專(zhuān)利名稱(chēng)：利用超聲波使血管結(jié)構(gòu)三維可視化的系統(tǒng)和方法
利用超聲波使血管結(jié)構(gòu)三維可視化的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
在多個(gè)生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，精確地確定穿過(guò)一個(gè)給定器官或結(jié)構(gòu) 的血流是非常重要的。例如，在腫瘤學(xué)領(lǐng)域，對(duì)瘤內(nèi)血流的確定可以 增進(jìn)對(duì)癌癥生物學(xué)的了解，并且由于瘤需要血液來(lái)生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，所以 對(duì)血流的確定可以有助于對(duì)抗癌療法的識(shí)別和開(kāi)發(fā)。在實(shí)踐中，減少 瘤的血管的供給通常是癌癥治療的主要目標(biāo)。為了評(píng)估和開(kāi)發(fā)影響瘤 的血液供給的療法，有利的是對(duì)小動(dòng)物和其他受試者體內(nèi)的瘤內(nèi)的血 流進(jìn)行量化。
通常，用于確定小動(dòng)物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)的血管分布的方法包括以犧牲
動(dòng)物組織為基礎(chǔ)的組織學(xué)。而且，盡管小動(dòng)物的顯微CT (Micro-CT) 使得對(duì)器官的成像分辨率達(dá)到大約5 0微米，但是在多數(shù)情況下卻是致 命的。雖然組織學(xué)和Micro-CT提供精確的有關(guān)血管結(jié)構(gòu)的信息，卻都 不給出關(guān)于血管內(nèi)的體內(nèi)血流的任何指示。因此，組織學(xué)和Micro-CT 技術(shù)對(duì)于研究同一小動(dòng)物體內(nèi)的瘤的生長(zhǎng)和血液供給隨時(shí)間的變化來(lái) i兌并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分 的血管分布進(jìn)行量化的方法包括生成多個(gè)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的至少一部分的 二維(2-D)高頻"功率多普勒"或"彩色多普勒"超聲波圖像切片， 其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分位于一個(gè)受試者內(nèi)部。在一方面，處理 該多個(gè)2-D超聲波圖像切片中的至少兩個(gè)以生成一個(gè)三維(3-D)體圖 像以及對(duì)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布進(jìn)行量化。
本發(fā)明的其他裝置、方法、方面以及優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)參考附圖以及對(duì) 優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述來(lái)加以討論。


被納入本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的 一部分的附解了以下所
描述的幾個(gè)方面，并且連同該描述起解釋本發(fā)明原理的作用。相同的 數(shù)字在所有這些附圖中表示相同的元件。 圖1是圖解示例成像系統(tǒng)的框圖。
圖2示出了來(lái)自示例受試者的示例呼吸波形。 圖3示出了具有圖1的示例色盒的圖1的示例顯示器。 圖4是圖解一種利用圖1的示例系統(tǒng)來(lái)生成超聲波圖像的示例方 法的框圖。
圖5是圖解一種利用圖1的示例系統(tǒng)來(lái)生成超聲波圖像的示例方 法的框圖。
圖6是圖解一種利用圖1的示例系統(tǒng)來(lái)生成超聲波圖像的示例方 法的框圖。
圖7A和7B是圖解利用圖1的示例系統(tǒng)來(lái)生成超聲波圖像切片的 示例方法的示意圖。
圖8是圖解利用圖1的示例系統(tǒng)得到的多個(gè)二維(2-D)超聲波圖
像切片的示意圖。
圖9是圖1的示例系統(tǒng)的超聲波探測(cè)器和3-D馬達(dá)以及一個(gè)可以
可選地用于圖1的示例系統(tǒng)的軌道系統(tǒng)的示意圖。
圖IO是由圖1的示例系統(tǒng)生成的示例3-D體重構(gòu)。
圖ll是圖解一種利用圖l的示例系統(tǒng)對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)中的血管分布進(jìn)
行量化的示例方法的框圖。
圖12是圖解圖11的處理塊的運(yùn)行的流程圖。
圖13是圖解一個(gè)基于示例陣列的超聲波成像系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述、例子、附圖以及權(quán)利要求及先前和下 面對(duì)它們的描迷，將更容易理解本發(fā)明。然而，在公開(kāi)和描述本設(shè)備、 系統(tǒng)和/或方法之前，應(yīng)當(dāng)理解，除非另有說(shuō)明，本發(fā)明并不限于所公 開(kāi)的具體的設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法，因而當(dāng)然是可以變化的。還應(yīng)當(dāng)理 解在此使用的術(shù)語(yǔ)是僅出于描述特定方面的目的，并不旨在進(jìn)行限制。
本發(fā)明的以下描述以本發(fā)明的最佳的、當(dāng)前已知的實(shí)施方案的形 式被提供作為一個(gè)可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的教導(dǎo)。為此，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)
人員將認(rèn)識(shí)到并理解，可以對(duì)在此描述的本發(fā)明的各方面進(jìn)行很多改 變，而仍獲得本發(fā)明的有益效果。還顯而易見(jiàn)的是，通過(guò)選擇本發(fā)明 的一些特征而不利用其它特征可以獲得本發(fā)明的一些期望的益處。因 此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)本發(fā)明的很多修改和適應(yīng)性 變化是可能的，并且在某些情況下甚至可能是理想的，這些都是本發(fā) 明的一部分。因此，下面的描述被提供作為對(duì)本發(fā)明的原理的說(shuō)明， 而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
在整個(gè)篇幅中，單數(shù)形式的"一個(gè)(a )"、"一個(gè)(an )"和"該(the )" 在被使用時(shí)，包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非上下文清楚地另有規(guī)定。因此，例 如，提到"一個(gè)呼吸波形，，可以包括具有兩個(gè)或更多個(gè)這樣的波形， 除非上下文另有規(guī)定。
范圍在此可以被表達(dá)為從"大約" 一個(gè)特定值，和/或到"大約，， 另一個(gè)特定值。當(dāng)表達(dá)這樣的范圍時(shí)，另一個(gè)方面包括從該一個(gè)特定 值和/或到該另一個(gè)特定值。類(lèi)似地，當(dāng)通過(guò)使用前面的"大約"來(lái)把 值表示成近似值時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解特定值形成了另一個(gè)方面。還應(yīng)當(dāng)理解 每個(gè)范圍的端點(diǎn)相對(duì)于另一個(gè)端點(diǎn)以及獨(dú)立于另一個(gè)端點(diǎn)都是有意義 的。
當(dāng)在此被使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)"可選的"或"可選地"意思是隨后描述 的事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生，并且該描述包括所述事件或情 況發(fā)生的情況和不發(fā)生的情況。
參照下面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案及其中包括的例子的詳細(xì)描 述，并且參照附圖及先前和下面對(duì)其的描述，可以更容易地理解本發(fā) 明。
"受試者，，的意思是個(gè)體。術(shù)語(yǔ)受試者包括小的或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物以及 靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物，包括人類(lèi)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物包括，但不限于，諸如小鼠或大鼠 之類(lèi)的嚙齒動(dòng)物。術(shù)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物還可以與動(dòng)物、小動(dòng)物、小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 或受試者互換使用，其包括小鼠、大鼠、貓、狗、魚(yú)、兔、豚鼠、嚙 齒動(dòng)物等等。術(shù)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物并不表示一特定年齡或性別。因此，成年 和新生動(dòng)物以及胎兒(包括胚胎)，無(wú)論是雄性還是雌性，都包括在內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案， 一種用于對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一 部分的血管分布進(jìn)行量化的方法包括生成多個(gè)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的至少一部
分的二維(2-D)高頻多普勒超聲波圖像切片?？梢灶A(yù)期該結(jié)構(gòu)或該結(jié) 構(gòu)的該部分可以位于一個(gè)受試者內(nèi)部。在操作中，處理該多個(gè)2-D超 聲波圖像切片中的至少兩個(gè)，以生成一個(gè)三維(3-D)體圖像，以及對(duì) 該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的該部分的血管分布進(jìn)行量化。
圖1是圖解示例成像系統(tǒng)100的方框圖。成像系統(tǒng)IOO作用于受 試者102。超聲波探測(cè)器112被接近受試者102放置，以獲得超聲波 圖像信息。該超聲波探測(cè)器可以包括一個(gè)可以用于收集超聲波數(shù)據(jù)110 的機(jī)械掃描換能器150，所述超聲波數(shù)據(jù)包括超聲波多普勒數(shù)據(jù)。在 所描述的系統(tǒng)和方法中，可以使用一種被稱(chēng)為"功率多普勒"的多普 勒超聲波技術(shù)，該多普勒超聲波技術(shù)利用多普勒信號(hào)中的總功率來(lái)生 成血流的彩色編碼實(shí)時(shí)圖像。該系統(tǒng)和方法還可以用于生成"彩色多 普勒"圖像以生成彩色編碼的實(shí)時(shí)的血液速度評(píng)估圖。該換能器可以 發(fā)射頻率至少大約為20兆赫茲(MHz)的超聲波。例如，該換能器可 以發(fā)射頻率大約為或大于20 MHz、 30 MHz、 40 MHz、 50 MHz或60 MHz 的超聲波。而且，還預(yù)期顯著大于上述那些頻率的換能器工作頻率。
