一种基于SPECT肺通气灌注显像匹配度定量统计的分级方法和系统

本发明属于医疗数据处理领域，涉及一种非疾病诊断或治疗目的的基于spect肺通气灌注显像匹配度定量统计的分级方法和系统。

背景技术：

1、哮喘是呼吸系统常见的一种慢性炎症性疾病，该病可以通过症状、体征、实验室检查等多方面综合诊断：1、反复发作性喘息、气急、胸闷、咳嗽，夜间或凌晨加重，多与接触变应原(如花粉)、物理(如冷空气)、化学(如油漆)性刺激、病毒性上呼吸道感染、运动等有关。部分患者自己能说出明确的诱发哮喘的因素，也有一部分患者找不到明确的诱发因素。2、哮喘发作时呈过度充气状态，患者可明显感觉胸部饱胀，听诊双肺有广泛的、以呼气相为主的哮鸣音，严重者不用听诊器就能听到类似小鸡叫的声音，患者因为呼气困难常不自觉的撅起嘴，我们称之为鱼口样呼吸，可同时伴有心率加快、胸腹反常运动、口唇发绀等表现。3、以上症状和体征需除外其他疾病因素，并且可经治疗缓解消失或自行缓解消失。4、对于无明显喘息、哮鸣音、仅表现为顽固咳嗽的不典型哮喘患者，需借助实验室检查，符合以下三项中的一项即可诊断为哮喘：①支气管激发试验(bpt，用以测定气道反应性)或运动试验阳性；②支气管舒张试验(bdt，用以测定气道气流受限的可逆性)阳性；③昼夜呼气峰值流速(pef，用以测定气道通气功能的变化)变异率≥20％。

2、近年来，随着我国工业化进程的加快，大气污染加重，引起人体肺功能、呼吸道反应性、免疫系统的变化，增加了支气管哮喘(以下简称哮喘)患者对抗原的敏感性，增加了哮喘的发病率并使其症状不典型。目前世界上约有1.5亿以上的哮喘患者。哮喘的发病极为复杂，外界环境中的变应原、支配气管平滑肌的神经―受体之间的失衡、细胞和体液免疫调节功能异常和遗传因素等均参与其发病机制，近年来哮喘发病机制的新理论呼吸道炎症已被大家所接受。这样就是其诊断和鉴别诊断除了其临床表现外，更加有赖于实验室的检查，了解呼吸道反应性、肺功能情况改变。哮喘的诊断有了一定的可靠指标。因此临床上需要一系列的检查来诊断和鉴别诊断哮喘。

3、目前哮喘的诊断存在的问题：1，严重哮喘的诊断通过医生听诊等即可判断；但对于非典型性哮喘的诊断需要借助很多其他的实验室检查手段；2，实验室检查是多重手段综合判断，诊断效率低，并且灵敏度不高；3，非定量诊断，没有对哮喘程度进行定量的评价标准，并基于定量指标的分级标准和分级方法。

4、例如现有的v/q显像诊断pe(对应着本软件中的v/p，v为通气ventilation，p为灌注perfusion)技术：

5、v/q显像诊断pe的标准是肺叶、肺段或多发亚肺段显现灌注缺损。而通气显像正常。pioped资料显示，通过v/q显像与肺动脉造影对照研究，v/q显像诊断pe敏感性为92％。特异性为87％。为更好解释v/q显像结果，新近将显像结果分为三类：①高度可能，即灌注显像表现两处及以上灌注缺损，而通气显像正常，此时确诊pe的概率为88％；②正常或接近正常，即肺灌注显像无灌注缺损存在，可以除外pe，此时发生pe的概率仅为0.2％；③非诊断性异常，即v/q显像灌注缺损与通气缺损并存，其征象介于高度可能与正常之间，包括以往的低度可能与中度可能，约50％的可疑pe患者为该无诊断意义的v/q显像，此时发生pe的概率为16～33％，对该部分患者尚需作进一步检查。常规v/q诊断pe，采用的是平扫spect图像上，观察灌注缺损区域。如图3所示。

6、因此，常规v-q显像的匹配方法存在以下不足：

7、1、平扫图存在容积效应，前后信息叠加效应会导致缺损部位显示不明显和定位不明显；2、一般采用缺损区域的数目来判定，缺损区域的大小没有明确界定，属于半定量诊断；3、对于灌注和通气均缺损的情况，无法准确分级；4、对于不明显的缺损，难以给出定量评价指标。因此目前仅有50％～80％的pe患者能够被准确诊断出来。

8、此外，哮喘的辅助检查及其特异性监测方法主要有多种方法：

9、1.1、血常规红细胞及血红蛋白大都在正常范围内，如合并有较长期而严重的肺气肿或肺源性心脏病者，则二者均可增高。白细胞总数及中性粒细胞一般均正常，如有感染时则相应增高，嗜酸粒细胞一般在0.06以上，可高至0.30。

