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導(dǎo)語(yǔ)

一項(xiàng)小型研究表明，頸部動(dòng)脈狹窄——中風(fēng)的一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素——可以通過(guò)分析智能手機(jī)拍攝的皮膚下血液流動(dòng)的視頻來(lái)檢測(cè)。

脂肪沉積(斑塊)可在動(dòng)脈中積聚，導(dǎo)致動(dòng)脈狹窄。頸動(dòng)脈的狹窄會(huì)導(dǎo)致缺血性中風(fēng)——當(dāng)向大腦供應(yīng)血液的血管被血栓阻塞時(shí)就會(huì)發(fā)生。近87%的中風(fēng)是缺血性中風(fēng)。每年有2%到5%的中風(fēng)發(fā)生在沒(méi)有癥狀的人群中，因此需要更好、更早地檢測(cè)中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)激動(dòng)人心的高光時(shí)刻，”該研究的主要作者Kao說(shuō)。“現(xiàn)有的診斷方法——超聲波、CT和MRI——需要專(zhuān)門(mén)的醫(yī)療成像設(shè)備和專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行篩查。對(duì)智能手機(jī)上錄制的視頻進(jìn)行分析是非侵入性的，而且很容易執(zhí)行，因此它可能會(huì)提供一個(gè)增加篩查的機(jī)會(huì)。盡管還需要更多的研究和開(kāi)發(fā)，但記錄和運(yùn)動(dòng)分析可能能夠遠(yuǎn)程實(shí)施，或者下載應(yīng)用程序也是可行的。”

01頸部皮膚的微小變化

頸部的動(dòng)脈就在皮膚表面之下，通過(guò)它們的血液流動(dòng)速度和模式的變化反映在上面皮膚的運(yùn)動(dòng)中。然而，這些差異太過(guò)微妙，肉眼無(wú)法察覺(jué)。

這項(xiàng)研究在2016年至2019年期間進(jìn)行，使用運(yùn)動(dòng)放大和像素分析來(lái)檢測(cè)智能手機(jī)視頻記錄中皮膚表面脈搏特征的微小變化。

在一家臺(tái)灣醫(yī)院接受治療的202名成年人(平均年齡68歲，約79%為男性)參與了這項(xiàng)研究。在參與者中，54%的人有明顯的頸動(dòng)脈狹窄，這意味著他們至少有50%的堵塞是以前通過(guò)超聲診斷的，而46%的人沒(méi)有明顯的狹窄。捕捉采集時(shí)，參與者仰臥并頭部向后傾斜，放在一個(gè)定制的盒子里，以最大限度地減少了外部活動(dòng)。盒子上安裝了一部64GB的蘋(píng)果iPhone 6，用來(lái)拍攝30秒的頸部視頻。Kao解釋說(shuō)，使用老一代手機(jī)是因?yàn)檠芯咳藛T認(rèn)為它會(huì)對(duì)普通用戶(hù)更常見(jiàn)。

視頻記錄和處理。A.錄像設(shè)置；B.原始視頻錄制；C.視頻處理和高亮顯示每幀中每個(gè)像素的移動(dòng)。| Cheng et al.

研究人員發(fā)現(xiàn)，在已知頸動(dòng)脈狹窄的人群中，視頻運(yùn)動(dòng)分析算法檢測(cè)狹窄的準(zhǔn)確率為87%。所有研究參與者還接受了標(biāo)準(zhǔn)的多普勒超聲測(cè)試，以確認(rèn)他們的動(dòng)脈狹窄，并測(cè)量和驗(yàn)證視頻運(yùn)動(dòng)分析的估計(jì)值。

基于視頻的運(yùn)動(dòng)分析得出了在設(shè)置隊(duì)列(A)和驗(yàn)證隊(duì)列(B)中有無(wú)CAS患者的差異值。| Cheng et al.

視頻運(yùn)動(dòng)分析檢測(cè)頸動(dòng)脈狹窄的受試者工作特性曲線。在設(shè)置隊(duì)列(A)、驗(yàn)證隊(duì)列(B)和總隊(duì)列(C)中，基于視頻運(yùn)動(dòng)分析得出的差異值的曲線下面積(AUC)在設(shè)置隊(duì)列(A)中為0.904，在驗(yàn)證隊(duì)列(B)中為0.912，在總隊(duì)列(C)中為0.914。| Cheng et al.

