胎盘超声图像自动分级的初步探索
作者：刘智 常才 马翔 汪源源 王威琪
单位：刘智 常才(复旦大学医学院附属妇产科医院超声波室 上海,200011)；马翔 汪源源 王威琪(上海复旦大学电子工程系)
关键词：超声检查；胎盘功能；胎盘分级
中华超声影像学杂志001206
【摘要】 目的 建立自动提取胎盘超声图像特征并对其自动分级的方法。方法 首先对142例正常妊娠妇女的胎盘进行常规超声分级，再随机抽取其中69例胎盘图像，提取图像的纹理特征，利用模糊分类法建立自动分级的计算系统；另73例用于测试、比较两种方法对胎盘分级的差别。结果 模糊分类法与常规Grannum胎盘分级相比，在判定胎盘分级上平均误差为 0.21 级(P>0.05)，对I、II、III级胎盘误差分别为 0.13、0.35和0.20级(P均>0.05)。结论 应用胎盘超声图像自动分析方法可对胎盘分级进行客观、可重复性的评价，在临床上有一定推广价值。
, http://www.100md.com
Primary study on automatic ultrasonic grading of placenta
LIU Zhi, CHANG Cai, MA Xiang, et al.
(Department of Ultrasound Diagnostics, Obstetric & Gynecologic Hospital,Medical Centre of Fudan University, Shanghai 200011, China)
【Abstract】 Objective To establish an automatic grading method by abstracting placenta texture features.Methods The regular Grannum placenta grading method applied was first in 142 normal pregnant women,then fuzzy classification method were used to dispose 69 randomly acquired placenta pictures for getting characteristic parameters to establish the new method.Seventy-three placenta pictures were adapted to compare the regular method with the automatic one.Results These two methods had average error of 0.21 (P>0.05) and for grade I、II、III placenta, the average errors were 0.13,0.35,0.20,respectively (all P>0.05).Conclusions The fuzzy classification method applying in placenta grading is an objective and highly reproductive method.
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【Key words】 Ultrasonography;Placenta function;Placenta grading
胎盘超声分级是评价胎盘功能的重要指标之一，目前多采用Grannum等[1]于1979年提出的分级方法，即根据妊娠各期胎盘绒毛膜板、胎盘实质及基底板的回声和形态把胎盘分为4级,即0、I、II、III级。这是一种依靠超声图像灰阶不同用肉眼进行判断的方法，有一定主观性，不同操作者之间存在一定差异。因此本研究试图通过提取胎盘图像特征，利用模糊分类法[2]建立胎盘图像自动分级方法，对胎盘图像进行客观的评价。
资料与方法
一、研究对象
1999年10月～2000年7月我院住院孕妇142例，年龄22～30岁，平均 28.6 岁，孕龄26～40周，初产、单胎，无任何妊娠合并症及并发症。
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二、研究方法
用ATL ULTRAMARK 9 HDL 超声仪显示不同孕周胎盘图像，图像尽量显示胎盘的横切面，所得图像用计算机卡AVER PCIMAGER 进行采集。图像大小576×432像素，每像素为8位灰度值，图像以BMP格式储存于计算机中。
142例胎盘分级法均按照Grannum规定，其中IIIA为成熟早期胎盘，III+A为成熟晚期胎盘。随机抽取69例胎盘图像作为建立自动分级法的模型组，另外73例作为测试组。所有操作均由同一人完成。
统计学方法：所得数据进行t检验。
结果
69例模型组胎盘中I级5例，II例54例，IIIA级6例，III+A级4例，将这批图像按常规胎盘分级分成4类，对每一类中的特征参数进行统计分析，提取特征参数，用模糊分类法得到胎盘分级变量B，它是一个连续的变量，在与常规胎盘分级比较时，保留1位小数，可进行4舍5入，与临床胎盘分级对照。
, 百拇医药
73例测试组胎盘中I级8例，II级45例，IIIA级16例，III+A级4例，模糊分类法与常规Grannum胎盘分级相比，在判定胎盘分级上平均误差为 0.21 级(P>0.05)。I、II、III级胎盘误差分别为0.13、0.35、0.20 级(均P>0.05,表1)。
表1 常规胎盘分级与模糊分类法自动分级比较 Grannum胎盘分级
例数
模糊分类法自动分级(B)
I
8
1.27±0.22
II
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45
2.65±0.55
IIIA
