Диссертация: Методы обработки и восстановления двухмерных изображений допплеровской эхокардиографии.

Актуальность темы исследования. Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) — одна из основных причин смертности в мире. Для целей здравоохранения немаловажную роль играют средства диагностики этих заболеваний. Золотым стандартом качества среди методов диагностики ССЗ является магнитно-резонансная томография (МРТ). Однако, ограничения в применении и высокая стоимость оборудования не позволяют использовать эту технологию повсеместно. Поэтому зачастую применяются менее дорогие методы, такие как ультразвуковое исследование (УЗИ) и ультразвуковая допплерография. Согласно обзорам методов медицинской визуализации, УЗИ производится на сердце в 75 раз чаще, чем МРТ. Однако, несмотря на относительно низкую стоимость и более широкую область применения, ультразвуковое исследование и допплерография обладают рядом недостатков. Среди них — высокая зашумленность, низкое временное разрешение, нестабильность кадров, а также различные артефакты. В настоящее время качество изображений, получаемых на современном оборудовании, значительно улучшилось, но временное разрешение все еще невелико, например, для устройства Philips X7-2 частота кадров для глубины 10 см и полного допплеровского сектора составляет около 14 Гц (кадров в секунду). Такие показатели частоты могут привести к ошибкам в диагностике, обусловленным недостаточной временной детализацией. Кроме присущих УЗИ шумов и артефактов, при измерении скорости кровотока может появляться искажение, называемое свертыванием фазы или алиасингом (алайзинг, англ. aliasing). Данная проблема может затруднить диагностику ССЗ. Таким образом, разработка методов программной обработки цифровых данных для увеличения временного разрешения допплеровской эхокардиографии и устранения артефактов входит в ряд актуальных на данный момент задач, решение которых позволит улучшить эффективность диагностики сердечно-сосудистых заболеваний в Российской Федерации и за рубежом, позволяя при этом избежать расходов на более дорогостоящее оборудование.
Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени было разработано большое количество методов увеличения временного разрешения допплеровской эхокадриографии или ультразвукового исследования. Их можно разделить на три основные группы. В первую группу входят методы предполагающие изменение формации луча. Данным методам посвящены работы команды Дж. Беркоффа, Г. Монтальдо, М. Тантера, предлагающих использование плоской волны, отправляемую единожды. Схожие методы предлагались Б. Османски, М. Пернотом и М. Финком, которые исследовали использование расходящейся волны, а также командой Л. Тонг, А. Рамалли, разработавших метод, использующий многолучевую формацию. Данная группа методов позволяет получать частоту кадров около 150, однако подразумевает смену оборудования. Методы второй группы подразумевают изменения в обработке данных во время их сбора. Иными словами, сигналы датчика получаются тем же образом, но их превращение в данные эхокардиографии происходит иным образом. Так, команда Л.В. Чанга, К. Х. Хсу и П.Ц. Ли, а так же команда Т. В. Фуонга и Д. Г. Ли разработали методы, использующие многоядерную архитектуру графического процесса для параллельной обработки данных, полученных с ультразвукового датчика, и формирования итоговых изображений. И, наконец, третья группа методов предполагает постобработку уже собранных данных. Она предполагает использование цикличности движения сердца для перестановки кадров в существующих последовательностях с целью формирования последовательности кадров, соответствующих некоторому единственному циклу, но содержащей при этом все исходные кадры, что увеличивает итоговую частоту кадров. Так, команда радиологов Г.В. Ленца, Е. Хааке и Р.Д. Вайта из университетских больниц Кливленда разработали метод ретроспективного кадрирования, основывающийся на перестановке кадров согласно данным ЭКГ (электрокардиограмма). На схожем подходе основан и метод перспективного кадрирования, разработанный командой Д.Ф. Пэйса и Т.М. Питерса, меняющий съёмку таким образом, чтобы кадры снимались в определённые моменты в соответствии с ЭКГ. В трехмерной эхокардиографии разработкой таких методов занималась команда Гарвардской медицинской школы: Д.П. Перрин, Н.В. Васильев, П. Д. дель Нидо и другие. Ввиду нестабильности движения сердца и положения датчика, необходима разработка средств стабилизации получившихся результатов. В трёхмерной эхокардиографии этим занимались команда под руководством Роберта Хау и команда под руководством И. Самсета. Однако, двухмерная эхокардиография имеет еще одну особенность — если во время измерения происходило перемещение снимаемой области или датчика, то плоскость съемки могла измениться. Такое явление называется движением вне плоскости. Данная проблема была адресована в исследовании команды А.С. Каммела и Н.Т. Кейси, но для данных ультразвукового исследования печени. Ещё одним последствием перестановки кадров является временная непоследовательность, устранению которой посвящено исследование Роберта Шнайдера. Проблему алиасинга в допплерографии в начале двухтысячных годов решали ручными методами команды таких исследователей как М.