專利名稱：心臟瓣膜數(shù)據(jù)測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于臨床的測(cè)量心臟瓣膜數(shù)據(jù)的方法和裝置。更詳細(xì)地說，涉及一種自動(dòng)抽取能夠測(cè)量心臟瓣膜的各種數(shù)據(jù)的鮮明的3維心臟瓣膜圖像的方法和裝置。

背景技術(shù)：
二尖瓣回流(二尖瓣機(jī)能不全)在瓣膜疾病中也是發(fā)生頻率最高的，對(duì)于嚴(yán)重的回流例子是引起左心臟機(jī)能不全的嚴(yán)重疾病。嚴(yán)重二尖瓣回流的治療基本上是外科治療，過去進(jìn)行了使用人工瓣膜的二尖瓣更換手術(shù)。但是，在更換人工瓣膜之后會(huì)產(chǎn)生心臟機(jī)能下降以及伴隨著抗凝固療法的并發(fā)癥等很多問題，最近廣泛地采用一種保存原始膜的二尖瓣整形術(shù)。
二尖瓣整形術(shù)是選擇性地通過外科形成二尖瓣環(huán)帶、后尖、腱索等之中成為回流原因的部分的方法，為了使手術(shù)成功，根據(jù)超聲心動(dòng)圖檢查進(jìn)行的術(shù)前的正確病因·病變?cè)\斷也是不可缺少的。
但是，現(xiàn)在廣泛使用的超聲心動(dòng)圖檢查是根據(jù)2維圖像進(jìn)行診斷的，很難表明形成3維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的二尖瓣和二尖瓣周圍的解剖學(xué)的、位置的關(guān)系。即，為了掌握由形成馬鞍形(saddle形)曲線的膜環(huán)帶、具有精巧曲線的膜尖頭、小葉、以及從腱索到乳頭肌和左心室的膜下部支持組織構(gòu)成的二尖瓣機(jī)能的復(fù)合體(二尖瓣機(jī)構(gòu))的立體結(jié)構(gòu)，用2維圖像不夠充分，而必須要采用3維的圖像進(jìn)行診斷。
通過使用最近開發(fā)出的3維超聲心動(dòng)圖裝置，能夠非損傷且簡(jiǎn)便地對(duì)整個(gè)心臟進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，取入圖像。利用3維超聲心動(dòng)圖像，能夠與外科醫(yī)生查看心臟一樣地觀察心肌、瓣膜等的結(jié)構(gòu)，比起到目前為止的利用2維圖像的診斷，期望能夠得到更加詳細(xì)的術(shù)前診斷。
但是，由于采用該3維圖像的3維解析、測(cè)量還是很困難的，而且也不能量化實(shí)際的詳細(xì)形態(tài)和位置關(guān)系，所以現(xiàn)狀是臨床上沒有實(shí)際采用3維超聲心動(dòng)圖。
非專利文獻(xiàn)1山田博三，[根據(jù)全局解抽取和局部解跟蹤的協(xié)調(diào)進(jìn)行的心動(dòng)圖像識(shí)別]、[online]、電子技術(shù)綜合研究所刊物62卷7號(hào)、[平成17年12月22日檢索]、網(wǎng)址 <URL:http://www.etl.go.jp/jp/results/bulletin/pdf/62-7/yamada72.pdf> 因?yàn)镃T和MRI的裝置很大且價(jià)格高，所以不是在任何醫(yī)院都可以利用的。針對(duì)這點(diǎn)，由于利用超聲波的超聲心動(dòng)診斷裝置是小型的，且能夠很方便地使用，所以廣泛普及。因此超聲心動(dòng)(心臟超聲波)檢查對(duì)于以心臟病和高血壓為代表的循環(huán)系統(tǒng)疾病的診斷、治療是不可欠缺的。很多年以前僅通過心臟導(dǎo)管插入術(shù)檢查才知道的信息能夠不引起患者的疼痛而能夠瞬時(shí)掌握。另外隨著裝置減輕重量，現(xiàn)在也能夠像聽診器那樣攜帶到前去地點(diǎn)進(jìn)行檢查了。
在由超聲心動(dòng)裝置得到的超聲心動(dòng)圖中，有M模式超聲心動(dòng)圖、斷層超聲心動(dòng)圖、以及多普勒超聲心動(dòng)圖。利用M模式超聲心動(dòng)圖，能夠用圖形記錄心臟結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)跳動(dòng)，并分別用特征圖形來描繪瓣膜、心室壁、大動(dòng)脈等的運(yùn)動(dòng)。利用斷層超聲心動(dòng)圖，能夠通過高速掃描超聲波束得到心臟的2維斷層圖像(B模式)。
作為超聲波束的掃描方法有高速機(jī)械掃描法和電子掃描法。在斷層法中很容易觀察心臟的形態(tài)或者心臟的跳動(dòng)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)異常的有無、部位、程度的診斷有好處。在多普勒超聲心動(dòng)圖中具有脈沖式多普勒法、連續(xù)波多普勒法、多普勒斷層法、2維血流圖像法、以及彩色多普勒法等，應(yīng)用于根據(jù)狹窄流和膜回流等心臟內(nèi)腔的異常血流的檢查的定性診斷、以及血流測(cè)量與血壓推定等的定量診斷和心臟機(jī)能評(píng)價(jià)。
但是，實(shí)時(shí)采用超聲心動(dòng)圖(echocardiogram)，也不能解決所有的問題。到目前為止的利用通過閾值來判斷的窗口法、以及抽取亮度變化大的部分的邊緣抽取法等進(jìn)行的心臟瓣膜自動(dòng)抽取裝置出現(xiàn)的誤識(shí)別很多。超聲心動(dòng)圖與CT和MRI等的邊界非常清楚的圖像不同，其邊界很不清楚。窗口法和邊界抽取法雖然能夠適用于CT和MRI等邊界明清楚的檢查，但是不能適用于超聲心動(dòng)圖這樣的邊界不清楚的檢查。
除了上述的窗口法和邊界抽取法之外，還提出一種方法即通過曲線擬合而將心臟瓣膜建模，并采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化手法從邊界不清楚的圖像得到輪廓圖像。但是存在的問題是，用牛頓法、最陡下降法不能適用于復(fù)雜的圖像，而且即使增大自由度，且采用GA(遺傳算法)、SA(仿真退火法)等，也只能簡(jiǎn)單地捕捉局部最小值，很難得到最優(yōu)解。
根據(jù)上述問題，本發(fā)明要解決的問題是，得到在臨床中必需的心臟中的二尖瓣的tenting volume(隆起電壓)、tenting area(隆起區(qū)域)、tenting height(隆起高度)、膜環(huán)面的面積、周長、高度(最高部分和最低部分的高度差)等與心臟瓣膜相關(guān)的信息。
以用超聲心動(dòng)圖檢查裝置取入的超聲心動(dòng)圖為基準(zhǔn)，自動(dòng)抽取心臟瓣膜，得到鮮明的3維圖像，并根據(jù)該圖像測(cè)量必要的數(shù)據(jù)。通過本發(fā)明中所用的方法和裝置，除了自動(dòng)抽取超聲心動(dòng)圖中的鮮明的3維圖像的心臟瓣膜環(huán)，還能夠再現(xiàn)回聲圖像中沒有拍到的組織的邊界。即，是一種將到目前為止只有老道的醫(yī)生的眼睛才能夠識(shí)別的心臟瓣膜環(huán)抽取和功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的方法和裝置。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的發(fā)明想要解決的問題，權(quán)利要求1中所記載的發(fā)明是能夠測(cè)量臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像自動(dòng)抽取方法，其特征在于為了得到能夠?qū)τ谛呐K瓣膜測(cè)量臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像，從用超聲心動(dòng)圖檢查裝置掃描出的2維超聲心動(dòng)斷層圖像形成3維的超聲心動(dòng)圖，并且通過計(jì)算機(jī)處理自動(dòng)從上述3維超聲心動(dòng)圖中抽取3維心臟瓣膜圖像，在該方法中，，用復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法將考慮了心臟和瓣膜環(huán)的物理形狀的擬合模型中的上述瓣膜環(huán)模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)進(jìn)行優(yōu)化。
權(quán)利要求2中所記載的發(fā)明是能夠測(cè)量臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像自動(dòng)抽取裝置，其特征在于為了得到能夠?qū)τ谛呐K瓣膜測(cè)量臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像，從用超聲心動(dòng)圖檢查裝置掃描出的2維超聲心動(dòng)斷層圖像形成3維的超聲心動(dòng)圖，并且通過計(jì)算機(jī)處理自動(dòng)從上述3維超聲心動(dòng)圖中抽抽取3維心臟瓣膜圖像，在該裝置中，具有用復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法將考慮了心臟和瓣膜環(huán)的物理形狀的擬合模型中的上述瓣膜環(huán)模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)進(jìn)行優(yōu)化的裝置。
在本發(fā)明中，為了抽取瓣膜環(huán)及其擬合，具體可以采用下面的方法。瓣膜環(huán)抽取處理的流程包括下述2個(gè)過程。首先準(zhǔn)備考慮了心臟的物理形狀的擬合模型，使心肌的亮度高的部分進(jìn)行擬合。然后，在該擬合的形狀上，搜索類似瓣膜環(huán)的地方。
瓣膜環(huán)的模型能夠采用由彈性體構(gòu)成的圓筒形且網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。例如，在1周取40個(gè)、高度上取40個(gè)、總共取1600個(gè)控制點(diǎn)，各點(diǎn)之間用力量適當(dāng)?shù)膹椈蛇B接。這時(shí)，控制點(diǎn)指定亮度盡量高的位置。通過復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法將該圓筒形的瓣膜環(huán)的模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)優(yōu)化。
