超声弹性成像技术分析评价存活心肌生物力学及收缩兴奋传导特性的研究

Myocardial infarction (MI) severely hazards to human health worldwide. The assessment of viable myocardium is very important to emergency treatment to paitents with MI. However, current methods have technical limitations in direct evaluation of contractility of viable myocardium. Due to its technical advantages in evaluating tissue elasticity, ultrasound elastography imaging has potentials to be a new promising method to assess contractility of viable myocardium invasively and in vivo. Therefore, establishing acute and chronic MI mini-swine models in view of similarity of swine heart to human heart, this project investigates characterization of biomechanical and contractile properties of viable myocardium using ultrasound elastography. The main research contents of this project include: ① From ultrasound radio frequency (RF) signals, the displacement and strain maps of the myocardium tissue are obtained using optimal dynamic programming algorithm and least squares regression algorithm, respectively. Then we establish an inverse model of myocardium to predict the active stress in the tissue with the measured displacement data, and calculate elastic modulus. ② The conduction map of the electromechanical contractile action in myocardium is drawn from the tissue deformation maps which are obtained at different times in a cardiac cycle using aforementioned optimal dynamic programming algorithm. ③ We investigate the alterations in elastic modulus, pattern of contractile action conduction, and transmural viability after acute and chronic MI, and then determine the biomechanical and contractile indexes of viability assessment. A new elasto-contraction grading quantitative approach of viability testing will be established. Using TTC staining result as gold standard for viable myocardium, the sensitivity, specificity, and accuracy of the method proposed by this project will be evaluated in comparison with PET. The results of this project will provide theoretical basis and methodological support for furture clinical test. The accurate evaluation of contractility of viable myocardium will benefit from this project.

存活心肌的评价对救治心肌梗死患者具有重要意义，但目前常用方法无法直接在体评价存活心肌的收缩功能。超声弹性成像具有组织弹性信息评价方面的技术优势，有望成为直接评价存活心肌收缩功能的新方法。鉴于此，本项目拟制作小型猪急性与慢性心肌梗死模型，开展基于超声弹性成像的存活心肌生物力学及收缩兴奋传导特性的研究,主要研究内容包括：① 提出源于超声射频信号的优化追踪算法，建立逆模型，以实现对心肌弹性模量的准确预测；② 基于所提出的追踪算法，动态观测在响应电兴奋后心肌的收缩兴奋传导模式；③ 分析评价急慢性心肌梗死后心肌的弹性模量、传导模式和透壁程度，以确定存活心肌生物力学及收缩兴奋传导特性的评价指标，继而构建存活心肌弹性-收缩的分级量化评判新方法，并以TTC染色为金标准，对比PET影像，分析新方法的敏感性、特异性和准确性。研究成果将为临床试验提供理论基础与方法学支撑，对准确评价存活心肌的收缩功能有重要意义。

心肌梗死是严重危害人类健康的心血管疾病，存活心肌对救治心肌梗死患者具有重要意义，因此，心肌收缩功能的评价尤为重要。力学特性和收缩兴奋传导特性是心肌组织的两个重要特性。超声弹性成像技术在硬件与软件上已可满足心肌生物力学特性在体测量以及心肌收缩兴奋传导可视化的技术要求，有望成为心肌收缩功能的直接在体评判的新方法。本项目主要开展了五个方面的研究工作：（1）心肌组织形变追踪算法研究，通过改进动态规划算法和快速归一化互相关算法，研究心肌组织位移分布和应变分布，动态追踪收缩期间心肌形态变化，为后续实验供了理论和方法上的参考。（2）超声弹性与B型双模态混合图像的快速绘制方法研究，提出了一种基于整体映射的快速绘制方法，将心肌彩色应变图覆盖在心脏灰度B型超声图像，获得超声弹性与B型双模态混合图像，为研究心动周期内的心肌组织的收缩兴奋传导过程提供了有效的可视化方法。（3）心肌超声图像半监督分割算法研究，提出一种基于邻域块-超像素特征融合与连续最小割模型的半监督分割算法，可以较准确地快速地从背景中分割出心肌组织，为心肌弹性和收缩兴奋传导研究提供了更好的基础。（4）心肌的弹性及收缩兴奋传导的研究，通过建立假手术组、心梗组和再灌注组动物模型，研究心肌形态与功能上的变化，初步揭示了缺血对心肌形态、弹性及收缩兴奋传导的影响，为研究各段心肌的梗死性和存活性奠定了基础，对临床准确评价心肌的收缩功能有重要意义。（5）弹性和B型超声影像组学研究，通过依托超声弹性和B型图像特性，建立双模态超声影像组学方法，初步研究了超声图像组织分类，该方法对超声肿瘤分类和斑块分类的效果较好，心肌梗死过程中心肌的分类识别尚待深入探索。综上所述，本项目的成果为心肌梗死及存活心肌的临床研究提供理论基础与方法学支撑。