“還需要更多的研究來(lái)確定在智能手機(jī)上錄制的視頻是否是一種有希望的方法來(lái)幫助加快和增加中風(fēng)篩查，”Kao說(shuō)。“在中風(fēng)發(fā)生之前，頸動(dòng)脈狹窄是無(wú)聲的。通過(guò)這種方法，臨床醫(yī)生可以用智能手機(jī)錄制患者頸部的視頻，上傳視頻進(jìn)行分析，并在5分鐘內(nèi)收到報(bào)告。及早發(fā)現(xiàn)頸動(dòng)脈狹窄可能會(huì)改善患者的預(yù)后。”

這項(xiàng)研究有幾個(gè)局限性，包括研究參與者的數(shù)量少，所有這些人都被認(rèn)為是心血管事件的高危人群。此外，沒(méi)有分析頸部長(zhǎng)度和頸部角度，這可能會(huì)影響視頻分析的結(jié)果。根據(jù)Kao的說(shuō)法，膚色不太可能阻礙更廣泛人群的應(yīng)用，因?yàn)檫@次評(píng)估使用了標(biāo)準(zhǔn)的照明方法。

02具體的視頻處理技術(shù)

Video-based Motion Analysis(VMA)涉及一系列視頻處理技術(shù)。首先對(duì)視頻輸入進(jìn)行運(yùn)動(dòng)放大，對(duì)不同的空間頻帶進(jìn)行分解，然后進(jìn)行時(shí)間濾波。利用快速傅立葉變換提取每個(gè)空間頻帶上像素強(qiáng)度的變化并分別處理。通過(guò)選擇用戶(hù)指定的運(yùn)動(dòng)放大參數(shù)，將它們?cè)谔囟ǖ念l率范圍內(nèi)被放大，例如患者的心率。采用主成分分析和傅立葉變換相結(jié)合的方法，提取可用于心率估計(jì)的血液容積脈搏波。

使用光流法和主成分分析對(duì)放大后的視頻進(jìn)行進(jìn)一步處理。光流法利用圖像序列像素強(qiáng)度的時(shí)間變化來(lái)確定物體在連續(xù)幀之間的運(yùn)動(dòng)。這允許構(gòu)建流動(dòng)矢量場(chǎng)，其中每個(gè)向量是速度或位移，每個(gè)像素最多一個(gè)向量，突出顯示每幀中每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)。由于視頻序列的大數(shù)據(jù)集往往很難解釋?zhuān)虼耸褂弥鞒煞址治鰧?duì)光流法產(chǎn)生的流動(dòng)矢量場(chǎng)進(jìn)行處理，以降低維度并最大化輸入特征之間的相關(guān)性。輸出由每個(gè)患者獨(dú)特的脈搏波信息組成，經(jīng)過(guò)一系列視頻處理技術(shù)后，視頻序列被表示為時(shí)間振蕩波形。使用非線性最小二乘擬合法對(duì)所得到的波形進(jìn)行量化以估計(jì)其模型系數(shù)。然后，我們能夠用量化的系數(shù)來(lái)近似振蕩波形，包括幅度和頻率。

選擇的ROI被裝箱在原始ROI內(nèi)，以包括右側(cè)和左側(cè)頸動(dòng)脈區(qū)域。它的規(guī)模通常是原始ROI的四分之一或一半。將VMA計(jì)算的量化系數(shù)與原始ROI和選擇的ROI進(jìn)行比較。VMA導(dǎo)出的差異被定義為原始ROI和所選ROI之間的幅度差異。獲得了受試者最大的VMA差異，以供進(jìn)一步分析。頸動(dòng)脈狹窄的患者由于局部血管狹窄和血流動(dòng)力學(xué)改變，脈搏特征不均勻，差異較大。用受試者工作特征(ROC)曲線分析確定檢測(cè)頸動(dòng)脈狹窄的VMA最佳截?cái)嘀怠?/span>

基于視頻的運(yùn)動(dòng)分析(VMA)得出不同頸動(dòng)脈狹窄程度的差異。在狹窄程度>50%的患者中，VMA得出的差異顯著更高。NS表示不顯著。*P<0.05。| Cheng et al.

VMA在不同差異臨界值的頸動(dòng)脈狹窄篩查中的診斷性能。| Cheng et al

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Smartphone video may help detect narrowed neck arteries that can lead to strokes | American Heart Association