無創式左心室的容積測定的製作方法
2023-06-17 15:30:46 1
專利名稱：無創式左心室的容積測定的製作方法
技術領域：
本發明總體上屬於四維圖像分析領域，更具體地涉及拍攝的心臟圖像攝影序列分析，且甚至更具體地涉及從拍攝的心臟圖像攝影序列測定左心室容積。
作為時間函數的心臟左心室(left ventricle LV)血液容量的估計對於心臟泵血功能的評價是重要的。磁共振成像(MagneticResonance Imaging MRI)由於其超時空和「解剖學」解析度作為該容積評估的金標準而越來越獲得接受。磁共振(MRI)是一種主要用於醫學環境中產生人體內高質量圖像的成像技術。MRI基於核磁共振(nuclear magnetic resonance NMR)原理並發展成體積成像技術。具有確定切片厚度的切片由若干個體積元素或體素組成。計算體素的體積是用切片內的平面內解析度，例如3mm3，乘以整個平面解析度(through-plane resolution)，即切片間距，例如3mm，對於給定的實例，其得出的體素體積為3mm3。磁共振圖像由若干稱為像素的圖像元素組成。像素強度與待成像物體相應體積元素或體素的內容的NMR信號強度成正比。
心臟的短軸草圖(study)由覆蓋心臟某一部分的多個切片和心動周期內的多相位組成。該草圖通過對哺乳動物身體內部進行成像的裝置獲得，例如磁共振(Magnetic Resonance MR)，計算機斷層攝影(Computer Tomography CT)，超聲(Ultrasound US)或核醫學(Nuclear Medicine NM)裝置。可獲得圖像序列以供進一步分析。
為估計LV容積，左和右心室從頂部(底部)到基部(瓣膜平面)都覆蓋在該草圖中。從而可獲得心臟的四維圖像。多個切片(約10至15個)構成心臟的三維圖像。第四維是時間。一個完整的心臟收縮周期，即從舒張期末(心臟完全鬆弛，heart fully relaxed-ED)到收縮期末(心臟完全收縮，heart fully contracted-ES)並返回ED的一次心跳，通常在心動周期內約20個相位處獲得。
近似從MR圖像測量LV容積通常所採用的方法包括兩個步驟。首先描繪(delineate)心內膜輪廓，即內部心肌邊界，在MR圖像心臟草圖的全部MR圖像，通常為短軸切片描繪。心肌為心臟肌肉壁。其收縮以將血液泵出心臟，而後當心臟再注入回血時鬆弛。其外表面稱為心外膜，而其內層稱為心內膜。此後基於該輪廓內的面積和關於切片間距以及體素體積的知識計算LV容積。
已提出了若干種自動描繪LV心內膜輪廓的方法。然而，到目前為止，沒有一種方法能夠進行真正的自動描繪，因為臨床用戶不得不進行大量人工輪廓修正。在乳突肌或小梁面前，在心肌頂點處或當描繪ES相位時，根據現有技術的方法會產生偽結果。臨床醫生需要大量時間在典型MRI攝影系列上進行一組描繪，即每系列約400次描繪或幾小時的人工工作。例如，20相位乘以10切片乘以2輪廓＝400輪廓乘以10秒每輪廓＝1小時11分；然而在實際中，這必須進行4-5個強度水平，從而總時間可高達5小時。該時間約束抑制了LV容積測定中人工描繪的定期結合。
