Medical Image Analysis | 實(shí)現(xiàn)面向常規(guī)心臟磁共振電影成像的四維心肌應(yīng)變定量新技術(shù)
心肌應(yīng)變定量是評(píng)估心臟收縮功能、早期識(shí)別心肌病變的重要指標(biāo),與射血分?jǐn)?shù)相比,心肌應(yīng)變對(duì)局部功能異常更為敏感,能早期發(fā)現(xiàn)心肌功能障礙。臨床常規(guī) Cine MRI 通常同時(shí)采集短軸與長(zhǎng)軸序列,為開(kāi)展四維心肌應(yīng)變測(cè)量提供了基礎(chǔ)。但其心肌對(duì)比度和紋理信息有限且心動(dòng)周期內(nèi)形變幅度大,多次屏氣采集還易引入層間錯(cuò)位與心動(dòng)相位不一致,使現(xiàn)有方法難以穩(wěn)定獲得時(shí)空一致和生理合理的四維應(yīng)變結(jié)果。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”)醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡戰(zhàn)利研究員與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院羅德紅主任團(tuán)隊(duì)、深圳市寶安區(qū)松崗人民醫(yī)院梁久平主任團(tuán)隊(duì)合作,提出了一種從常規(guī)心臟磁共振電影成像(Cine MRI)中提取四維(3D+時(shí)間)心肌力學(xué)參數(shù)的創(chuàng)新框架,在技術(shù)上為穩(wěn)定重建時(shí)空一致的心肌應(yīng)變提供了方法基礎(chǔ),在臨床上為心肌病早篩、分型與隨訪提供了更可靠的定量支撐。相關(guān)成果以"Unlocking 2D/3D+T myocardial mechanics from cine MRI: a mechanically regularized space-time finite element correlation framework"為題,發(fā)表在醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域TOP期刊Medical Image Analysis上。
針對(duì)上述問(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)在數(shù)字體圖像相關(guān)理論基礎(chǔ)上,構(gòu)建了面向 Cine MRI 的時(shí)空一體化心肌運(yùn)動(dòng)定量框架(圖1)。該框架以有限元形函數(shù)表征心肌位移場(chǎng),通過(guò)全局相關(guān)優(yōu)化保證空間連續(xù)性并引入符合生理特性的力學(xué)約束以抑制噪聲放大和非物理形變;同時(shí)結(jié)合基于奇異值分解(SVD)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)空模態(tài)分解策略,在保持時(shí)間連續(xù)性的同時(shí)顯著降低計(jì)算復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)了從常規(guī) Cine MRI 到心肌運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的統(tǒng)一求解。
研究團(tuán)隊(duì)在合成數(shù)據(jù)集、三個(gè)國(guó)際公開(kāi)數(shù)據(jù)集以及真實(shí)臨床數(shù)據(jù)集上對(duì)該方法進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證,并與兩種經(jīng)典配準(zhǔn)方法及四種主流深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了全面對(duì)比。結(jié)果顯示所提出方法在多項(xiàng)定量與任務(wù)型指標(biāo)上,均整體優(yōu)于對(duì)比方法并可穩(wěn)定得到高時(shí)空一致的四維心肌應(yīng)變可視化結(jié)果,增強(qiáng)了對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)與功能變化的直觀表征能力(圖2)。進(jìn)一步地,研究團(tuán)隊(duì)基于該框架對(duì)五種不同心肌病人群開(kāi)展了心肌應(yīng)變量化比較分析,為不同病理狀態(tài)下的功能差異提供了更一致、更可靠的定量表征。
深圳先進(jìn)院胡戰(zhàn)利研究員、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院羅德紅主任和深圳市寶安區(qū)松崗人民醫(yī)院梁久平主任為論文的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院聯(lián)培博士后劉海洲、深圳市寶安區(qū)松崗人民醫(yī)院醫(yī)生覃雪玲、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院副主任醫(yī)師劉周為論文的共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及廣東省自然科學(xué)基金卓越青年團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。

圖1:面向磁共振電影成像的時(shí)空一體化4D心肌運(yùn)動(dòng)定量框架

圖2: 不同心肌?。ㄕ?、擴(kuò)張型、肥厚型)的應(yīng)變場(chǎng)可視化及應(yīng)變曲線對(duì)比
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