復(fù)制交換法(RE)廣泛地用作為闡明蛋白質(zhì)等的立體分子結(jié)構(gòu)的方法。在該方法中，考慮由多個(gè)等價(jià)的無相互作用的系統(tǒng)(復(fù)制品)構(gòu)成的全局系統(tǒng)，對(duì)各復(fù)制品(仿造品)分配不同的溫度(能量)，最初對(duì)全部的復(fù)制品配置相同分子，在各復(fù)制品系統(tǒng)中獨(dú)立地進(jìn)行美特羅波利斯(Metropolis)仿真，定期地在相鄰的復(fù)制品之間交換分子配置。
另外采用退火法(SA)，從高溫(高能量)退火到低溫(低能量)，從而搜索最優(yōu)解。在該方法中，搜索到結(jié)構(gòu)中的、能量的勢(shì)能面最小(或者極小)的點(diǎn)(最優(yōu)解)，決定最終的分子結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
在復(fù)制品之間的分子配置交換中，采用完全隨機(jī)交換的蒙特卡羅法、以及像基因重組那樣在近距離分子間(相鄰分子間)進(jìn)行交換的遺傳算法(GA)等方法。在將分子結(jié)構(gòu)建模時(shí)，將分子當(dāng)做點(diǎn)，相鄰分子間有庫侖力、彈簧相互作用等的作用，這些力的和表現(xiàn)作為分子內(nèi)的勢(shì)能。
瓣膜環(huán)的搜索遵循以下規(guī)則進(jìn)行 ·盡量亮度高的位置 ·從下往上看2次微分為正的位置(凹陷部分) ·離相鄰的的瓣膜環(huán)的控制點(diǎn)不太遠(yuǎn)的位置 在這些規(guī)則中還定義適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)函數(shù)，同樣進(jìn)行優(yōu)化，抽取勢(shì)能最小的結(jié)構(gòu)作為最終類似瓣膜環(huán)的位置。也有無法順利地自動(dòng)抽取瓣膜環(huán)的情況，為此還準(zhǔn)備一種能夠手工修正的途徑。
本發(fā)明裝置的特點(diǎn)如下所述。(1)能夠?qū)崿F(xiàn)用過去的2維超聲心動(dòng)圖不可能做到的、二尖瓣復(fù)合體的3維顯示以及定量解析。(2)過去的根據(jù)2維圖像的重建需要大量的勞力和時(shí)間，但是當(dāng)采用本發(fā)明的裝置時(shí)，目前能夠?qū)⑦_(dá)到二尖瓣3維解析的全部過程(采集回波圖像、描繪圖像、3維圖像重建、3維數(shù)據(jù)定量解析)所需要的時(shí)間共計(jì)縮短到大約15分鐘。
采用3維超聲心動(dòng)圖的3維定量解析還未實(shí)現(xiàn)，采用本發(fā)明的研究成果在世界上也是首次。特別是現(xiàn)在，盡管二尖瓣尖、小葉沒有異常，但由于乳頭肌或左心室的機(jī)能不全而引起的[機(jī)能性的二尖瓣回流]的機(jī)理闡明和治療法的開發(fā)受到全世界的矚目，針對(duì)一直以來倚賴用2維超聲心動(dòng)圖像的解析的這些課題的研究，通過能夠用3維解析來實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)將有巨大的飛躍。本發(fā)明的裝置是與二尖瓣回流的術(shù)前診斷、外科治療都有密切聯(lián)系的、對(duì)于臨床具有重大意義的裝置。



圖1是用于說明用超聲心動(dòng)圖診斷裝置以等間隔拍攝18張心臟收縮時(shí)的心臟圖像、并且在3-D圖像中重建二尖瓣的小葉和瓣膜環(huán)的方法圖。
圖2是由2-D圖像制成3-D圖像時(shí)的說明圖。
圖3是利用本發(fā)明的裝置重建了3維心臟瓣膜圖像的、正常人的二尖瓣的小葉和瓣膜環(huán)的圖像，(A)是表示外觀的立體圖，(B)是從LV方向來看的二尖瓣的小葉(俯視圖)和側(cè)視圖，(C)是修正了前圖的二尖瓣的小葉的俯視圖和側(cè)視圖。
圖4是利用本發(fā)明的裝置重建了3維心臟瓣膜圖像的、缺血性MR人的二尖瓣的小葉和瓣膜環(huán)的圖像，(A)是表示外觀的立體圖，(B)是從LV方向來看的二尖瓣的小葉(俯視圖)和側(cè)視圖，(C)是修正了前圖的二尖瓣的小葉的俯視圖和側(cè)視圖。
圖5是表示12個(gè)具有局部貧血MR的患者在二尖瓣的小葉上最大凸起點(diǎn)的人數(shù)分布圖。
圖6是控制點(diǎn)和彈性彈簧的說明圖。
圖7是評(píng)價(jià)函數(shù)和積分區(qū)域的說明圖。
圖8是勢(shì)能面和局部最小值的說明圖。

具體實(shí)施例方式 用圖來說明用于實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)。在下面的說明中使用如下的省略表。
MR＝二尖瓣回流 3-D＝3維的 2-D＝2維的 LV＝左心室 LA＝左心房 ROA＝回流節(jié)流部面積 EF＝噴血分?jǐn)?shù) PISA＝鄰近等速面面積 EDV＝擴(kuò)張末期心舒容量(容積) ESV＝收縮末期心舒容量(容積) 利用2維超聲心動(dòng)圖檢查能夠進(jìn)行下面的檢查。通過對(duì)全部受驗(yàn)者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的2-D超聲心動(dòng)圖檢查，利用改良辛普森方法(將左心室整體近似作為圓筒形的堆疊體)測(cè)量擴(kuò)張末期心舒容量(EDV)和收縮末期心舒容量(ESV)。結(jié)果噴血分?jǐn)?shù)(％)能夠利用方程式100×(EDV-ESV)/EDV來計(jì)算。MR通過彩色多普勒超聲心動(dòng)圖檢查進(jìn)行評(píng)價(jià)，MR的程度能夠通過使用ROA的PISA方法來進(jìn)行量化。但是，為了進(jìn)行二尖瓣回流診斷和二尖瓣手術(shù)，要識(shí)別正確的瓣膜環(huán)位置，還需要立體的瓣膜環(huán)圖像。用本發(fā)明的裝置通過進(jìn)行下面的順序抽取二尖瓣，并再現(xiàn)鮮明的圖像。
為了得到立體圖像(volumetic image)，利用實(shí)時(shí)3-D超聲心動(dòng)圖系統(tǒng)，用受驗(yàn)者心尖的影像(view)得到通過胸腔的容積測(cè)定的圖像(全容積模式)。容積測(cè)定的幀速率是在12到16厘米的深度處、每秒拍攝16到22幀圖像。在獲得(該幀數(shù)取決于深度的)全立體圖像之前，進(jìn)行調(diào)整，使得探頭在2-D圖像的格式中位于二尖瓣的中心部的頂點(diǎn)上。全部的立體圖像以數(shù)字的方式存儲(chǔ)在小型盤片上，為了進(jìn)行離線分析，傳送到個(gè)人電腦中。
圖1表示使用3維超聲心動(dòng)圖診斷裝置、自動(dòng)拍攝(掃描)18張等間隔的呈放射狀的平面圖像并根據(jù)該平面圖像來形成3維(3-D)的立體圖像的過程。心臟收縮時(shí)，對(duì)于掃描的各平面圖像，通過手動(dòng)操作對(duì)二尖瓣的瓣膜環(huán)和小葉標(biāo)記符號(hào)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，重建二尖瓣的小葉和瓣膜環(huán)的3-D圖像。具體情況如圖2所示。
圖2中，若按順序排列掃描的各平面圖像，用線連接檢查點(diǎn)(圖像間對(duì)應(yīng)的點(diǎn))，然后進(jìn)行平滑處理，展現(xiàn)透視圖，則得到光滑的對(duì)應(yīng)物的3維立體圖像(圖中的例子是18幀的情況)。但是如同背景技術(shù)中所述的那樣，超聲圖像不能得到像MRI和CT那樣的鮮明輪廓。特別是因?yàn)榘昴きh(huán)很復(fù)雜，且是相互糾纏著的，所以在本發(fā)明的裝置中使用擬合模型，進(jìn)行瓣膜環(huán)的抽取處理。因此，考慮到心臟的物理形狀，使心肌亮度高的部分進(jìn)行擬合。再進(jìn)一步，在擬合的形狀上來搜索類似瓣膜環(huán)的位置。在搜索該瓣膜環(huán)中，采用如下例所示的擬合模型。
在該例子中，在擬合模型中采用由彈性體得到的圓筒形且網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。而且在1周設(shè)置40個(gè)、高度上設(shè)置40個(gè)、總共設(shè)置1600個(gè)控制點(diǎn)，并用適當(dāng)?shù)膹椈蛇B接各控制點(diǎn)。這時(shí)，控制點(diǎn)要盡量選擇在亮度高的位置上。準(zhǔn)備多個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)(復(fù)制品)，并對(duì)每個(gè)復(fù)制品分配不同的亮度。將該亮度作為勢(shì)能，采用擬合評(píng)價(jià)函數(shù)，來決定勢(shì)能最穩(wěn)定的(為最小值的)結(jié)構(gòu)。這時(shí)使用的方法是被稱為復(fù)制交換法的擴(kuò)展退火法。即從亮度高的位置開始，在復(fù)制品之間進(jìn)行控制點(diǎn)的交換，并求出每次的勢(shì)能。通過進(jìn)行這樣的仿真，能夠?qū)?shì)能最小(結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)的部分作為結(jié)構(gòu)的形狀(瓣膜環(huán))抽取(優(yōu)化)。
另外，進(jìn)行瓣膜環(huán)自動(dòng)抽取搜索時(shí)的主要規(guī)則如下所述。即 ·盡量搜索亮度高的位置 ·從下面向上看2次微分為正的位置(凹陷部分) ·距離相鄰瓣膜環(huán)的控制點(diǎn)不太遠(yuǎn)的位置 在該規(guī)則中還定義適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)函數(shù)，如果與心臟的形狀搜索一樣進(jìn)行優(yōu)化，則最終抽取類似瓣膜環(huán)的位置。另外，在瓣膜環(huán)的自動(dòng)抽取不能順利地進(jìn)行或者具有含糊不清的點(diǎn)的情況下，也設(shè)置了一種手工修正的途徑。
如上所述抽取了的瓣膜環(huán)為圖3。下面，將抽取的二尖瓣膜稱為[瓣膜小葉(leaflet瓣膜小葉)]，將瓣膜小葉的根稱為[瓣膜環(huán)]。另外，像對(duì)帳篷張開一樣使瓣膜小葉膨脹，或者將該膨脹稱為[凸起(tenting)]。在肺中變干凈的血液流入左心房(LA)，從LA通過二尖瓣送入左心室(LV)，再從LV通過主動(dòng)脈傳送給整個(gè)身體。因此，LV的壓力高于LA的壓力。
