心血管疾病具有高患病率、高致殘率以及高死亡率等特點(diǎn)。主動(dòng)脈縮窄(coarctation of aorta,Co A)和主動(dòng)脈瓣狹窄(aortic stenosis,AS)分別是常見的先天性與后天性心血管疾病,尚無有效的藥物治療手段。血流動(dòng)力學(xué)是診斷和評(píng)估這兩種疾病的主要臨床參考指標(biāo),其中有創(chuàng)性心導(dǎo)管檢查是獲取血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的金標(biāo)準(zhǔn)。目前無創(chuàng)性獲取血流動(dòng)力學(xué)的方法都存在不足之處:經(jīng)胸超聲心動(dòng)圖(transthoracic echocardiography,TTE)雖能準(zhǔn)確測(cè)量血流速度,但其易高估壓力差;磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢查過程復(fù)雜且費(fèi)用相對(duì)昂貴、檢查時(shí)間相對(duì)較長;CT血管造影(CT angiography,CTA)雖然被廣泛應(yīng)用于形態(tài)學(xué)評(píng)估,但它無法進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析。計(jì)算流體力學(xué)(computed fluid dynamucis,CFD)是近年來心血管系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),具有無創(chuàng)性、可獲取參數(shù)多、高分辨率等特點(diǎn),但目前基于CTA、利用CFD技術(shù)進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)的研究還相對(duì)較少。機(jī)器學(xué)習(xí)也是近年來心血管系統(tǒng)的研究熱點(diǎn),它具有無創(chuàng)性、運(yùn)算速度快、可復(fù)用性強(qiáng)等特點(diǎn),但目前還處于剛剛起步階段�；谝陨鲜聦�(shí),本研究基于CTA橫斷面圖像,利用CFD技術(shù)分別進(jìn)行CoA和AS患者的主動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)研究,并探索通過機(jī)器學(xué)習(xí)手段對(duì)Co A患者進(jìn)行無創(chuàng)性診斷的可行性研究。本文的研究工作主要為:1.驗(yàn)證了基于CTA橫斷面圖像,利用CFD技術(shù)評(píng)估主動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)的可行性。本研究部分共收集25例診斷為先天性心臟病且主動(dòng)脈正�；颊�,所有患者均進(jìn)行了CTA、TTE檢查,且在兩周之內(nèi)做了心導(dǎo)管檢查。CFD的仿真模型由患者CTA橫斷面圖像重建而來;CFD邊界條件包括經(jīng)TTE測(cè)得的主動(dòng)脈瓣口峰值收縮期速度(peak systolic velocity,PSV),上下肢血壓;如果血壓值缺失,則使用集總參數(shù)模型(lumped parameter model,LPM)來代替。分別比較CFD獲得的峰值收縮期壓力(peak systolic pressure,PSP)與心導(dǎo)管獲得的PSP、CFD獲得的PSV與TTE獲得的PSV。研究結(jié)果顯示:CFD獲得的PSP與心導(dǎo)管獲得的PSP具有高度一致性,兩者線性相關(guān)度達(dá)到0.918,而Bland-Altman圖也表明兩者誤差很小,平均誤差僅-1.400 mmHg;CFD獲得的PSV與TTE獲得的PSV也具有高度一致性,兩者線性相關(guān)度為0.968,而Bland-Altman圖的平均偏差僅為-7.68 cm/s。除了可獲得具體數(shù)值外,通過CFD可視化功能可將血流動(dòng)力學(xué)分布及分布狀態(tài)(如渦流)展示出來,也可直接呈現(xiàn)某些臨床難以直接測(cè)量的量化指標(biāo)如壁面切應(yīng)力。本研究結(jié)果證實(shí)了CFD在人體主動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)分析中的可行性與正確性。2.驗(yàn)證了基于CTA橫斷面圖像,利用CFD技術(shù)無創(chuàng)性診斷Co A的診斷效能。本研究部分納入50例訓(xùn)練集患者(其中包括25例確診CoA患者和25例確診為先天性心臟病但無Co A患者)和25例盲法測(cè)試集患者(為疑似Co A患者)。CFD的仿真模型由患者的CTA圖像重建而來;CFD邊界條件包括TTE測(cè)得的主動(dòng)脈瓣口PSV、上下肢血壓;如果血壓值缺失,則使用LPM來代替。CFD的診斷效能使用ROC曲線來評(píng)估。研究結(jié)果表明,CFD方法能準(zhǔn)確區(qū)分正常主動(dòng)脈和患有CoA的主動(dòng)脈。訓(xùn)練集的ROC曲線表明,利用CFD方法得到的三種血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo):峰值收縮期血壓差(peak systolic pressure gradient,PSPG)、PSV以及平均峰值收縮期壁面切應(yīng)力(average maximum wall shear stress,AMWSS)具有非常高的診斷效能(AUC=0.987,0.931,0.978),其敏感性為92%,92%,88%;特異度為:92%,96%,80%,而假陰性診斷分別只有2例,3例,2例。在測(cè)試集中,CFD仿真得到的PSPG、PSV和AMWSS的AUC為0.953,0.947,0.823;敏感度分別為:93%,87%,80%;特異度分別為:90%,80%,100%。三個(gè)指標(biāo)的假陰性率分別為:1/15,3/15,2/15。本研究中證明了CFD方法能有效且無創(chuàng)地診斷Co A,彌補(bǔ)了CTA無法進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析的缺點(diǎn)。3.驗(yàn)證了基于CTA橫斷面圖像,利用CFD技術(shù),進(jìn)行AS患者狹窄嚴(yán)重程度的無創(chuàng)性分級(jí)能力。本研究納入輕度狹窄組10例(跨瓣平均血壓差30 mmHg),中度狹窄組10例(30 mm Hg跨瓣平均血壓差49 mmHg),重度狹窄組10例(跨瓣平均血壓差50 mmHg)。CFD的仿真模型由患者的CTA圖像重建而來;CFD邊界條件包括TTE測(cè)得的左心室流出道PSV、上下肢血壓;如果血壓值缺失,則使用LPM來代替。CFD的分級(jí)效果采用多分類Logistic回歸和加權(quán)Kappa檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明,CFD方法的分級(jí)效果有較高的準(zhǔn)確率(86.67%),且加權(quán)Kappa檢驗(yàn)表明,CFD的分級(jí)效果與心導(dǎo)管的分級(jí)效果具有高度一致性(к=0.80,p0.001)。本研究說明了CFD方法能對(duì)AS嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí),是對(duì)CFD方法應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展。4.利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法,完成了CoA的無創(chuàng)性診斷。本研究納入了66例患者,所有患者均進(jìn)行了TTE、CTA檢查,兩周之內(nèi)進(jìn)行了心導(dǎo)管檢查。本研究使用了K最近鄰(K-Nearest Neighbor,KNN)、樸素貝葉斯(Naive Bayes,NB)、隨機(jī)森林(Radom Forest,RF)三種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,機(jī)器學(xué)習(xí)所用的特征從CTA、TTE中直接獲取,樣本標(biāo)簽則通過心導(dǎo)管結(jié)果確定。特征經(jīng)過預(yù)處理之后用來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法。機(jī)器學(xué)習(xí)算法的驗(yàn)證方法采用10則交叉驗(yàn)證。機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)效果主要采用ROC和F-measure來評(píng)估。研究結(jié)果表明,KNN、NB、RF算法都有不錯(cuò)的正確率(0.812,0.855,0.913)、AUC(0.900,0.936,0.965)和F-measure(0.814、0.854、0.897)。本研究結(jié)果表明,機(jī)器學(xué)習(xí)能較為準(zhǔn)確的診斷CoA。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP181;O35;R543.1
【部分圖文】：