預(yù)期任何能夠?qū)⒊暡ㄊ揭七^(guò)受試者或受試者的一部分的系統(tǒng) 都可以用于實(shí)施所描述的方法。因此，可以使用在其沿一個(gè)路經(jīng)掃過(guò) 時(shí)能平移超聲波束的機(jī)械掃描系統(tǒng)實(shí)施這些方法。還可以使用基于陣 列的系統(tǒng)來(lái)實(shí)施這些方法，其中通過(guò)電操縱沿著換能器元件的超聲波 束來(lái)平移波束。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解，從任一類(lèi)型的系統(tǒng) 平移的波束都可以應(yīng)用于所描述的方法，而對(duì)所采用的系統(tǒng)的類(lèi)型沒(méi) 有任何限制。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所描述的利用機(jī)械 掃描系統(tǒng)執(zhí)行的方法還可以利用陣列系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。類(lèi)似地，所描述的 利用陣列系統(tǒng)執(zhí)行的方法還可以利用機(jī)械掃描系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。因此，系 統(tǒng)的類(lèi)型不是被規(guī)定為對(duì)所描述的任何方法的限制，因?yàn)殛嚵邢到y(tǒng)和 機(jī)械掃描系統(tǒng)可以互換使用來(lái)執(zhí)行所描述的方法。
另外，對(duì)于機(jī)械掃描系統(tǒng)和陣列類(lèi)型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，都可以使用中心 頻率位于一個(gè)低于20MHz的臨床頻率范圍內(nèi)或者中心頻率位于一個(gè)等 于或大于20MHz的高頻范圍內(nèi)的換能器。
在所描述的系統(tǒng)和方法中，可以使用被稱(chēng)為"功率多普勒"的超 聲波模式或技術(shù)。該功率多普勒模式利用多普勒信號(hào)中的總功率來(lái)生
成血流的彩色編碼實(shí)時(shí)圖像。該系統(tǒng)和方法還可以用于生成描述平均 速度信息的"彩色多普勒"圖像。
可以將受試者102連接到心電圖(ECG)電極104，以從受試者102 獲得心節(jié)律和呼吸波形200 (圖2 )。包括呼吸檢測(cè)軟件140的呼吸檢 測(cè)元件148可以用于生成呼吸波形200，以提供給超聲波系統(tǒng)131。呼 吸檢測(cè)軟件140可以通過(guò)監(jiān)測(cè)受試者呼吸時(shí)的肌阻抗而生成呼吸波形 200?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的并可以從例如德克薩斯州休斯頓的Indus 儀器(Indus Instruments, Houston, TX)得到的呼吸檢測(cè)元件148 和軟件140來(lái)執(zhí)行利用ECG電極104和呼吸檢測(cè)軟件140生成呼吸波 形200的操作。在一個(gè)替代方面，可以通過(guò)并不采用ECG電極的方法 來(lái)生成呼吸波形，例如，利用應(yīng)變計(jì)體積描"^器(strain gauge plethysmograph )。
呼吸檢測(cè)軟件140將來(lái)自ECG電極104的電信息轉(zhuǎn)換成可以被發(fā) 送到超聲波系統(tǒng)131的模擬信號(hào)。該模擬信號(hào)在被ECG/呼吸波形放大 器106放大之后進(jìn)一步由模數(shù)轉(zhuǎn)換器152轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，該模數(shù)轉(zhuǎn) 換器可以被包括在信號(hào)處理器108中，或可以位于其它地方。在一個(gè) 實(shí)施方案中，呼吸檢測(cè)元件148包括放大器，該放大器用于放大模擬 信號(hào)以提供給超聲波系統(tǒng)131以及供模數(shù)轉(zhuǎn)換器152轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 在這個(gè)實(shí)施方案中，可以完全避免使用放大器106。使用數(shù)字化數(shù)據(jù)， 位于存儲(chǔ)器121中的呼吸分析軟件142可以確定受試者的呼吸特性， 包括呼吸速率以及由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間。
來(lái)自電極104的心信號(hào)以及呼吸波形信號(hào)可以被發(fā)送到ECG/呼吸 波形放大器106，以調(diào)節(jié)這些信號(hào)供提供給超聲波系統(tǒng)131。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí) 到，可以使用信號(hào)處理器或其它這樣的設(shè)備替代ECG/呼吸波形放大器 106來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)。如果來(lái)自電極104的心信號(hào)或呼吸波形信號(hào)合適， 那么完全可以避免使用放大器106。
在一個(gè)方面，超聲波系統(tǒng)131包括控制子系統(tǒng)127、有時(shí)被稱(chēng)為 掃描轉(zhuǎn)換器的圖像構(gòu)造子系統(tǒng)129、發(fā)送子系統(tǒng)118、馬達(dá)控制子系統(tǒng) 158、接收子系統(tǒng)120以及人機(jī)接口 136形式的用戶(hù)輸入設(shè)備。處理器 134耦接到控制子系統(tǒng)127，顯示器116耦接到處理器134。
如圖13所示， 一個(gè)示例超聲波系統(tǒng)1302包括陣列換能器1304、 處'理器134、前端電子線路模塊1306和發(fā)送波束形成器1306以及接 收波束形成器1306、波束形成器控制模塊1308、處理模塊彩色流1312 和功率多普勒l(shuí)312以及諸如組織多普勒、M型、B型、PW多普勒以及 數(shù)字RF數(shù)據(jù)之類(lèi)的其它模式、掃描轉(zhuǎn)換器129、視頻處理模塊1320、 顯示器116以及用戶(hù)接口模塊136。圖1所示的系統(tǒng)100中還可以存 在一個(gè)或多個(gè)類(lèi)似的處理模塊。
色盒144可以通過(guò)顯示器116向用戶(hù)表現(xiàn)。色盒144表示顯示器 116的、獲取并顯示多普勒數(shù)據(jù)的區(qū)域。色盒描述于其內(nèi)執(zhí)行功率多 普勒或彩色多普勒掃描的區(qū)域或預(yù)定區(qū)域。色盒還可以被一般化為對(duì) 利用機(jī)械移動(dòng)的或?qū)τ诨陉嚵械奶綔y(cè)器是電移動(dòng)的換能器的掃描的 起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的定義。
色盒144的大小或區(qū)域可以由操作人員通過(guò)使用人機(jī)接口 136來(lái) 選擇，并且可以依賴(lài)于操作人員希望獲取數(shù)據(jù)的區(qū)域。例如，如果操 作人員希望在顯示器116上顯示的給定解剖區(qū)域分析血流，那么就可 以在該顯示器上定義與該解剖區(qū)域相對(duì)應(yīng)的、并且表示超聲波換能器 將在其中發(fā)送并接收超聲波能量和數(shù)據(jù)的區(qū)域的色盒144，以便可以 對(duì)用戶(hù)定義的解剖部分進(jìn)行成像。
對(duì)于機(jī)械掃描換能器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將換能器從開(kāi)始位置移動(dòng)到結(jié)束 位置，諸如，例如從第1個(gè)掃描位置一直移到第n個(gè)掃描位置。當(dāng)換 能器移動(dòng)的時(shí)候，換能器發(fā)送超聲波脈沖并且由換能器接收返回的超 聲波回波。每個(gè)發(fā)送/接收脈沖循環(huán)都導(dǎo)致獲取超聲波線。換能器從開(kāi) 始位置移動(dòng)到結(jié)束位置時(shí)所獲得的所有超聲波線構(gòu)成圖像"幀"。對(duì)于 使用陣列的超聲波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，發(fā)送波束形成器、接收波束形成器以及 前端電子線路超聲波脈沖可以沿色盒內(nèi)的多個(gè)視線被發(fā)送。可以獲得 整個(gè)視場(chǎng)的B型數(shù)據(jù)，而彩色流數(shù)據(jù)可以從由色盒定義的區(qū)域獲取。
在一個(gè)示例方面，處理器134被耦接到控制子系統(tǒng)127，并且顯 示器116被耦接到處理器134。存儲(chǔ)器121被耦接到處理器134。存儲(chǔ) 器121可以是任何類(lèi)型的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，并且通常被稱(chēng)為隨機(jī)訪問(wèn)存 儲(chǔ)器"RAM",在其中執(zhí)行本發(fā)明的軟件123。軟件123控制超聲波數(shù) 據(jù)的獲取、處理和顯示，使得超聲波系統(tǒng)131顯示圖像。
使用硬件和軟件的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)該利用高頻超聲波使血管結(jié)構(gòu)
三維(3-D)可視化的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)可以包括下列 技術(shù)中的任何技術(shù)或其組合，這些技術(shù)均為本領(lǐng)域公知的分立電子 元件、具有用于對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)邏輯功能的邏輯門(mén)的分立邏輯電路、 具有適當(dāng)?shù)倪壿嬮T(mén)的專(zhuān)用集成電路、可編程門(mén)陣列(PGA)、現(xiàn)場(chǎng)可編 程門(mén)陣列(FPGA)等。
在一方面，該系統(tǒng)的軟件包括用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能的可執(zhí)行指令的 有序列表，并且可以被包括在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，以供指令執(zhí)行系統(tǒng)、 裝置或設(shè)備使用，或與指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備結(jié)合使用，所述指 令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備諸如基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)、包含處理器的系統(tǒng) 或可以從指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備獲取指令并執(zhí)行指令的其它系統(tǒng)。
在本文件的上下文中，"計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，，可以是任何可以包含、 存儲(chǔ)、傳送、傳播或傳遞程序以供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備使用或 與指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備結(jié)合使用的裝置。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)例如 可以是，但不限于，電、磁、光、電磁、紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)、裝置、 設(shè)備或傳播介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的更具體的例子(非窮舉)包括下 列項(xiàng)具有一根或多根線的電連接(電)、便攜式計(jì)算機(jī)磁盤(pán)(磁)、 隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(R0M)、可擦除可編程只讀存儲(chǔ) 器(EPR0M或閃存)(磁)、光纖(光)以及便攜式只讀光盤(pán)(CDR0M) (光)。注意，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)甚至可以是紙或其它在其上打印程序的 適當(dāng)介質(zhì)，因?yàn)槌绦蚩梢酝ㄟ^(guò)例如光掃描紙或其它介質(zhì)來(lái)電俘獲，然 后如果需要的話以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行編譯、解釋或作其它處理，并且接 著被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。
