專利名稱：從三維圖像生成用于顯示的二維超聲心動(dòng)圖顯象視圖的系統(tǒng)與方法
從三維圖像生成用于顯示的二維超聲心動(dòng)圖顯象視圖的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生成并顯示標(biāo)準(zhǔn)二維超聲心動(dòng)圖顯象視圖的系統(tǒng) 與方法，以及相應(yīng)的診斷顯示設(shè)備。
二維超聲成像被用作在多種身體器官的全面描繪時(shí)的一種重要的非侵 入式技術(shù)。在超聲成像中，沿著從換能器到要成像的器官的射線發(fā)送聲音 脈沖。該脈沖在碰撞到具有與該脈沖正在其中傳播的媒介不同聲阻的介質(zhì) 時(shí)被衰減并反射。聲音脈沖發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間是該介質(zhì)表面與換能器之間距 離的測(cè)量值。所反射的能量的量是跨越該交接面的聲阻差異的測(cè)量值。假 設(shè)該脈沖在身體內(nèi)以單一速度傳播，并且通過(guò)在給定平面上均勻分布的射 線，可以使用所接收能量的采用空間坐標(biāo)(直角坐標(biāo)，極坐標(biāo))的二維記錄來(lái) 呈現(xiàn)所成像器官的橫界面視圖。
超聲心動(dòng)圖顯象是超聲成像對(duì)心臟的應(yīng)用。超聲心動(dòng)圖顯象已經(jīng)在心 臟病、心臟的結(jié)構(gòu)和功能的評(píng)估中得到了廣泛接受。這種接受很大程度上 是由于其所具有的非侵入特性，以及其實(shí)時(shí)觀察心臟結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的能力。 使用超聲心動(dòng)圖顯象，可以獲得與心臟解剖、腔直徑與體積、心壁厚度、 心瓣結(jié)構(gòu)、射血分?jǐn)?shù)、等等相關(guān)的量化信息。
然而，使用超聲波對(duì)心臟成像的技術(shù)存在一些局限。例如，超聲波不 能穿透肋骨，因此只能從胸透檢查中獲得有限的觀察區(qū)域。此外，與超聲 束平行的組織反射性不強(qiáng)，造成較差的組織描繪，并且超聲波在傳播時(shí)發(fā) 生衰減，因此只能成像有限的深度。
當(dāng)前醫(yī)學(xué)實(shí)踐通過(guò)借助不同的聲學(xué)窗口獲得對(duì)心臟的不同掃描，即不 同的、放置探測(cè)器的解剖點(diǎn)(通常在肋骨之間)，克服了這些局限性。
當(dāng)前，2D超聲心動(dòng)圖顯象是最常用的成像技術(shù)。2D超聲心動(dòng)圖顯象 是超聲束(通過(guò)超聲換能器的一維陣列)在掃過(guò)平面上的扇形的一系列角度 上的傳輸。由此獲得的圖像顯示了心臟在其斷面上的切片。已經(jīng)通過(guò)臨床 方案(protocol)定義了標(biāo)準(zhǔn)超聲心動(dòng)圖顯象視圖，參考附圖
中的圖l，典型的視圖包括(a)胸骨旁長(zhǎng)軸，(b)胸骨旁短軸，(c)心尖四腔、心尖兩腔、肋下肌 (sub-costal)、等等。此外，可以調(diào)節(jié)探測(cè)器角度，以便獲得最佳的組織描繪。 開(kāi)業(yè)醫(yī)生通常為了進(jìn)行完整的心臟診斷而將這些不同的視圖合并，并且需 要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)從各個(gè)相應(yīng)視點(diǎn)獲得所有必需的圖像。
最近的3D超聲成像的引入已經(jīng)在超聲心動(dòng)圖顯象領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了新的 能力和方案。例如，US專利No.6，352,509描述了一種3D超聲診斷設(shè)備， 其對(duì)患者的心臟執(zhí)行3D獲取，在所獲取的3D圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別出心腔區(qū)， 然后顯示針對(duì)該區(qū)域所獲得的圖像數(shù)據(jù)。 一些以上所提到的標(biāo)準(zhǔn)2D視圖可 以包含在單個(gè)3D獲取中，并且開(kāi)業(yè)醫(yī)生能夠通過(guò)這種3D獲取進(jìn)行掃描， 來(lái)查找適當(dāng)?shù)男畔?。此外?D超聲成像系統(tǒng)還能夠生成體渲染，由此能夠 觀看到整個(gè)3D數(shù)據(jù)集，而不僅僅是2D切片。在該情況下，必須選擇一個(gè) 所關(guān)注區(qū)域來(lái)觀看明顯的特征。典型的明顯特征包括來(lái)自左心室內(nèi)部的 二尖瓣、三尖瓣、以及心尖四腔。然而，開(kāi)業(yè)醫(yī)生仍然需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間 來(lái)掃描遍歷3D圖像數(shù)據(jù)并選擇用于診斷的適當(dāng)?shù)囊晥D區(qū)域。
無(wú)論如何，在醫(yī)學(xué)界，3D超聲心動(dòng)圖顯象對(duì)于在各種心臟狀態(tài)的診斷 和治療中的使用得到了日益增加的支持，以上用途包括各種瓣病理學(xué)的 診斷，其中有例如二尖瓣狹窄、二尖瓣脫垂、二尖瓣連枷、二尖瓣回流、 主動(dòng)脈瓣狹窄、主動(dòng)脈瓣回流和局部缺血。
本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)與方法，用于針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)生成用 于顯示的來(lái)自多個(gè)視點(diǎn)的多個(gè)不同的二維圖像，由此相對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備能夠 顯著降低獲得這種圖像所需要的時(shí)間和工作量。本發(fā)明的另一目的是提供 一種相應(yīng)的顯示系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種系統(tǒng)，用于生成用于顯示的、針對(duì)所關(guān)注的
