專利名稱：具有處理超聲圖像序列以執(zhí)行身體器官中流體定量估計的裝置的觀測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于處理三維(3-D)超聲圖像序列以執(zhí)行身體器官中流體定量估計的裝置的觀測系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及一種醫(yī)療觀測系統(tǒng)和一種執(zhí)行從3-D彩色流圖像序列中流經(jīng)心臟瓣膜(heartvalves)的血流和/或回流(regurgitant)噴流(jet)的自動定量估計的圖像處理方法。
本發(fā)明特別發(fā)現(xiàn)在使用超聲醫(yī)療設(shè)備和/或觀測系統(tǒng)在心臟病學(xué)的醫(yī)療成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
評價二尖瓣(mitral)回流的方法已經(jīng)在HIROKKO FUJI等人的題為“Hemielliptic Proximal Isovelocity Surface Area MethodModified for Clinical Application，More Accurate Quantificationof Mitral Regurgitation In Doppler Echocardiography”(inJapanese Circulation Journal，Vol.65，September 2001，pages820-826)的出版物中公開。根據(jù)這個出版物，Proximal IsovelocitySurface Area(PISA)法用于二尖瓣噴射回流的定量估計。在狹縫狀瓣口(orifice)上選擇PISA形狀為半橢圓形而不是半球形，因為對于體外研究，半橢圓形法比半球形法更加精確。然而，由于半球形法的簡便性而在臨床上使用，而半橢圓形法則難以從3個正交方向逼近。引用的出版物代表一種在臨床應(yīng)用中使用的改進(jìn)的方法。一種閉合回路，恒流系統(tǒng)被設(shè)計用來模擬PISA，并選擇各種類型的狹縫狀瓣口。測量三個正交的PISA半徑并使用利用三個正交的PISA半徑的原始半橢圓公式計算流率。也使用線性回歸公式間接計算流率，并比較鳥瞰(bird’s eye)法和橫向(lateral)法(改進(jìn)的半橢圓法)得到的PISA半徑。使用原始半橢圓法確定的流率與實際流率顯著相關(guān)。類似地，使用改進(jìn)的半橢圓法計算的流率與實際的流率顯著相關(guān)。因此，該研究結(jié)果顯示所提出的改進(jìn)的半橢圓法可用于臨床應(yīng)用。
發(fā)明概述從3D彩色流圖像序列中對流經(jīng)心臟瓣膜的血流進(jìn)行定量估計對于瓣膜狀態(tài)的評價具有重要的臨床意義?；亓鲊娏髦匾缘墓烙嬍前昴ぜ膊〉膰?yán)重性指標(biāo)，比如先天畸形或瓣膜功能不全或索結(jié)構(gòu)(chordalstructure)的連接缺乏。正常的回流也經(jīng)常存在于非病理性患者中。這種普遍的回流通常用于估計在腔內(nèi)壓力，例如在患有高血壓的患者的情況下。此外，流經(jīng)瓣膜的血流的研究有助心臟瓣膜狹窄(stenosis)的診斷。在包括殘余回流估計、可能導(dǎo)致假體斷裂的旁假體泄漏的檢測和量化的瓣膜移植的跟蹤中也研究心內(nèi)的血流。
近年來已經(jīng)出現(xiàn)了使用多譜勒頻移的高質(zhì)量成像模態(tài)來研究血流和組織運動。如今2-D彩色多譜勒超聲技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了成熟的水平。結(jié)合灰度檢查，這是用于評價瓣膜疾病的最廣泛使用的技術(shù)。已知幾種基于這種2-D圖像處理技術(shù)的方法用于估計回流的嚴(yán)重性。這些方法都是基于橫截面噴流的測量(可以是噴流的長度或它的面積)。然而，即使這些測量基于最大的明顯的回流噴流，這些測量仍然易于低估噴流的程度。掃描多個平面僅減小了這種低估。這些測量也可能在連續(xù)重復(fù)測量值上相當(dāng)大地變化，因為它們?nèi)Q于圖像平面的選擇。此外，回流噴流可以是偏心的或非對稱的，并且相對于心臟壁反射，例如這是許多嚴(yán)重的二尖瓣回流的情況，這種情況不能正確地評估實際的二尖瓣回流。因此，在另一方面，公知的2-D測量不能正確地量化所說的二尖瓣回流。這就是為什么所出現(xiàn)的基于彩色流的3-D重構(gòu)的3-D彩色多譜勒技術(shù)被看作評估瓣膜疾病嚴(yán)重性的將來的參考方法的原因。然而，在另一方面，所引用的HIROKO FUJI等人的出版物基于限于流出二尖瓣膜的3D彩色血流的等速表面的非常嚴(yán)格的半橢圓形狀的幾何假設(shè)，它不能達(dá)到足夠精確的結(jié)果。這就說明需要一種更加精確的工具來自動量化在3-D彩色多譜勒圖像中回流的嚴(yán)重性。