包括呼吸分析軟件142、換能器定位軟件146、馬達(dá)控制軟件156 以及系統(tǒng)軟件123的超聲波系統(tǒng)131確定換能器150的位置并且確定 在何處開(kāi)始和結(jié)束功率多普勒處理。對(duì)于示例陣列系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，波束形 成器控制模塊控制用于功率多普勒、彩色流或其它掃描方式的掃描線 的位置。
換能器定位軟件146相對(duì)于色盒144對(duì)換能器150的位置進(jìn)行定 向。呼吸分析軟件142允許在受試者102呼吸循環(huán)期間的適當(dāng)時(shí)刻捕 獲超聲波數(shù)據(jù)。因此，呼吸分析軟件142可以基于通過(guò)ECG電極104 和呼吸檢測(cè)軟件140來(lái)自受試者102的輸入來(lái)控制何時(shí)收集超聲波數(shù) 據(jù)110。呼吸分析軟件142控制在呼吸波形200期間的一些適當(dāng)時(shí)間 點(diǎn)收集超聲波數(shù)據(jù)110?？梢栽诤粑盘?hào)指示動(dòng)物呼吸循環(huán)中的安靜 階段的適當(dāng)時(shí)間段內(nèi)捕獲同相(I)和正交相位(Q)多普勒數(shù)據(jù)。所 謂"安靜階段"是指動(dòng)物的呼吸或換氣循環(huán)中的由于呼吸引起的動(dòng)物 運(yùn)動(dòng)已基本停止的階段。
馬達(dá)控制軟件156控制超聲波探測(cè)器112沿軸線(A)(圖7B)的 移動(dòng)，以便換能器150可以在受試者的解剖的多個(gè)位置處發(fā)送和接收 超聲波數(shù)據(jù)，以及以便可以生成沿所期望的圖像平面的多個(gè)二維(2-D) 切片。這樣，在示例系統(tǒng)中，軟件123、呼吸分析軟件142以及換能 器定位軟件146可以控制超聲波數(shù)據(jù)的獲取、處理和顯示，并且可以 允許超聲波系統(tǒng)131在受試者呼吸波形200期間的一些適當(dāng)時(shí)刻捕獲 2-D圖像切片形式的超聲波圖像(也稱(chēng)為幀)。而且，馬達(dá)控制軟件156 結(jié)合3-D馬達(dá)154以及馬達(dá)控制子系統(tǒng)158,控制超聲波探測(cè)器112 沿軸線(A)(圖7B)的移動(dòng)，以便可以在受試者的解剖的多個(gè)位置處 生成多個(gè)2-D切片。
利用多個(gè)收集的2-D圖像切片，三維(3-D)重構(gòu)軟件162可以重 構(gòu)一個(gè)3-D體。利用該3-D重構(gòu)軟件162以及自動(dòng)分割軟件160可以 對(duì)該3-D體內(nèi)的血管分布進(jìn)行量化，如下面描述的。
存儲(chǔ)器121還包括由超聲波系統(tǒng)131獲得的超聲波數(shù)據(jù)110。計(jì) 算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)138被耦接到處理器，用于向該處理器提供指令來(lái) 指示和/或配置該處理器，以執(zhí)行與超聲波系統(tǒng)131的操作相關(guān)的算 法，如下面所進(jìn)一步解釋的。該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括硬件和/或軟 件，諸如，僅作為示例，磁盤(pán)、磁帶、諸如CDROM的光可讀介質(zhì)和諸 如PCMCIA卡的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。在每種情況下，該介質(zhì)都可以采用諸如 小磁盤(pán)、軟盤(pán)、盒式磁帶之類(lèi)的便攜式產(chǎn)品的形式，或者可以采用諸 如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)存儲(chǔ)卡或支持系統(tǒng)中備有的RAM之類(lèi)的相對(duì)大的 或固定產(chǎn)品的形式。應(yīng)當(dāng)注意到，上述列出的示例介質(zhì)可以單獨(dú)^^用 或結(jié)合使用。
超聲波系統(tǒng)131包括控制子系統(tǒng)127，以指導(dǎo)超聲波系統(tǒng)131的 各個(gè)組件的操作?？刂谱酉到y(tǒng)127和相關(guān)組件可以用于對(duì)通用處理器 下指令的軟件的形式或以硬件實(shí)現(xiàn)中的專(zhuān)用電子設(shè)備的形式提供。在
另一方面，超聲波系統(tǒng)131包括圖像構(gòu)造子系統(tǒng)129，該圖像構(gòu)造子 系統(tǒng)用于將由接收的超聲波回波生成的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以由處理器 134操縱并且可以在顯示器116上變成圖像的數(shù)據(jù)?？刂谱酉到y(tǒng)127 被連接到發(fā)送子系統(tǒng)118，以向超聲波探測(cè)器112提供超聲波發(fā)送信 號(hào)。超聲波探測(cè)器112又向接收子系統(tǒng)120提供超聲波接收信號(hào)。接 收子系統(tǒng)120還向圖像構(gòu)造子系統(tǒng)129提供表示接收信號(hào)的信號(hào)。在 又一方面，接收子系統(tǒng)120被連接到控制子系統(tǒng)127。由控制子系統(tǒng) 127指導(dǎo)用于圖像構(gòu)造子系統(tǒng)以及呼吸配準(zhǔn)信息的掃描轉(zhuǎn)換器129,以 操作所接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用圖像數(shù)據(jù)110生成供顯示的圖像。
超聲波系統(tǒng)131可以包括ECG/呼吸波形信號(hào)處理器108。 ECG/呼 吸波形信號(hào)處理器108被配置成從ECG/呼吸波形放大器106接收信 號(hào)，如果利用該放大器的話。如果沒(méi)有使用放大器106, ECG/呼吸波 形信號(hào)處理器108還可以適于直接從ECG電極104或從呼吸檢測(cè)元件 148接收信號(hào)。信號(hào)處理器108可以將來(lái)自呼吸檢測(cè)元件148和軟件 140的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成供在超聲波系統(tǒng)131中使用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此， ECG/呼吸波形信號(hào)處理器可以處理表示心動(dòng)周期以及呼吸波形200的 信號(hào)。ECG/呼吸波形信號(hào)處理器108向控制子系統(tǒng)127提供各種信號(hào)。 接收子系統(tǒng)120還從ECG/呼吸波形信號(hào)處理器108接收ECG時(shí)間戳或 呼吸波形時(shí)間戳。例如，ECG或呼吸數(shù)據(jù)的每個(gè)數(shù)據(jù)樣本都與從時(shí)鐘 得來(lái)的 一 個(gè)時(shí)間戳?xí)r間配準(zhǔn)。
在一個(gè)方面，接收子系統(tǒng)120被連接到控制子系統(tǒng)127以及圖像 構(gòu)造子系統(tǒng)129。由控制子系統(tǒng)127指導(dǎo)圖像構(gòu)造子系統(tǒng)129。超聲波 系統(tǒng)131利用超聲波探測(cè)器112發(fā)送和接收超聲波數(shù)據(jù)，向用戶(hù)提供 界面以控制成像系統(tǒng)IOO的操作參數(shù)，并且處理適于將表示受試者102 的解剖和/或生理機(jī)能的靜止或動(dòng)態(tài)圖像用公式表述的數(shù)據(jù)。通過(guò)顯示 器116向用戶(hù)呈現(xiàn)圖像。
超聲波系統(tǒng)131的人機(jī)接口 136從用戶(hù)獲取輸入并轉(zhuǎn)化該輸入以 控制超聲波探測(cè)器112的操作。人機(jī)接口 136還通過(guò)顯示器116向用 戶(hù)呈現(xiàn)已處理的圖像和數(shù)據(jù)。使用人機(jī)接口 136，用戶(hù)可以定義色盒 144。因此，在人機(jī)接口 136處，用戶(hù)可以定義表示于其中從受試者 102收集圖像數(shù)據(jù)110的區(qū)域的色盒144。色盒144定義超聲波換能器150發(fā)送和接收超聲波信號(hào)的區(qū)域。軟件123協(xié)同呼吸分析軟件142 和換能器定位軟件146，并且協(xié)同圖像構(gòu)造子系統(tǒng)129，處理由接收子 系統(tǒng)120形成的電信號(hào)，以形成超聲波圖像，該超聲波圖像對(duì)應(yīng)于受 試者102的換氣或呼吸波形。
使用人機(jī)接口 136，用戶(hù)還可以定義受試者的、其內(nèi)的血管結(jié)構(gòu) 要進(jìn)行3-D可視化的結(jié)構(gòu)或解剖部分。例如，該用戶(hù)可以定義待成像 的結(jié)構(gòu)所在的區(qū)域的總尺寸、形狀、深度以及其他特征。這些參數(shù)可 以在人機(jī)接口 136處被輸入到超聲波系統(tǒng)131中。用戶(hù)還可以選取或 定義其他成像參數(shù)，例如生成的2-D超聲波切片的數(shù)量以及每個(gè)2-D 切片之間的間隔。使用這些輸入?yún)?shù)，馬達(dá)控制軟件156控制3-D馬 達(dá)154以及超聲波探測(cè)器112沿所定義的結(jié)構(gòu)或受試者的解剖部分的 移動(dòng)。而且，基于所生成的2-D切片之間的間隔以及這些切片的絕對(duì) 數(shù)量，自動(dòng)分割軟件160以及3-D重構(gòu)軟件162可以重構(gòu)該結(jié)構(gòu)或解 剖部分的3-D體。通過(guò)3-D重構(gòu)軟件162或通過(guò)系統(tǒng)軟件123可以確 定該結(jié)構(gòu)或解剖部分的血管分布率，如下面所述。
圖2示出了來(lái)自受試者102的示例呼吸波形200,其中x軸表示 單位為毫秒(ms)的時(shí)間，y軸表示單位為毫伏(mV)的電壓。典型 的呼吸波形200包括多個(gè)峰或平穩(wěn)段202,受試者的每個(gè)呼吸循環(huán)對(duì) 應(yīng)一個(gè)。如圖2所示，可以在波形202上插入?yún)⒖季€204。在參考線 204之上的呼吸波形200的部分是峰或平穩(wěn)段202,通常表示由呼吸引 起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的階段，即，"不動(dòng)"或"非運(yùn)動(dòng)"階 段。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，"基本停止"的意思是由呼吸引起的 受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)停止到這樣一種程度，即，因?yàn)橛捎谑茉囌叩暮粑?運(yùn)動(dòng)而原本會(huì)在所獲取的圖像中導(dǎo)致的假象和不精確減少，多普勒超 聲波數(shù)據(jù)的收集是理想的。
應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)用于獲取呼吸數(shù)據(jù)的記錄設(shè)備以及用于分析數(shù)字 化信號(hào)的算法，不動(dòng)階段可能并不與檢測(cè)的信號(hào)位置完全對(duì)準(zhǔn)。因此， 可以使用時(shí)間偏移，該時(shí)間偏移通常取決于所用的設(shè)備和檢測(cè)方法以 及動(dòng)物解剖。例如，在一個(gè)使用足墊的肌阻抗的示例記錄技術(shù)中，不 動(dòng)階段在檢測(cè)到的阻抗峰值之后不久開(kāi)始。預(yù)期不管呼吸信號(hào)是如何 獲取的，確定該呼吸信號(hào)中的有效點(diǎn)可以通過(guò)將該信號(hào)與實(shí)際的動(dòng)物
運(yùn)動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)比較以及選擇適當(dāng)?shù)男Ｕ龑?shí)現(xiàn)，以便執(zhí)行的信號(hào)分析可以 生成描述呼吸運(yùn)動(dòng)的各個(gè)開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的事件。
由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)在一個(gè)呼吸循環(huán)期間基本停止一段約