結(jié)構(gòu)或體的、在各個(gè)不同坐標(biāo)上的多個(gè)預(yù)定二維圖像，所述系統(tǒng)包括用
于接收針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而獲得的三維圖像數(shù)據(jù)的裝置；用于針 對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體自動(dòng)確定與一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐 標(biāo)的裝置；以及用于從所述三維圖像數(shù)據(jù)生成來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視 點(diǎn)的相應(yīng)二維圖像的裝置。
同樣根據(jù)本發(fā)明，提供了一種方法，用于生成用于顯示的、針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的、在各個(gè)不同坐標(biāo)上的多個(gè)預(yù)定二維圖像，所述方法包括 以下步驟接收針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而獲得的三維圖像數(shù)據(jù)；針對(duì) 所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體自動(dòng)確定與一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐 標(biāo)；以及從所述三維圖像數(shù)據(jù)生成來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)的相應(yīng)二 維圖像。
因此，本發(fā)明提供了用于從3D圖像數(shù)據(jù)獲取中獲得標(biāo)準(zhǔn)2D超聲心動(dòng)
圖顯象視圖，并且將這些2D超聲心動(dòng)圖顯象視圖與同樣從同一3D圖像數(shù) 據(jù)獲取中獲得的3D渲染視圖一起進(jìn)行顯示的裝置，這就得到了更快的檢查 過(guò)程(通常是4比1的比率)并且方便了診斷任務(wù)，這是因?yàn)檫@些2D視圖包 含最相關(guān)的信息。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括用于接收表示第一預(yù)定視點(diǎn)的用 戶所選數(shù)據(jù)的裝置；以及用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)或多個(gè)其他預(yù)定的視 點(diǎn)的相應(yīng)坐標(biāo)的裝置。這種用戶所選數(shù)據(jù)優(yōu)選地來(lái)自于以下相對(duì)于所述
所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而人工放置用于捕獲所述三維圖像數(shù)據(jù)的裝置。因此，
開(kāi)業(yè)醫(yī)生人工放置3D探測(cè)器，以使得一個(gè)可視平面與標(biāo)準(zhǔn)2D視圖(假設(shè)是 心尖四腔)相一致，使用該系統(tǒng)預(yù)先計(jì)算的坐標(biāo)來(lái)獲得其他標(biāo)準(zhǔn)視圖。
在一個(gè)可替換實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括用于在所述三維圖像數(shù)據(jù)中識(shí) 別所述所關(guān)注結(jié)構(gòu)或體的一個(gè)或多個(gè)特征的裝置，并根據(jù)所述特征計(jì)算與 所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐標(biāo)。由此，可以確定所有的2D視 圖，而不需要醫(yī)學(xué)工作者的參與。
所述二維圖像有益地對(duì)應(yīng)于預(yù)定的二維超聲心動(dòng)圖顯象視圖。 本發(fā)明延伸到一種顯示設(shè)備，用于顯示所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的圖像， 所述設(shè)備包括如上定義的系統(tǒng)，用于生成針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的、在 各個(gè)不同坐標(biāo)上的多個(gè)二維圖像；以及顯示裝置，用于顯示所述二維圖像。
所述設(shè)備還可以包括用于生成并顯示針對(duì)所述所關(guān)注結(jié)構(gòu)或體的三維 圖像數(shù)據(jù)，例如一個(gè)或多個(gè)3D渲染視圖。
參考在此所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些方面和其他方面將會(huì)變得顯而 易見(jiàn)并被闡明。
現(xiàn)在將僅通過(guò)舉例的方式且參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，在附圖中
圖l(a)-(c)示意性地示出了分別針對(duì)胸骨旁長(zhǎng)軸、胸骨旁短軸、心尖四 腔的2D視圖的2D超聲心動(dòng)圖顯象平面獲取和所得到的圖像；
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的基本特征的示意 性框圖；以及
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的基本特征的示意 性框圖。