10、1.2、痰多呈白色泡沫状，大都含有水晶样的哮喘珠，质较坚，呈颗粒样。合并感染时痰呈黄或绿色，较浓厚而黏稠。咳嗽较剧时，支气管壁的毛细血管可破裂，有痰中带血。显微镜检查可发现枯什曼螺旋体及雷盾晶体。如痰经染色，则可发现多量的嗜酸粒细胞，对哮喘的诊断帮助较大。合并感染时，则嗜酸粒细胞数量降低，而代之以中性粒细胞增多。脱落细胞学检查可发现有大量柱状纤毛上皮细胞。一般哮喘患者的痰液中，并无致病菌发现，普通细菌以卡他细菌及草绿色链球菌为最多见。

11、1.3、血液的化学变化哮喘患者血液中电解质都在正常范围以内，即使长期应用促皮质激素或皮质激素后，亦无明显细胞外液的电解质紊乱现象。血中的空腹血糖、非蛋白氮、钠、钾、氯、钙、磷及碱性磷酸酶等均在正常范围以内。

12、1.4、动脉血气分析一般哮喘患者轻、中度发作时pco2偏低，po2多在正常范围，ph>7.45。而当pco2在7.4～53kpa、po2<8.0kpa、ph<7.45时，提示有重度发作。而当ph<7.45、po2<7.3kpa、pco2>6.7kpa时，说明病情较重。

13、1.5、x线检查在无合并症的哮喘患者中，肺部x线片都无特殊发现。有x线变化者多见于外源性经常性发作的儿童哮喘患者，如肺野透亮度增强，支气管壁增厚，肺主动脉弓突出，两膈下降，窄长心影，中部及周围肺野心血管直径均匀性缩小，肺门阴影增深等。在中部和周围肺野可见散在小块浓密阴影，在短期内出现提示肺段短暂的黏液栓阻塞引起的继发性局限性肺不张。

14、1.6、纤维光束支气管镜检查纤维光束支气管镜检查目的在于鉴别或检查支气管内的病变，以明确哮喘的原因。哮喘缓解期，纤支镜内可见其黏膜有炎性反应；发作期，则见黏膜水肿，分泌液黏稠，附着管壁，不易去除。伴有感染时，则呈脓液状，呼气时气管及支气管壁呈塌陷现象。通过纤支镜做支气管壁的活组织检查是研究哮喘发作患者的一种方法。纤支镜活检比硬质支气管镜容易，但所取得组织块较小。病理表现为支气管基底膜增厚和嗜酸粒细胞的浸润，可做出哮喘的诊断。

15、1.7、血压、脉搏及心电图检查极严重的哮喘发作患者可有血压减低和奇脉。心电图显示心动过速，电轴偏右，p波高尖等。其他患者上述检查一般正常。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提出了一种非疾病诊断或治疗目的的基于spect肺通气灌注显像匹配度定量统计的分级方法和系统，可以用于对非典型性哮喘进行定量准确分级评价，并用于预后评估。

2、本发明所述的一种非诊断目的的基于spect肺通气灌注显像匹配度定量统计的分级方法包括如下步骤：

3、步骤一、预先采集大量(不少于20例)受检者的spectv-q显像的通气平扫图和灌注平扫图，作为模型训练的样本库数据；

4、步骤二、采集步骤一中受检者的分级标签作为模型训练的样本库标签；所述分级标签包括正常、轻度哮喘、哮喘三类，所述分级标签通过现有的综合方法或者检测金标准获得；

5、步骤三、将步骤一中采集获得的通气平扫图和灌注平扫图经断层重建及幅度均等化和校正处理，计算差图并进行差值像素的统计；与步骤二中的受检者分级标签对应，对受检者进行分类，得到分级标准模型；

6、步骤四、将待测受检者的spect通气和灌注平扫图，经分级标准模型处理后给出待测受检者的分级建议结果。

7、步骤一、二中，所述受检者包括正常、轻度哮喘和哮喘三类人群，分别采集他们的通气平扫图v和灌注平扫图p及分级标签d；所述通气平扫图v和灌注平扫图p均为三维矩阵，所述三维矩阵分别表示为v[m,n,l]和p[m,n,l]；其中，m、n分别为spect平扫图的矩阵长和宽，典型的矩阵大小为64*64；l为360度平扫的次数，即每平扫一次后，旋转度再平扫下一次，例如，l为360次，表示每平扫一次后，旋转1度再平扫下一次，典型的平扫次数可选择120次。

8、步骤三中，所述的断层重建是指分别将spect肺通气平扫图v和灌注平扫图p，经反投影重建算法得到通气断层图v_t和灌注断层图p_t；具体断层重建过程为：将通气平扫图矩阵v[m,n,l]经转置后，得到v’[n,l,m]，进一步获得m个二维矩阵[n,l]；对每个二维矩阵[n,l]的l个列向量进行的反向投影叠加，每个二维矩阵[n,l]获得一个断层图，一共得到m个通气断层图v_t；同理，一共得到m个灌注断层图p_t。由于平扫图矩阵较小，也可以在插值后再进行断层重建，插值方法可以采用双三次立方插值方法、最近邻插值、双线性插值、三次样条插值等中的一种或多种进行。

