【doc】M型超声心动图二尖瓣搏动轨迹的时频分析

【doc】M型超声心动图二尖瓣搏动轨迹的时频分析 M型超声心动图二尖瓣搏动轨迹的时频分 析 206第四军医大学【JFourthMiIMedUniv)1999;2O(3 一着. M型超声心动图二尖瓣搏动轨迹的时频分析 V 曹培杰.张俊..程敬之 ———,,', 2790(1999)03—0206—08 文章编号:1000— ., (第四军医大学阿京睡院趟声诊断科陕西安710033.西安变通大学电信学院医电 系) 关键词 中图号 ;二尖衅;时频分析 标识码:A 摘要目的:获取正常人二尖瓣时域运动的频谱分布.观察 戈瓣钙化后频谱改变情况.方法:采用基于模板匹配的灰度 极大追踪疗法搜索二尖瓣搏动轨迹.确定其一维时问函数. 然计H世』频域分析及乔伊一威廉斯时频展开.结果:碍到 J倒tE常受试营二尖瓣运动的时域曲线,频谱及时频丹 , 结论:二尖瓣运动主要为低频成分.频带为【3j5上3.3 HzI)F综?被的翱带为(25.7=2.1)Hz Time—frequencyanalysisofmovementofmitral vaheoilM,modeechocardiograms (,.1(),『,.1ie!.ZItANG.tun,CHENG.Iing—f .[)cptmet~t0fSonography.XijingHospital,Fourlh MililaryMedicalUniversity.Xi'an710033,China— Deptmerit(】fBiomedicalEngneermg.Xi'anJiaotong University Keywurds:cehocardiogramsmitra[vatve;Lime[requency alIfysis Ahstrac!AIMToobtaInspeetrtlTtloftbertlOVeTtlen[ofmi一 【rvI1veandtoobserveltsvariationforca1i-lfled111L1t.<-/l ,l?_,MErHODSThecugve0tbemovement0[mitrH1 ,,isobt~dnedbytracingt~)a~iD-ltlmgreyscalebasedogl temp[atematching,bvwhichtheunldimensional[unction0f 11n1…1I'cmndedAndthefunctionwasdis【ributedbyFF_r andhoiW1IJamsRESULT:Curvesand~pectroI20 ,o1ulllE1reobta[nedCONCLUS1ON-l'hee~perimenla1 『I,,!JJ1h【wrhemovementofmitra【va【ve1nlo~l【v【?】uw fr【】ui1t,v.I1dtbeeutoff[requen~vis(35.5?3.3)Hz.1'he ?lIt'1rrfrLlUCt3cyofDEFwaeis(Z57士21)Hz. 0引言 M喇超声心动图显示了沿声柬方向组织,器 基金项目:『q豪f『然科学资助项HNo691;32i: 怍者简介:墙杰,胄,19680601隹.}北止定^汉族.19…J :-q太业1-程师,博【_,垃丧论史12福.电lII) _3】78 收稿日期:】99Bl0m}修改日期;l90I叭 官的一维运动情况.是现在无创观察心脏局部结构 时域运动的唯一手段.但由于作为一种图像形式.目 前临床检查只能对M型超声图像进行简单的幅度, 斜率测量.信息利|}j极为有限.因而必须首先进行处 理.将其转化成一维时间函数.然后才能采用数字信 号处理手段进行分析.文献[1揭示了直接研究心8庄 的时域运动具有重要的临床意义.Kuwahara等和 Unser等采用灰度极大值追踪法得到丁室间隔,左 室后壁运动的一维时间函数,但授有作进一步的时域 或频域分析.我们采用灰度极大值追踪法得到了二 尖瓣轨迹的一维时间函数,然后对其进行了频域分析 和乔伊一威廉斯展开,分析了_F常二尖瓣运动轨迹的 时频特性,结果明.