本發(fā)明的目的是提供一種與超聲檢查設(shè)備相關(guān)的觀測系統(tǒng)和一種執(zhí)行從三維(3-D)超聲彩色流圖像序列中流經(jīng)身體器官流體的自動定量估計的圖像處理方法。根據(jù)本發(fā)明，使用3-D超聲技術(shù)，例如通過使用3-D彩色多譜勒技術(shù)在一時間間隔內(nèi)采集流經(jīng)瓣口的流體的3-D彩色流體圖像序列。然后，等速表面圖通過涉及在所說的瓣口的附近并流出該瓣口的血流相關(guān)的速度分布構(gòu)造，這可以估計在給定的表面上的血流速度和在通過所說的等速表面限定的實際體積。使用脈沖波多譜勒技術(shù)也可以測量在相反的方向上流經(jīng)瓣口的血回流噴流的峰速度值。這些測量的數(shù)據(jù)可以計算瓣口的表面。具體地，為估計流經(jīng)心臟瓣膜的二尖瓣回流的嚴(yán)重性，通過計算基于對應(yīng)于實際PISA的實際體積的可以獲得回流的表面(SOR)。
這種觀測系統(tǒng)在權(quán)利要求1中要求保護。觀測系統(tǒng)的特定實施例、與觀測系統(tǒng)相關(guān)的檢查設(shè)備以及在該系統(tǒng)中實施的圖像處理方法都在從屬權(quán)利要求中要求保護。


下文參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中附圖1所示為通過觀測系統(tǒng)所執(zhí)行的功能的流程圖；附圖2所示為左心房(atrium)和具有瓣膜的左心室(ventricle)的示意圖；附圖3所示為回流的表面“S.O.R”的確定；附圖4所示為具有觀測系統(tǒng)的超聲檢查設(shè)備的附圖。
優(yōu)選實施例的描述本發(fā)明涉及一種執(zhí)行在身體器官中流體定量估計的觀測系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及一種執(zhí)行從3-D彩色流圖像序列中流經(jīng)心臟瓣膜的血流和/或回流的噴流的自動定量估計的圖像處理方法。
本方法可以使用重構(gòu)的或?qū)崟r的3D超聲波心動描記法實施，該圖像通過使用經(jīng)胸的或經(jīng)食道的探頭形成。本發(fā)明的方法也可以用于通過超聲系統(tǒng)或超聲設(shè)備或通過在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它醫(yī)療成像系統(tǒng)可形成的身體其它器官的3-D圖像序列中。
在下文描述的實例中，在左心房和左心室之間的心臟回流噴流的嚴(yán)重性由3-D多譜勒彩色血流圖像序列進(jìn)行評估。
參考附圖1，超聲檢查設(shè)備為觀測系統(tǒng)產(chǎn)生超聲數(shù)據(jù)。在步驟S1中，觀測系統(tǒng)在一時間間隔(例如兩個心脈之間)采集左心房、左心室和位于左心房和左心室之間的二尖瓣膜的3D超聲圖像序列。這些序列圖像可以以15至30或50圖像每秒的速率采集，該序列的每個圖像優(yōu)選與心動周期的時刻相關(guān)。形成不同的器官的3-D圖像的序列的其它實例可以通過超聲設(shè)備或其它的圖像采集系統(tǒng)的操作員做出。
在步驟S2中，觀測系統(tǒng)采集通常從心房流出并通過二尖瓣膜進(jìn)入心左室的血流的3D多譜勒彩色血流速度圖像的序列。參考附圖3，在心臟疾病不允許二尖瓣膜在給定的心動周期時刻完全關(guān)閉時，回流噴流在與血流正常方向相反的方向上從通過二尖瓣膜5所形成的小的剩下的瓣口3朝心房回流。本發(fā)明的目的是提供一種與回流噴流嚴(yán)重性相關(guān)的定量測量。
