Разработка и исследование полуавтоматических и автоматического алгоритмов оконтуривания левого желудочка сердца на эхокардиографических изображениях сердца : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.01

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Глава 1. Анализ состояния предметной области. Постановка
задач исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1 Диагностирование состояния сердечной мышцы с
использованием эхокардиографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Сравнительный анализ программ для построения контура ЛЖ,
поставляемых различными производителями УЗИ-сканеров . . . 18
1.3 Математическая постановка задачи оконтуривания ЛЖ сердца . 23
1.4 Анализ методов, используемых для автоматизации
оконтуривания ЛЖ сердца на УЗИ-изображениях . . . . . . . . . 24
1.4.1 Методы предобработки УЗИ-кадров . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.2 Методы идентификации контура ЛЖ на УЗИ-изображении 27
1.4.3 Методы идентификации области ЛЖ сердца на
УЗИ-изображении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5 Постановка задач исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Глава 2. Анализ особенностей эхокардографических
наборов данных и экспертной разметки ЛЖ . . . . . . 41
2.1 Анализ выбранных наборов ультразвуковых изображений . . . . 41
2.1.1 Набор данных CAMUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.2 Набор данных USEKB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1.3 Набор данных CETUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1.4 Обобщенные результаты анализа наборов данных
УЗИ-изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 Анализ набора экспертных контуров ЛЖ . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.1 Алгоритм поиска реперных точек экспертного контура . . 52
2.2.2 Влияние числа базовых точек контура на точность его
интерполяции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Глава 3. Разработка полуавтоматических и автоматического
алгоритмов оконтуривания ЛЖ . . . . . . . . . . . . . . . 61
Стр.

3.1 Полуавтоматические методы оконтуривания ЛЖ . . . . . . . . . 61
3.1.1 Алгоритм, основанный на использовании
морфологических операций, для определения границ
контура ЛЖ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2 Метод оконтуривания ЛЖ на основе уровневых
множеств и активных контуров . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.3 Метод, основанный на использовании оптического потока
Лукаса-Канаде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2 Автоматический алгоритм сегментации области ЛЖ на основе
сверточной нейронной сети (СНС) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Модификация архитектуры U-Net . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Глава 4. Результаты работы алгоритмов оконтуривания ЛЖ . . 93
4.1 Методика экспериментального исследования . . . . . . . . . . . . 93
4.2 Обоснование выбора оптимальных параметров алгоритмов
оконтуривания ЛЖ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Анализ результатов применения разработанных алгоритмов к
набору УЗИ-изображения сердечной мыщцы USEKB . . . . . . . 99
4.4 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Список сокращений и условных обозначений . . . . . . . . . . . . . 105

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Список рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Приложение А. Листинги файлов набора данных CAMUS . . . . 122

Приложение Б. Гистограммы распределений значений
коэффициентов и и их
аппроксиммации Розенблатта-Парзена . . . . . . 134
Стр.

Приложение В. Программный листинг . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Приложение Г. Типичные результаты применения алгоритма
оптического потока Лукаса-Канаде . . . . . . . . . 148

Приложение Д. Копии актов об использовании результатов
диссертационного исследования . . . . . . . . . . . 149

Основные результаты работы заключаются в следующем.
1. Проведен анализ инструментария, поставляемого совместно с УЗИ­
сканерами, производителей Philips, General Electric, Canon, Mindray,
Siemens, которые не имеет инструментов автоматического оконтурива­
ния ЛЖ на УЗИ-изображениях.
2. Проведено исследование наборов данных с УЗИ-изображениями сер­
дечной мышцы: USEKB, CAMUS и CETUS и обоснованно возможность
их использования для разработки алгоритмов оконтуривания ЛЖ на
УЗИ-изображениях.
3. Разработаны полуавтоматические алгоритмы оконтуривания ЛЖ на
УЗИ-кадрах аппикальной проекции, и их программная реализации, ос­
нованные на использовании:
– морфологических операций;
– уровневых множеств;
– геодезических активных контуров;
– оптического потока Лукаса-Канаде.
и автоматический алгоритм оконтуривания ЛЖ, основанный на ис­
пользовании СНС с модифицированной архитектурой U-Net.
4. Проведен сравнительный анализ точности нахождения контура ЛЖ
предложенных алгоритмов на основе использования коэффициента
, результаты которого показали, что наилучшим по выбранному
коэффициенту оказывается алгоритм автоматического оконтуривания
основанный на СНС с модифицированной архитектурой U-Net.
Работы автора по теме диссертационного исследования опубликованы
в [68—84].
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования заклю­
чаются в:
1. разработке 3D акустической модели сердца;
2. разработке методов синтеза УЗИ-изображений на основе использова­
ния 3D акустической модели сердца;
3. использовании синтезированных УЗИ-изображений для анализа и
дальнейшей модификации автоматических и полуавтоматических ал­
горитмов оконтуривания ЛЖ.
Список сокращений и условных обозначений

ЛЖ левый желудочек
УЗИ ультразвуковое исследование
ЭхоКГ эхокардиография
ДКМП дилатационная кардиомиопатия
ГКМП гипертрофическая кардиомиопатия
РКМП рестрективная кардиопиопатия
ФВ фракция выброса
КСО конечный систолический объем левого желудочка
КДО конечный диастолический объем левого желудочка
А2П апикальная двухкамерная проекция сердца по длинной оси ле­
вого желудочка
А4П апикальная четырехкамерная проекция сердца по длинной оси
левого желудочка
ПЖ правый желудочек
ПП правое предсердие
ЛП левое предсердие
ПКП парастеральная проекция сердца по которой оси левого желу­
дочка
ПДП парастеральная проекция сердца по длинной оси левого желу­
дочка
АО аорта
ПО программное обеспечение
ASM модели активной формы (англ. – active shape models)
AAM модели активного вида (англ. – active appearance models)
СНС сверточные нейронные сети