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

📅 2021 год
Зюзин, В. В.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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

Актуальность темы. Болезни сердца являются причинами большого
числа скоропостижных смертей, в том числе людей не пожилого возраста. В
этой связи врачам кардиологам требуется максимально точная и своевременная
информация о состоянии сердечной мышцы пациента, которая во многих случа­
ях позволяет диагностировать ее заболевания и назначить необходимое лечение.
Сегодня одним из наиболее распространенных методов диагностики яв­
ляются ультразвуковые исследования (УЗИ) сердечно-сосудистой системы
(эхокардиография – ЭхоКГ), предоставляющие кардиологам визуальные изоб­
ражения сердечной мышцы в различных проекциях. Следует отметить, что в
задачах кардиологии наиболее часто используется апикальная проекция сердца,
которая с точки зрения врачей-кардиологов является наиболее информативной,
потому что они имеют возможность провести анализ УЗИ-изображений сердца
и построить эндокардиальный (внутренний) контур левого желудочка (ЛЖ).
Далее оказывается возможным вычислить количественные показатели, харак­
теризующие состояние сердечной мышцы.
Для проведения ЭхоКГ-исследований сегодня применяют УЗИ-сканеры
различных производителей (Philips, Aloka Hitachi, Toshiba, Siemens, General
Electric и др.), которые оснащены тем или иным инструментарием для по­
строения контура ЛЖ вручную. Используя данный инструментарий, врачи­
кардиологи на основе собственных представлений о форме ЛЖ, зачастую
субъективных, строят на УЗИ-изображении контур ЛЖ. (Например, они до­
страивают границы областей сердца с низкой контрастностью (рис. 1), а также
в ряде случаев сглаживают контур ЛЖ, отбрасывая на изображении те или
иные области повышенной плотности.) При этом, несмотря на имеющиеся ре­
комендации американской кардиологической ассоциации [1], обобщить опыт
оконтуривания ЛЖ сердца на УЗИ-изображениях в виде некоторого набора
правил врачам-кардиологам не удается. В этой ситуации разработка полуав­
томатических и автоматических алгоритмов для построения контуров ЛЖ
является актуальной.
Степень разработанности темы. Известно большое число работ, ав­
торы которых предпринимали попытки реализации алгоритмов оконтуривания

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

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Ксения М. Курганский Государственный Университет 2009, Юридический...
    4.8 (105 отзывов)
    Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитыв... Читать все
    Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитывать все требования и пожелания.
    #Кандидатские #Магистерские
    213 Выполненных работ
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету