用於測量左心室扭轉的系統和方法

2023-08-05 00:44:36 2

專利名稱：用於測量左心室扭轉的系統和方法
用於測量左心室扭轉的系統和方法本公開通常涉及超聲圖像量化，尤其涉及使用三維超聲數據測量左心 室扭轉的系統和方法。左心室(LV)扭轉或扭曲為在心臟收縮期間心室頂點相對於底部的逆 時針旋轉。更具體地，LV扭轉為圍繞LV軸的大約10°旋轉。直到不久前 人們還認為LV扭轉具有很小的臨床相關性。近來，該觀點被改變，並且人 們認為測量LV扭轉在診斷某些心血管疾病中是有價值的，所述疾病諸如缺 血性疾病一血流被限制到身體的一些部分的一種狀況。人們試圖使用複雜的射線活動攝影技術(cineradiography techniques) 測量LV扭轉，其中，將一根不透射線的金屬線(例如，不鏽鋼)作為基準 線植入心臟組織中。其他微創技術也被用於研究LV扭轉，諸如磁共振成像 (MRI)和經食管超聲心動圖(TEE)。然而，這些技術也是複雜、耗時和 昂貴的。例如，TEE需要將撓性管插入患者的食管中，而MRI在幽閉恐懼 狀況下將患者長時間置於固定不動的位置。因此，需要一種使用成像技術測量LV扭轉的系統和方法，其快速、相 對便宜並且易於操作。本公開的一個方面提供一種使用三維超聲數據測量左心室扭轉角的系 統和方法。成像系統收集至少一個心動周期的三維超聲數據。在收縮期開 始時將一個或多個跟蹤點置於所述三維數據上。之後在整個收縮期跟蹤所 述點以確定左心室的扭轉角。本發明的另一方面為切割三維超聲數據以獲得二維切片，從而捕捉左 心室的第一和第二短軸視圖， 一個在收縮期的開始，另一個在收縮期的結 束。其後，將兩個或更多的跟蹤點置於在收縮期開始時取得的第一短軸視 圖上並繪出與所述點相交的第一線。在第二短軸視圖上跟蹤所述點並且繪 出第二線，所述第二線以與扭轉角相同的角與第一線相交。根據本公開的一個實施例，公開了一種用於確定左心室的至少一個扭 轉角的系統。所述系統包括數據採集硬體，其用於收集左心室的三維超聲數據以獲得所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視 圖，其中，第一二維視圖是在收縮期開始時獲得的而第二二維視圖是在收縮期結束時獲得的；顯示器，其用於將至少兩個跟蹤點置於所述至少一幅 第一二維視圖上以繪出第一扭轉線；以及處理裝置，其用於跟蹤所述至少 兩個跟蹤點以在所述至少一幅第二二維視圖上對所述至少兩個跟蹤點的位 置進行外推並繪出第二扭轉線，並且通過測量由第一和第二扭轉線相交形 成的角計算所述至少一個扭轉角。根據本公開的另一實施例，公開了一種用於確定左心室的至少一個扭 轉角的方法。所述方法包括以下步驟收集左心室的三維超聲數據以獲得 所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中，第 一二維視圖是在大約心動時相開始時獲得的而第二二維視圖是在大約心動 時相結束時獲得的；將至少兩個跟蹤點置於所述至少一幅第一二維視圖上 以繪出第一扭轉線；跟蹤所述至少兩個跟蹤點以在所述至少一幅第二二維 視圖上對所述至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第二扭轉線；並且通 過測量由第一和第二扭轉線相交形成的角計算所述至少一個扭轉角。根據本公開的另一實施例，公開了一種用於確定左心室的至少一個扭 轉角的方法。所述方法包括以下步驟從大約心動時相的開始到大約心動 時相的結束收集左心室的三維超聲數據；將至少四個三維跟蹤點置於三維 超聲數據上；處理至少四個三維跟蹤點以生成三維網格；並通過比較三維 網格與三維超聲數據計算所述至少一個扭轉角。根據本公開的另一實施例，公開了一種可編程指令系列，其存儲於計 算機可讀介質上並由至少一個處理器執行以用於確定左心室的至少一個祖 轉角。可編程指令系列包括以下步驟收集左心室的三維超聲數據以獲得 所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中，第 一二維視圖是在收縮期開始時獲得的而第二二維視圖是在收縮期結束時獲 得的；將至少兩個跟蹤點置於所述至少一幅第一二維視圖上以繪出第一扭 轉線；跟蹤所述至少兩個跟蹤點以在所述至少一幅第二二維視圖上對所述 至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第二扭轉線；並且通過測量由第一和第二扭轉線相交形成的角計算所述至少一個扭轉角。
下面將在此參照附圖描述本公開的各實施例，其中

圖1為根據本公開的系統的框圖2為示出根據本公開的操作方法的操作流程框圖3為根據本公開的心臟的三維超聲圖像；
圖4為根據本公開的圖3的心臟的雙室超聲圖像；
圖5為根據本公開的圖3的心臟的單室超聲圖像； ' 圖6為根據本公開的圖3的心臟的短軸超聲圖像；
圖7A-D為示出根據本公開的圖3的心臟的扭轉運動的短軸超聲圖像;
圖8A-D為示出根據本公開的圖3的心臟的乳頭肌尖端的跟蹤的短軸 超聲圖像；
圖9為示出根據本公開的圖3的心臟的左心室的正常旋轉角的圖形；
圖IO為示出根據本公開的操作的替代方法的操作流程框圖；以及
圖11為根據本公開的具有三維網格的心臟的三維超聲圖像。
本公開涉及用於測量左心室扭轉的系統和方法。所述方法包括使用
3D超聲回波圖(ultrasoundechograph)採集左心室(LV)的三維(3D)視 覺數據的步驟。獲得二維截面視圖。更具體地，獲得左心室的短軸視圖並 選擇某些用於跟蹤的解剖點。在預定周期跟蹤所述解剖點以量化LV的扭轉 角。本領域的技術人員將會理解使用人的心臟作為示例描述本公開，並且 本公開可以應用於能夠具有LV扭轉的其他物種的心臟。
在本公開中，扭轉角包括捕獲心動周期的成像數據的每一幀的角，其 可以表示曲線、曲線的最大扭轉角、扭轉速度(例如，度每秒)，也可以表 示為曲線、最大扭轉速度、所述角到達其最大值的時間(例如，以度或度 每秒計)，等等。
、 參照圖l，示出了超聲成像系統12。系統12能夠生成3D超聲回波圖 以用於採集和存儲超聲圖像，諸如從飛利浦醫療系統公司(Philips Medical Systems)獲得的SONOS 7500型數字超聲心動描記系統或正33 PMS系 統。系統12包括諸如超聲換能器和鍵盤的數據採集硬體14，用於處理數據的處理器16，以及能夠顯示軟體量化工具的圖形用戶界面的監視器18,下 面更詳細地解釋通過成像系統12獲得的回波圖及其二維切片。
系統12還包括操作軟體22，所述操作軟體能夠由處理器16執行以用 於執行成像系統12的各種功能，諸如超聲圖像採集和諧波圖像增強。操作 軟體22包括多個軟體模塊24ai-24an或插件以用於執行各種功能，包括本 公開的功能和特徵。
優選地將多個模塊24ai-24an存儲於諸如計算機硬碟驅動器的記憶存儲 設備內、諸如RAM或ROM模塊的記憶模塊內、和/或諸如CD-ROM的計 算機可讀介質上，並且能夠被訪問以用於由處理器16執行。優選地將多個 軟體模塊24a,-24^結合於軟體量化工具內以用於超聲圖像和其他相關數據 的離線圖像審閱、量化和解釋。
參照圖2，現在將論述用於量化LV的扭轉的方法。在步驟100中，使 用成像系統12獲得心臟的3D圖像的序列。在實施例中，3D圖像的序列表 示包括收縮期和舒張期的一個或多個心動周期。可以以每秒大約15到大約 30或大約50幅圖像的速率採集圖像序列，序列的每幅圖像與心動周期的示 例相關聯。
在步驟102中， 一旦3D超聲數據被收集，使用軟體模塊24a中的一個 獲得LV的短軸視圖。如本領域中所已知的，心臟被描述為具有縱向軸和短 軸。短軸橫向地穿過心臟，如圖6中所示，沿著短軸取得的切片表示心臟 的截面視圖，並在下面進行更詳細的論述。
圖3示出了在步驟100中獲得的心臟的三維超聲圖像，包括通過其中 的三個二維切片30， 32, 34。如在圖4中所示，切片30為垂直的並且包括雙 室的圖像。參照圖5，切片32也為垂直的並且包括心臟的單室視圖。圖6 示出了橫向切片34，其包括心臟的短軸視圖。在步驟102中使用軟體模塊 24a中的一個獲得切片34。可以預見可以獲得一個或多個橫向切片以在這 些視圖的每個計算扭轉角。
橫向切片34的短軸視圖表示左心室(LV) 36的一幅視圖，其示出了 前乳頭肌38和後乳頭肌39，所述乳頭肌將在跟蹤LV扭轉角中用作解剖跟 蹤點，這在下面更詳細地進行論述。可以預見可以取得多個橫向切片以獲 得多幅短軸視圖。在心動周期期間，更具體地在收縮期期間，LV36收縮其肌纖維。由於 LV36的心臟纖維成層地定向，多個收縮是己知的縱向收縮，其中，心臟 的瓣膜平面和頂點之間的距離減小；徑向收縮，其中，心臟內邊緣朝著心 髒的中心向內移動，由此減小了LV 36的室的尺寸；以及扭轉運動，對其 的研究，更具體地對扭轉運動的角度量化和分析是本公開的主題。
在扭轉運動期間，LV36的頂點部分逆時針旋轉，同時靠近瓣膜平面的 底部沿著相反的順時針方向旋轉，引起如圖7A-D中所示的扭轉運動。因 此，為了精確計算扭轉角，優選地使用LV 36的一個或多個橫向切片。更 具體地，圖7A-D示出了收縮期期間LV36的旋轉。圖7A示出了在心動周 期的舒張期結束時(例如在收縮期開始時)在乳頭肌38, 39切片處取得的 短軸視圖。圖7B示出了在收縮期結束時在乳頭肌38， 39切片處取得的另一 短軸視圖。圖7C示出了在收縮期結束時更靠近頂點和在乳頭肌38， 39之下 取得的LV36的又一短軸視圖。且圖7D示出了在與圖7D相同的切片但是 在收縮期結束時取得的LV36的最後短軸視圖。
如在圖6，7A-D中所示的，在步驟102中獲得LV36的一幅或多幅短軸 視圖之後，在步驟104中選擇跟蹤點。參照圖8A，將跟蹤點40置於前乳 頭肌38上並將跟蹤點42置於後乳頭肌39上。使用軟體模塊24a中的一個 執行跟蹤點的放置。在監視器18上顯示優選視圖並且用戶通過使用定點設 備(未顯示)或其他輸入設備選擇跟蹤點40,42。
優選地使用至少兩個跟蹤點確定LV 36的扭轉角。另外，可以將跟蹤 ，置於LV 36的其他解剖區域附近或其內，諸如心肌，二尖瓣環等。以上 fe跟蹤點放置僅僅是本公開的示例性實施例。可以預見可以跟蹤整個心肌 (例如，通過使用網格重疊分析)。
在舒張期結束時在前乳頭肌38， 39取得的切片的短軸視圖上實現跟蹤 點40，42的放置，如圖8A中所示，其示出了與圖7A相同的截面視圖，即 在舒張期結束時在前乳頭肌38, 39取得的切片的截面視圖。該視圖最佳地 表示收縮期的開始，在此期間可以檢測扭轉運動。另外，該切片也提供了 乳頭肌38， 39的一幅視圖，所述乳頭肌被用作解剖標記。
可以預見可以將跟蹤點置於從LV 36的多個切片獲得的多幅橫向視圖 上。更具體地，參照圖7C-D示出了更靠近心臟的頂點的LV 36的橫向切片，所述切片也可以用於將跟蹤點置於其上並獲得扭轉角測量。收集在LV 36 的不同部分的多個扭轉角的測量允許比簡單比較從一幅側視圖獲得的單一 測量更好的分析。