100到2000毫秒的時(shí)間。在受試者的呼吸循環(huán)期間的由呼吸引起的該 受試者的運(yùn)動(dòng)基本停止的階段可以根據(jù)幾個(gè)因素改變，這些因素包括 動(dòng)物種類(lèi)、體溫、身體質(zhì)量或麻醉級(jí)別。包括峰202的呼吸波形200 可以通過(guò)呼吸檢測(cè)軟件140根據(jù)ECG電極104傳遞的電信號(hào)來(lái)確定， 該ECG電極可以檢測(cè)呼吸時(shí)的肌阻抗。例如，可以通過(guò)將電極應(yīng)用到 受試者的足墊上來(lái)檢測(cè)肌阻抗。
通過(guò)檢測(cè)足墊中的肌阻抗的變化，呼吸檢測(cè)軟件140可以生成呼 吸波形200。因此，可以檢測(cè)受試者呼吸循環(huán)期間的變化，并且可以 在呼吸循環(huán)中的由于呼吸而引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已基本停止的適當(dāng)時(shí) 間內(nèi)獲取超聲波數(shù)據(jù)。例如，可以在運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的約100亳秒 到600毫秒的時(shí)間段內(nèi)捕獲多普勒樣本。呼吸波形200還可以通過(guò)呼 吸檢測(cè)軟件140根據(jù)由位于受試者下面的氣墊(未示出)傳遞的信號(hào) 來(lái)確定。利用氣墊根據(jù)受試者的呼吸生成信號(hào)是本領(lǐng)域已知的。
圖3示出了具有示例色盒144的超聲波成像系統(tǒng)131的示例顯示 器116。圖像300表示顯示器116上顯示的圖像。色盒144被定義在 圖像300內(nèi)。色盒144表示顯示器116上的超聲波圖像300的這樣一 個(gè)區(qū)域該區(qū)域?qū)?yīng)于超聲波探測(cè)器112在其中收集超聲波數(shù)據(jù)的、 受試者的解剖的部分。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，還可以在顯示 器上同時(shí)定義或在不同的時(shí)間定義多個(gè)色盒144,并且這樣的多個(gè)色 盒144可以被應(yīng)用于所描述的方法中。
色盒144包括的區(qū)域可以由用戶(hù)通過(guò)人機(jī)接口 136來(lái)定義，或者 基于諸如視場(chǎng)(FOV )之類(lèi)的期望的預(yù)定義圖像大小自動(dòng)或半自動(dòng)地配 置。因此，色盒144表示顯示器116上捕獲并描繪數(shù)據(jù)的區(qū)域。通過(guò) 將超聲波探測(cè)器112的換能器150在色盒144內(nèi)配準(zhǔn)，圖像數(shù)據(jù)110 被收集在色盒144中。超聲波換能器150可以是單元件掃描換能器。 超聲波換能器150可以位于解剖上的與所定義的色盒144對(duì)應(yīng)的任何 地方。換能器定位軟件146可以用于將換能器150定位在色盒144內(nèi) 的任何定義位置。
換能器150的初始位置可以定義發(fā)送和接收超聲波能量和數(shù)據(jù)的 起點(diǎn)。因此，在一個(gè)例子中，換能器150可以位于色盒144的左邊302， 并且可以從該色盒的左邊開(kāi)始發(fā)送和接收超聲波能量和數(shù)據(jù)。類(lèi)似地， 色盒144的任何部分都可以被定義為發(fā)送和接收超聲波能量和數(shù)據(jù)的 結(jié)束點(diǎn)。例如，色盒144的右邊304可以被定義為發(fā)送和接收超聲波 能量和數(shù)據(jù)的結(jié)束點(diǎn)?？梢栽谠撋械拈_(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)之間的任何位置 和時(shí)間發(fā)送和接收超聲波能量和數(shù)據(jù)。因此，在本發(fā)明的一個(gè)方面， 用戶(hù)可以定義色盒144的左邊302為起點(diǎn)，定義同一色盒144的右邊 304為結(jié)束點(diǎn)。在這個(gè)例子中，可以在色盒144的左邊302和向色盒 144的右邊304移動(dòng)途中之間的任何位置和時(shí)間發(fā)送和接收超聲波能 量和數(shù)據(jù)。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很清楚，色盒144的任何一邊或 區(qū)域都可以被定義為起點(diǎn)，色盒144的任何一邊或區(qū)域都可以被定義 為結(jié)束點(diǎn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所有提及使用機(jī)械定位的換能器的 運(yùn)動(dòng)的情況都同樣適用于基于陣列的系統(tǒng)中的波束形成器的適當(dāng)配 置，并且在此所描述的這些方法適用于這兩種系統(tǒng)。例如，陳述換能 器應(yīng)當(dāng)被放置在其起點(diǎn)類(lèi)似于陳述陣列波束形成器被配置為在開(kāi)始位 置接收超聲波回波。
圖4是說(shuō)明使用示例成像系統(tǒng)100或示例陣列系統(tǒng)1300來(lái)生成一 個(gè)或多個(gè)2-D超聲波圖像切片(圖7A、 B)的示例方法的流程圖。如 本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚的，并且基于上述教導(dǎo)，所描述的方法可以使 用 一個(gè)替代示例成像系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。
在開(kāi)始位置402，單元件換能器150或陣列換能器1304被放置在 接近受試者102的地方。在方框404中，來(lái)自受試者102的呼吸波形 200由呼吸檢測(cè)軟件140捕獲。在一個(gè)方面，呼吸波形200以操作人 員選擇的頻率被連續(xù)捕獲。例如，該呼吸波形可以以8000Hz的頻率^皮 連續(xù)數(shù)字化。在方框406中， 一旦換能器150被放置在接近受試者102 的地方，該換能器就位于色盒144中的開(kāi)始位置。在一個(gè)實(shí)施方案中， 當(dāng)在顯示器116上觀察色盒144的時(shí)候，該換能器位于該色盒144的 左邊302。然而， 一個(gè)色盒的任何一邊或區(qū)域都可以被定義為起點(diǎn)， 一個(gè)色盒的任何一邊或區(qū)域都可以被定義為結(jié)束點(diǎn)。
在步驟408，呼吸分析軟件142確定捕獲的樣本是否表示呼吸波 形200的不動(dòng)階段202的開(kāi)始。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，不動(dòng)或 非運(yùn)動(dòng)階段開(kāi)始的點(diǎn)并不一定是呼吸波形的"峰"；而且，波形中對(duì)應(yīng) 于不動(dòng)階段的點(diǎn)可以依賴(lài)于獲取呼吸波形所使用的方法的類(lèi)型。連續(xù) 捕獲的呼吸波形200的捕獲樣本表示捕獲的呼吸波形200在由所選的 采樣頻率確定的時(shí)間點(diǎn)上的值。在受試者呼吸波形IOO的一特定點(diǎn)202 處，由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止。這對(duì)于捕獲圖像數(shù)據(jù) 而言是一理想的時(shí)間。如上面所提到的，機(jī)械移動(dòng)的換能器或陣列換 能器可以用于收集超聲波數(shù)據(jù)。
在初始化彩色流或功率多普勒掃描之前，可以將換能器放置在由 色盒確定的起點(diǎn)處。在方框410中，如果呼吸分析軟件142確定受試 者102處于表示其呼吸循環(huán)的不動(dòng)階段202的開(kāi)始的點(diǎn)，則發(fā)送子系 統(tǒng)118在軟件123的控制下使換能器150開(kāi)始移動(dòng)。如果在方框406 處捕獲的樣本并不表示受試者的呼吸循環(huán)的"峰，，202，那么呼吸檢測(cè) 軟件142就繼續(xù)監(jiān)視呼吸峰202。
在方框412中，換能器開(kāi)始掃描，并且獲取超聲波數(shù)據(jù)。對(duì)于機(jī) 械掃描換能器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速度，以便其在呼吸循環(huán)的 不動(dòng)階段內(nèi)完成從開(kāi)始到停止的整個(gè)掃描。在方框414中，檢查幀的 完成。如果幀還沒(méi)有完成，那么處理循環(huán)返回方框412，掃描繼續(xù)。 如果幀已經(jīng)完成，那么掃描停止，在方框416中處理數(shù)據(jù)并更新顯示。 在顯示已經(jīng)被更新后，在方框418，系統(tǒng)軟件檢查終止成像的用戶(hù)請(qǐng) 求。在方框420中，如果已發(fā)生圖像終止請(qǐng)求，那么成像停止。如果， 在方框418中，還沒(méi)有進(jìn)行終止請(qǐng)求，那么處理循環(huán)返回方框406。
捕獲超聲波樣本的時(shí)間段可以根據(jù)受試者的呼吸循環(huán)而變化。例 如，可以在介于大約200到大約2000毫秒之間的持續(xù)時(shí)間內(nèi)收集超聲 波樣本。對(duì)于多普勒獲取，超聲波I和Q數(shù)據(jù)可以在受試者的呼吸循 環(huán)中的安靜階段內(nèi)捕獲。對(duì)于B型，可以獲取包絡(luò)數(shù)據(jù)。例如，200 毫秒是受試者102在其呼吸循環(huán)200中可能基本不動(dòng)的時(shí)間段的估計(jì) 值。該基本不動(dòng)的時(shí)間段是收集超聲波樣本的時(shí)間段。
圖5是說(shuō)明使用示例成像系統(tǒng)10 0或陣列系統(tǒng)13 0 0來(lái)生成圖像的 一種替代方法的流程圖500。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，并且基
于上述教導(dǎo)，所描述的方法可以使用替代示例成像系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。方法
500使用與方法400相同的硬件，并且可以使用根據(jù)在此提到的模式 以及描述的方法編程的呼吸分析軟件142以及換能器定位軟件146。 如對(duì)于流程圖400中所闡述的方法那樣，可以將換能器放置在色盒144 的左邊302?；蛘?，對(duì)于基于陣列的系統(tǒng)的情況，波束形成器可以被 配置成在色盒的左邊開(kāi)始掃描。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)清楚的是， 可以將一個(gè)色盒的任何一邊或區(qū)域定義為起點(diǎn)，可以將一個(gè)色盒的任 何一邊或區(qū)域定義為結(jié)束點(diǎn)。
在方框504中，將換能器放置在色盒的左邊302。在方框506中， 呼吸波形被捕獲。該呼吸波形可以被加上時(shí)間戳，以便在所獲取的超 聲波線和該呼吸波形之間有已知的時(shí)間配準(zhǔn)。這種掃描形式涉及呼吸 波形的時(shí)間配準(zhǔn)。 一旦先前的幀結(jié)束就可以開(kāi)始新的幀。因此，呼吸 波形和幀的開(kāi)始可能不同步。使用呼吸分析軟件從呼吸波形來(lái)確定發(fā) 生最大程度的呼吸運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段，運(yùn)動(dòng)階段。假設(shè)在該時(shí)間段內(nèi)獲取 的數(shù)據(jù)因呼吸運(yùn)動(dòng)失真，并且被稱(chēng)為"無(wú)效"數(shù)據(jù)。在呼吸循環(huán)的不 動(dòng)階段內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為"有效"數(shù)據(jù)。在各個(gè)示例方面，無(wú)效數(shù) 據(jù)可以用在先前一幀期間獲取的來(lái)自相同區(qū)域的有效數(shù)據(jù)替代，或者 用通過(guò)使用平均或持續(xù)性方法處理在先前多幀期間獲取的有效數(shù)據(jù)而 獲得的數(shù)據(jù)來(lái)替代。
在方框508中，軟件123使換能器開(kāi)始向色盒的右邊304移動(dòng)， 并且對(duì)色盒執(zhí)行完整的掃描。
