文摘

本文进行了回顾性分析500例创伤后肘关节功能障碍的承认从2019年3月至2020年9月我们部门。从受伤到手术的平均时间是11个月(2 - 20个月)。我们采取个性化的治疗方法,完全消除增生的粘附在联合组织和异位骨化,消除关节囊和韧带的一部分,和释放它,以达到最大程度的功能。手术后,外部固定器用于稳定肘关节放松,和病人指导进行康复练习的帮助下一个铰链式外固定架,和塞来昔布是用来预防异位骨化。梅奥功能评分系统用于评估之前和之后的手术疗效。超声成像的快速实现的框架下研究了压缩传感。确保质量的前提下的超声成像重建,提高超声成像理论,和一个平面波声散射的超声波回波模型建立。在此基础上,介绍了压缩传感理论,建立了压缩传感重建的数学模型,并快速迭代收缩阈值算法(FISTA)的压缩传感重建改善降低计算复杂度和迭代的数量。本文使用FISTA直接重建医学超声图像和重建结果不理想。因此,FISTA训练和测试的仿真模型建立了使用标准图像库。 By adding different intensities of noise to all images in the image library, the influence of noise intensity on the quality of FISTA reconstructed images is analyzed, and it is found that the FISTA model has requirements for the quality of the images to be reconstructed and the training set images. In this paper, Rob’s blind deconvolution restoration algorithm is used to preprocess the original ultrasound image. The clarity of the texture details of the restored ultrasound image is significantly improved, and the image quality is improved, which meets the above requirements. This paper finally formed a reconstruction model suitable for ultrasound images. The reconstruction strategy verified by the ultrasound images provided by the Institute of Ultrasound Imaging of a medical university has achieved a significant improvement in the quality of ultrasound images.

1。介绍

肘关节是铰链上肢关节由多个关节,如肱尺关节,brachioradial联合,上层桡尺骨关节(1]。同时,肘关节与良好的运动范围是非常重要的对人们的日常生活和工作。为了满足人们的日常工作和生活的基本需求,我们的肘关节至少需要100°弯曲和扩展范围的运动,和至少100°的前臂旋转运动范围。其中,肘关节可以达到的最小角小于30°,可以通过弯曲的最大角大于130°,和内翻角和前臂旋后需要大于50°。当肘关节的最小扩展角大于30°,或肘关节的最大弯曲角小于120°,我们定义它为肘关节僵硬。然而,最重要的一个全身关节,肘关节不能容忍创伤引起的并发症和后遗症[2]。研究表明,如果肘关节的运动范围是减少50°,80%的肘关节功能将丢失(3]。随着科学技术的迅速发展,在当今社会,越来越多的患者患有肘关节创伤。肘关节周围的软组织挛缩引起的固定可导致创伤后肘关节僵硬的(4]。

近年来,稀疏信号处理技术得到了高度重视在信号处理5]。稀疏信号处理理论的建立和快速发展,尤其是压缩传感理论,奠定了理论依据利用稀疏信号处理技术来解决实际信号处理问题。越来越多的应用程序是用来解决实际问题,如核磁共振数据采集的速度慢6]。压缩传感,作为一种新的稀疏信号处理理论,为我们提供了一个框架,用于稀疏信号重建使用少量的测量数据。根据这一理论,我们可以大大减少采样数据的傅里叶变换域,缩短数据扫描时间,提高成像速度。这不但减少了患者的不适在扫描过程中,也使高质量的重建图像傅里叶少的数据。压缩传感是一个线性不完整的信号采集方法,主要包括信号的稀疏,感知信号的采集,感知信号的重建。它突破传统抽样方法的局限性和打开一个稀疏信号研究的新时代。许多学者致力于这方面的研究,以及一系列的研究结果出现在几年7,8]。这些研究主要集中在稀疏信号的分析,测量矩阵的设计,优化重建算法和实际应用。