在步驟106中，跟蹤點40，42由系統12跟蹤以確定收縮期期間的扭轉 角。通過參照如在圖8C中所示的在收縮期結束時的跟蹤點40, 42的位置與 如在圖8A中所示的在舒張期結束時的跟蹤點40, 42的位置實現跟蹤。
更具體地，圖8C示出了基本類似於在圖7C中所示的視圖。圖8C示 出了在收縮期結束時在與如圖8A中所示的相同的橫向切片處置於乳頭肌 38，39的跟蹤點40,42。在收縮期結束時，乳頭肌從如圖8A中所示的在舒 張期結束時的其初始位置移位。系統12確定跟蹤點40,42的位移，更具體 地，領!J量與LV36的扭轉角相同的位移角。
圖8B示出了跟蹤點40, 42，此時其在舒張期結束時被定位，圖8D示 出了跟蹤點40,42，此時其在收縮期結束時被定位。系統12外推第一扭轉 線44，更具體地，在跟蹤點40, 42如圖8A中所示被放置之後繪出與跟蹤 點40,42相交的第一線44。
其後系統12生成與跟蹤點40， 42相交的第二扭轉線46，此時其在收縮 期結束時被定位。第一線44和第二線46以角A彼此相交。在步驟108中 系統12確定角A。 角A與LV36的扭轉角相同並允許確定扭轉角是否在正 常範圍內。
如果使用一個以上的切片，針對定位於所有橫向切片上的所有跟蹤點 重複跟蹤步驟。如果利用多個切片，則針對所使用的每個切片，獲得至少 兩幅圖像，LV36在收縮期開始時的一幅圖像和在收縮期結束時的另一幅圖 像。如上面參照圖8A-D所述的，具有在收縮期開始和結束時的給定切片 的圖像允許外推第一和第二扭轉線。
系統12可以包括關於正常扭轉角的數據或者可以參考包含相同數據的 外部源以確定角A是否正常。圖9示出了一個圖形，該圖形示出了心動周 期期間LV36在針對心內膜和心外膜邊緣的頂點和底部切片的正常扭轉角。 將角A與圖9中的數據相比較，使用軟體模塊24a中的一個，系統12的操 作者可以分析或者系統12可以對數據進行分析以確定角A是否正常。
也可以預見在步驟108中提取其他參數。系統12可以計算描述整個LV36的扭轉的總體扭轉角，描述LV36的特定段的扭轉的區域扭轉角。當 在心臟圖像的分析期間常規地將LV 36細分為十七個解剖區域時(例如， 從瓣膜到頂點)區域扭轉角是特別有用的。更具體地，區域扭轉角可以彼 此比較。系統12可以計算十七個段的每一個的區域扭轉角。另外，系統12 可以計算局部扭轉角，所述局部扭轉角為扭轉角的參數表示。計算局部扭 轉角並且將其顯示在3D網格上(例如，重疊在3D數據上)或者顯示在2D 圖示(例如，極坐標映射圖、"牛眼"描記圖("Bull's Eye" plot)等)上。
圖IO示出了用於計算LV扭轉角的替代方法。在步驟200中使用成像 系統12獲得包括一個或多個心動周期的心臟的3D圖像的序列。在圖11 中示出了樣本3D心動周期數據。不同於圖2中所示的和上面所述的方法， 沒有對3D數據進行切割以獲得LV36的2D短軸視圖。相反地，用戶在步 驟202中在3D數據中輸入四個或五個3D跟蹤點，更具體地，將三個或四 個點置於二尖瓣水平並且將一個置於心內膜頂點。在實施例中，可以在系 統12的幫助下自動地或半自動地選擇點(例如，用戶選擇起始的五個點， 而系統12完成選擇其餘的點)。也可以預見可以使用二維切片放置三維跟 蹤點並且之後將其外推到三維數據中。
