نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشیار، گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استادیار، مرکز آموزشی تحقیقاتی و درمانی شهید رجائی، دانشگاه علوم پزشکی ایران

4 استادبار، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه آزاد اسلامی

10.22041/ijbme.2013.13207

چکیده

بیماری عروق تغذیه‌کننده قلب (عروق کرونر) عامل بیش از نیمی از مرگ‌های ناشی از بیماری‌های قلبی و عروقی و بزرگترین بیماری کشنده درجهان است. بدیهی است شناسایی اولیه، روشی عالی برای کنترل بیماری این عروق است که با اندازه‌گیری و امتیازبندی حرکت عمومی و ناحیه‌ای بطن چپ قلب (عادی،کم‌حرکت و بی‌حرکت) تشخیص داده می‌شود. متداول‌ترین روش تصویربرداری از قلب به کمک امواج فراصوت است که اکوکاردیوگرافی نامیده می‌شود. با استفاده از این روش می‌توان نمایی دقیق را از دیواره‌های قلبی ، دریچه‌ها و ابتدای سرخرگ‌های بزرگ بدست آورد. به دلیل دوره آموزشی طولانی برای تفسیر این تصاویر، زمان‌بر بودن و ایجاد خطا در روش‌های دستی، نیاز به یک روش تحلیل خودکار بسیار احساس می‌شود. به منظور دستیابی به این هدف، در این مقاله به محاسبه میدان جابه‌جایی حرکت قلبی در چرخه‌ای از تصاویر دوبعدی اکوکاردیوگرافی پرداخته شده است. برای انجام این کار فریمی به عنوان مرجع انتخاب شد و سپس تمام تصاویر در یک چرخه با استفاده از معادله‌ای ریاضی به آن نگاشته شد و با استفاده از آن میدان جابه‌جایی حرکت قلبی در چرخه تخمین زده شد. ایده اصلی پیدا کردن مدل پارامتری مکانی-زمانی نیمه محلی برای تغییر شکل ایجاد شده در یک چرخه قلبی با تطبیق غیرصلب با استفاده از توابع بی اسپلاین، به عنوان یک مسأله بهینه‌سازی است که به طور مؤثر تفاوت ناشی از حرکت را با کمینه کردن تفاوت بین فریم جاری و فریم مرجع، تصحیح می‌کند. دقت تخمین حرکت با استفاده از فاکتور مجموع مربعات تفاضل اندازه‌گیری شد. از الگوریتم کاهش دهنده گرادیان شیب دار و روش چنددقتی نیز برای بدست آوردن ضرایب در مدل حرکتی استفاده شد. دقت روش مطرح شده با استفاده از یک توالی شبیه‌سازی شده چرخه قلبی واقع گرایانه با نرم افزار Field IIارزیابی شد. این الگوریتم‌برای تحلیل ناحیه‌ای بطن چپ به صورت بالینی به کار برده شد و پارامترهای جابه‌جایی و مقدار آستانه برای امتیازدهی هر بخش استخراج شد. این الگوریتم تفاوت قابل ملاحظه‌ای را بین بخشی از قلب سالم و قلب دچار بیماری نشان می‌دهد که نشان‌دهنده کاربردهای بالینی روش ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Tracking of Cardiac Wall Motion using Nonrigid Registration of Echocardiographic Images

نویسندگان [English]

  • Pedram Masaeli 1
  • Hamid Behnam 2
  • Zahra Alizadeh Sani 3
  • Ahmad Shalbaf 4

1 M.Sc, Biomedical Engineering Department, Faculty of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology

2 Associate Professor, Biomedical Engineering Department, Faculty of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology

3 Shahid Rajaei Cardiovascular Research Center, Iran University of Medical Sciences

4 Biomedical Engineering Department, Science and Research Branch, Islamic Azad University

چکیده [English]

Coronary artery diseases cause more than half of all deaths in the world. Obviously, early identification is an important way to control coronary artery disease that is diagnosed by measurement and scoring general and regional movement of left ventricle of heart (Normal, Hypokinetic and Akinetic). The most common method of imaging the heart using ultrasound is called echocardiography. Using this method accurate view of the heart walls, valves and beginning of main arteries can be obtainbed. Due to the difficulty for the interpretation of these images, time consumption and errors in manual analysis methods, an automated analysis method is required. In this paper we calculate the displacement field in a cycle of heart motion from two-dimensional echocardiography images. To do this, a frame is usually chosen as the reference frame and then all images in a cycle are mapped to it with a mathematical equation. The main idea is to find a semi-local spatiotemporal parametric model for deformation created in a cardiac cycle with nonrigid registration using B-spline functions; as an optimization problem that effectively corrects differences due to movements by minimizing the difference between current frame and a reference frame. Motion estimation accuracy is measured using the sum of squares differences. We use gradient-descend algorithm and multiresolution method to acquire the coefficients in the motion model. The accuracy of the proposed method is assessed using a synthesis sequence of cardiac cycles produced with the simulation software Field II. This algorithm can be applied for the clinical analysis of regional left ventricle then movement parameters and threshold values for the scoring of each section can be extracted. The algorithm represents significant difference between a part of the normal heart and unhealthy heart that shows potential of clinical applications of the proposed method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Echocardiography
  • Field II
  • B-Spline Functions
  • Registration
  • Spatiotemporal model

[1]     http:// en.wikipedia.org/wiki/Echocardiography.