在步驟S3中，觀測系統(tǒng)具有從多譜勒彩色流體圖像構(gòu)造3D等速表面的分段裝置。在心臟正常機能的情況下，每個這些表面在血流的正常方向上(即在從左心房LA至左心室LV的常規(guī)血流方向上)形成血流速度值。注意，由于二尖瓣膜5的剩余瓣口3的存在，在左心室LV的里面并在二尖瓣膜5的所說剩余瓣口的附近的等速表面與通過所說的剩余瓣口與常規(guī)的血流方向相反離開左心室并有助于形成回流噴流的血流速度有關(guān)。這些等速表面與允許回流噴流的存在的二尖瓣膜的所說的剩余瓣口和所說的回流噴流的流動有關(guān)的上游流體速度有關(guān)。在附圖3中構(gòu)造出了所說的上游流體的這些等速表面6。
幾種不同的可能的分段技術(shù)可用于構(gòu)造所說的彩色流等速表面6。分段技術(shù)允許獲得非常接近實際等速表面但不接近于該表面或如已有技術(shù)中所提出的該表面的假設(shè)幾何形狀的表面模型。由于等速表面不光滑，因此它們不能通過任何假設(shè)的幾何形狀正確地估計，因為所假設(shè)的表面構(gòu)造了太粗糙的近似。分段技術(shù)應(yīng)用到通過步驟S2所提供的多譜勒血液彩色流數(shù)據(jù)中。
第一種分段技術(shù)已經(jīng)由H.Delingette在題為“Simplex Meshesa General Representation for 3d Shape Reconstruction”(Proceedings of the International Conference on ComputerVision and Pattern Recognition(CVPR’94)，20-24 June1994，Seattle，USA)的出版物中公開。在這個文獻(xiàn)中，提出了在基于物理的重新恢復(fù)三維目標(biāo)的方法。這個方法基于“單一網(wǎng)格(SimplexMeshes)”的幾何學(xué)。網(wǎng)格的彈性特性通過控制在每個頂點(網(wǎng)格節(jié)點)上抽取的單一角度的平均曲率的局部穩(wěn)定功能進(jìn)行模仿。這些功能是觀察點不變的、固有的并且標(biāo)度敏感的。與在規(guī)則的柵格上定義的可變形的表面不同，單一網(wǎng)格是非常適合的結(jié)構(gòu)。在高度彎曲或非精確部位增加網(wǎng)格分辨率的改進(jìn)方法也已公開。連接單一網(wǎng)格以便恢復(fù)復(fù)雜的模型的操作可以使用具有更加簡單形狀的部件執(zhí)行。單一網(wǎng)格具有恒定的頂點連接性。為表示3-D表面，使用每個頂點連接到三個相鄰頂點的2-D單一網(wǎng)格。一個單一網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)是如所引用出版物的附圖1所示的三角測量結(jié)構(gòu)的兩倍。它代表所有類型的可旋轉(zhuǎn)表面。關(guān)于單一網(wǎng)格的輪廓定義為在單一網(wǎng)格上的相鄰的頂點構(gòu)成的封閉的多邊形鏈。該輪廓被限制到與它本身不交叉。輪廓是可變形的模型并在它們所嵌入的單一網(wǎng)格中獨立地處理。定義四個獨立的變換以實現(xiàn)整體范圍的可能的網(wǎng)格變換。它們由在一個面中插入或刪除邊構(gòu)成。單一網(wǎng)格的描述也可以包括對在平面幾何學(xué)中使用的角度歸一化的單一角度的定義；以及描述該頂點如何相對于它的三個鄰點定位的度量參數(shù)的定義。每個頂點的動力學(xué)由牛頓運動定律給出。變形意味著約束形狀變得光滑的力和約束網(wǎng)格接近3-D數(shù)據(jù)內(nèi)部力的力確定了基于物理的模型對外部約束的響應(yīng)。內(nèi)部的力被表達(dá)為它們是內(nèi)在觀察點變量并且取決于比例。類似類型的約束保持輪廓。因此，所引用的出版物提供了代表感興趣的3-D目標(biāo)的簡單模型。它定義為將該模型整形和調(diào)整到感興趣的3-D目標(biāo)上要施加的力?！皢我痪W(wǎng)格技術(shù)(Simplex Mesh technique)”是剛性分段技術(shù)。