在步驟204中，對跟蹤點進行跟蹤。更具體地，成像系統12確定如由 3D網格210所表示的包括四個或五個跟蹤點的LV 36的平均形狀和所述跟 蹤點之間的仿射變形。也對平均形狀執行自動變形程序以與3D數據匹配 (例如，3D"蛇形"方法，其在本領域的技術人員的範圍內)。跟蹤可以使 用在3D數據的所有定位計算的密集運動場計算實現。使用飛利浦QLab圖 像處理軟體可以實現跟蹤點的放置及其處理，更具體地為3DQ高級插件， 二者都可以從Philips Medical Systems, N.A.， 22100 Bothell Everett Highway, P.O.Box 3003, Bothell,WA 98041-3003獲得。在步驟206中，系統12以與 圖2的方法基本類似的方式量化扭轉角。
在此描述的內容僅僅為本公開的原理的示例。例如，上面描述並且作 為用於操作本公開的最佳模式實現的系統和方法僅僅為了舉例說明的目 的。本領域的技術人員可以在不脫離本公開的範圍和精神的情況下實現其 他布置和方法。
權利要求
1、一種用於確定左心室(36)的至少一個扭轉角的方法，其包括以下步驟收集所述左心室(36)的三維超聲數據以獲得所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中，所述第一二維視圖是在大約心動時相開始時獲得的而所述第二二維視圖是在大約所述心動時相結束時獲得的；將至少兩個跟蹤點(40，42)置於所述至少一幅第一二維視圖上以繪出第一扭轉線(44)；跟蹤所述至少兩個跟蹤點(40，42)以在所述至少一幅第二二維視圖上對所述至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第二扭轉線(46)；以及通過測量由所述第一和第二扭轉線(44，46)相交形成的角(A)計算所述至少一個扭轉角。
2、如權利要求l所述的方法，其中，將所述至少兩個跟蹤點(40,42) 置於所述左心室(36)的解剖區域附近。
3、 如權利要求2所述的方法，其中，所述解剖區域選自由乳頭肌、二 尖瓣環和心肌組成的組。
4、 如權利要求1所述的方法，所述方法還包括 將所述至少一個扭轉角與標準化扭轉角數據相比較。
5、 如權利要求l所述的方法，其中，所述心動時相為收縮期。
6、 如權利要求l所述的方法，其中，所述至少一幅第一二維視圖為所 述左心室(36)的短軸視圖。
7、 如權利要求6所述的方法，其中，所述左心室(36)的所述短軸視圖為通過乳頭肌取得的切片。
8、 如權利要求l所述的方法，其中，所述至少一幅第二二維視圖為所 述左心室(36)的短軸視圖。
9、 如權利要求8所述的方法，其中，所述左心室的所述短軸觀圖為通 過乳頭肌取得的切片。
10、 一種用於確定左心室(36)的至少一個扭轉角的超聲成像系統(12)， 其包括數據採集硬體，其用於收集所述左心室(36)的三維超聲數據以獲 得所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中， 所述第一二維視圖是在收縮期開始時獲得的而所述第二二維視圖是在所述 收縮期結束時獲得的；顯示器(18)，其用於將至少兩個跟蹤點(40, 42)置於所述至少一幅 第一二維視圖上以繪出第一扭轉線(44);以及處理裝置(16)，其用於跟蹤所述至少兩個跟蹤點(40, 42)以在所述 至少一幅第二二維視圖上對所述至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第 二扭轉線(46)，並且通過測量由所述第一和第二扭轉線(44, 46)相交形 成的角(A)計算所述至少一個扭轉角。
11、 如權利要求10所述的系統(12)，其中，將所述至少兩個跟蹤點 置於所述左心室(36)的解剖區域附近。