在US-B1-6,438,403中公開了另一種測定LV容積的方法。識別左心室LV圖像區域內的籽晶體素，並將毗鄰體素的強度值與一閾值相比較以確定體素是對應於血液還是對應於肌肉組織。對於每個對應於血液的毗鄰體素，識別其毗鄰體素並與該閾值相比較，由此重複該過程直到遇到預先建立的空間邊界或新毗鄰體素數指示該過程移動到相鄰心室內。所識別的血液體素數據用於計算心室容積。必須將大量數目的體素與毗鄰體素比較。該方法複雜且需要考慮計算能力。根據用於計算的計算機設備的能力，或者需要花費很長時間獲得計算結果，或者如果採用快速設備，就意味著完成該計算在資金的代價上是很大的。該方法的另一個缺點是籽晶體素必須人工或自動識別，無論哪種情況都易於出錯。此外有籽晶區域生長的方法具有共同的缺點是只能檢測在其中放置籽晶的容積。如果，例如，由於乳突肌的特定幾何形狀，LV容積由兩個非連接子容積組成，兩個子容積中的一個可能會遺漏，則根據US-B1-6,438,403的方法計算的LV容積是不正確的。
本發明的一個目的是一種在心動周期期間無創測定LV容積的可靠方法。另一個目的是提供一種比現有技術方法需要更少計算，從而更快獲得結果的方法。
本發明通過提供一種方法和包括根據附加專利權利要求書的計算程序的計算機可讀介質克服了上述現有技術中缺點並至少解決了上述識別問題。
根據本發明的總體解決方案是僅採用在舒張期末(ED)-即心臟完全鬆弛時所獲得的3D圖像中的心內膜輪廓來估計LV容積。這些輪廓可人工指定或(半)自動地得出。基於這些輪廓以及在全部其它圖像中的像素強度，估計LV容積。
更具體地，根據本發明的基於圖像的LV容積測定方法是基於攝影系列中的強度變化。其背後的理論基於下列內容-血液的信號強度在整個心動周期中近似恆定，不依賴於獲得圖像所使用的成像方法，例如MR、CT、US、NM。
-血液的強度明顯不同於心肌的強度；對於CT和MR，血液比心肌組織亮，而且血液強度非常強，比心肌或肺組織強得多，且比與任何存在的心外膜脂肪可比的強度強得多。在US和NM中，血液通常較暗而心肌組織較亮。因此在心肌組織和血液之間存在強度對比，不依賴於所使用的成像裝置/方法。
-跨過心動周期的直方圖中的變化由來自心室內血液隨心室改變大小的強信號佔優勢。
-該變化與心室大小變化成正比，該測量從而提供一種測定心室容積和其它可導出的心臟功能性參數以及心動周期中的相位的方法。
根據本發明的一些方面，公開一種從通過對哺乳動物身體內部成像的裝置拍攝的心臟圖像攝影系列測定心動周期期間總左心室(LV)容積的方法和計算機可讀介質。對哺乳動物身體內部成像的裝置優選為磁共振(MR)，計算機斷層攝影(CT)或核醫學(NM)模態或超聲(US)裝置。
根據本發明一個方面，提供一種方法，其中該方法從心臟攝影系列測定心動周期期間總左心室(LV)容積。該方法包括的步驟有在舒張期末(ED)時描繪心臟攝影系列的全部切片中的心內膜和心外膜輪廓，並隨後將這些在ED時描繪的心內膜輪廓應用到心動周期的所有相位，並基於在ED時描繪的這些心內膜輪廓內的強度值來計算LV容積。
根據本發明的另一方面，提供一種計算機可讀介質，其上已嵌有由計算機進行處理的電腦程式，該程序用於從心臟攝影系列來計算心動周期期間的左心室(LV)總容積。該電腦程式包括在舒張期末(ED)描繪心臟攝影系列的全部切片中左心室的心內膜和心外膜輪廓的第一代碼段，將在ED時描繪的心內膜輪廓應用到心動周期的所有相位的第二代碼段，以及基於在ED時描繪的心內膜輪廓內的強度值來計算LV總容積的第三代碼段。
本發明優於現有技術的優點在於提供一種在心動周期期間的可靠無創的LV容積快速評估。此外，根據本發明的LV容積測定是高度準確和可再現的。
本發明的進一步的目的、特點和優點將從下列本發明實施例的參照附圖的描述而變得更為明顯，附圖中