第二種可能的分段技術(shù)已經(jīng)公開在題為“A fast marching levelset method for monotonically advancing fronts”(J.A.SETHIANin Proc.Nat.Acad.Sci.USA，Vol.93，pp.1591-1595，F(xiàn)ebruary1996，Applid Mathematics)的出版物中。根據(jù)所說的參考文獻(xiàn)，形成在可能值的2-D網(wǎng)格中的前端(fornt)使用具有前端點確定的“快速行進(jìn)技術(shù)(Fast Marching Technique)”傳播。前端是所謂的短時距方程(Eikonal Equation)的解?？焖傩羞M(jìn)技術(shù)引入網(wǎng)格點的選擇順序并掃描在2-D圖像上的一個通道中的前端?？焖傩羞M(jìn)技術(shù)包括通過凍結(jié)指示為Alive的已經(jīng)訪問過的點朝外行進(jìn)前端，從稱為窄帶的點集中產(chǎn)生，將指示為Far Away的新點引入所說的窄帶中。窄帶網(wǎng)格點總是被更新為在指示為Min-Heap的相鄰結(jié)構(gòu)中具有最小可能值的那些點，并且進(jìn)一步再調(diào)節(jié)相鄰的可能值。所說的快速行進(jìn)技術(shù)提供了一種將稱為起始點(Start Point)的第一端點分別連接到前端每個點的最小成本的一個路徑，所說的前端傳播直到達(dá)到第二和稱為末端點(End Point)的最后端點。注意，在前向行進(jìn)操作中構(gòu)造的路徑的點是具有最小可能值的點。在起始點(Start Point)開始并從一個點到下一個點行進(jìn)必須是“最小成本”。因此，這種路徑是“最小動作”的路徑，即在其上在點勢能上計算的勢能之“和”或“積分”是最小，盡管隨在起始點(StartPoint)和在前端上當(dāng)前點之間的所說的路徑上存在的點數(shù)的函數(shù)嚴(yán)格地、連續(xù)地增長。這個前端傳播技術(shù)(Front Propagation Technique)因此需要兩個末端點(End Pont)，在它們之間它向前和向后傳播前端。參考附圖3，根據(jù)本發(fā)明，傳播前端的起始點(Start Point)設(shè)置在瓣口3的基本中間。前端具有兩個End值，它們是相對于在二尖瓣膜5中的剩余瓣口與回流流體相關(guān)的上游流體的所選擇的等速表面6的速度V的值；和速度基本接近ZERO的值，它是在二尖瓣膜5本身附近的速度。
該系統(tǒng)具有在步驟S4中提供在給定的等速表面模型的表面上的速度V的精確的值以及由所考慮的等速表面6界定的以Vol表示的實際體積的裝置。這個值V和Vol從所說上游流體的多譜勒彩色流等速表面的多譜勒彩色簡化模型的圖像中計算，該圖像從如實施所說的先前的步驟S4所描述的心臟的二尖瓣膜的附近的心臟3-D超聲多譜勒彩色血流的分段中獲得。
該系統(tǒng)具有執(zhí)行步驟S6的裝置，其中由VREG所表示的回流噴流的峰值速度與所說的上游流的等速表面6的速度V的方向相同，并且使用公知的脈沖波多譜勒技術(shù)測量。
現(xiàn)在系統(tǒng)具有執(zhí)行步驟S7的計算裝置，步驟S7計算發(fā)射回流噴流的二尖瓣膜5的所說的剩余瓣口3的由回流噴流“S.O.R”的表面所表示的表面。這個表面通過下式計算SOR＝Vol×V/VREG這個公式產(chǎn)生了具有最小近似的表面值“S.O.R”，因為通過表面分段進(jìn)行的體積估計盡可能的接近實際體積。
上述的方法可以用于發(fā)射并傳播液體流的瓣口表面的任何估計。流體的方向可以是常規(guī)的方向或與通常發(fā)現(xiàn)的所說的液體流的普通方向相反。
上述的方法可以沒有困難地應(yīng)用到2-D圖像，例如這些2-D圖像是3-D目標(biāo)的3-D圖像的截面。在單一網(wǎng)格分段方法的情況下，序列的2-D分段目標(biāo)是多邊形。例如，對于圖像的3-D序列，可以提供三個正交的截面圖像序列。在使用其它的分段法時，2-D圖像代表分段3-D目標(biāo)的壁的軌跡。
3D或2D法可以應(yīng)用到超聲圖像以及X-射線圖像或任何其它類型的圖像序列。