如果在瓣膜上產(chǎn)生物理性的或者機(jī)能性的障礙，則會(huì)引起狹窄癥和缺血癥。例如，如果二尖瓣打開不完全，不能將足夠的血液送入LV中，則會(huì)引起狹窄癥。反之，如果二尖瓣松弛，二尖瓣關(guān)閉不完全，則由于引起從LV向LA的血液回流，不能向身體提供充足的動(dòng)脈血，所以會(huì)引起缺血。最近，由于二尖瓣的松弛等而引起的二尖瓣關(guān)閉不完全，較多地是不使用人工瓣膜而用瓣膜形成手術(shù)來進(jìn)行治療。因此，得到二尖瓣的準(zhǔn)確形狀是非常重要的，本發(fā)明的裝置對(duì)于取得3維心臟瓣膜圖像是有效的。
另外，圖示的標(biāo)號(hào)表示下述的意思。
A 前尖部(anterior) P 后尖部(posterior) CL 前外側(cè)連合(antero-lateral commissure) CM 后外側(cè)連合(postero-medial commissure) LV左心室(left ventricle) LA左心房(left atrium) Annular height 瓣膜環(huán)的高度(彎曲程度) Tenting length 凸起的長度(凸起長度) 圖3表示根據(jù)用本發(fā)明的裝置進(jìn)行的抽取3維心臟瓣膜圖像的正常人的二尖瓣的小葉的立體圖像及其形狀。圖3(A)是從不同的方向來看小葉的3-D圖像。這里，二尖瓣的瓣膜環(huán)(帶根部分)形成[馬鞍形]。雖然二尖瓣的小葉稍微嵌入LV之中，但是看上去幾乎是平的。
圖3(B)是實(shí)際的3-D凸起圖像。是用于用3-D測(cè)定瓣膜環(huán)的大概外觀。左圖表示從LV方向看到的二尖瓣的小葉形狀，且將凸起程度作為等高線表示。右圖是從水平方向看到的小葉，能夠正確地測(cè)定瓣膜環(huán)和小葉的凸起程度。另外，根據(jù)這些3-D數(shù)據(jù)測(cè)量二尖瓣的瓣膜環(huán)的圓周和區(qū)域。圖中的瓣膜環(huán)高度表示瓣膜環(huán)的彎曲程度。圖中的黑點(diǎn)是接合線(瓣膜的連合部即LV收縮時(shí)的前尖和后尖咬合的位置)。在正常的情況下，LV的收縮期中被二尖瓣的腱索支撐，前尖和后尖完全咬合，從左心室流到左心房的血液被切斷。該接合線為黑點(diǎn)。
圖3(C)是修正了3-D凸起圖像后的結(jié)果。用圖中的粗線表示的曲線表示二尖瓣的瓣膜環(huán)，是一面將從環(huán)狀的表面到小葉的距離保持一定、一面在平面上光滑地描繪的結(jié)構(gòu)。左圖是從LV方向看到的二尖瓣的小葉的圖，將凸起程度用等高線來表示。右圖是從水平方向看到的圖，能夠定量地測(cè)定二尖瓣的瓣膜環(huán)的凸起程度。最大凸起長度、平均凸起長度和凸起容積也能夠通過這些3-D數(shù)據(jù)來測(cè)定。另外，黑點(diǎn)表示接合線。
圖4是二尖瓣的瓣膜環(huán)的立體圖像，且是表示缺血性的二尖瓣回流(MR)患者的二尖瓣的小葉。圖4(A)是從不同方向來看小葉的3-D圖像。通過將二尖瓣的瓣膜環(huán)在外觀上明顯凸起，從而使其光滑化。另外，使山形的小葉變成凸形，整體上嵌入到LV中。
圖4(B)表示實(shí)際的3-D凸起圖像。我們知道了二尖瓣的小葉整體明顯地向LV方向膨脹，瓣膜環(huán)的高度與正常的相比較低。另外，二尖瓣的瓣膜環(huán)也寬。再者，黑點(diǎn)表示二尖瓣的接合線。
圖4(C)是修正了的3-D凸起圖像的結(jié)果。從左圖看也能夠知道，通過二尖瓣的瓣膜環(huán)看的情況下，二尖瓣的小葉相對(duì)于A-P基本上對(duì)稱。從右圖看也能夠知道，最大凸起長度比正常情況要長。黑點(diǎn)表示接合線。當(dāng)用彩色表示時(shí)，綠色標(biāo)號(hào)(右圖淡淡印刷的部分)表示小葉的最大凸起點(diǎn)。該患者的情況下，最大凸起點(diǎn)位于小葉前尖部A的中央處(表示左圖的等高線最高的位置的地方<相當(dāng)于山頂上的位置>)。
圖5是表示將調(diào)查關(guān)于具有局部貧血MR的12個(gè)患者后得到的最大凸起點(diǎn)的位置的結(jié)果在小葉上以人數(shù)分布來表示的圖。圖中的英文′A′表示前尖部(anterior)，′P′表示后尖部(posterior)，′L′表示側(cè)部(lateral)，′C′表示中央部(central)，′M′表示中間部(medial)。另外，括弧內(nèi)的數(shù)字表示人數(shù)。如圖所示，所有12人中最大的凸起點(diǎn)都位于小葉前方部。詳細(xì)的是AM為3人，AC為5人，AL為4人。
具有缺血性MR的12個(gè)患者的詳細(xì)情況是具有單一的血管病的患者3人，具有2種血管病的患者6人，具有3種血管病的患者3人。LV機(jī)能障礙由于范圍廣(EF33.9±9.1％、寬度18％～47％)，所以很嚴(yán)重。ROA是0.29±0.15cm2，達(dá)到0.15～0.62cm2。與10件實(shí)驗(yàn)參照基準(zhǔn)相比較，找不到具有缺血性MR的患者的年齡、性別或者體表面區(qū)域上的不同。但是與正常人相比，缺血性MR患者在LV的容積上顯著地增加了。