在这项研究中,我们收集的数据,500年外科治疗后患者创伤后肘关节功能障碍,重新恢复肘关节功能的影响,探讨了创伤后肘关节功能障碍的手术治疗。创伤后肘关节功能障碍的手术治疗是唯一的选择。个性化的治疗方法是手术期间使用。合并外侧和后内侧切口通常被用来完全清除异位骨组织块联合运动。本文研究了压缩传感理论和稀疏重建算法。首先,压缩传感理论是解释,然后两个重建算法适合求解大规模的观测矩阵介绍:SPGL1 FISTA。我们减少计算复杂度,加快收敛速度,并验证改进FISTA算法仍适用于超声波成像重建。有关超声波图像重建的影响因素进行了研究,训练集图像类型和训练集图像质量进行了讨论,和相关的敏感变量调整和改进的基础上FISTA网络。验证后,超声图像的PSNR值重建使用FISTA高于其他算法,这表明FISTA有一定的超声图像重建的效果。

平片对于骨折的诊断,CT, MRI已变得更加成熟。超声波对骨折的诊断价值弥补缺点的平片,CT和MRI在某些方面。由于超声波的灵活性和实时特性,对于一些不规则骨骨折或不清楚位移,可以快速诊断骨折通过改变探针的位置或角度,而且还可以指导压裂技术。在复杂的心理创伤骨折的情况下,它可以帮助确定是否有实质性的内脏损伤,和超声技术可以用来诊断血管是否有损害相结合。对骨折愈合监测、临床价值可以帮助评估和预测延迟断裂联盟和骨折不愈合的原因。

高频超声结合彩色技术的使用检查软组织血管瘤显示曲折和扩展管状结构相互通信和穿插适度强回声或强回声与声音的阴影。相关学者认为,价值可以更准确地表示源的主要血管供应和入侵血管瘤的范围,以提供一个可靠依据手术,是低成本和非侵入性,没有x射线损伤(9]。尽管其他软组织肿瘤的本质无法澄清的超声波,外观,内部回声结构,外围边界条件,血液流动条件,是否有渗透到周围的结构可以通过超声波初步治疗良性和恶性肿瘤。相关学者总结53例软组织颌面部的其他部分地区的群众除了颌面区域使用超声技术(10]。所有的血流速和阻力指数测量,他们发现有显著差异的最大血流速度在良性和恶性肿瘤。相关学者总结35例的临床价值测试结果四肢软组织肿块,最后得出的结论是,恶性肿瘤组的动脉流速明显高于良性肿瘤组和阻力指数也显著高于良性肿瘤,Vs≥015 m·s−1作为判断标准的界定良性和恶性肿瘤11]。

信号稀疏CS理论的应用的先决条件。几乎所有的信号在本质上并不稀少。研究稀疏信号是一个主要的困难在CS理论的应用。相关学者提出的方法使用contourlet变换作为一个图像稀疏变换(12]。首先,图像分解为多个不同分辨率的细节部分波段和一个低频子带上,然后进行希尔伯特变换在细节部分波段。最后,二维分析信号是由一个方向滤波器组分解,实现和contourlet变换平移不变性。实验结果表明,contourlet变换具有明显的优势在图像去噪和压缩传感稀疏信号13]。相关学者提出的方法使用nonsubsampled contourlet变换图像的稀疏表示在压缩感知图像重建(14]。这种方法需要测量转换后的高频部分波段和保留的分解系数的低频近似部分波段。该方法不仅提高了图像重建的速度也保证了图像重建的质量。此外,一些学者使用混合稀疏基稀疏信号,减少计算时间,提高信号重建的准确性。相关学者设计了正交字典,它是由多个正交的基地,可以自适应地找到近似最优正交基一定信号特点,选择最合适的正交基(根据不同的信号15]。

增加的作用和使用的高频超声在诊断肌肉,骨骼,和神经系统疾病,临床价值已逐渐被发现有其固有的局限性。例如,当增益太高或阈值过低,噪声可以很容易地覆盖了血液流信号,以及依赖角度和混叠的倾向。在这种情况下,一种新的检测技术,即,PDI,形成。其动态范围提高了灵敏度血液流动。上述PDI技术的优势扩大的临床应用价值,并能够精确显示低速血流和极低速血流很难发现在过去,特别是检测小血管的血流量,这极大地提高了多普勒血流检测的灵敏度。然而,PDI技术都有自己的缺点。例如,PDI的应用是有限的和明显的运动器官。PDI不能显示血液流动的方向和速度,以及直接量化值等阻力指数和最大收缩期峰值,所以它只能作为一种补充价值(16- - - - - -18]。然而,深入研究的临床价值和PDI肌肉骨骼神经系统疾病,它展示了良好的前景19,20.]。相信高频超声波将不可或缺的肌肉骨骼神经系统疾病的诊断成像方法在不久的将来。