16
2.82±0.39
III+A
4
2.89±0.21
讨论 胎盘是妊娠期重要的功能器官，超声诊断胎盘的成熟度有重要意义。按照Grannum等[1]的分级规则，胎盘分为4级，异常妊娠易过早出现III级胎盘[3]，如先兆子痫等[4]。但目前常用的胎盘超声分级是一种肉眼观察的方法，根据胎盘图像灰度的不同来判定级别。由于每位医师操作经验不同、扫查部位和平面不同等因素，对同一胎盘可作出不同的分级结论，对于同一级胎盘之间的细微差别更是难以用肉眼来区分，这种操作者之间和操作者本身的主观判断重复性较差[5]，将一定程度地影响到临床医师对疾病的处理和治疗。
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在超声图像中引入定量化分析的概念，目前已得到广泛应用，其中在对肝脏的图像处理中应用最广泛[6]。本研究首次在胎盘的超声图像中采用定量分析图像特征的方法，通过提取与胎盘图像特征相关的函数，利用模糊分类法，建立自动评价胎盘图像的方法。
本研究采用了3个灰度参数作为胎盘图像的特性参量,分别为灰度的方差V、扭曲度S和峰度K。设图像共有N点，第i点的灰度值为xi,其均值为
,则这些特征参数的定义如下：
(1)
(2)
(3)
当图像灰度变化较大时，其方差、扭曲度和峰度都比较大。
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首先用N幅图像进行建模。我们将这批图像数据按照胎盘的分级分为4类，对于每一类中的特征参数进行统计分析，计算这些特征参数的均值和方差。设胎盘分级为L(L∈[0,1,2,3])级的图像共有ML幅，其中第iL幅图像的方差为VIL,扭曲度为SiL，峰度为KIL，由以下的式子可以得到此类的三特征参数的均值
,和方差σVL,σSL,σKL：
(4)
(5)
(6)
得到以上信息后，就可根据模糊理论，构造模糊判别所需的隶属度函数B。对于某一图像I，其特征参数第L级的隶属度函数分别为：
(7)
, 百拇医药
假设这3个特征参数对胎盘分级有同等的重要性，则该图像属于第L级的隶属度可以表示为：
(8)
上式中对BLV，BLS，BLK进行了归一化，同时加上了相同的系数
，从而保证了
。这样就可以得到此图像分别属于0～3级的隶属度B0，B1，B2和B3。通过比较它们的大小，可以判断出该图像的正确分级。这里作进一步处理，即可得到对应的自动分级结果B:
(9)
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上式得到的分级结果B是一个从0～3的连续变量，与胎盘的发育是一个连续的过程相吻合，所以自动分级结果B能更精确地反映胎盘的发育情况。此时也可以通过对B进行4舍5入，得到与医生临床分级的对照值。
本试验通过69例不同分级的胎盘建立的自动分析方法与73例胎盘的常规分级法相比，平均误差为0.21 级，不到1级，各级误差也均不超过 0.5 级，4舍5入后与常规分级法比较差异无显著性意义，尤其是在I、III级胎盘图像应用中差异较小，因为I级胎盘实质较均匀，III级胎盘明显钙化,图像特征明显。本研究采集图像时尽量采用胎盘的横切面，避开胎儿肢体，未考虑胎盘位置(前、后壁等)对图像的影响，也未考虑图像增益对图像的影响，在今后的工作中需进一步深入研究。
本研究是首次对胎盘的图像进行定量分析，该方法反映了胎盘图像的主要特征，脱离了肉眼分级的主观性，对胎盘分级的重复性高，不受医技人员经验和主观判断的影响，在基层医院和乡村医院可大力推广，而在技术水平较高的综合医院，这种方法也可减少初学者判断胎盘图像分级的不稳定性。随病例收集增多和资料的完善，自动分级的方法将日趋完善，成为超声判断胎盘分级的新方法。
, 百拇医药
资助项目: 国家自然科学基金(39800137)
参 考 文 献
1，Grannum PT, Berkowitz RL, Hobbins JC. The ultrasonic changes in the maturing placental and their relation to fetal pulmonic maturity. Am J Obstet Gynecol, 1979, 133: 915-917.
2，章正斌，吴汝善，于健,主编. 模糊控制工程. 重庆: 重庆大学出版社，1995.21-23.
3，Quinlan RW, Cruz AC, Buhi WC, et al. Changes in placental ultrasonic appearance. II. Pathologic significance of Grade III placental changes. Am J Obstet Gynecol, 1982, 144:471-473
, http://www.100md.com
4，Carrol B. Ultrasonic features of pre-eclampsia. J Clin Ultrasound, 1980,8:483-487.
5，Capi B, Blickstein I, Appelman Z. The accuracy of the assessment of normal fetal intestinal echogenicity. Electro-optical densitometry versus the ultrasonographer's eye. Gynecol Obstet Invest, 1992,33:26-29.
6，Blickstein I. Quantitative assessment of sonographic image echogenicity by transmission and densitometry: fetal liver model. J Ultrasound Med, 1993, 12: 567-571.