如上所述，利用本發(fā)明的3維心臟瓣膜圖像取得方法所開發(fā)的、實(shí)時(shí)3-D超聲心動(dòng)圖檢查用圖像生成軟件系統(tǒng)能夠測(cè)定1)二尖瓣的小葉和瓣膜環(huán)的3-D幾何學(xué)的畸形，2)二尖瓣的小葉的最大凸起點(diǎn)，以及3)在具有缺血性MR的患者中的二尖瓣凸起和瓣膜環(huán)的畸形量。
用更詳細(xì)的例子來說明關(guān)于在本發(fā)明中所用的擬合模型。由于超聲測(cè)定裝置的特性，在圖像中產(chǎn)生噪聲和陰影，僅根據(jù)該圖像的信息，很難得到正確的組織圖像。醫(yī)生知道實(shí)際組織的理想圖像，在頭腦中將該理想圖像與各個(gè)角度和時(shí)間的超聲圖像進(jìn)行組合，進(jìn)行將不鮮明的超聲圖像加以插補(bǔ)、畫出組織的邊界線的工作。通過物理建模使得在醫(yī)生腦中進(jìn)行的圖像插補(bǔ)工作可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。
在計(jì)算機(jī)上的模型的建立，是采用根據(jù)連接如圖6和圖7所示的控制點(diǎn)之間的彈簧和控制點(diǎn)而擴(kuò)張的邊界評(píng)價(jià)函數(shù)?？刂泣c(diǎn)間的彈簧維持組織的物理結(jié)構(gòu)。另一方面，邊界評(píng)價(jià)函數(shù)從圖像中選取組織的邊界信息。
對(duì)于模型的評(píng)價(jià)，采用將彈簧的彈性能量和根據(jù)邊界評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)能量相加的勢(shì)能函數(shù)。設(shè)第i號(hào)的控制點(diǎn)的位置為ri，控制點(diǎn)的設(shè)置r1，r2，...rN寫為rN。這時(shí)，彈簧的彈性能量函數(shù)S(rN)定義如下。
[數(shù)學(xué)式1] 這里kij是彈簧的彈性強(qiáng)度，由控制點(diǎn)間的組織強(qiáng)度等經(jīng)驗(yàn)決定。不連接的控制點(diǎn)間的情況為0。σ是控制點(diǎn)的排除半徑，這樣進(jìn)行選擇，使得控制點(diǎn)間不會(huì)重疊。這時(shí)，彈簧的自然長度為 [數(shù)學(xué)式2] 設(shè)定這些參數(shù)，使得理想物理形狀時(shí)能量為最低。評(píng)價(jià)能量函數(shù)為 [數(shù)學(xué)式3] E(rN) 用返回圖像的矢量r位置處的亮度的函數(shù) [數(shù)學(xué)式4] M(r) 按照以下那樣來進(jìn)行定義。
[數(shù)學(xué)式5] 這里 [數(shù)學(xué)式6] 是由 [數(shù)學(xué)式7] 所定義的長度1的矢量，cij是結(jié)合的常數(shù)， [數(shù)學(xué)式8] 用控制點(diǎn)i，j間的評(píng)價(jià)函數(shù)(后述)來定義，線積分用ri和rj之間的最短路程來定義。
各控制點(diǎn)間的評(píng)價(jià)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)上選擇反映物理特性的函數(shù)。例如，將亮度值大幅度變化的部分作為邊界進(jìn)行識(shí)別(在邊界附近能量下降)那樣的函數(shù)如下所述。
[數(shù)學(xué)式9] 這里 [數(shù)學(xué)式10] 是垂直于 [數(shù)學(xué)式11] 的長度1的矢量， [數(shù)學(xué)式12] M(p) 是函數(shù)M的斜率。
同樣地，能夠采用如下所述的函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)。
[數(shù)學(xué)式13] 空腔 組織 沒有評(píng)價(jià)函數(shù) 組合這些函數(shù)，最終定義為如下的能量函數(shù)。
[數(shù)學(xué)式14] F(rN)＝WS·S(rN)+WE·E(rN) WS，WE是彈性能量和評(píng)價(jià)能量的權(quán)重，能夠調(diào)節(jié)想要注重結(jié)構(gòu)和邊界評(píng)價(jià)中的哪一個(gè)。通過搜索該函數(shù)F為最低時(shí)的控制點(diǎn)集 [數(shù)學(xué)式15] rN 能夠抽取組織的邊界。該函數(shù)F的特征是在維持根據(jù)函數(shù)S的物理形狀的狀態(tài)下，能夠根據(jù)函數(shù)E來搜索邊界。即使超聲圖像中具有一些噪聲和陰影，由于根據(jù)物理形狀進(jìn)行插補(bǔ)，所以即使在僅根據(jù)圖像不能推測(cè)形狀的情況下，也能夠抽取非常相似的組織的邊界。
說明根據(jù)擴(kuò)展退火法的優(yōu)化處理。雖然為了正確地求出組織的邊界而需要很多控制點(diǎn)，但是由于評(píng)價(jià)函數(shù)是非線性的，如果控制點(diǎn)的數(shù)量變多，則很難找到評(píng)價(jià)函數(shù)的最小點(diǎn)。即使采用一般的優(yōu)化方法即牛頓法、最陡下降法、GA(遺傳算法)、SA(退火法)等，也不能簡(jiǎn)單地捕捉到局部最小值，不能夠找到最優(yōu)解。