參考附圖中的圖2，在本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例中，針對(duì)患者的心臟 獲得3D圖像數(shù)據(jù)(在10中)。進(jìn)行檢査的開(kāi)業(yè)醫(yī)生需要在該3D圖像獲取過(guò) 程期間將超聲探測(cè)器放置為，使得其中一個(gè)3D平面與標(biāo)準(zhǔn)2D視圖(例如心 尖四腔)相一致。這可以簡(jiǎn)單地通過(guò)觀看屏幕上的當(dāng)前圖像并調(diào)整探測(cè)器相 對(duì)于患者的位置以獲得期望視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 一旦獲得了該視圖，就可以將該 視圖的坐標(biāo)設(shè)定為(O， 0)，并且使用預(yù)先計(jì)算的相對(duì)坐標(biāo)(在14中)來(lái)確定相 對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)2D視圖的坐標(biāo)，例如心尖二腔16、胸骨旁長(zhǎng)軸18和胸骨旁 短軸20。在屏幕21上將這些視圖與二尖瓣的3D渲染22 —起進(jìn)行顯示。
該人工模式的好處是極其快速和魯棒性。盡管其并非完全同以下所述 的自動(dòng)模式一樣準(zhǔn)確，但是其提供了用于可視化的良好且快速的起點(diǎn)。即 使是開(kāi)業(yè)醫(yī)生想要精煉所顯示的視圖，該工作的大部分也己經(jīng)完成了。另 一方面，開(kāi)業(yè)醫(yī)生必須監(jiān)視原始心尖四腔的位置，以便將圖像保持在其幀 中。
參考附圖中的圖3，在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，提出了一種無(wú)監(jiān)督方 案，由此該系統(tǒng)依賴于一種自動(dòng)標(biāo)記檢測(cè)算法(在24中)來(lái)確定針對(duì)例如心 尖四腔12、心尖二腔16、胸骨旁長(zhǎng)軸18和胸骨旁短軸20的2D視圖的坐 標(biāo)，并生成所述2D視圖。再次將這些視圖與二尖瓣的3D渲染22 —起顯 示在屏幕21中。該自動(dòng)標(biāo)記檢測(cè)算法可以例如識(shí)別在所獲取的3D圖像數(shù) 據(jù)中的瓣、二尖瓣環(huán)、心尖(apex)或者心臟的任何其他特性特征。 一旦確定 了在空間中的位置，就能夠相應(yīng)地顯示標(biāo)準(zhǔn)2D視圖。換而言之， 一旦識(shí)別 了特定標(biāo)記，就可以應(yīng)用預(yù)先計(jì)算的相對(duì)坐標(biāo)。
這種操作模式具有的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)監(jiān)督操作，從而能夠自動(dòng)地從一個(gè)良好的3D獲取中提取2D和3D標(biāo)準(zhǔn)視圖。這相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)減少了 獲取時(shí)間，還使得經(jīng)驗(yàn)較少的醫(yī)生能夠獲得良好的掃描。其在人機(jī)交互方 面更快。另一方面，本實(shí)施例的計(jì)算開(kāi)支取決于特征提取算法的復(fù)雜度， 其進(jìn)而影響開(kāi)啟該系統(tǒng)所花費(fèi)的時(shí)間。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是， 存在多種算法可以用于提取標(biāo)記，包括快速的算法，例如用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)壁 的"k均值"分割，對(duì)于瓣的不同圖像的"k均值"分割，而且還有更復(fù)雜 的算法，例如基于級(jí)別設(shè)定(level-set)或微分方程的那些算法?？梢栽O(shè)想適 用于該目的的其他類型的特征提取算法，本發(fā)明并非必然意欲局在該點(diǎn)上 受到限制。例如，Haigh變換是一種在數(shù)字圖像處理中用于檢測(cè)形狀(例如 圓形)的公知的特征提取算法。經(jīng)典變換識(shí)別圖像中的線，但是已經(jīng)將其延 伸到識(shí)別任意形狀(例如圓形)的位置。通過(guò)在軸平面上檢測(cè)圓形，可以找到 左心室的主軸。速度圖提供了自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)記的另一個(gè)實(shí)例。速度圖的原理 包括計(jì)算不同幀之間的差，例如v(x，0) = i(x，0)-i(x， 1)，其中，i(x,t)是在 t時(shí)刻的圖像幀，x是空間中的位置?；旧?，v較大的點(diǎn)x對(duì)應(yīng)于移動(dòng)最 快的點(diǎn)，即瓣。顯然，可以使用另一種比該簡(jiǎn)單求差更為魯棒性的估計(jì)。 實(shí)際上，用于自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)記的很多其他手段對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯 而易見(jiàn)的。
應(yīng)該注意，上述實(shí)施例是說(shuō)明性的而不是限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人 員在不脫離附帶的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍的情況下可以設(shè)計(jì)出很 多可替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，放置在圓括號(hào)中的任何參考標(biāo)記都不應(yīng) 視作對(duì)權(quán)利要求的限定。單詞"包括"以及類似詞語(yǔ)并不排斥任一權(quán)利要 求或整個(gè)說(shuō)明書(shū)中所列出的元件或步驟之外的其他元件或步驟的存在。元 件的單數(shù)形式并不排斥多個(gè)該元素形式的情況，反之亦然。本發(fā)明可以借 助于包含幾個(gè)不同元件的硬件或者借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在枚 舉了幾種裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，其中幾種裝置可以用同一項(xiàng)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在彼此不同的獨(dú)立權(quán)利要求中所陳述的特定測(cè)量值并不指示這些測(cè)量值的 組合這一事實(shí)并不能作為優(yōu)點(diǎn)來(lái)使用。