12、 如權利要求11所述的系統(12),其中，所述解剖區域選自由乳 頭肌、二尖瓣環和心肌組成的組。
13、 如權利要求10所述的系統(12)，其中，所述處理裝置(16)將 所述至少一個扭轉角與標準化扭轉角數據相比較。
14、 如權利要求10所述的系統(12)，其中，所述心動時相為收縮期。
15、 如權利要求IO所述的系統(12)，其中，所述至少一幅第一二維 視圖為所述左心室(36)的短軸視圖。
16、 如權利要求15所述的系統(12)，其中，所述左心室(36)的所 述短軸視圖為通過乳頭肌取得的切片。
17、 如權利要求IO所述的系統(12)，其中，所述至少一幅第二二維 視圖為所述左心室(36)的短軸視圖。
18、 如權利要求17所述的系統(12)，其中，所述左心室(36)的所 述短軸視圖為通過乳頭肌取得的切片。
19、 一種用於確定左心室的至少一個扭轉角的方法，其包括以下步驟-從大約心動時相的開始到大約所述心動時相的結束收集所述左心室(36)的三維超聲數據；將至少四個三維跟蹤點置於所述三維超聲數據上；處理所述至少四個三維跟蹤點以生成三維網格(210);以及 通過比較所述三維網格(210)與所述三維超聲數據而計算所述至少一 個扭轉角。
20、 如權利要求19所述的方法，其中，將所述至少四個跟蹤點中的至 少三個置於二尖瓣水平並將所述至少四個跟蹤點中的至少一個置於所述心 髒內頂點。
21、 如權利要求19所述的方法，其還包括將所述至少一個扭轉角與標 準化扭轉角數據相比較的步驟。
22、 如權利要求19所述的方法，其中，所述心動時相為收縮期。
23、 一種可編程指令系列，其存儲於計算機可讀介質上並由至少一個 處理器(16)執行以用於確定左心室的至少一個扭轉角，所述可編程指令系列包括以下步驟收集所述左心室(36)的三維超聲數據以獲得所述左心室的至少一幅 第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中，所述第一二維視圖是在收 縮期開始時獲得的而所述第二二維視圖是在所述收縮期結束時獲得的-，將至少兩個跟蹤點(40,42)置於所述至少一幅第一二維視圖上以繪出 第一扭轉線(44);跟蹤所述至少兩個跟蹤點(40,42)以在所述至少一幅第二二維視圖上 對所述至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第二扭轉線(46);以及通過測量由所述第一和第二扭轉線(44,46)相交形成的角(A)計算 所述至少一個扭轉角。
全文摘要
提供一種用於確定左心室的至少一個扭轉角的系統和方法。所述方法包括如下步驟收集左心室(36)的三維超聲數據以獲得所述左心室的至少一幅第一二維視圖和至少一幅第二二維視圖，其中，第一二維視圖是在大約心動時相開始時獲得的而第二二維視圖是在大約心動時相結束時獲得；將至少兩個跟蹤點(40，42)置於所述至少一幅第一二維視圖上以繪出第一扭轉線(44)；跟蹤所述至少兩個跟蹤點以在所述至少一幅第二二維視圖上對所述至少兩個跟蹤點的位置進行外推並繪出第二扭轉線(46)；並通過測量由第一和第二扭轉線(44，46)相交形成的角(A)計算所述至少一個扭轉角。
文檔編號A61B8/08GK101505663SQ200680055686
公開日2009年8月12日 申請日期2006年9月1日 優先權日2006年9月1日
發明者H·貝克爾曼, O·熱拉爾, P·阿蘭 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司