擴(kuò)展退火法是近些年在自旋玻璃和蛋白質(zhì)的可折疊問題等的物理、化學(xué)的領(lǐng)域受到矚目的強(qiáng)力優(yōu)化方法，是能夠高效地求解多自由度的復(fù)雜的優(yōu)化問題的計(jì)算方法。我們采用該擴(kuò)展退火法的一種即復(fù)制交換蒙特卡羅法來對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
首先，說明作為復(fù)制交換蒙特卡羅法的基礎(chǔ)的、根據(jù)蒙特卡羅法的退火法。蒙特卡羅法使用隨機(jī)的算法來進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的方法。對(duì)于控制點(diǎn)集 [數(shù)學(xué)式16] r1，r2，..rN 將最初步驟的控制點(diǎn)集設(shè)定為 [數(shù)學(xué)式17] r0N 然后，從控制點(diǎn)之中隨機(jī)地選擇1個(gè)，僅錯(cuò)開隨機(jī)的方向、大小為 [數(shù)學(xué)式18] Δr 如果將該控制點(diǎn)集寫為 [數(shù)學(xué)式19] r0tN 則錯(cuò)開最初步驟時(shí)的評(píng)價(jià)能量分別寫為 [數(shù)學(xué)式20] E(r0N)，E(r0tN) 在下面的步驟中按照以下概率來采用該錯(cuò)開了的控制點(diǎn)集。當(dāng) [數(shù)學(xué)式21] 之時(shí)采用。當(dāng) [數(shù)學(xué)式22] 之時(shí)，根據(jù) [數(shù)學(xué)式23] exp[-βE(r0tN)+βE(r0N)] 的概率來采用。
采用的情況下，作為 [數(shù)學(xué)式24] 進(jìn)入下一個(gè)步驟。放棄的情況下，作為 [數(shù)學(xué)式25] 進(jìn)入下一個(gè)步驟。
這里，β是決定系統(tǒng)優(yōu)化情況的參數(shù)，當(dāng)在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中設(shè)玻耳茲曼常數(shù)為kB、溫度為T時(shí)，是作為β＝1/kB的已知的參數(shù)。當(dāng)β非常大(溫度很低)之時(shí)，如果進(jìn)行仿真，則評(píng)價(jià)函數(shù)只會(huì)朝著小的方向前進(jìn)。另一方面，當(dāng)β非常小(溫度很高)之時(shí)，由于評(píng)價(jià)函數(shù)會(huì)朝著變大的方向移動(dòng)，所以會(huì)顯示很大的變動(dòng)。
評(píng)價(jià)函數(shù)能夠表現(xiàn)作為3N+1維空間的面(勢(shì)能面)，仿真是一邊在其表面的極小點(diǎn)間移動(dòng)，以便前進(jìn)。
為了根據(jù)該蒙特卡羅法進(jìn)行優(yōu)化搜索，首先減小β，使控制點(diǎn)集處于非常隨機(jī)的狀態(tài)并進(jìn)行攪拌之后，使β逐漸變大，使評(píng)價(jià)函數(shù)的值收斂。當(dāng)β變得足夠大之后，暫時(shí)進(jìn)行仿真，搜索評(píng)價(jià)函數(shù)成為最小的控制點(diǎn)集 [數(shù)學(xué)式26] r0N 控制點(diǎn)的數(shù)量少的情況下和評(píng)價(jià)函數(shù)不復(fù)雜的情況下，能夠用該方法搜索到優(yōu)化點(diǎn)。但是，一般勢(shì)能面具有復(fù)雜的形狀，僅僅由于溫度下降而捕捉到局部最小值，無論花多少時(shí)間也不能實(shí)現(xiàn)完全的優(yōu)化。(參照?qǐng)D8) 復(fù)制交換蒙特卡羅法是通過在不同的溫度下并行進(jìn)行上述的蒙特卡羅仿真從而能夠防止捕捉到局部最小值、高效地進(jìn)行優(yōu)化的方法。準(zhǔn)備M個(gè)控制點(diǎn)集(復(fù)制品)，用參數(shù)βm對(duì)第m號(hào)的控制點(diǎn)集 [數(shù)學(xué)式27] rmN 進(jìn)行仿真。這里，各復(fù)制的溫度參數(shù)按照溫度高低順序排列，從而使得βm＜βm+1。對(duì)每個(gè)適當(dāng)?shù)牟襟E，用下面方法替換復(fù)制品間的控制點(diǎn)的位置。計(jì)算 [數(shù)學(xué)式28] Δ＜0之時(shí)，替換， Δ＞0之時(shí)，用exp(-Δ)的概率替換。
利用該溫度交換的方法，即使溫度低的控制點(diǎn)位置捕捉到局部最小值，也能夠適當(dāng)?shù)靥鎿Q為溫度高的集，擺脫局部最小值。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)定參數(shù)，則花的時(shí)間越多，越能夠進(jìn)行優(yōu)化。