權(quán)利要求
1、一種系統(tǒng)，用于生成用于顯示的、針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的、在各個(gè)不同坐標(biāo)上的多個(gè)預(yù)定二維圖像，所述系統(tǒng)包括用于接收針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而獲得的三維圖像數(shù)據(jù)的裝置；用于針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體自動(dòng)確定與一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐標(biāo)的裝置；以及用于從所述三維圖像數(shù)據(jù)生成來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)的相應(yīng)二維圖像的裝置。
2、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于接收表示第一預(yù)定視點(diǎn)的 用戶所選數(shù)據(jù)的裝置；以及用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)或多個(gè)其他預(yù)定視 點(diǎn)的相應(yīng)坐標(biāo)的裝置。
3、 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述用戶所選數(shù)據(jù)通過(guò)以下得到 相對(duì)于所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而人工放置用于捕獲所述三維圖像數(shù)據(jù)的裝 置。
4、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括用于在所述三維圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的一個(gè)或多個(gè)特征的裝置；以及用于根據(jù)所述特征計(jì)算與所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐標(biāo)的裝置。
5、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述二維圖像對(duì)應(yīng)于預(yù)定的二維超聲心動(dòng)圖顯象視圖。
6、 一種方法，用于生成用于顯示的、針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的、在各個(gè)不同坐標(biāo)上的多個(gè)預(yù)定二維圖像，所述方法包括以下步驟接收針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體而獲得的三維圖像數(shù)據(jù)；針對(duì)所述所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體 自動(dòng)確定與一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)坐標(biāo)；以及從所述三維圖像 數(shù)據(jù)生成來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定視點(diǎn)的相應(yīng)二維圖像。
7、 一種顯示設(shè)備，用于顯示所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的圖像，所述設(shè)備包括-如上定義的系統(tǒng)，用于生成針對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)或體的、在各個(gè)不同坐標(biāo)上 的多個(gè)二維圖像；以及顯示裝置，用于顯示所述二維圖像。
8、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括用于生成并顯示相對(duì)于所述所關(guān) 注的結(jié)構(gòu)或體的三維圖像數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種系統(tǒng)與方法，用于從針對(duì)患者的3D圖像數(shù)據(jù)中生成用于顯示的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2D超聲心動(dòng)圖顯象視圖。在一個(gè)實(shí)施例中，從業(yè)醫(yī)生將3D探測(cè)器放置為，使得一個(gè)可視化平面對(duì)應(yīng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2D視圖，然后使用預(yù)先計(jì)算的相對(duì)坐標(biāo)來(lái)自動(dòng)放置并生成其他標(biāo)準(zhǔn)2D視圖?？商鎿Q地，使用標(biāo)記提取算法來(lái)識(shí)別以下的特定特征根據(jù)所述特定特征能夠放置相應(yīng)的可視化平面并且生成標(biāo)準(zhǔn)2D視圖。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101297326SQ200680039697
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者P·索萊爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司