[2]     J. A. Noble, D. Boukerroui , ” Ultrasound Image Segmentation: A Survey ”, IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 25, No. 8, August 2006.

[3]     J. G. Bosch,S. C. Mitchell, B. F. Lelieveldt, F. Nijland, M. Sonka , J. C. Reiber, " Automatic Segmentation of Echocardiographic Sequences by Active Appearance Motion Models ", IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol.21, No.11, November2002.

[4]     N. Carranza, G. Cristobal, M. J. Ledesma-Carbayo, A. Santos, " A New Cardiac Motion Estimation Method Based on a Spatio-Temporal Frequency Approach and Hough Transform ", Computers in Cardiology, Vol.33 , pp. 805-808, 2006.

[5]     M. J. Ledesma-Carbayo, J. Kybic, M. Desco, A. Santos, M. Sühling, P. Hunziker, M. Unser " Spatio-Temporal Nonrigid Registration for Ultrasound Cardiac Motion Estimation ", IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol.24 ,No.9, September2005.

[6]     M. Sühling , M. Arigovindan, C. Jansen, P. Hunziker, M. Unser, “ Myocardial Motion Analysis From B-Mode Echocardiogram ”,IEEE Transactions on medical Imaging, Vol.14 ,No.4 , April, 2005.

[7]     M.J. Ledesma-Carbayo, A. Santos, J. Kybic, P. Mahia-Casado, G. Fernandez, N. Malpica, E. Perez, ” Myocardial Strain Analysis of Echocardiographic Sequences Using Non-Rigid Registration  ”, Computers in Cardiology, 2004.

[8]     U. Barcaro, D. Moroni, O. Salvetti,” Automatic Computation of Left Ventricle Ejection Fraction from Dynamic Ultrasound Imaging “, Pattern Recognition and Image Analysis, Vol. 18, No. 2, pp. 351–358, 2008.

[9]     B. Zitova, J. Flusser,” Image Registration Methods: A Survey ”, Image and Vision Computing, No.21,  pp. 977–1000, 2003.

[10] D. Rueckert, P. Aljabar,” Nonrigid Registration of Medical Images: Theory, Methods, and Applications “, IEEE Singal Processing Magazine, pp. 1-7, July 2010.

[11] N. Malpica, A. Santos, M. A. Zuluaga, M. J. Ledesma, E. Perez, M. G. Fernandez, M. Desco, “ Tracking of Regions of Interest in Myocardial Contrast Echocardiography ”, Ultrasound in Medical and  Biological, Vol. 30, No. 3, pp. 303–309, 2004.

[12] J. Kybic, ” Fast Parametric Elastic Image Registration ”, IEEE Transactions On Image Processing,  Vol. 12, no. 11, November 2003

[13] M.J. Ledesma-Carbayo, A. Santos, J. Kybic, P. Mahia-Casado, G. Fernandez, N. Malpica, E. Perez, ” Cardiac Motion Analysis From Ultrasound Sequences Using Nonrigid Registration: Validation Against Doppler Tissue Velocity “, Ultrasound in Med. & Biol, Vol. 32, No. 4, pp. 483-490, 2006.

[14] Z. Xie, G. E. Farin, “Image Registration Using Hierarchical B-Splines “, IEEE Transactions On Visualization And Computer Graphics, Vol. 10, No. 1, January/Februay, 2004.

[15] P. Mahia, M. J. Ledesma-Carbayo, V. Verdugo, E. P. David, A. Santos, M. Moreno, M. D. Menendez,  M. A. Fernandez, “ Radial Versus Longitudinal Myocardial Deformation from Gray-Scale Echocardiography “, Ultrasound in Med. & Biol, Vol. 33, No. 11, pp. 1699-1705, 2007.

[16] D. Rueckert, L. I. Sonoda, C. Hayes, D. G. Hill, M. O. Leach, D. J. Hawkes,” Nonrigid Registration Using Free-Form Deformations: Applications to Breast MR Images  “, IEEE Transactions On Medical  Imaging, vol. 18, No. 8, August 1999.

[17] J. M. Odobez, P. Bouthemy, “ Robust Multiresolution Estimation of Parametric Motion Models ”, Visual Communication and Image Representation, pp. 348–365, 1995.

[18] J. A. Jensen, ” Users guide for the field II program “, http://www.es.oersted.dtu.dk/stafII/jaj/field, August 17, 2001.

[19] J. A. Jensen, ” Field: A Program for Simulating Ultrasound Systems  “, Medical and Biological Engineering and Communication, pp. 351-353, Vol. 34, 1996.

[20] S. Malchenko,” Demoheart “, sergeim@ut.ee, Ver. 1.0, 2002.

[21] Z. Lazarevic, ” 3D Heart Model Obtained from Sonometric Sensors  “, http:/www.cs.columbia.edu/~laza, Feb 9, 1997.

[22] پریسا رنگرز ، حمید بهنام، " شبیه­سازی و استخراج ارتعاشات کوچک دیواره قلب به کمک امواج اولتراسوند "، پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشددر رشته مهندسی پزشکی گرایش بیو الکتریک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، دانشکده مهندسی پزشکی، 1387-1386