圖1是示意性說明術語「短軸」的透視圖；圖2A是示出所描繪的LV心肌在ED時的心內膜和心外膜壁的心臟MR圖像；圖2B是圖2A的示意圖；圖3A是示出所描繪的LV心肌在ES時的心內膜和心外膜壁的心臟MR圖像；圖3B是圖3A的示意圖；圖4A是在心動周期從ED到ES期間8幅MR圖像的心臟MR序列，其中描繪有在ED得出的LV心肌的心內膜和心外膜壁，並複製到後續相位；圖4B是圖4A的示意圖；圖5是表示根據本發明的方法實施例的流程圖；圖6和7是表示對於與整個序列人工描繪計算進行比較的兩個病人，根據本發明的方法計算的在心動周期期間LV總容積的變化的曲線圖。
圖8是一組表示對於與整個序列人工描繪計算進行比較的六個病人，根據本發明的方法計算的在心動周期期間不同MR切片中LV容積變化的曲線圖。
圖9是示出根據本發明的計算機可讀介質實施例的示意圖。
在根據圖5的本發明實施例中，示出方法10。根據方法10，通過評價由覆蓋整個心臟的多切片和心動周期內的多相位組成的心臟短軸MRI攝影系列在心動周期上計算LV容積。心動周期的MRI攝影系列不限於MRI攝影系列且在此描述的該實施例的MRI攝影系列不起限制作用。此外，根據本發明的方法可從任何心臟攝影系列測定LV容積，不依賴於採用何種方法或裝置來拍攝心臟攝影系列。圖1中示出短軸切片的輪廓，其中示出了長軸2和短軸切片3。此外，心臟部分1示出左心室6、右心室7、心肌4、心外膜8和心內膜5。
假設在該方法中，MRI攝影系列的第一圖像對應於心動周期中的ED相位。這一假設並非對所有所採用的圖像組都成立；然而第一圖像與ED相位間隔至多兩個圖像。ED相位定義為由人工建立的心內膜輪廓所包圍的切片內容積為最大時的相位。在ED圖像位於攝影系列的另一位置的情況下，可對圖像做一個簡單的重新排序以使其成為第一圖像。
遵循該假設，在心動周期內任何後續相位時的血液容量將會小於ED時的血液容量。心臟的人工觀測顯示心外膜輪廓(即心肌外部邊界)的趨勢，在整個心動周期內保持相對固定，而心內膜表面向內運動，當其接近ES時，近似朝向左心室血池的質心。這可在圖4所示的示範性圖像序列中看出。
當把ED心內膜描跡複製到所有後續相位時，在ED時進行的心內膜描跡則會包含所有切片的LV血池。由於心外膜表面相對靜止的特性，所以包含心外膜或任何心外膜以外的器官也是不可能的。因此，這種複製到所有後續相位的描跡將包含只源自LV心肌和LV血池的信號。心臟的任何運動可自動用(嚴格)配準技術補償，如用於第一遍心肌灌注MR圖像系列的運動補償，例如，如M.Breeuwer，M.Quist，L.Spreeuwers，I.Paetsch，N.A1-Saadi和E.Nagel等人於2001年6月在德國柏林的會議錄CARS 2001上發表的「Towards automaticquantitative analysis of cardiac MR perfusion images」中所描述的。
通過對攝影系列中的第一圖像(接近ED時)的心內膜描跡21和心外膜描跡20，計算出心肌23(在描跡20，21之間)的平均體素強度。這在圖2A和2B中以示範性的MR圖像200(圖2A)和相應的示意圖201(圖2B)示出，其中LV血液容量22在心內膜描跡21內。當心內膜描跡21複製並粘貼到後續相位(如圖4A和4B所示)並對所包含的體素進行積分時，該積分主要是血液和包含的心肌所產生的強度得到，也就是IT＝IB+IMYO(1)其中IT為總信號強度，IB為血液產生的信號強度，IMYO為包含在該輪廓內的任何心肌產生的信號強度。如圖3A，3B和圖4A，4B中可以看出，心內膜向LV血池的質心移動。圖3A是示範性MR圖像300(圖3A)，而相應的示意圖301在圖3B中示出。在ES時的心內膜描跡是用圖3A和3B中所示的線31所描繪的。在ES時的LV血池在32示出。在ES時的心外膜描跡30大致與在ED時的心外膜描跡相同。因此心肌對整個強度的貢獻將從ED(圖4A中的圖像41)到ES(圖4A中的圖像42)增加並從ES返回ED時減少。其它貢獻可來自於肺部、右心室血池和心外膜脂肪。這些將僅在當心臟運動較大使它們在後續相位由心內膜覆蓋的情況下發生。