預(yù)期機(jī)械移動(dòng)換能器150或陣列換能器1304可以用于收集超聲波 數(shù)據(jù)。在方框510中，為色盒508上的整個(gè)掃描或平移捕獲超聲波數(shù) 據(jù)。在方框512中，該數(shù)據(jù)被處理以生成包括B型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù) 的初始數(shù)據(jù)幀。在方框514中，呼吸波形被處理以確定"空白階段"， 該空白階段對(duì)應(yīng)于在受試者中有高呼吸運(yùn)動(dòng)的階段，并且?guī)瑑?nèi)的在"空 白階段"斯間發(fā)生的圖像線的區(qū)域根據(jù)時(shí)間戳信息確定。這些在"空 白階段"內(nèi)獲取的線并不被顯示。相反，在空白區(qū)域中的這些線被填 充?？梢岳酶鞣N方法來(lái)填充空白區(qū)域。例如，可以將先前獲取的幀 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的緩沖區(qū)中，并且視頻處理軟件可以顯示來(lái)自先前獲 取的幀的、與作廢的線相對(duì)應(yīng)的線。因此，在方框516中，來(lái)自先前
數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)可以用于填充在方框514中作廢的區(qū)域。
在一個(gè)示例方面，用于生成圖5中闡述的超聲波圖像的過(guò)程包括 監(jiān)視受試者的呼吸波形以及檢測(cè)該呼吸波形的至少一個(gè)峰值階段以及 至少一個(gè)非峰值階段。在這個(gè)方面，每個(gè)峰值階段對(duì)應(yīng)于由受試者的 呼吸引起的該受試者的身體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間，每個(gè)非峰值階 段對(duì)應(yīng)于受試者的身體因該受試者的呼吸而處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。該 過(guò)程還包括在受試者呼吸波形的至少一個(gè)峰值階段期間以及在受試者 呼吸波形的至少一個(gè)非峰值階段期間生成頻率為至少20兆赫茲(MHz) 的超聲波，將頻率為至少20MHz的超聲波發(fā)射到受試者中，以及獲取 超聲波數(shù)據(jù)。在示例方面，該生成、發(fā)射以及獲取的步驟遞增地從第 一掃描線位置一直重復(fù)到第n掃描線位置。
在這個(gè)例子中，所接收的超聲波數(shù)據(jù)被編譯以形成包括B型數(shù)據(jù) 和多普勒數(shù)據(jù)的初始數(shù)據(jù)幀。識(shí)別并處理包括了在受試者呼吸波形的 非峰值階段內(nèi)接收的數(shù)據(jù)的至少一部分初始數(shù)據(jù)幀，以生成最終的數(shù) 據(jù)幀。在這個(gè)方面，該最終的數(shù)據(jù)幀從受試者呼吸波形的遞增峰值階 段內(nèi)所接收的數(shù)據(jù)編譯而來(lái)。
在這個(gè)例子的多個(gè)方面，處理步驟包括從初始數(shù)據(jù)幀中移除在受 試者呼吸波形的非峰值階段內(nèi)接收的數(shù)據(jù)，即"無(wú)效"數(shù)據(jù)，以生成 具有至少一個(gè)作廢的區(qū)域的部分作廢的數(shù)據(jù)幀，以及將在受試者呼吸 波形的峰值階段內(nèi)接收的來(lái)自另一個(gè)初始數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)，即"有效，， 數(shù)據(jù)，代入該部分作廢的數(shù)據(jù)幀的該至少一個(gè)作廢的區(qū)域中，以生成 超聲波圖像。在受試者呼吸波形的峰值階段內(nèi)接收的該替代數(shù)據(jù)可以 來(lái)自于它的數(shù)據(jù)幀的這樣一個(gè)區(qū)域該區(qū)域和該部分作廢的圖像的部 分作廢的區(qū)域的作廢區(qū)域空間上相對(duì)應(yīng)。例如，在沿?fù)Q能器弧的一具 體位置獲取的一條線和在沿該換能器弧的相同位置獲取的第二條線空 間上相對(duì)應(yīng)。這種對(duì)應(yīng)的線、線組或區(qū)域組可以于由呼吸引起的運(yùn)動(dòng) 已經(jīng)基本停止或由呼吸引起的運(yùn)動(dòng)存在時(shí)獲取。在由呼吸引起的動(dòng)物 的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的階段內(nèi)獲取的區(qū)域可以用來(lái)替代在由呼吸引起 的動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有基本停止的時(shí)間段內(nèi)獲取的相應(yīng)區(qū)域。
在一個(gè)方面，可以將持續(xù)處理(persistence)應(yīng)用到彩色流圖傳_ 數(shù)據(jù)中。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的，持續(xù)處理是根據(jù)算法將來(lái)
自最新獲取的幀中的每個(gè)空間位置的信息和來(lái)自先前幀中的相應(yīng)空間 位置的信息結(jié)合的過(guò)程。在一個(gè)方面，持續(xù)處理可以發(fā)生在掃描轉(zhuǎn)換
器軟件單元中?？梢允褂玫氖纠掷m(xù)算法如下
<formula>formula see original document page 21</formula>其中y(")是被顯示的輸出值，X(")是最新獲取的功率多普勒樣本，
l)是對(duì)于前一幀得到的輸出值，并且"是確定持續(xù)量的系數(shù)。當(dāng)在 最新獲取的圖像幀中有無(wú)效或空白區(qū)域的時(shí)候，持續(xù)處理可以被應(yīng)用 到整個(gè)幀，無(wú)效的線被賦予零值。如果每個(gè)功率多普勒幀的幀開(kāi)頭與 呼吸波形不同步，那么在每個(gè)幀中無(wú)效時(shí)間段就會(huì)出現(xiàn)在不同時(shí)間。
處理無(wú)效或空白區(qū)域的另一個(gè)示例方法是基于行間基準(zhǔn)執(zhí)行持續(xù) 處理。對(duì)具有有效值的線，如上所述地實(shí)施持續(xù)處理。對(duì)于被確定為 處于無(wú)效區(qū)域中的線，持續(xù)操作被中止。因此，在上面的方程中，不
是將設(shè)置為零并計(jì)算y(力，而是將設(shè)置為等于r(" -1)。
在方框518中，確定是否要停止該過(guò)程。在一個(gè)方面，當(dāng)換能器 的位置達(dá)到或超過(guò)色盒144的停止位置時(shí)，滿足停止該過(guò)程的條件。 在一個(gè)替代方面，可以繼續(xù)該過(guò)程，直到一操作人員發(fā)出停止命令。 如果在方框518中確定該過(guò)程沒(méi)有完成，那么將該換能器重新放置在 該色盒的左邊302。如果在方框518中確定該過(guò)程完成，那么在方框 520結(jié)束該過(guò)程。在方框514和516中描述的消隱過(guò)程(blanking process )是可選的。在一些情況下，如果例如換能器移動(dòng)穿過(guò)解剖的 速率較高，那么可以在沒(méi)有呼吸事件發(fā)生的情況下獲取整個(gè)數(shù)據(jù)集合。
在這些情況下，并不執(zhí)行圖像或幀消隱處理。
圖6是圖解使用成像系統(tǒng)100生成一個(gè)或多個(gè)2-D圖像切片(圖 7A、 B)的第三示例實(shí)施方案600的流程圖。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所清 楚的，并且基于上述教導(dǎo)，所描述的方法可以使用替代示例成像系統(tǒng) 來(lái)執(zhí)行。在該方法中，換能器150每個(gè)呼吸循環(huán)移動(dòng)一次。機(jī)械掃描 換能器可以用于收集超聲波數(shù)據(jù)，因此，在這個(gè)方法中，當(dāng)由呼吸引 起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止時(shí)捕獲一個(gè)數(shù)據(jù)線。 一旦該基本不動(dòng) 的階段結(jié)束，換能器就在受試者呼吸循環(huán)中的受試者再次基本不動(dòng)的 下一時(shí)間段重新捕獲圖像數(shù)據(jù)。因此，在每個(gè)呼吸循環(huán)中當(dāng)受試者基 本靜止的時(shí)候，捕獲一個(gè)數(shù)據(jù)線。
方法600開(kāi)始于方框602。在方框604中，將換能器放置在色盒 144的開(kāi)始處。在一個(gè)例子中，色盒144的左邊302可以被定義為換 能器的起點(diǎn)，右邊304可以被定義為結(jié)束點(diǎn)。在方框606中，使用ECG 電極104和呼吸檢測(cè)軟件140從受試者102捕獲呼吸波形。在方框608 中，呼吸分析軟件142分析該呼吸波形并指示超聲波系統(tǒng)131等待呼 吸峰202。
在方框610中，在方框608中檢測(cè)的呼吸峰之后約100到2000毫 秒的呼吸波形的安靜時(shí)間內(nèi)捕獲多普勒樣本。該安靜階段取決于受試 者的呼吸周期。例如，在小鼠中，該安靜階段可以是約100到2000毫 秒。多普勒I和Q數(shù)據(jù)可以在動(dòng)物的呼吸循環(huán)中的安靜階段內(nèi)捕獲。 在方框612中，捕獲的超聲波多普勒數(shù)據(jù)由超聲波系統(tǒng)131來(lái)處理， 并且在方框614中，步進(jìn)馬達(dá)經(jīng)色盒144將換能器150移動(dòng)一小段距 離。在方框616中，確定該換能器是否在色盒144的邊緣304。如果 確定該換能器不在色盒144的邊緣304，那么在呼吸波形的峰值階段 202內(nèi)捕獲一個(gè)多普勒數(shù)據(jù)線。如果確定該換能器在該色盒的右邊緣 304,那么在方框618中進(jìn)一步確定是否停止該過(guò)程。如果該換能器在 該色盒的右邊緣304，該過(guò)程停止。如果確定應(yīng)當(dāng)停止該過(guò)程，那么 結(jié)束該過(guò)程。如果確定由于該換能器不在該色盒的右邊緣304而不結(jié) 束該過(guò)程，那么將該換能器重新放置到該色盒的開(kāi)始處或左邊302。
圖7A和7B是描述使用多個(gè)利用上述方法產(chǎn)生的2-D圖像切片的 超聲波成像方法的示意表示。如圖7A所示，超聲波探測(cè)器112沿方向 702發(fā)送超聲波信號(hào)，投射出一條超聲波能量"線"706。該超聲波探 測(cè)器112轉(zhuǎn)動(dòng)和/或該探測(cè)器內(nèi)的機(jī)械掃描換能器沿弧704掃過(guò)并且傳 播從沿弧的各點(diǎn)產(chǎn)生的超聲波能量線706。因此當(dāng)超聲波換能器沿弧 704移動(dòng)時(shí)，對(duì)二維(2-D)平面或"切片"710成像。替代地，如果 使用陣列，通過(guò)電子裝置的操縱或平移使超聲波束掃過(guò)2-D平面，從 而對(duì)2-D "切片"成像。
一個(gè)2-D切片被看成是從單個(gè)2-D平面獲取的數(shù)據(jù)的集合，超聲 波束掃過(guò)該平面或者平移過(guò)該2-D平面一次或多次。它可由一個(gè)或多 個(gè)B型數(shù)據(jù)幀以及一個(gè)或多個(gè)彩色流多普勒數(shù)據(jù)幀組成，其中一個(gè)幀 被看成是在超聲波束的單次掃描或平移期間獲取的數(shù)據(jù)。
圖7B圖解了一個(gè)軸線(A)，該軸線基本垂直于投影在弧704中點(diǎn) 處的能量線706。該超聲波探測(cè)器可以沿軸線(A)移動(dòng)。為了沿軸線 (A)移動(dòng)超聲波探測(cè)器112,成像系統(tǒng)IOO使用一個(gè)"3-D馬達(dá)"154， 該馬達(dá)接收來(lái)自馬達(dá)控制子系統(tǒng)158的輸入。該馬達(dá)154可以連附在 超聲波探測(cè)器112上，并且能夠沿軸線(A)正(f )向或反(r)向移 動(dòng)超聲波探測(cè)器112。通常在生成一個(gè)第一 2-D切片710后沿軸線(A) 移動(dòng)該超聲波探測(cè)器112。為了沿軸線(A)移動(dòng)該超聲波探測(cè)器以便 可以生成多個(gè)圖像切片，成像系統(tǒng)IOO或陣列系統(tǒng)1300還可以包括一 個(gè)如以下美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的集成多軌道成像系統(tǒng)于2005年2月 7曰提交的、題目為"Integrated Multi-Rail Imaging System"、申 請(qǐng)?zhí)枮?1/053, 748的專(zhuān)利申請(qǐng)，在此將該申請(qǐng)的內(nèi)容完整納入本文。
