化(AS)斑塊的破裂和血栓形成是其主要發(fā)病機制。AS斑塊是發(fā)生于動脈管壁的病變,斑塊從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的過程涉及炎癥、凝血等多環(huán)節(jié),單純顯示動脈管腔的診斷技術(shù)已不能滿足臨床的需要。血管內(nèi)超聲成像技術(shù)(IVUS)彌補了冠狀動脈造影單純顯示管腔的不足,其可顯示管壁的斑塊形態(tài)、負荷程度乃至斑塊的組成成分。由于二維血管橫截面圖像僅能提供局部血管病變信息,血管內(nèi)超聲成像三維重建和可視化已成為目前的研究熱點。目前的血管內(nèi)超聲成像系統(tǒng)可借助系統(tǒng)配備的回撤裝置實現(xiàn)對一段血管的觀察,但其三維重建和可視化是把序列圖像按采集順序疊加起來形成一個直管模型的血管段。這種方法沒有考慮在圖像獲取過程中血管自身的彎曲形態(tài)。另一種方法為利用多角度CAG提取血管骨架并順序疊加血管內(nèi)成像的圖像,但基于多角度CAG圖像的重建,影響DSA圖像與血管內(nèi)成像圖像的配準。且這些重建方法忽略了導管回撤過程中的離平面運動造成圖像法平面的翹曲,影響重建后圖像顯示,尤其是虛擬內(nèi)窺環(huán)境的呈遞。本研究提出一種基于電磁定位信息與IVUS圖像的血管三維重建的方法:首先將IVUS圖像根據(jù)電磁定位系統(tǒng)得到的有關(guān)圖像坐標、角度的信息,將二維坐標轉(zhuǎn)化到三維坐標系之中;然后通過邊緣提取,提取出圖像中血管的內(nèi)膜與外膜,通過采用曲面擬合技術(shù)完成管腔外表面的擬合,從而得到最終的近似的血管的三維重建圖。通過將電磁定位系統(tǒng)得到的空間信息以及從IVUS圖像序列中獲取的管腔橫切面信息整合起來,實現(xiàn)感興趣血管段的三維準確重建。研究目的:1.設(shè)計基于電磁定位跟蹤系統(tǒng)的IVUS復(fù)合導管。2.驗證基于電磁定位跟蹤系統(tǒng)的IVUS復(fù)合導管的三維成像對動脈粥樣硬化斑塊的識別及準確性。研究方法:1.使用PVA冷凝膠(PVA-CG)制備血管仿體25個。動脈粥樣硬化兔腹主動脈斑塊11個。2.復(fù)合導管的設(shè)計安裝:在IVUS探頭近端平齊以下0.2mmm處安放NDI線圈并固定于IVUS外鞘壁上,一直固定到達IVUS近端,組合成復(fù)合導管;在復(fù)合導管外套裝鞘管。IVUS及NDI分別連接主機,可同步進退,并進行信息整合。3.準確性驗證3.1NDI電磁定位精度驗證通過不同位置,觀察靜止狀態(tài)下電磁線圈在磁場顯影中的振幅。采用位移平臺觀察比較動態(tài)位移。結(jié)果顯示隨距離的增加,其觀測到的電磁振幅呈增大趨勢,離磁場40cm以內(nèi),經(jīng)降噪處理后最大振幅所產(chǎn)生的誤差為0.155mmn以內(nèi)。遂設(shè)定本系統(tǒng)的精度為0.2mmmm。復(fù)合導管運動狀態(tài)下,距離磁場15cm、30cm處時,磁場所顯示的位移值與位移平臺所對應(yīng)的位移值無統(tǒng)計學差異;距離45cm時均有統(tǒng)計學差異。Bland-Altman法亦證實,在距離磁場15cm、30cm處,一致性界限的可信區(qū)間(LOACI)內(nèi),均在95%以上,同時可信區(qū)間均未超過可接受的臨界值范圍,即0.2mm。3.2仿體實驗:3.2.1采用體外密封裝置,裝置內(nèi)注入去離子水,從密封閥內(nèi)安裝7F動脈鞘管,將血管模型兩端分別固定在動脈鞘管末端,血管模型纏繞于直徑為84mm筒狀物體上,使其呈弧形彎曲。在0.014mm指引導絲引導下,從動脈鞘管插入IVUS復(fù)合導管。接通IVUS裝置及電磁裝置,并同時啟動自動回撤,獲取血管仿體圖像信息。將獲得的IUVS及電磁定位信息通過軟件進行整合,進而得到血管仿體的三維立體結(jié)構(gòu)。3.2.2復(fù)合導管測量出的血管模型斑塊體積,與仿體實際斑塊體積進行比對分析。3.3實驗動物動脈粥樣斑塊模型檢查:3.3.1穿刺已建立動脈粥樣硬化斑塊模型的新西蘭兔股動脈,沿導絲置入復(fù)合導管到達腹主動脈,同時開啟復(fù)合導管內(nèi)的IVUS及NDI,在復(fù)合導管回撤過程中同步采集IVUS圖像信息及NDI位置信息。以上信息進行整合,以取得腹主動脈三維信息。3.3.2分離腹主動脈,結(jié)扎腹主動脈側(cè)支,然后纏繞于直徑為84mm圓柱上,兩端固定連接鞘管加壓注水充盈。置入復(fù)合導管到達腹主動脈內(nèi),標記血管,同時開動IVUS及NDI,在復(fù)合導管回撤過程中同步采集IVUS圖像信息及NDI位置信息�；爻方Y(jié)束,再次標記血管。以上信息進行整合,以取得纏繞后的腹主動脈三維信息。3.3.3病理學染色:把以上血管剪切成長度為5mm的血管段,記錄順序,放入4%多聚甲醛中,4℃情況下固定24-48小時。隨后石蠟組織包埋,以5um厚度連續(xù)切片,每隔50um保留2張切片,行HE染色。3.3.4計算斑塊體積并比較:病理切片內(nèi)動脈粥樣硬化斑塊逐層疊加,算出斑塊體積,與復(fù)合導管測量出的對應(yīng)動脈粥樣硬化斑塊體積進行比對分析。3.4統(tǒng)計學處理:采用SPSS13.0軟件以及MedCalc軟件進行分析。計量資料以均數(shù)±標準差(mean±SD)表示,以P0.05為無統(tǒng)計學差異意義。研究結(jié)果:(1)復(fù)合導管檢查能準確測量動脈粥樣硬化斑塊的體積。本研究中共觀測血管仿體25例,實驗動物血管段11個。血管仿體檢查中復(fù)合導管檢查與實際斑塊體積對比、實驗動物中復(fù)合導管檢查與病理切片檢查動脈粥樣硬化斑塊體積均無明顯統(tǒng)計學差異(P0.05)。(2)復(fù)合導管可同步實現(xiàn)血管內(nèi)超聲圖像和三維空間信息獲取,呈現(xiàn)血管真實空間形態(tài),并利用虛擬內(nèi)窺式呈遞便捷地實現(xiàn)一段血管病變的多視角觀察和定位。研究結(jié)論:(1)復(fù)合導管檢查可準確測量動脈粥樣硬化斑塊體積。(2)復(fù)合導管可同步實現(xiàn)血管內(nèi)超聲圖像和三維空間信息獲取,呈現(xiàn)血管真實空間形態(tài),并利用虛擬內(nèi)窺式呈遞便捷地實現(xiàn)一段血管病變的多視角觀察和定位。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R54

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