圖4A和4B示出從ED41到ES42在時間t上的攝影序列。圖4A是示範性MR攝影序列400，而相應的示意圖401在圖4B中示出。線45指示在ED之後的後續相位的心內膜邊界且包含血池46。從ED到ES的點線21指示在ED時所描繪的心內膜描跡。
由輪廓(AT)所包含的總面積等於血液產生的面積(AB)和心肌產生的面積(AMYO)之和，從而AT＝AB+AMyD(2)在步驟51計算這些面積。
在該方法的步驟52，為心肌(SMYO)和血液(SB)計算每個體素的平均強度，其中二者均從初始心內膜和心外膜描跡計算，並假設該信號強度與所包含的面積成正比，也就是IB＝AB×SB(3)和IMYO＝AMYO×SMYO(4)解方程1，2，3，和4以得出血液所產生的信號強度IB(方程5)，得到由血液產生的積分強度的改進估計。這包括對來自可能存在的任何心肌的信號的補償。
IB=SBIT-SDSMYOATSB-SMYO---(5)]]>因此，在CMR心動周期的某一相位注入血液的總LV容積VLV計算為VLV=i=1nVED,iIT,iIT,ED---(6)]]>
其中n為包括LV總容積的切片總數，VED，i是在LV舒張期末該LV的切片數i的計算容積值，IT，i是在心內膜定界切片i的檢測強度，以及IT，BD是ED時的總強度。這在所示方法的步驟53中進行。
VLV是時間t的函數並如上所述在心動周期期間變化(在ED時最大，在ES時最小)。計算出的VLV(t)的兩個實例如圖6和7中的實線所示。因此在方法的步驟54中檢查，是否已從MR攝影系列對被檢測的心動周期中的所有相位均計算了該LV容積。在對所有相位計算了全部LV容積之前，該方法通過在步驟55增加至下一相位切片並如上所述計算複製的ED心內膜描跡內的強度，而分支返回步驟53。以這種方式計算全部切片的LV容積的總和得到每個相位的總LV容積，最後得出整個MR攝影系列上的總LV容積，如圖6和7中的曲線圖所示。
進行臨床研究來驗證該方法。在十個進行心臟MRI以進行冠狀動脈疾病調查的病人中獲得短軸心電圖觸發的穩態自由進動SENSE圖像。從8-9個鄰接切片中選取對應於接近基部、中部和頂部的三個切片，以下面的數據進行成像切片厚度8-10mm；視場350×344-390×390mm；圖像尺寸256×256；在該心動周期中有20-25個相位；翻轉角50-55°；TE 1.56-1.68ms；TR 3.11-3.37ms。該圖像是在具有主梯度的Philips Gyrostan Intera 1.5T上，利用五元(five-element)心臟協同線圈以及向量心電圖獲得的。
對於每個選定切片，每個圖像組的心內膜和心外膜描跡都是對第一圖像人工執行的。從這些描跡來計算AT，SMYO和SB。對於每個後續圖像，通過對由心內膜描跡所包含的全部體素的強度值求和來計算IT。而後根據方程5計算IB。
為驗證該結果，對每個圖像進行人工描繪並計算那個輪廓所包含的體素數。將體素數乘以單個體素的容積以得到每個圖像的總心內膜容積。通過計算使第一圖像的積分值與該圖像人工的描跡所包含的容積一致的因數，使IB值標準化為心內膜容積以使它們繪製在相同軸上。該因數而後應用到該切片全部圖像的強度和中。得出值的曲線如圖8所示。這些軌跡，與其人工導出軌跡極為相似。強度導出軌跡的平滑特性暗示對心功能的描述比粗糙的人工導出軌跡看上去更加真實，這是由於在人工描繪中存在固有誤差。