圖8是一個(gè)示意表示，圖解了在位置Xn處可以生成一個(gè)第一 2-D 切片710。而且，至少一個(gè)隨后的切片804可以在位置Xn+1處生成。 附加的切片可以在位置Xn+2 ( 806 )、 Xn+3 ( 808 )以及Xn+z ( 810 )處 生成。任一上述2-D切片可以在由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本 停止的時(shí)候利用上述方法生成。
為了在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候沿軸線(A)移動(dòng)超聲波探測(cè)器112,馬達(dá)控制 子系統(tǒng)158接收來(lái)自控制子系統(tǒng)127的信號(hào)，該控制子系統(tǒng)通過(guò)處理 器134控制3-D馬達(dá)154的移動(dòng)。該馬達(dá)控制系統(tǒng)158可以從馬達(dá)控 制軟件156接收指導(dǎo)，使超聲波系統(tǒng)131可以確定探測(cè)器112的掃描 何時(shí)已經(jīng)完成以及切片何時(shí)已經(jīng)生成，以及何時(shí)將超聲波探測(cè)器112 沿軸線(A)移動(dòng)到隨后的點(diǎn)上，以便在隨后的位置上獲取一隨后的切 片。還可以使用諸如系統(tǒng)1300的一個(gè)示例系統(tǒng)?？梢岳民R達(dá)沿軸線 (A)移動(dòng)陣列換能器或者包括陣列換能器的探測(cè)器。與單元件換能器 系統(tǒng)的情形類(lèi)似，該系統(tǒng)可以確定何時(shí)已經(jīng)利用該陣列生成切片，以 及何時(shí)將換能器或包括換能器的探測(cè)器沿軸線(A)移動(dòng)到下一個(gè)位置。
該馬達(dá)控制軟件156還可以使馬達(dá)將超聲波探測(cè)器112沿軸線(A ) 在每個(gè)位置Xn之間移動(dòng)一給定距離，在該每個(gè)位置Xn處超聲波被發(fā) 送和接收以生成一個(gè)2-D切片。例如，該馬達(dá)控制軟件156可以^吏3-D 馬達(dá)154將超聲波探測(cè)器112沿軸線(A)在每個(gè)所生成的2-D切片之 間移動(dòng)約50微米(pm)。然而，每個(gè)2-D切片之間的距離是可以變化
的，并不限于50jam。例如，每個(gè)切片之間的距離可以是約1. Ojum、 5 ium、 lOjam、 50jLim、 100jim、 500jam、 1000 nm、 10000 pm,或著更 大。
如上所述，所生成的切片的數(shù)量以及每個(gè)切片之間的距離可以由 用戶(hù)來(lái)定義，并且可以通過(guò)人機(jī)接口 136輸入。通常，該3-D馬達(dá)156 連附在可以使馬達(dá)154和超聲波探測(cè)器112沿軸線(A)移動(dòng)的軌道系 統(tǒng)902 (圖9)上。在一個(gè)方面，該3-D馬達(dá)154既連附在超聲波探測(cè) 器112上也連附在軌道系統(tǒng)902上。
一旦超聲波探測(cè)器112已經(jīng)移動(dòng)到軸線(A)上的下一個(gè)位置處， 通過(guò)沿一類(lèi)似于弧704的弧但在沿軸線(A)的一個(gè)新位置從換能器 150投射出超聲波能量線，可以生成在位置Xn+l處的隨后的2-D切片 804。 一旦該2-D切片804已經(jīng)生成，該超聲波探測(cè)器112可以再沿軸 線(A)移動(dòng)，并且可以生成在位置Xn+2處的隨后的切片806?？梢?在由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)候，利用上述方法生 成每個(gè)2-D切片。在生成每個(gè)切片之后，可以沿軸線(A)正(f )向 或反(r)向地移動(dòng)探測(cè)器。
該生成2-D超聲波圖像切片以及移動(dòng)探測(cè)器112的系列操作可以 重復(fù)所需要的那么多的次數(shù)。例如，可以使該超聲波探測(cè)器112作第 三次移動(dòng)，可以生成在位置Xn+3處的第四超聲波圖像切片808，或者 可以將該探測(cè)器移動(dòng)z次，可以生成在位置Xn+z處的切片810。該系 列操作重復(fù)的次數(shù)取決于被成像結(jié)構(gòu)的特征，包括它的尺寸、組織類(lèi) 型以及血管分布。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)這類(lèi)因素進(jìn)行估計(jì)，以確 定所獲取的2-D切片的數(shù)量。
每個(gè)穿過(guò)被成像的結(jié)構(gòu)或解剖部分的二維切片一般包括兩個(gè)主要 區(qū)域。第一區(qū)域是結(jié)構(gòu)的血流動(dòng)的區(qū)域。第二區(qū)域是結(jié)構(gòu)的血不流動(dòng) 的區(qū)域。如果被成像的結(jié)構(gòu)是瘤，該第二區(qū)域一般包括瘤的實(shí)質(zhì)以及 支持孔(supportive stoma ),該第一區(qū)域包括流過(guò)該瘤的血管結(jié)構(gòu)的 血液。 一個(gè)結(jié)構(gòu)(即瘤)的血管分布可以通過(guò)對(duì)血流進(jìn)行量化來(lái)確定。
可以結(jié)合至少兩個(gè)2-D切片以形成一個(gè)三維(3-D)體圖像。由于 這些2-D切片以一已知距離例如50 pm分開(kāi)，該3-D重構(gòu)軟件162可 以通過(guò)重構(gòu)至少兩個(gè)二維切片來(lái)創(chuàng)建一個(gè)已知的3-D體。
圖IO是示出了一個(gè)通過(guò)結(jié)合至少兩個(gè)2-D圖像切片而生成的示例 3-D體1000的示意視圖。該3-D體1000包括一血管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié) 構(gòu)一部分的體積。可以定義該結(jié)構(gòu)體的邊界以重構(gòu)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)一 部分的三維體。該邊界可以借助于自動(dòng)分割軟件160通過(guò)一個(gè)自動(dòng)分 割過(guò)程來(lái)定義。自動(dòng)分割軟件16Q (加拿大安大略省倫敦的Robarts 研究所(Robarts Research Institute, London, Ontario, Canada)) 以及使用自動(dòng)分割軟件150來(lái)確定該結(jié)構(gòu)邊界的方法是本領(lǐng)域已知 的。 一般地，自動(dòng)分割軟件160循著灰度輪廓并生成諸如瘤之類(lèi)的結(jié) 構(gòu)的表面積和體積。預(yù)期該自動(dòng)選取的區(qū)域可可替代地由操作人員手 動(dòng)選取和/或改進(jìn)。在定義了邊界以后，可以用本領(lǐng)域已知的相同的或 替代的軟件來(lái)重構(gòu)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的三維體。如下文描述的 隨后對(duì)體元(voxel )的確定和分析可以對(duì)所定義或所重構(gòu)的結(jié)構(gòu)體內(nèi) 部的體元進(jìn)4亍。
由于3-D體1000是結(jié)合多個(gè)2-D切片而生成的，所以該3-D體包 括與該2-D切片相同的兩個(gè)主要區(qū)域。第一區(qū)域1004是被成像結(jié)構(gòu)或 者該結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血液流動(dòng)的區(qū)域，該區(qū)域可以被顯示為一個(gè)彩 色流多普勒?qǐng)D像。第二區(qū)域1006是被成像結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的 血液不流動(dòng)之處。
一旦生成3-D體1000,可以利用3-D重構(gòu)軟件162以及利用本領(lǐng) 域中已知的方法，在該3-D體內(nèi)添加體元1002。體元1002是3-D圖 像的最小可分辨立體表示。3-D體1000的整個(gè)體積可以分成多個(gè)體元 1002,每個(gè)體元具有一個(gè)已知體積。體元的總個(gè)數(shù)可以由3-D重構(gòu)軟 件162來(lái)確定。
當(dāng)3-D體1000被劃分成多個(gè)體元1002時(shí)，利用3-D重構(gòu)軟件162 分析每個(gè)體元，以獲取彩色數(shù)據(jù)，這些彩色數(shù)據(jù)表示血流。在一個(gè)示 例方面，功率多普勒可以將血流功率表示成顏色與灰度B型圖像的關(guān) 系。例如，如果超聲波系統(tǒng)將流體或血流顯示為紅色，那么每個(gè)紅色 體元表示該3-D體中血液流動(dòng)的部分。
對(duì)該結(jié)構(gòu)內(nèi)的每個(gè)彩色體元計(jì)數(shù)，彩色體元的總數(shù)量(Nv)由3-D 重構(gòu)軟件162來(lái)確定?？梢岳瞄撝当鎰e器來(lái)確定是否將一個(gè)彩色體 元量化為具有有效的流?？梢宰詣?dòng)確定該闊值，或者可以基于對(duì)多普
勒信號(hào)本底噪聲的分析來(lái)自動(dòng)計(jì)算該閾值。該闊值還可以是用戶(hù)可以
調(diào)節(jié)的參數(shù)。該3-D重構(gòu)軟件162將Nv乘以已知的體元體積(Vv)以 提供對(duì)整個(gè)3-D體內(nèi)的血管分布總體積的估計(jì)(TVvas )。這樣，TVvas= Nv* Vv。血管分布總體積可以解釋成是對(duì)被其中有可被功率多普勒處理探 測(cè)到的流的血管占據(jù)的空間體積的一個(gè)估計(jì)。于是，該3-D重構(gòu)軟件 162可以通過(guò)將TVm除以包括瘤在內(nèi)的一個(gè)結(jié)構(gòu)的總體積(TVs)來(lái)計(jì) 算該結(jié)構(gòu)的血管分布率?？梢酝ㄟ^(guò)將該結(jié)構(gòu)內(nèi)的體元總數(shù)量(Ns)乘 以每個(gè)體元的體積(Vv)來(lái)計(jì)算該結(jié)構(gòu)的總體積。這樣TVs = Nv* Vv, 血管分布率- (Nv* Vv) / (Ns* Vv)?？梢钥闯觯v項(xiàng)后，血管分 布率=Nv/Ns。
這樣，此處所提供的是一種用于確定血管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié)構(gòu)的一 部分的血管分布率的方法。該方法包括利用超聲波成像確定該結(jié)構(gòu)或 該結(jié)構(gòu)的一部分的總體積(TVS)和血管分布總體積(TVvas )。該方法還 包括確定TVm與TVs的比值，其中TVm與TVs的比值提供了該結(jié)構(gòu)或 該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布率。
在一個(gè)方面，通過(guò)生成多個(gè)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分獲取的 二維超聲波切片來(lái)確定該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的TVs。每個(gè)切片可以 在沿基本垂直于切片平面的軸線的位置獲取，并且每個(gè)切片沿該軸線 以一已知距離分開(kāi)。在每個(gè)切片位置處捕獲B型數(shù)據(jù)，根據(jù)在兩個(gè)或 更多個(gè)切片位置處捕獲的B型數(shù)據(jù)重構(gòu)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的三 維體，并且根據(jù)重構(gòu)的三維體確定TVs。該結(jié)構(gòu)的三維體的確定可以包 括首先利用此處所述的自動(dòng)或半自動(dòng)程序來(lái)確定表面輪廓或邊界。
可以通過(guò)在每個(gè)切片位置捕獲多普勒數(shù)據(jù)來(lái)確定該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu) 的一部分的TVvas。該多普勒數(shù)據(jù)表示該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血 流。確定該重構(gòu)的三維體內(nèi)包括捕獲的多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量，將 包括該多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量乘以一個(gè)體元的體積以確定TVvas。由 于一個(gè)切片可以包括一個(gè)或多個(gè)多普勒數(shù)據(jù)幀，可以對(duì)一個(gè)切片內(nèi)的 幀進(jìn)行平均處理或?qū)σ粋€(gè)切片內(nèi)的幀應(yīng)用持續(xù)處理，以提高該多普勒 數(shù)據(jù)的信噪比。