3所示。材料和方法

3.1。一般信息

从2019年3月到2020年9月,病人肘关节粘连发布在我们的医院中,共有500名患者肘关节功能障碍,包括,10岁到64岁,平均年龄35年。左边的有300例,200例关节。有280例秋季伤害和220例车祸伤害(伤害的总和)。平均手术时间为11个月(2 - 20个月)后的创伤。最初的原因是如下:简单的肘关节脱位8例,24例肱骨干骨折,桡骨头骨折8例,鹰嘴骨折16例,12例恐怖三联征,和多个肘部骨折7例。

教育水平是如下:50例在小学,初中的50例,100例在高中,在大学和300例;这些病人都接受外科治疗创伤后肘关节功能障碍。创伤后肘关节功能障碍患者治疗3个月,6个月,手术后12个月。后续完成每月在24个月的时间点,使用互联网(QQ或电子邮件),电话,和门诊服务进行回访记录的恢复肘关节功能,肘关节屈伸角度,旋转角度,关节疼痛,稳定。登记跟踪时间> 6个月。

3.2。治疗方法
3.2.1之上。术前准备

我们检查肘关节屈伸范围的运动,旋转的运动,肌肉力量和神经症状,详细并执行常规x线和CT +普通扫描三维重建手术前了解关节面是平的,关节空间狭窄,判断是否有异位的位置。

3.2.2。手术方法

所有患者在这一组接受手术治疗后住院治疗。臂神经丛块麻醉操作中使用的是,受影响的肢体被放在手休息,无菌气囊止血带使用消毒后的近端上臂和褶皱,结合横向和后肘方法是经常使用。肘关节功能障碍患者单程手术治疗后,我们使用原始的手术切口,同时后内侧或外侧切口;患者最初的后正中切口,我们使用原始的后中值单一切口照顾内侧和外侧;尺骨神经内侧切口暴露。我们放松肱三头肌brachii肌腱,打开后鹰嘴窝,去除纤维疤痕组织和肉芽组织,并去除异位僵化的骨窝;外侧切口肱桡肌肌和伸肌的腕桡侧的长肌肉,暴露前关节囊,冠状窝,暴露brachioradial关节,清理肥厚性关节囊纤维疤痕组织,和骨异位骨化。障碍进行切除的径向头或更换径向假肢。旧的尺骨冠突骨折不能和固定结构上减少。时我们经常使用缝合修复前关节囊增强前肘关节的稳定性。 The injured medial and lateral collateral ligaments are often separated and repaired. In this group of 500 patients, both the internal and external collateral ligaments were repaired. If necessary, Anchor rivet ligament stops were reconstructed and sutured. At the same time, the ulnar nerve is released before (or the medial condyle osteotomy is performed in situ) and placed under deep fascia for protection to avoid postoperative rehabilitation exercises and compression of the ulnar nerve. After the wound is fully hemostatic, a negative pressure drainage tube is placed in the incision; two external fixation nails are injected into the upper middle 1/3 of the humerus and the middle and lower 1/3 of the ulna (or distal radius), respectively, and the hinged external fixation is connected. The average operation time is 160 min (120–180 min).