雖然一般如果增加復(fù)制品，減小相鄰βm之差，則能夠比較容易地發(fā)現(xiàn)最優(yōu)解，但是由于如果增加復(fù)制品的數(shù)量，會(huì)加大計(jì)算成本，所以必須一邊檢查評(píng)價(jià)函數(shù)的方差，一邊進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使計(jì)算效率為最高。為了提高計(jì)算效率，必須是在復(fù)制品之間以很高的頻率進(jìn)行交換、且1個(gè)復(fù)制品能夠在溫度空間里隨機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)。因此，必須調(diào)節(jié)復(fù)制品數(shù)量和βm的值，從而使得相鄰的復(fù)制品的評(píng)價(jià)函數(shù)的方差以相等面積重疊。
雖然該方法在參數(shù)的調(diào)節(jié)、計(jì)算算法的安裝上非常費(fèi)時(shí)間和勞力，但是如果只要花費(fèi)時(shí)間的話，就能夠以相當(dāng)?shù)母怕仕阉鞯阶顑?yōu)點(diǎn)。因此，如果一旦調(diào)節(jié)參數(shù)，不需要像其他優(yōu)化算法那樣非常注意地選擇初始值并進(jìn)行反復(fù)地嘗試。因此，人們幾乎不用插手也能夠自動(dòng)地抽取高精度的邊界線。
權(quán)利要求
1.一種在臨床上能夠測(cè)量必要數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像自動(dòng)抽取方法，其特征在于，
為了得到能夠?qū)τ谛呐K瓣膜測(cè)定臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像，根據(jù)用超聲心動(dòng)圖檢查裝置掃描得到的2維超聲心動(dòng)斷層圖像形成3維超聲心動(dòng)圖，利用計(jì)算機(jī)處理從所述3維的超聲心動(dòng)圖中自動(dòng)地抽取3維心臟瓣膜圖像，在該方法中，
通過復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法，對(duì)考慮了心臟和瓣膜環(huán)的物理形狀的擬合模型中的所述瓣膜環(huán)模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)進(jìn)行優(yōu)化。
2.一種在臨床上能夠測(cè)量必要數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像自動(dòng)抽取裝置，其特征在于，
為了得到能夠?qū)τ谛呐K瓣膜測(cè)定臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像，根據(jù)用超聲心動(dòng)圖檢查裝置掃描得到的2維超聲心動(dòng)斷層圖像形成3維超聲心動(dòng)圖，利用計(jì)算機(jī)處理從所述3維的超聲心動(dòng)圖中自動(dòng)地抽取3維心臟瓣膜圖像，在該裝置中，
具有
通過復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法，對(duì)考慮了心臟和瓣膜環(huán)的物理形狀的擬合模型中的所述瓣膜環(huán)模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)進(jìn)行優(yōu)化的裝置。
全文摘要
本發(fā)明想要解決的問題是得到心臟中的二尖瓣的tenting volume、tentingarea、tenting height、瓣膜環(huán)的面積、周長、高度(最高部分-最低部分之差)等、在臨床上所必需的關(guān)于心臟瓣膜的信息。本發(fā)明是能夠測(cè)量臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像自動(dòng)抽取方法，其特征在于為了得到能夠?qū)τ谛呐K瓣膜測(cè)定臨床上必要的數(shù)據(jù)的3維心臟瓣膜圖像，根據(jù)用超聲心動(dòng)圖檢查裝置掃描得到的2維超聲心動(dòng)斷層圖像形成3維超聲心動(dòng)圖，利用計(jì)算機(jī)處理從上述3維的超聲心動(dòng)圖中自動(dòng)地抽取3維心臟瓣膜圖像，在該方法中，通過復(fù)制交換法、擴(kuò)展退火法，對(duì)考慮了心臟和瓣膜環(huán)的物理形狀的擬合模型中的所述瓣膜環(huán)模型的擬合評(píng)價(jià)函數(shù)(勢(shì)能)進(jìn)行優(yōu)化。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101111194SQ200580047359
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者渡邊望, 小笠原康夫, 櫻井雅史 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Yd, 渡邊望, 小笠原康夫, 吉田清, 正晃泰克株式會(huì)社