(收稿日期:2000-05-16), 百拇医药
单位：刘智 常才(复旦大学医学院附属妇产科医院超声波室 上海,200011)；马翔 汪源源 王威琪(上海复旦大学电子工程系)
关键词：超声检查；胎盘功能；胎盘分级
中华超声影像学杂志001206
【摘要】 目的 建立自动提取胎盘超声图像特征并对其自动分级的方法。方法 首先对142例正常妊娠妇女的胎盘进行常规超声分级，再随机抽取其中69例胎盘图像，提取图像的纹理特征，利用模糊分类法建立自动分级的计算系统；另73例用于测试、比较两种方法对胎盘分级的差别。结果 模糊分类法与常规Grannum胎盘分级相比，在判定胎盘分级上平均误差为 0.21 级(P>0.05)，对I、II、III级胎盘误差分别为 0.13、0.35和0.20级(P均>0.05)。结论 应用胎盘超声图像自动分析方法可对胎盘分级进行客观、可重复性的评价，在临床上有一定推广价值。
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Primary study on automatic ultrasonic grading of placenta
LIU Zhi, CHANG Cai, MA Xiang, et al.
(Department of Ultrasound Diagnostics, Obstetric & Gynecologic Hospital,Medical Centre of Fudan University, Shanghai 200011, China)
【Abstract】 Objective To establish an automatic grading method by abstracting placenta texture features.Methods The regular Grannum placenta grading method applied was first in 142 normal pregnant women,then fuzzy classification method were used to dispose 69 randomly acquired placenta pictures for getting characteristic parameters to establish the new method.Seventy-three placenta pictures were adapted to compare the regular method with the automatic one.Results These two methods had average error of 0.21 (P>0.05) and for grade I、II、III placenta, the average errors were 0.13,0.35,0.20,respectively (all P>0.05).Conclusions The fuzzy classification method applying in placenta grading is an objective and highly reproductive method.
, http://www.100md.com
【Key words】 Ultrasonography;Placenta function;Placenta grading
胎盘超声分级是评价胎盘功能的重要指标之一，目前多采用Grannum等[1]于1979年提出的分级方法，即根据妊娠各期胎盘绒毛膜板、胎盘实质及基底板的回声和形态把胎盘分为4级,即0、I、II、III级。这是一种依靠超声图像灰阶不同用肉眼进行判断的方法，有一定主观性，不同操作者之间存在一定差异。因此本研究试图通过提取胎盘图像特征，利用模糊分类法[2]建立胎盘图像自动分级方法，对胎盘图像进行客观的评价。
资料与方法
一、研究对象
1999年10月～2000年7月我院住院孕妇142例，年龄22～30岁，平均 28.6 岁，孕龄26～40周，初产、单胎，无任何妊娠合并症及并发症。
, http://www.100md.com
二、研究方法
用ATL ULTRAMARK 9 HDL 超声仪显示不同孕周胎盘图像，图像尽量显示胎盘的横切面，所得图像用计算机卡AVER PCIMAGER 进行采集。图像大小576×432像素，每像素为8位灰度值，图像以BMP格式储存于计算机中。
142例胎盘分级法均按照Grannum规定，其中IIIA为成熟早期胎盘，III+A为成熟晚期胎盘。随机抽取69例胎盘图像作为建立自动分级法的模型组，另外73例作为测试组。所有操作均由同一人完成。
统计学方法：所得数据进行t检验。
结果
69例模型组胎盘中I级5例，II例54例，IIIA级6例，III+A级4例，将这批图像按常规胎盘分级分成4类，对每一类中的特征参数进行统计分析，提取特征参数，用模糊分类法得到胎盘分级变量B，它是一个连续的变量，在与常规胎盘分级比较时，保留1位小数，可进行4舍5入，与临床胎盘分级对照。
, 百拇医药
73例测试组胎盘中I级8例，II级45例，IIIA级16例，III+A级4例，模糊分类法与常规Grannum胎盘分级相比，在判定胎盘分级上平均误差为 0.21 级(P>0.05)。I、II、III级胎盘误差分别为0.13、0.35、0.20 级(均P>0.05,表1)。
表1 常规胎盘分级与模糊分类法自动分级比较 Grannum胎盘分级
例数
模糊分类法自动分级(B)
I
8
1.27±0.22
II
, http://www.100md.com
45
2.65±0.55
IIIA
16
2.82±0.39
III+A
4
2.89±0.21