3.2.3。术后治疗

手术后常规使用脱水的药物,地方上的冰肘部那天晚上,功能康复锻炼的指导下康复医生在手术后第一天,主动和被动功能锻炼的肘关节的帮助下一个铰链式外固定架,和关节活动进行。范围取决于病人的宽容,和暴力下的肘关节不应该移动。抗炎、肿胀和疼痛口服塞来昔布200毫克/防止骨化性肌炎。引流管放置10到12天完全流失血液的联合。14天内针被移除,铰链式外固定支架被6到8周。图1展示了一个特定的锻炼计划的原理图后肘关节功能障碍。


图1
原理图的具体锻炼计划后肘关节功能障碍。

4所示。超声成像重建算法的框架下压缩传感

4.1。压缩传感

根据信号理论,信号可以由一组表示基本线性,即 的公式,一个是一个系数向量的N∗1。如果只有K非零系数(或系数远远大于零)的公式,然后信号x据说是稀疏(压缩的)基础上,然后呢θn被称为稀疏的基础或信号的稀疏字典吗x,K是信号的稀疏。

在压缩感知理论中,稀疏信号的观测x不直接测量信号x本身。相反,信号x投影到低维测量向量的一组通过noncorrelated测量,即 的公式,y的向量米∗1,η观测矩阵吗米∗N。

因为信号测量值的维度米远小于信号维度N直接求解上述方程是一个欠定的问题,一般来说,没有明确的解决方案。考虑到稀疏的,这个问题有望找到一个明确的解决方案。有限的等距特性给出了必要和充分条件的存在一个明确的解决方案。完全重构的信号,它必须确保观测矩阵不会两个不同的地图K项稀疏信号相同的采样集。这就要求每一个组成的矩阵米列向量提取观测矩阵是非奇异的。实践证明,大多数均匀分布随机矩阵有这个条件,如一个服从高斯分布的矩阵,服从伯努利分布矩阵,傅里叶矩阵的一部分。

4.2。确定重建算法

在实际的超声成像,可以选择线性超声数组元素的数量为128。假设在频域的采样点数量是64 - 128,考虑到复数,观测矩阵的大小 所需检测面积256∗分裂到8 - 16个GB 256像素是在双精度模式(存储)。这无疑是巨大的。一方面,计算机的内存需要支持这么多数据。另一方面,即使固态驱动器SSD是用来传输数据从磁盘向内存内存500 MB / s的速度,它将至少需要补充16至32 s,一个普通的SATA3.0硬盘的速度将减少到一分钟。

随着数据量的增加,数据的处理时间也将增加。根据算法复杂性的定义,同一算法的计算时间会增加指数随着数据量的增加。因此,计算时间后增加的数据量将远远超过一个O(N2)算法复杂性。

因此,针对超声图像数据的特点,有必要选择一个支持复数运算的算法,算法复杂度较低的大型矩阵,并能尽快收敛。我们将关注SPGL1算法和FISTA算法。这两种算法有一个类似的设计基础,梯度下降方法,它属于凸松弛法重建算法。

4.2.1。准备SPGL1

它主要是用来解决BPDN(基础追求去噪)问题。BPDN问题是英国石油公司的一种变体问题。表达式是

至少解决BPDN问题,绝对的收缩和选择算子(套索)问题是必要的。套索的表达问题

从表达的角度,套索的问题是双重表示BPDN问题;即目标函数的套索BPDN的约束条件,约束条件的套索BPDN的目标函数。

每个迭代都需要判断是否下降。如果没有,迭代步长必须减少降直到满足条件;迭代完成后,迭代步长需要更新的帮助下Barzilai-Borwein (BB)算法,以确保大局。抢断梯度投影算法的核心部分。从经典的梯度下降法,我们可以看到的更新是由以下公式: 在哪里 代表了梯度,u代表迭代步长,梯度投影是将上述公式的右半部分软阈值迭代函数P(),这样就满足 在哪里c代表了软阈值。软阈值处理后,小于阈值的元素将被设置为0,和非零信息将集中在几个非零分,稀疏会慢慢显现。

4.2.2。FISTA

这是一个改进版本的迭代收缩ISTA阈值算法。迭代收缩阈值算法是一个非常经典的算法。它可以解决以下正则化问题: 在哪里λ被称为正则化参数。

ISTA的核心算法是梯度下降方法,这是类似于SPGL1,它添加了一个阈值函数P():

它可以是一个软阈值和硬阈值。这种算法非常简单,但它同样的问题的梯度下降法收敛速度慢和不确定的全局收敛性。因此,FISTA需要做的是使算法简单和快速收敛ISTA的基础上,同时确保全局收敛性。的流动FISTA算法如图2。