在一個(gè)替代的實(shí)現(xiàn)中，可以利用體元的多普勒信號(hào)的幅度來(lái)計(jì)算 一個(gè)與3-D體內(nèi)的總血流成比例的值。在該實(shí)現(xiàn)中，3-D重構(gòu)軟件162
對(duì)圖像中每個(gè)體元的多普勒信號(hào)的幅度(Pv)進(jìn)行求和。可以在求和
之前將該參數(shù)Pv乘以一參數(shù)Kv。這樣，TP-SPV*KV,其中該求和在包 含流的體元的數(shù)量的范圍內(nèi)進(jìn)行。可以利用閾值辨別器來(lái)鑒別有效的 流。由于該功率多普勒信號(hào)的幅度與樣本體積內(nèi)紅血球的數(shù)量成比例， 所以TP成了對(duì)脈管系統(tǒng)體積的相對(duì)測(cè)量。該參數(shù)Kv可以與每個(gè)體元 的體積成比例。對(duì)信號(hào)強(qiáng)度變化的補(bǔ)償也可以包含進(jìn)Kv內(nèi)。例如，信 號(hào)強(qiáng)度隨深度的變化可能由組織衰減引起，或者由超聲波束強(qiáng)度的軸 向變化引起。Kv可以為特定的體元提供一個(gè)修正因子。該修正因子可 以對(duì)與深度有關(guān)的由組織衰減引起的信號(hào)強(qiáng)度變化以及超聲波束的軸 向強(qiáng)度變化之類(lèi)的影響進(jìn)行補(bǔ)償。
可以借助于自動(dòng)分割軟件160通過(guò)自動(dòng)分割過(guò)程來(lái)確定TVs。自動(dòng) 分割軟件160 (加拿大安大略省倫敦的Robarts研究所)以及使用自 動(dòng)分割軟件150來(lái)確定結(jié)構(gòu)的總體積(TVs)的方法是本領(lǐng)域已知的。 一般地，自動(dòng)分割軟件160循著灰度輪廓并生成諸如瘤之類(lèi)的結(jié)構(gòu)的 表面積和體積。預(yù)期該自動(dòng)選取的區(qū)域可可替代地由操作人員手動(dòng)選 取和/或改進(jìn)。
圖11是圖解一個(gè)利用示例成像系統(tǒng)100來(lái)生成超聲波圖像的示例 方法1100的方框圖。在方框1102中，定義所研究的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可 以由用戶(hù)在人機(jī)接口 136處定義。在一個(gè)實(shí)施方案中，所定義的結(jié)構(gòu) 是一個(gè)可以位于一個(gè)小動(dòng)物受試者內(nèi)部的瘤或者該瘤的一部分。 一個(gè) 結(jié)構(gòu)在本文中被使用時(shí)，表示一個(gè)受試者體內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)內(nèi) 有血液流過(guò)的一部分。該結(jié)構(gòu)可以是受試者內(nèi)部的一整個(gè)瘤，或者是 該瘤的一部分。該結(jié)構(gòu)還可以是一個(gè)器官或者組織，或者是該器官或 組織中有血液流過(guò)的任何一部分。該結(jié)構(gòu)通常位于一個(gè)受試者內(nèi)部。 可以利用軟件來(lái)定義所研究的結(jié)構(gòu)。例如，可以利用自動(dòng)分割軟件160 來(lái)定義所研究的結(jié)構(gòu)。而且，成像方式包括，但不限于，超聲波、放 射線照相術(shù)、CT掃描、OCT掃描、MRI掃描，并且還可以利用體格檢 查來(lái)使用所描述的方法定義期望成像的結(jié)構(gòu)。
在方框1104中，將單元件換能器150放置在受試者102附近，并 且使超聲波探測(cè)器112位于初始位置。該位置對(duì)應(yīng)于在其中開(kāi)始超聲 波成像的所研究結(jié)構(gòu)的一部分。它還可以對(duì)應(yīng)于在其中開(kāi)始超聲波成
像的所研究結(jié)構(gòu)的鄰近位置。
在方框1106中，換能器150發(fā)射超聲波并接收功率多普勒超聲波 數(shù)據(jù)。使用上述方法，可以在由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停 止的時(shí)候發(fā)射和接收超聲波能量?？梢岳?一個(gè)機(jī)械掃描超聲波換能 器150來(lái)收集超聲波數(shù)據(jù)。當(dāng)換能器150掃過(guò)或者探測(cè)器112轉(zhuǎn)動(dòng)橫 跨一個(gè)弧時(shí)，捕獲以及收集多普勒樣本。為了能夠填充作廢的區(qū)域， 可獲取一個(gè)以上的功率多普勒幀。
在方框1108中，換能器150發(fā)射超聲波并接收B型超聲波數(shù)據(jù)。 利用上述方法，可以在由呼吸引起的受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí) 候發(fā)射和接收超聲波能量。該附加的B型幀空間上和功率多普勒疊層 (overlay )對(duì)齊，因此可以作為之前所獲取的功率多普勒數(shù)據(jù)的一個(gè) 參考幀。該附加的B型幀提供了解剖及參考信息。
在方框1110中，利用在方框1106和1108中所收集的數(shù)據(jù)生成一 個(gè)復(fù)合的2-D切片圖像，該復(fù)合的2-D切片圖像由一個(gè)疊置在所獲取 的B型幀上的多普勒?qǐng)D像組成。如果在方框1114中確定該之前獲取的 切片不是該結(jié)構(gòu)中的最后切片，那么在方框1112中，將探測(cè)器沿軸線 (A)移動(dòng)到下一個(gè)結(jié)構(gòu)位置。如果在方框1114中確定該切片是所定 義的結(jié)構(gòu)中的最后切片，那么該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被充分成像。 一個(gè)結(jié)構(gòu)是否 "被充分成像"可以由用戶(hù)來(lái)確定，或者可以基于用戶(hù)輸入的參數(shù)或 者被成像結(jié)構(gòu)的特征確定。例如，該結(jié)構(gòu)在以下情況下可能被充分成 像當(dāng)已經(jīng)生成一定數(shù)量的穿過(guò)所定義的結(jié)構(gòu)或者該結(jié)構(gòu)的一部分的 整個(gè)范圍的切片時(shí)，或者當(dāng)?shù)竭_(dá)色盒144的邊緣時(shí)。
如果在方框1114中確定所定義的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被充分成像，那么在方 框1116中處理所生成的2-D切片。如果在方框1114中確定所定義的 結(jié)構(gòu)還沒(méi)有被充分成像，那么在方框1112中將探測(cè)器移動(dòng)到下一個(gè)位 置，在方框1106中再次獲取數(shù)據(jù)，并且在方框1110中生成隨后的切 片。
圖12是圖解圖11中的"處理2-D切片圖像"方框1116的流程圖。 在方框1202中，在圖11的方框1108中生成的2-D切片圖像被輸入到 3-D重構(gòu)軟件162中。在方框1206中，利用3-D重構(gòu)軟件162從2-D 圖像切片生成一個(gè)3-D體。在方框1210中，利用3-D重構(gòu)軟件162在整個(gè)該3-D體中添加體元。在方?jīng)_匡1212中，該3-D重構(gòu)軟件162計(jì)算 該3-D體內(nèi)彩色體元的總數(shù)量。在方框1214中，通過(guò)將彩色體元的總 數(shù)量乘以已知的一個(gè)體元的已知體積，確定帶有顏色(表示血流)的 體元的總體積TVm。
在方框1204中，自動(dòng)分割軟件160確定該3-D體內(nèi)的所研究的結(jié) 構(gòu)的表面積。在方框1208中，確定所研究的結(jié)構(gòu)的總體積TVs。
在方框1216中，確定所研究的結(jié)構(gòu)的血管分布率。該血管分布率 可以通過(guò)將方框1208中確定的具有血流的體元的總體積TVm除以方 框1214中確定的所研究的結(jié)構(gòu)的總體積TVs來(lái)確定。
本發(fā)明的前述描述以本發(fā)明的最佳的、當(dāng)前已知的實(shí)施方案的形 式被提供作為可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的教導(dǎo)。為此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn) 識(shí)到并理解，可以對(duì)在此描述的本發(fā)明的各方面進(jìn)行4艮多改變，而仍 獲得本發(fā)明的有益效果。還顯而易見(jiàn)的是，通過(guò)選擇本發(fā)明的一些特 征而不利用其它特征可以獲得本發(fā)明的一些期望的益處。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、 材料、過(guò)程以及下面的權(quán)利要求書(shū)中的所有裝置或步驟加功能要素的 等同物意在包括用于結(jié)合其它請(qǐng)求保護(hù)的要素執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、 材料或過(guò)程，如特別請(qǐng)求保護(hù)的那些。
除非另有明確說(shuō)明，決不意指此處所給出的任何方法被解釋為要 求其步驟以特定的順序來(lái)執(zhí)行。因此，當(dāng)方法權(quán)利要求實(shí)際上沒(méi)有陳
述其步驟應(yīng)遵循的順序時(shí)，或在權(quán)利要求書(shū)或說(shuō)明書(shū)中并沒(méi)有另外特 別說(shuō)明這些步驟限于特定的順序時(shí)，決不意圖在任何方面暗示一個(gè)順 序。這同樣適用于任何可能的非明示的進(jìn)行解釋的根據(jù)，包括關(guān)于 步驟的安排或操作流程的邏輯問(wèn)題；從語(yǔ)法結(jié)構(gòu)或標(biāo)點(diǎn)符號(hào)導(dǎo)出的普 通詞義；以及在本說(shuō)明書(shū)中描述的實(shí)施方案的數(shù)量或類(lèi)型。上述流程 圖中的方框可以按所示的順序來(lái)執(zhí)行，不按所示的順序執(zhí)行，或者基 本并行執(zhí)行。
因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可能對(duì)本發(fā)明的很多修改和 適應(yīng)性變化是可能的，并且在某些情況下甚至可能是理想的，這些都 是本發(fā)明的一部分。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的描述和在此公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施， 本發(fā)明的其它實(shí)施方案對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。因 此，前面的描述被提供作為對(duì)本發(fā)明的原理的說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明