А. Гарсия-Фернандеса и Р. Йотти в 2004, Т. Ямбе и К. Фунамото в 2005, Т. Бака и Б. Плихта в 2008. В то же время существовали работы команды К.Н. Джеймса и Р.А. Хозе Младшего, а также К.К. Дрогмайера и Дж. Гао по автоматическому устранению алиасинга в метеорологии. Эти исследования вдохновили команду канадских исследователей из Монреальского университета под руководством Д. Гарсии на разработку автоматизированного метода устранения алайзинга в цветной допплерографии. В том же году было опубликован метод, разработанный сотрудниками МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством А. М. Крылова. Доцент Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого В.С. Тутыгин имеет монографию и патент на способ определения частоты сигнала, основанный на методах цифровой обработки сигналов, который мог бы предотвратить появление алиасинга при съёмке. Кроме того, некоторые подходы имеют ограниченную область применения. Например, некоторые из них предназначены только для обработки изображений определенных областей сердца (например, левого желудочка в работе Л. Янга или митрального клапана в исследовании П. Бурлины) или снятых определенным образом, как в чреспищеводной эхокардиографии. Однако, несмотря на активность исследований в области, алгоритмы увеличения временного разрешения либо требуют смены оборудования, либо не учитывают движение вне плоскости, нестабильность съёмки и движения сердца. Алгоритмы устранения временной непоследовательности не обрабатывают данные кровотока, а методы устранения алиасинга имеют довольно большое время работы и могут иметь последствия в виде ложных срабатываний, которые могут значительно затруднить диагностику по сравнению с оригинальными данными. Таким образом, указанная область имеет широкий фронт работ для решения актуальных и по сей день задач. В предложенном диссертационном исследовании предлагаются методы решения указанных выше проблем и программный комплекс, реализующий разработанные алгоритмы.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка комплекса новых методов, алгоритмов и программ для повышения качества двухмерных допплеровских эхокардиографических последовательностей в таких направлениях, как временное разрешение, стабильность последовательностей и алиасинг. В данной работе рассматриваются именно методы и алгоритмы программной обработки цифровых данных, уже полученных с помощью соответствующего медицинского оборудования.
Задачи исследования: 1. Разработать методы для увеличения временного разрешения данных допплеровской эхокардиографии в условиях нестабильности циклов и плоскости съемки. 2. Разработать метод устранения временной непоследовательности, способный обрабатывать данные кровотока. 3. Разработать метод устранения алиасинга, устраняющий алиасинг лишь в определённых областях кадра. 4. Разработать программный комплекс для обработки данных эхокардиографии, реализующий вышеуказанные методы и предоставляющий человеко-машинный интерфейс для врача.
Постановка цели и задач исследования соответствует пункту 7 паспорта специальности 05.13.11: Человеко-машинные интерфейсы; модели, методы, алгоритмы и программные средства машинной графики, визуализации, обработки изображений, систем виртуальной реальности, мультимедийного общения.
Научная новизна заключается в следующем: 1. Разработаны методы повышения временного разрешения данных двухмерной допплеровской эхокардиографии в условиях нестабильности циклов и плоскости съемки. Новизна заключается в увеличении стабильности последовательностей кадров за счёт смены подхода в перестановке, а также за счёт наличия фильтрации. Полученная при этом частота кадров позволяет наблюдать за событиями, продолжительность которых составляет десятки миллисекунд. 2. Разработан метод устранения временной непоследовательности в двухмерной допплерографии, обусловленной работой алгоритмов, основанных на перестановке кадров. Новизна заключается в том, что разработанный алгоритм обрабатывает данные кровотока таким образом, что потоки противоположных направлений в одной точке не обнуляют друг друга. Кроме того, разработанный алгоритм позволяет достичь уменьшения времени обработки примерно в 10 раз. 3. Разработан метод устранения алиасинга. Разработанный метод устраняет алиасинг только в областях с близкими к максимальным значениями модулей скоростей, что облегчает анализ результатов врачом в случае ошибок и лучше согласуется с перестановкой кадров.
Объект исследования. Двухмерная допплеровская эхокардиография.
Предмет исследования. Алгоритмические и программные средства повышения качества последовательностей двухмерной допплеровской эхокардиографии.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Метод увеличения временного разрешения допплеровских эхокардиографических последовательностей с использованием оптического потока. 2. Метод увеличения временного разрешения допплеровских эхокардиографических последовательностей с помощью перестановки фрагментов последовательности кадров. 3. Метод устранения временной непоследовательности в двухмерной допплерографии с помощью маскирования. 4. Метод устранения алиасинга с помощью поиска субмаксимальных границ. 5. Программный комплекс, позволяющий производить поэтапную обработку данных допплеровской эхокардиографии с целью увеличения временного разрешения, устранения алиасинга и временной непоследовательности.