9、步骤三中，所述的幅度均等化是指以spect肺通气断层图v_t和灌注断层图p_t中的其中一种断层图为参照，对两种断层图进行最大像素值的同一化；以通气断层图为参照，同一化灌注断层图p_t’表示为max(v_t)/max(p_t)*p_t；以灌注断层图为参照，同一化通气断层图v_t’表示为max(p_t)/max(v_t)*v_t。

10、步骤三中，所述的校正处理，包括，图像扫描时间的校正、层位校正；所述图像扫描时间的校正是指将同一化灌注断层图p_t’和通气断层图v_t分别除以扫描时间，或将同一化通气断层图v_t’和灌注断层图p_t分别除以扫描时间，消除因扫描时间不同导致的匹配差异；所述层位校正为，将同一化灌注断层图p_t’和通气断层图v_t中肺部的同一解剖部位，或同一化通气断层图v_t’和灌注断层图p_t中肺部的同一解剖部位，排列在匹配序列上。

11、所述匹配序列是指图像对应的位置，即通气断层和灌注断层图像区域中，解剖结构相同的层面处于相同的位置处。

12、步骤三中，所述的计算差图，包括将经校正处理的灌注图和通气图进行匹配求差，并对像素差值进行分类统计；具体过程为，将像素幅度均等化和校正后的v_t和p_t’或v_t’和p_t，进行矩阵减法运算后除以均值，得到差图：

13、v_p＝abs((v_t-p_t’)/(v_t+p_t’)，

14、或，p_v＝abs((p_t-v_t’)/(p_t+v_t’)，

15、所述差图的像素值范围为[0,1]，对像素进行线性分类统计。如果像素分类为二分类，则可以设定[0，0.5]为高匹配，(0.5，1]为低匹配；如果像素分类为三分类，则可以设定[0，0.1)为高匹配，[0.1，0.9)为中匹配，[0.9，1]为低匹配；也可以根据需求分为更多的分类。

16、步骤三中，以像素差值分类统计结果作为数据特征，以正常、轻度哮喘、哮喘为标签进行特征分类，并给出分级标准模型对应的分类直线。

17、本发明所述的方法还包括将步骤四中所述待测受检者的灌注通气匹配度统计数据(即受检者高匹配度、中匹配度、低匹配度的分析处理数据)和待测受检者的分级标签结果(标签来自于现有综合方法或者检测金标准)重新送入样品库中，对分级标准模型进行重新训练。在训练中可采用多层感知器、支持向量机等方法。如果像素统计分为二分类，表示特征空间为二维空间，分级标准为一条直线；如果统计像素为三分类，表示特征空间为三维空间，分级标准为一个平面；如果分类数大于3，表示特征空间为超空间，分级标准为一个超平面。

18、本发明还提供了实现上述分级方法的分级系统，所述系统包括：分级标准模型训练功能模块、分级计算输出与样本保存功能模块。

19、所述分级标准模型训练功能模块包括通气-灌注平扫图和标签导入模块、分级标准模型处理模块、分类直线显示模块；所述分级标准模型处理模块包括：通气-灌注断层重建模块、通气-灌注断层插值模块、通气-灌注断层时间校正模块、通气-灌注断层幅度均等化模块、通气-灌注断层层位校正模块、通气-灌注断层差图计算模块、通气-灌注差图像素分类统计模块、样本库和标签库存储模块、分级标准模型训练模块、分级直线存储模块；如图21所示，所述标准模型训练功能模块沿着图中的箭头行进，训练获得分类标准直线，并进行存储和显示。

20、所述分级计算输出与样本保存功能模块包括待分级通气-灌注平扫图和标签导入模块、分级计算模块、分级结果输出与显示模块；所述分级计算模块包括：通气-灌注断层重建模块、通气-灌注断层插值模块、通气-灌注断层时间校正模块、通气-灌注断层幅度均等化模块、通气-灌注断层层位校正模块、通气-灌注断层差图计算模块、通气-灌注差图像素分类统计模块、分级结果计算模块；所述分级计算模块与分级标准模型处理模块结合实现样本保存功能；

21、如图22所示，对待分级图像，沿着箭头所示方向得到通气-灌注差图像分类统计结果后，根据分级标准模型训练功能模块中的分级标准直线进行分级结果计算，再进行分级结果输出(标签)与显示；

22、待分级图像的统计数据以及受检者的金标准检测结果(标签)可以存储到分级标准模型训练功能模块中的样本库和标签库；样本更新后，可以重新训练分级标准直线，使得系统成为一个可更新的开放式系统。

23、本发明的有益效果包括：1，基于断层图像匹配，消除了容积效应的影响；2，非通过缺损区域的个数进行粗略分级，而是基于像素匹配度统计数据进行分级，具有全定量特点；3，可分别针对灌注缺损和通气缺损两种情况分类进行统计和分级标准训练；4，分级标准可更新，根据样本库的增加，可以重新训练，形成开放式样本库。训练方法采用人工智能的支持向量机或多层感知器技术。

24、本发明方法可采用单一指标，完成高灵敏度和特异性的判定和严重程度评价，尤其轻度或非典型哮喘患者的严重程度评价、治疗方案选择和治疗效果评估都有价值。