參考附圖4，醫(yī)療檢查設(shè)備150包括采集數(shù)字圖像序列的裝置和根據(jù)上述的處理步驟處理這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)120。醫(yī)療檢查設(shè)備包括給觀測系統(tǒng)120提供圖像數(shù)據(jù)的裝置，該裝置具有至少一個輸出106以給顯示和/或存儲裝置130、140提供圖像數(shù)據(jù)。顯示和存儲裝置分別可以是工作站110的顯示屏140和存儲器130。可替換地，所說的存儲裝置可以是外部存儲裝置。這個圖像觀測系統(tǒng)120可以包括工作站110的適合編程的計算機或具有電路裝置比如LUT、存儲器、濾波器、設(shè)置成執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法步驟的功能的邏輯操作器的專用處理器。工作站110也可以包括鍵盤131和鼠標(biāo)132。這個醫(yī)療檢查設(shè)備150可以是標(biāo)準(zhǔn)的超聲設(shè)備。觀測系統(tǒng)120可以使用具有由所說的處理系統(tǒng)的計算裝置執(zhí)行的程序指令的計算機程序產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種處理三維(3-D)超聲圖像的序列以執(zhí)行身體器官中流體的定量估計的醫(yī)療超聲觀測系統(tǒng)，包括執(zhí)行如下步驟的裝置采集身體器官中流體的3D彩色流圖像的序列；評估在3D圖像中的流速值(V)，通過流速值的分段構(gòu)造等速表面(6)；計算通過等速表面(6)所界定的體積(Vol)；以及使用從分段的表面計算的流速值和體積計算流體傳播經(jīng)過的器官的瓣口的表面(SOR)。
2.權(quán)利要求1的醫(yī)療超聲觀測系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)具有執(zhí)行測量在所說的流體的方向上通過瓣口(3)的流體的峰值速度和計算作為下述值的函數(shù)的流體傳播經(jīng)過的所說的瓣口的表面(SOR)的步驟的裝置相對于所說的瓣口(3)在所說的流體傳播的上游的等速表面(6)上的流速值(V)，從所說的分段的等速表面中計算的體積(Vol)，和在流體傳播的方向上流體通過瓣口(3)的峰值速度。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中分段技術(shù)是有效的網(wǎng)格模型技術(shù)。
4.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中分段技術(shù)是前端傳播技術(shù)，它的開始值和終止值是在等速表面上的速度。
5.權(quán)利要求2至4中的一個權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中提供流體傳播通過其中的所說瓣口的表面S.O.R的公式具有如下的形式SOR＝Vol×V/VREG
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中使用用于評估二尖瓣回流的血流彩色3D成像，從心房、左心室和二尖瓣膜中采集3D超聲圖像，以及所評估的表面是二尖瓣膜的回流表面(SOR)。
7.一種超聲檢查設(shè)備，該設(shè)備具有采集醫(yī)療圖像數(shù)據(jù)的裝置、具有如在權(quán)利要求1至6中一個權(quán)利要求所述的存取所說的醫(yī)療數(shù)字圖像數(shù)據(jù)并處理該圖像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和具有顯示經(jīng)處理的圖像的裝置。
8.一種計算機程序產(chǎn)品，包括實施如權(quán)利要求1至6中一個權(quán)利要求所述的步驟的指令集。
全文摘要
一種處理三維(3－D)超聲圖像的序列以執(zhí)行通過身體器官的流體的定量估計的醫(yī)療超聲觀測系統(tǒng)，包括執(zhí)行如下步驟的裝置采集所述流體的3D彩色流圖像的序列；評估在3D圖像中的流速值，通過流速值的分段構(gòu)造等速表面(6)；計算通過等速表面所界定的體積(Vol)；以及使用從分段的表面計算的流速值(V)和體積(Vol)計算流體傳播經(jīng)過的器官的瓣口(3)的表面。該觀測系統(tǒng)進(jìn)一步包括執(zhí)行如下步驟的裝置測量所說的流體流過所說的瓣口的峰速度值(V
文檔編號A61B8/12GK1610841SQ02826440
公開日2005年4月27日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者M·雅各布, O·熱拉爾, A·科勒－比倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司