图2
FISTA算法流程。

从图可以看出2FISTA的计算过程相对简单,而且有三个地方需要时间:一是确定迭代步长u;另一种是计算变量z当一个矩阵θ和一个向量相乘。的变量uk需要一个矩阵的共轭转置θ向量乘法操作,类似于SPGL1计算复杂度。但是这个过程SPGL1 FISTA比这更简单。SPGL1需要做外循环和内循环,同时还有很多分支。这可以提高算法的鲁棒性,但重建速度将比FISTA慢。

4.3。FISTA算法优化
4.3.1。优化迭代步长

Matlab中可以看到,如果计算函数是用来发现矩阵的最大奇异值,当矩阵维数增加,计算时间约占88%。从算法的角度来看,它是最耗时的部分。从算法的角度设计、迭代步长u以最大的奇异值的倒数可以保证收敛速度最快,但这并不意味着迭代步长是独一无二的。

迭代步长优化思想u如下:(1)打开一个向量长度的总和N;(2)添加矩阵的每一列的绝对值θ并将其保存在总和我];(3)和第二个标准,然后取倒数;这个互惠估计迭代步长u。

4.3.2。优化的迭代的数量

在实验中,迭代数量能满足迭代需求100倍。因为每次迭代需要两个矩阵和向量乘法,矩阵维度相对较高时,时间成指数增加。迭代步长优化后,FISTA算法中最耗时的过程无疑是迭代的过程,因此有必要优化迭代过程。

考虑到超声图像的特点是找到非均匀区域的检测区域,也就是说,损伤的确切位置是我们想知道的大多数,对于非均匀区域的振幅信息,它是相对不太重要,可以通过图像。从这个角度来看,可以适当减少迭代次数。阈值函数的功能是设置阈值,这样数量低于阈值设置为0,和数量高于阈值进行阈值处理。因此,适当增加阈值将是一个有效的方法来减少迭代次数。

盲目增加阈值将导致有效信息设置为0,结果将是不准确的。因此,有必要选择一个合适的阈值,以满足不同场景的需求。本文根据观测矩阵的近似正常化,一系列的值λ被定义为2e4∼4e4和0.5e4作为步长,以适应不同数量的数据来获得最好的重构图像效果和阈值可以至少稀疏点终于可以减少迭代的数量为30。改进后,FISTA算法的每一部分的时间如表所示1。

表1
优化FISTA算法运行时间。

5。实验和分析

5.1。训练集图像类型对重建结果的影响

实验分为三组:第一组(1)使用91 -图像库训练FISTA网络训练网络,然后使用执行超限分辨超声波图像的重建。(2)第二组实验使用超声图像数据库来训练网络。数据库包含84超声波图像从不同年龄的十个志愿者和权重。目前常见的画廊超声图像领域的研究。(3)第三组实验使用前两个实验的混合训练集训练网络。我们比较训练网络的重建效果在这三个情况下超声波图像。这是改变训练集图像的类型,其他实验参数设置、实验方案等保持不变。

实验结果如图3和4。其中,US-FSRCNN1代表了网络训练使用超声波图像作为训练集,FISTA代表了网络训练使用91 -图像库作为训练集,和FSRCNN代表了网络训练使用混合组。


图3
针对不同的训练集PSNR的超声图像重建。

图4
SSIM重建超声图像具有不同的训练集。

从数据可以看出3和4超声图像的PSNR和SSIM值重建结果使用后者三种方法基于压缩传感的高于双立方插值方法。这表明超声波基于压缩感知的图像重建方法是更有效的比一般插值方法。此外,网络使用超声波图像作为训练集训练对超声波图像重建的影响比使用91 -网络训练图像训练集和混合训练集。这充分证明了网络训练的针对性训练集有更好的对这种类型的图像重建的影响。因此,当训练集训练网络结构,符合形象的类型应该使用重建。

超声图像的重建结果的对比图如图5。从视觉的角度来看,我们比较四个双立方插值方法的重建结果,FSRCNN US-FSRCNN1, FISTA。我们发现第一个三种方法有超声波图像的重建效果的差异。网络通过FISTA有最好的超声波图像重建的影响。这个验证网络训练与FISTA超声图像训练集可以学习有关超声波图像的特点有针对性地和超声图像重建是有效的。