二尖瓣运动主要为低频成分. 截止频率为(35.5J-3.3)Hz{DEF综台波的截止频 率为(25.7?2,1)Hz. 1二尖瓣搏动轨迹形成的生理机制 M型超声心动图二尖瓣搏动轨迹(UCG)和心电 rE('(;),心音(P(,()的芙系.射IFigl昕示. U? PcG 图1一尖瓣叶搏轨迹 Figll'imerebaionamong EL'(;andPC( 心{U,心的HI』域关糸 【hen1uvemer】【Ofmitf{【1v【Ind 二尖瓣搏动轨迹具有和心律相同的周期性.临 床将其搏动周期标记为A.B.C,D.E,F,(七个时间 点.A点在ECG的P波之后.由心房收缩血液推动 二尖瓣开放形成A峰.心房收缩过后.房内压力下 降,二尖瓣位置复原.形成f3点.一般心房收缩之后 心室立即收缩.将_一尖瓣关r圳.脒房室传导闺滞患 者,二尖瓣通常由A直接下降到【'点.前后瓣叶碰撞 第四军医大学(JFourthMilMedUniv)1999l2O(3) 产生第一心音.CD段心脏等长收缩,二尖瓣随左室 后壁前移.D点时刻左室开始舒张,心室压力低于心 房压力,二尖瓣立即开放至最大,形成E峰.而后由 于房室压力梯度的锐减,二尖瓣位置下降至F点.F 点至G点.心室缓慢充盈,直至心房再次收缩,进入 下一周期. 2二尖瓣的搏动轨迹的检出 M型图像数字化以后表示为:{},表示时间 轴,表示深度轴.沿时间轴或深度轴进行平滑可以 滤除噪声.本文中沿两个方向分别作三点平滑处理, 滤去毛刺干扰. 二尖瓣等心脏各部位的M型图像均表现为沿深 度方向上的局部灰度极大值,因而检铡心脏某部位M 型运动轨迹的最直接方法是灰度极大值追踪法, 即,沿M型图像的时间轴轴,在和每个时间点位 置对应的深度轴方向上,采用模板匹配方法追踪维 灰度极大值点的位置,形成轨迹曲线. 所用匹配模板选自真实图像二尖瓣图像截面轮 廓. 采用归一化互相关系数作为模板匹配的特征参 数提取.归一化特征参数如下: - N/2 川+[r(")一] 一 1,一生 r一 立?,t互一! 式中及表示参考信号(r()}的均值和方差. t7为被匹配区域的方差. 假设k时刻某部位的位置为L(女),k+1时刻可 以在,.(^)?的深度范围内进行极大值搜索,确定 该部位的位置L(k十1). 3分析方法 对于非平稳信号,魏格纳分布反映了信号能量在 时间频率平面上的分布情况.信号(,)魏格纳分 布定义为: 卜,rr WVD(,叫)!l0+?)0一?)…dr(3)J,' 魏格纳分布本质为信号局部自相关函数的傅立 叶变换.如果(f)为平稳信号,局部自相关函数与 时间无关.魏格纳分布退化为信号的功率谱,标准的 魏格纳分布需要知道信号的全部信息,因而实际应用 中必须采取加窗手段进行近似,通过选择合适窗口, 可以使加窗后的魏格纳分布接近标准魏格纳分布的 特性,魏格纳分布具有时频分布所要求的诸多优良 性质,但作为信号的二次型表示,分析多分量信号时 具有交叉项.将魏格纳分布和适当的核函数卷积,可 以减小交叉项.我们采用对应核函数为'/的乔 伊一威廉斯分布(choiwilliamsdistribution,CWD): CWD"一=?巾+专 (号)exp(--mdr? 通过控制,乔伊威廉斯分布可以控制交叉项. 但不能消除交叉项,只要为有限值,就有交叉项存 在,并随/增加而增大.当一.c时,CWD即变成 WVI]. 4结果 实验用图像来自西京医院超声波室.采用HP SONOS—l500型超声成象仪,于左室短轴切面录得二 尖瓣M型图像.受试者共20人,均为正常人,年龄在 20岁,40岁.图像经数字化后采人计算机(Fig21. 菲 0———r—1 图2二尖瓣的M型运动轨迹投cwD时频展开的等高线图 Fig2MovementofmitralvalveanditsCWDI :Movemem;b:Contour 为采用灰度极大值追踪法获得的二尖瓣搏动轨 迹曲线,图中可明确地看到A,G各时相点.且在 F,G时相,二尖瓣存在明显波动(Fig3). 为二尖瓣搏动轨迹的频谱,采用对数坐标显示且 进行了幅度归一化.其中Fig3a为正常人一Fig3b为 二尖瓣钙化患者的二尖瓣搏动轨迹(Fig4). 选hanning窗,采用O'--1的CWD分布进一步揭 示了二尖瓣运动轨迹在心动周期各个时相的频域特 点. 由心脏搏动引起的二尖瓣运动幅度约为10n1?. 由于低频成分幅度过大,CWD分布图上无法清楚显 示20Hz,80Hz频率成分.本文选用截止频率为15 Hz的高通滤波器,对二尖瓣运动轨迹进行滤波,而后 进行CWD时频展开,等高线如Fig2b.图中采用了 对数幅度.为和时域波形对照,Fig2a.b采用统一的 时间轴. f}Hl 图3二尖瓣搏动轨迹的频谱 Fig3Spectrumoftheementofmitra[valve a:Norma1:b:Calcified 1.2 图4二尖瓣运动轨迹的CWD分布 Fig4CWDdistributionofmoveTrtentofm[tralvalve 5讨论 二尖瓣运动主要为低频成分,频率低于2OHz (Fig3a).为研究高频成分,我们采用如下方法定义 带宽:沿频率轴对此频谱积分,以最大面积一半处频 率值为信号带宽B,即B满足: r1h JjS()Id=吉JjS()I.d(5)JLJ 20个受试者二尖瓣搏动轨迹的带宽为:(35.5士 3.3)Hz. Fig3b中二尖瓣钙化后搏动带宽为40.1Hz,明 显不在正常人群的75置信区同内.比较频谱a和 b,钙化的二尖瓣运动轨迹频谱具有较多的20Hz, 50Hz频率成分.而5OHz,80Hz频率成分刚较少. 对于20Hz以下的低频成分,两者基本没有区别.从 生理机制角度来看,20Hz以下低频成分主要由于心 脏搏动(1Hz,3Hz),及心房,心室的依次运动引起. 具有明确的时域定位,本质是被动运动.无论二尖瓣 弹性好坏,此低频运动及其各次谐波的相对能量不会 有太大改变.频谱中高于2OHz的频率成分的形成 由二尖瓣的弹性引起.而和心脏的搏动频率基本无 关.对于弹性较好的二尖瓣,具有很好的顺应性,其 运动本质是欠阻尼的.具有超调性.另外在左心室缓 慢充盈期.即,A,G时间段,二尖瓣会随血液运动而 产生波动.钙化的二尖瓣弹性差,其运动接近过阻 尼,在A,G时间段随血液运动波动不明显. Fig2可以看出,在整个心动周期,2OHz,50Hz 成分都很丰富,50Hz以上成分主要集中在E,A峰附 近. Fig4可见信号主要能量在20Hz以内.从时间 轴来看,DEF综合波具有较高的能量及频率成分.采 用式(5)定义的带宽,20例受试者的结果表明DEF 综合波的带宽为(25.7?2.1)Hz. 由于M型成像中包含了心脏特定部位的时域运 动轨迹,尽管从严格意义上讲,这种运动轨迹是器官 三维空问运动在一维直线(扫查声束)上的投影,但两 者一般情况下具有相同的频率及相位,因而,从M型 超声心动图中获取心脏的,维时域运动轨迹,为我们 提供了一种直接研究心脏运动时域及频域特性的途 径.从目前的临床检查技术来看,这种途径是唯一无 创而直接的. 参考文献 1齐俊瑞,聂盘雷.郭秀琴".心声翱谱的诊断学价值中同牛物 医学工程,1鲫5{14(1):67—72 2KuwaharaM,EihoS,KitakawaHAulomatica~lysisandVTR reoardingofech0cardI.g…Prnc.6IhConf.Comput.ApplRa dioComput./AidedAnalRadio[ogImages,N~port[? 【A,june,l8—21.【979:353—36l 3UnserM,PelleGBrunP.AutomatedextracdonofseriaImrar diaIb0rdersfMmodeechoeardiogramsIEEEEl?Med lraag,1989;8(1):96103 4张贤达现代信处理北京:清华大学出版社I995:LI2 5I科恩着,(白居宪详)时频分析:理论与应用西安:眄安交通大 学出版杜.1998:94 编辑何扬举 露黧 二一 鼍 二一 暑-P.f}