一的根治方法，而正確的診斷和術(shù)前評(píng)價(jià)是治療的基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容包括 CoA 和 AS 兩種心血管疾病的無創(chuàng)性診斷與評(píng)、評(píng)估這兩種疾病的研究方法與結(jié)果，并對(duì)主要結(jié)果進(jìn)行討論疾病的背景知識(shí)以及診斷或疾病管理上遇到的困難，闡述這兩種當(dāng)前的研究理論作系統(tǒng)的介紹。背景脈縮窄簡(jiǎn)介與研究背景指主動(dòng)脈的先天性局限性狹窄畸形，使通過狹窄主動(dòng)脈區(qū)域的上常見的先天性主動(dòng)脈發(fā)育畸形，約占先天性心臟病患者的 6（aortic isthmus, AI）是 CoA 的高發(fā)區(qū)域（占比 95%以上），Co現(xiàn)為膜狀縮窄；亦可形成累及較長血管段的病變，表現(xiàn)為管狀縮

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 CTA 圖像的后處理與 CFD 基本步驟2.1 引言CTA 圖像無法直接進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析，需要經(jīng)過后處理形成三維幾何模型之后才可借助 CFD 技術(shù)進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析。由于三維幾何模型是 CFD 計(jì)算必不可少的一部分，所以進(jìn)行 CTA 圖像后處理的目的是為了得到可用于 CFD 計(jì)算的三維幾何模型，該過程即 CTA 圖像的三維重建。CFD 方法是一種數(shù)值求解方法，常用于流體物理場(chǎng)的仿真計(jì)算。如 1.3.2 小節(jié)所述，許多物理場(chǎng)的基本控制方程無法求出其理論解析解，而 CFD 方法的實(shí)質(zhì)就是使用數(shù)值方法來求解這些物理場(chǎng)的基本控制方程，使得求出的數(shù)值解近似滿足物理場(chǎng)的基本方程。在本研究中，CFD 方法則用來求解流體的五個(gè)基本方程：式（1-1）～式（1-5）。CFD方法需要遵循特定的步驟才能完成計(jì)算，如下圖所示：

目標(biāo)圖像區(qū)域與背景圖像區(qū)域灰度對(duì)比明顯，其直方圖一般表現(xiàn)為“雙峰”，即有度峰值。一個(gè)峰來自于目標(biāo)圖像區(qū)域，而另外一個(gè)峰值來自于背景圖像。而在目區(qū)域與背景圖像區(qū)域的邊界附近，圖像像素少，從而產(chǎn)生了波谷。普遍而言，當(dāng)波谷值時(shí)，圖像分割的效果最好。在本研究中，CTA 圖像的胸主動(dòng)脈部分具有較性，且與部分骨骼、肺、肝臟等其他組織對(duì)比明顯，閾值分割算法可以較為容易主動(dòng)脈與上述組織區(qū)分開。但胸主動(dòng)脈部分的灰度級(jí)與心臟部分的灰度級(jí)區(qū)分度所以 CT 圖像的直方圖并不是標(biāo)準(zhǔn)的雙峰圖，單一的閾值分割難以將胸主動(dòng)脈分。先將導(dǎo)出的 CTA 圖像序列傳入 MIMICS 軟件，分割操作在橫斷面圖像上進(jìn)行 2-2 A。經(jīng)過多次試驗(yàn)及醫(yī)生的初步判定，對(duì)于本研究所使用的 CTA 圖像數(shù)據(jù)，定一般為 320 HU  1000 HU。之后閾值分割法對(duì) CTA 圖像進(jìn)行初步分割。經(jīng)過割之后，可分離絕大部分骨骼與其他組織（圖 2-2 B）。但由于心臟組織與主動(dòng)脈圖像灰度十分接近，使用閾值分割法無法直接分割。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2829357