(一)
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(b)
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(c)
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图5
比较超声图像重建肘关节创伤性骨化性肌炎的结果。(一)原始图像。(b)双立方插值图像。(c) FSRCNN形象。(d) US-FSRCNN1形象。(e) FISTA形象。
5.2。训练集的影响图像质量的超声图像重建的结果

在本文算法比较实验,增加了散斑噪声不同强度的91 -图像训练集获得多个不同品质的训练集。通过使用这些相应的训练集训练网络,我们将讨论训练集的影响在不同强度的噪声图像重建的影响。结果表明,FISTA具有一定的抗噪能力。

当添加噪声方差大于0.04,FISTA已经不理想的重建效果。在这个时候,训练集的PSNR值约为28.1237分贝。我们认为,为了得到更好的重建效果,训练集的图像质量应该类似于测试图像重建的质量。

对超声图像重建FISTA是最好的。因此,以下实验结果与FISTA相比。实验结果如图6和7。其中,US-FSRCNN1代表了网络使用预处理训练集训练。从图可以看出,超声图像的重建效果得到预处理的网络训练训练集比nonpreprocessed的训练集,验证后的训练集图像的纹理细节预处理得到改善,以满足需求,从而提高重建图像的质量。


图6
PSNR预处理操作下的超声图像重建。

图7
SSIM下超声图像重建的预处理操作。
5.3。与其他算法比较的重建时间

为了验证超声图像超限分辨重建算法的时间效率,本文中的算法和其他三个算法将用于在超声图像上执行超限分辨重建肘关节创伤性骨化性肌炎的,比较超声图像。

从图可以看出8,使用FISTA超声图像重建算法的时间效率是最好的在这四个方法。这表明本文的算法是有效的超声波图像的重建。


图8
比较之间的超声波图像的重建时间本文算法和其他算法。

6。结论

随着海拔的增加操作和交通事故,创伤后肘关节功能障碍的发生率在上升,和伤残率是相当高的。病人的肘关节功能障碍影响了患者的身心健康,比如生活,工作,社会上的相互作用。寻求治疗创伤后肘关节功能障碍是当前临床治疗困难。治疗效果不统一,影响报告有很大的不同。在本文中,从2019年3月到2020年9月,500例创伤后肘关节功能障碍患者接受个性化的手术治疗,其次是标准化的康复训练和塞来昔布,防止异位骨化的发生。压缩传感理论从应用程序的角度来看,我们已经进行了有益的讨论压缩传感理论所面临的问题并找到解决方案。我们做了一个重大的改进算法,同时保留压缩传感的优势高分辨率和高对比度的信号或图像信息。它仍然具有良好的分辨率和对比度时噪声很大,这有利于经济复苏的超声图像。直接使用FISTA重建医学超声图像,重建结果不理想。本文采用标准图像库建立仿真模型FISTA训练和测试。 By adding different intensities of noise to all images in the image library, the influence of noise intensity on the quality of FISTA reconstructed images is analyzed, and it is found that the FISTA model has requirements on the quality of images and training set to be reconstructed. The original ultrasound image is preprocessed, and the clarity of the texture details of the restored ultrasound image is significantly improved, and the image quality meets the requirements. This article uses FISTA as the basic model, and the structure of FISTA is relatively large, which occupies a large part of the memory space. At the same time, a large model will also affect the processing time of the algorithm. Therefore, how to ensure the reconstruction quality of ultrasound images while reducing the network structure is a direction that can continue to be studied.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

y朱镕基和m .盛了同样的工作。

确认

这项工作是支持的项目的三年行动计划(2018 - 2020)上海市进一步加速发展的中国传统医学(批准号ZY (2018 - 2020) fwtx - 8009),建设高原训练的临床中医预防疾病的浦东新区卫生和计划生育委员会(批准号pdzy - 2018 - 0605),三年行动计划(2021 - 2023)的上海市为进一步加快创新和发展中医(批准号ZY (2021 - 2023) 0205 - 04)。