圖6-8所示的曲線圖顯示與由人工描繪產生的容積類似的形狀和特性。
對該方法或至少該結果的進一步改進可包括對乳突肌的描繪並且考慮到它們對容積測量結果的後續影響。可以預料，這種變形可用於進一步改進所獲得曲線的相似度。
圖9示出本發明另一個實施例9的示意圖。在計算機可讀介質90上嵌有由計算機91進行處理的電腦程式，該程序以從所提供的MRI攝影系列計算在心動周期期間整個左心室(LV)的容積。該電腦程式包括用於在舒張期末(ED)描繪MR攝影系列的所有切片中左心室的心內膜和心外膜輪廓的第一代碼段92，用於將在舒張期末時描繪的心內膜輪廓應用到心動周期的所有相位的第二代碼段93，以及用於基於在ED時描繪的心內膜輪廓內的強度值來計算整個LV容積的第三代碼段94。該計算機通常為通用計算機。
當採用MR圖像時，穩態自由進動(SSFP)MR圖像特別適合於根據本發明的LV容積測定，因為SSFP MR圖像中的血液信號強度在整個心動周期中接近恆定。
除評估LV容積外，該方法還可用作在不同壓力水平下獲得的LV功能圖像時間配準中的第一步驟。LV功能通常以壓力水平數(4-5個水平)來評估。作為漸增壓力的函數的心臟時間活動是極其非線性的，這意味著所得到的相位不能簡單地由時間軸的線性縮放進行匹配。可採用所測量的LV容積曲線作為一個輸入來進行時間縮放。在這些曲線中，例如可確定壓縮和鬆弛的時間間隔，且這些時間間隔可在壓力水平之間匹配。
通過以上所描述的功能心臟MR(CMR)圖像的處理，有可能確定某個圖像是在心動周期中的哪一點獲取的。這些包括靜止/壓力數據組中等價圖像的確定，用於使配準策略最優化或對心動過速病人進行評價的ES識別。
可以用幾種方式來導出這種相位信息，可由其確定相位的兩個主要方式是，從同時記錄的ECG信號，或從實際圖像數據。一種可替換的然而極為有創的方法是通過分析由心室內壓力導管獲得的測量結果。根據本發明的實施例，心動周期內的相位確定是通過分析MRI攝影圖像系列進行的。
最明顯和最常用的確定相位的圖像導出方法是通過攝影系列的人工觀察。可替換地，可進行左心室心內膜表面描跡所包含的容積分析。這已用於識別可商業獲得的MASS包(版本4.2，Medis，Leiden，theNetherlands)中的舒張期末和收縮期末。然而，雖然識別出ED和ES相位，此處需要整個心動周期的表示，但是在這些點之間已進行了線性內插。
無論人工還是自動生成的一組心內膜描跡都包含了進行心動周期內相位具體分析的足夠數據。目前，當如上所述進行描繪時，自動描繪技術遇到一些難題。
對於那些將心肌顯示得比左心室血池更亮的成像模式，在應用根據本發明的LV容積測量方法之前要採用預處理步驟來轉換圖像。
根據本發明的方法通常在通用計算機上實施。然而，該方法還可在專用方案中實施，如由例如DSP晶片ASIC之類的特定設計的集成電路等執行的代碼段。
以上已參照具體實施例對本發明進行了描述。然而在附加的權利要求書範圍內的，還可同樣存在除上述優選實施例外的其它實施例，例如，除上述描述以外的描繪心內膜和心外膜輪廓的不同方式，拍攝攝影系列的不同方式，計算攝影圖像中強度的不同方式，攝影圖像的不同切片厚度，表示心動周期的不同數目的相位/圖像，由硬體或軟體執行上述方法，其它拍攝裝置或獲取心臟攝影系列的方法等。
此外，術語「包括/包含」在本說明書中使用時，不排除其它元件或步驟，術語「一」和「一個」不排除多個和單個處理器或其它單元可完成權利要求書中所記載的幾個單元或電路功能。
權利要求