的限制。旨在本說(shuō)明書(shū)和示例被認(rèn)為是僅僅是說(shuō)明性的，由下面的權(quán) 利要求書(shū)說(shuō)明本發(fā)明的真正范圍和實(shí)質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種用于確定血管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布率的方法，該方法包括利用超聲波成像確定該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的總體積(TVs)和血管分布總體積(TVvas)；以及確定TVvas與TVs的比值，其中TVvas與TVs的比值提供了該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的TVs 通過(guò)以下步驟確定生成多個(gè)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分獲取的二維超聲波切片， 每個(gè)切片在沿基本垂直于該切片平面的軸線的位置取得，并且每個(gè)切 片沿該軸線以一已知距離分開(kāi)；在每個(gè)切片位置處捕獲B型數(shù)據(jù)；根據(jù)在兩個(gè)或更多個(gè)切片位置處捕獲的B型數(shù)據(jù)重構(gòu)該結(jié)構(gòu)或該 結(jié)構(gòu)的一部分的三維體；以及 根據(jù)重構(gòu)的三維體確定TVs。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的TVvas 通過(guò)以下步驟確定在每個(gè)切片位置捕獲多普勒數(shù)據(jù)，該多普勒數(shù)據(jù)表示該結(jié)構(gòu)或該 結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血流；確定重構(gòu)的三維體內(nèi)的包括所捕獲的多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量， 并且將包括該多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量乘以一個(gè)體元的體積以確定vas o
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的TVvas 通過(guò)以下步驟確定在每個(gè)切片位置捕獲多普勒數(shù)據(jù)，該多普勒數(shù)據(jù)表示該結(jié)構(gòu)或該 結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血流；確定重構(gòu)的三維體內(nèi)的不包括所捕獲的多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量；將不包括多普勒數(shù)據(jù)的體元的數(shù)量乘以一個(gè)體元的體積；以及 從所確定的TVS中減去所確定的乘積以確定TVvas。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中在計(jì)算TVvas中忽略每個(gè)其具有的測(cè)量功率低于預(yù)定閾值的體元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，還包括確定該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一 部分內(nèi)的血流的總功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血 流的總功率通過(guò)對(duì)每個(gè)體元的功率多普勒值和參數(shù)Kv的乘積進(jìn)行求和 來(lái)確定，其中L提供了對(duì)與深度有關(guān)的信號(hào)變化的修正因子。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中忽略每個(gè)其具有的測(cè)量功率低于 預(yù)定閾值的體元。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所捕獲的多普勒數(shù)據(jù)是功率多普 勒數(shù)據(jù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所捕獲的多普勒數(shù)據(jù)是彩色流多 普勒數(shù)據(jù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該結(jié)構(gòu)位于受試者內(nèi)部。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中利用發(fā)射到該受試者或該受試 者的一部分中的頻率為20MHz或20MHz以上的超聲波來(lái)生成所捕獲的 多普勒數(shù)據(jù)以及B型數(shù)據(jù)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該受試者為小動(dòng)物。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該小動(dòng)物選自由小鼠、大鼠以 及兔組成的組。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該結(jié)構(gòu)為瘤。
16. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中沿該軸線的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)于在其 中從受試者捕獲B型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)的該受試者的一個(gè)解剖部分的 一個(gè)預(yù)定區(qū)域。
17. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該結(jié)構(gòu)位于受試者內(nèi)部，并且其 中在由呼吸引起的該受試者的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)候捕獲B型數(shù)據(jù) 和多普勒數(shù)據(jù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括監(jiān)測(cè)受試者的呼吸波形以及檢測(cè)該呼吸波形中的峰階段，其中該 峰階段對(duì)應(yīng)于由受試者的呼吸引起的該受試者的身體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停 止的時(shí)間；從受試者捕獲B型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)，其中該捕獲在該波形的峰 階段內(nèi)進(jìn)行，該峰階段對(duì)應(yīng)于由受試者的呼吸引起的該受試者的身體 運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括在從受試者捕獲B型數(shù)據(jù)和 多普勒數(shù)據(jù)的步驟之前，生成頻率為至少20兆赫茲(MHz)的超聲波；以及 將頻率為至少20MHz的超聲波發(fā)射到受試者中，其中該生成、發(fā) 射以及捕獲的步驟在波形峰階段內(nèi)進(jìn)行，該峰階段對(duì)應(yīng)于由受試者的 呼吸引起的該受試者的身體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該生成、發(fā)射以及捕獲的步驟 在沿軸線的每個(gè)位置漸增地重復(fù)，以捕獲B型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括監(jiān)測(cè)受試者的呼吸波形以及檢測(cè)該呼吸波形中的至少 一 個(gè)峰階段 以及該呼吸波形中的至少一個(gè)非峰階段，每個(gè)峰階段對(duì)應(yīng)于由受試者 的呼吸引起的該受試者的身體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間，每個(gè)非峰階 段對(duì)應(yīng)于受試者的身體因該受試者的呼吸而處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間生成頻率為至少20兆赫茲(MHz)的超聲波；將頻率為至少20MHz的超聲波發(fā)射到受試者中；在該受試者的呼吸波形的至少一個(gè)峰階段以及該受試者的呼吸波 形的至少一個(gè)非峰階段內(nèi)從該受試者捕獲B型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)，其 中該生成、發(fā)射以及捕獲的步驟在沿軸線的每個(gè)位置處漸增地重復(fù)；在每個(gè)切片位置處編譯所捕獲的超聲波數(shù)據(jù)以形成包括B型數(shù)據(jù) 和多普勒數(shù)據(jù)的初始數(shù)據(jù)幀；識(shí)別包括在該受試者的呼吸波形的非峰階段內(nèi)接收的數(shù)據(jù)的至少 一部分該初始數(shù)據(jù)幀；處理該初始數(shù)據(jù)幀以對(duì)每個(gè)切片位置生成一個(gè)最終的數(shù)據(jù)幀，其 中該最終的數(shù)據(jù)幀從在該受試者的呼吸波形的遞增峰階段內(nèi)接收的B 型數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)編譯而來(lái)；以及從多個(gè)最終的數(shù)據(jù)幀重構(gòu)該三維體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中該處理步驟包括從初始數(shù)據(jù)幀中移除在該受試者的呼吸波形的非峰階段內(nèi)在沿軸 線的位置接收的數(shù)據(jù)，以生成具有至少一個(gè)作廢的區(qū)域的部分作廢的數(shù)據(jù)幀；以及將來(lái)自在沿軸線的同一位置獲取的至少一個(gè)其他初始數(shù)據(jù)幀的、 在該受試者的呼吸波形的峰階段內(nèi)接收的數(shù)據(jù)代入該部分作廢的圖像 的至少一個(gè)作廢的區(qū)域中，以生成最終的數(shù)據(jù)幀。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中在該受試者的呼吸波形的峰階 段內(nèi)接收的替代數(shù)據(jù)是來(lái)自其數(shù)據(jù)幀的這樣一個(gè)區(qū)域該區(qū)域和該部 分作廢的圖像的部分作廢的區(qū)域的作廢區(qū)域空間上相對(duì)應(yīng)。
24. —種用于確定血管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布率 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)換能器，該換能器用于生成頻率為至少20MHz的超聲波，將 至少一部分生成的超聲波發(fā)射到該血管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié)構(gòu)的一部分 中，以及捕獲超聲波能量；以及一個(gè)處理器，該處理器用于根據(jù)捕獲的超聲波能量確定該結(jié)構(gòu)或 該結(jié)構(gòu)的一部分的總體積(TVs)和血管分布總體積(TVvas )，以及確定TVm與TVs的比值，其中TVw與TVS的比值提供了該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布率。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，還包括一個(gè)用于監(jiān)測(cè)受試者的呼吸 波形以及用于檢測(cè)該波形中的峰階段的裝置，其中該峰階段對(duì)應(yīng)于由 該受試者的呼吸引起的該受試者的身體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止的時(shí)間。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中該處理器被配置用于確定該血 管結(jié)構(gòu)或該血管結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)的血流的總功率。
全文摘要
一種用于對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布進(jìn)行量化的方法，包括生成多個(gè)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的至少一部分的二維(2-D)高頻超聲波圖像切片，其中該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分位于一個(gè)受試者內(nèi)部，處理該多個(gè)2-D超聲波圖像切片中的至少兩個(gè)以生成一個(gè)三維(3-D)體圖像以及對(duì)該結(jié)構(gòu)或該結(jié)構(gòu)的一部分的血管分布進(jìn)行量化。
文檔編號(hào)A61B1/00GK101184428SQ200680018668
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者克里斯·A·懷特, 德西蒙·希爾森, 詹姆斯·I·梅希 申請(qǐng)人:視聲公司