讨论 胎盘是妊娠期重要的功能器官，超声诊断胎盘的成熟度有重要意义。按照Grannum等[1]的分级规则，胎盘分为4级，异常妊娠易过早出现III级胎盘[3]，如先兆子痫等[4]。但目前常用的胎盘超声分级是一种肉眼观察的方法，根据胎盘图像灰度的不同来判定级别。由于每位医师操作经验不同、扫查部位和平面不同等因素，对同一胎盘可作出不同的分级结论，对于同一级胎盘之间的细微差别更是难以用肉眼来区分，这种操作者之间和操作者本身的主观判断重复性较差[5]，将一定程度地影响到临床医师对疾病的处理和治疗。
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在超声图像中引入定量化分析的概念，目前已得到广泛应用，其中在对肝脏的图像处理中应用最广泛[6]。本研究首次在胎盘的超声图像中采用定量分析图像特征的方法，通过提取与胎盘图像特征相关的函数，利用模糊分类法，建立自动评价胎盘图像的方法。
本研究采用了3个灰度参数作为胎盘图像的特性参量,分别为灰度的方差V、扭曲度S和峰度K。设图像共有N点，第i点的灰度值为xi,其均值为
,则这些特征参数的定义如下： (1) (2) (3)当图像灰度变化较大时，其方差、扭曲度和峰度都比较大。
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首先用N幅图像进行建模。我们将这批图像数据按照胎盘的分级分为4类，对于每一类中的特征参数进行统计分析，计算这些特征参数的均值和方差。设胎盘分级为L(L∈[0,1,2,3])级的图像共有ML幅，其中第iL幅图像的方差为VIL,扭曲度为SiL，峰度为KIL，由以下的式子可以得到此类的三特征参数的均值
,和方差σVL,σSL,σKL： (4) (5) (6)得到以上信息后，就可根据模糊理论，构造模糊判别所需的隶属度函数B。对于某一图像I，其特征参数第L级的隶属度函数分别为：
(7), 百拇医药
假设这3个特征参数对胎盘分级有同等的重要性，则该图像属于第L级的隶属度可以表示为：
(8)上式中对BLV，BLS，BLK进行了归一化，同时加上了相同的系数
，从而保证了。这样就可以得到此图像分别属于0～3级的隶属度B0，B1，B2和B3。通过比较它们的大小，可以判断出该图像的正确分级。这里作进一步处理，即可得到对应的自动分级结果B: (9), http://www.100md.com
上式得到的分级结果B是一个从0～3的连续变量，与胎盘的发育是一个连续的过程相吻合，所以自动分级结果B能更精确地反映胎盘的发育情况。此时也可以通过对B进行4舍5入，得到与医生临床分级的对照值。
本试验通过69例不同分级的胎盘建立的自动分析方法与73例胎盘的常规分级法相比，平均误差为0.21 级，不到1级，各级误差也均不超过 0.5 级，4舍5入后与常规分级法比较差异无显著性意义，尤其是在I、III级胎盘图像应用中差异较小，因为I级胎盘实质较均匀，III级胎盘明显钙化,图像特征明显。本研究采集图像时尽量采用胎盘的横切面，避开胎儿肢体，未考虑胎盘位置(前、后壁等)对图像的影响，也未考虑图像增益对图像的影响，在今后的工作中需进一步深入研究。
本研究是首次对胎盘的图像进行定量分析，该方法反映了胎盘图像的主要特征，脱离了肉眼分级的主观性，对胎盘分级的重复性高，不受医技人员经验和主观判断的影响，在基层医院和乡村医院可大力推广，而在技术水平较高的综合医院，这种方法也可减少初学者判断胎盘图像分级的不稳定性。随病例收集增多和资料的完善，自动分级的方法将日趋完善，成为超声判断胎盘分级的新方法。
, 百拇医药
资助项目: 国家自然科学基金(39800137)
参 考 文 献
1，Grannum PT, Berkowitz RL, Hobbins JC. The ultrasonic changes in the maturing placental and their relation to fetal pulmonic maturity. Am J Obstet Gynecol, 1979, 133: 915-917.
2，章正斌，吴汝善，于健,主编. 模糊控制工程. 重庆: 重庆大学出版社，1995.21-23.
3，Quinlan RW, Cruz AC, Buhi WC, et al. Changes in placental ultrasonic appearance. II. Pathologic significance of Grade III placental changes. Am J Obstet Gynecol, 1982, 144:471-473
, http://www.100md.com
4，Carrol B. Ultrasonic features of pre-eclampsia. J Clin Ultrasound, 1980,8:483-487.
5，Capi B, Blickstein I, Appelman Z. The accuracy of the assessment of normal fetal intestinal echogenicity. Electro-optical densitometry versus the ultrasonographer's eye. Gynecol Obstet Invest, 1992,33:26-29.
6，Blickstein I. Quantitative assessment of sonographic image echogenicity by transmission and densitometry: fetal liver model. J Ultrasound Med, 1993, 12: 567-571.
(收稿日期:2000-05-16), 百拇医药