1.一種從心臟攝影系列測定在心動周期期間左心室(LV)內部總容積的方法，該方法包括以下步驟在舒張期末(ED)描繪所述攝影系列的全部切片中左心室的心內膜和心外膜輪廓，將在ED時描繪的心內膜輪廓應用到心動周期的所有相位，和基於在ED時描繪的心內膜輪廓內的強度值來計算LV內部總容積。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括基於所描繪的心內膜和心外膜輪廓來計算在ED時心肌和血液體素的平均強度。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括採用平均強度值來補償在心動周期的後續相位期間在ED時所描繪的心內膜輪廓所包圍的心肌。
4.根據權利要求3所述的方法，其中LV內部容積按下式計算VLV=i=1nVED,iIT,iIT,ED,]]>其中n是包括LV總內部容積的切片總數，VED，i是所計算的在LV舒張期末的LV切片數i的內部容積，IT，i是心內膜定界內切片i的所檢測到的強度，和IT，ED是在ED時的總強度。
5.根據前述權利要求中任一個所述的方法，其中所述攝影系列是包括覆蓋至少左心室和心動周期內多個相位的多切片的心臟短軸草圖。
6.根據前述權利要求中任一個所述的方法，還包括從在不同壓力水平獲得攝影序列來測定LV容積，由此確定作為漸增壓力的函數的心臟的時間活動。
7.根據前述權利要求中任一個所述的方法，其中所述攝影系列是在所述方法之前在用於對哺乳動物身體內部進行成像的裝置上拍攝的。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述用於對哺乳動物身體內部進行成像的裝置是磁共振(MR)，計算機斷層攝影(CT)，核醫學(NM)或超聲(US)裝置。
9.根據權利要求8所述的方法，其中MRI草圖包括穩態自由進動(SSFP)成像。
10.根據前述權利要求中任一個所述的方法，還包括補償心臟運動。
11.一種計算機-可讀介質(90)，在其上嵌有由計算機(91)進行處理的電腦程式，該程序從攝影系列計算在心動周期期間左心室(LV)總容積，該電腦程式包括用於在舒張期末(ED)描繪所述攝影系列的全部切片中左心室的心內膜和心外膜輪廓的第一代碼段(92)，用於將在ED時描繪的心內膜輪廓應用到心動周期的所有相位的第二代碼段(93)，以及用於基於在ED時描繪的心內膜輪廓內的強度值來計算整個LV容積的第三代碼段(94)。
12.根據權利要求11所述的計算機-可讀介質，其中所述第一代碼段自動描繪心內膜和心外膜輪廓。
全文摘要
一種方法和一種包括用於計算心動周期期間總左心室(LV)容積的程序的計算機可讀介質。僅採用在舒張期末(ED)－即心臟完全鬆弛的時刻－獲得的心臟3D圖像中的心內膜輪廓來估計LV容積。這些輪廓由人工指定或(半)自動導出。以這些輪廓以及全部其它圖像的像素強度為基礎，基於由該輪廓(ED LV血池)所包圍面積內的強度變化來估計LV容積。這些變化與心室大小的變化成正比。因此，可導出心室容積和其它可導出的心功能參數以及心動周期內的相位。在該方法之前，拍攝3D圖像採用對哺乳動物身體內部成像的裝置，如磁共振(MR)，計算機斷層攝影(CT)，核醫學(NM)或超聲(US)裝置。
文檔編號G06T5/00GK1777898SQ200480010928
公開日2006年5月24日 申請日期2004年4月23日 優先權日2003年4月24日
發明者N·M·I·諾布勒, M·布裡尤維 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司