一種虛擬經食道超聲心動圖系統及其實現方法

2023-05-20 12:27:01 1

專利名稱：一種虛擬經食道超聲心動圖系統及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種醫學影像技術-超聲醫學影像，尤其是指一種虛擬經食道超聲心動圖系統及其實現方法。
背景技術：
心臟疾病的超聲診斷一直是超聲診斷領域的重點和難點。經食道超聲心動圖(Transesophageal Echocardiography，TEE)是近年來心血管疾病診斷領域的重大進展，它克服了傳統經胸超聲心動圖的不足，為多種心臟和大血管疾病的診斷提供了新的手段，特別是多平面TEE探頭的問世，使TEE的發展有了質的飛躍。多平面TEE能在主動脈夾層動脈瘤、先天性心臟病、冠心病、瓣膜性心臟病等各種心臟疾病的診斷和術中監控、術後隨訪中發揮重要的臨床意義。它的優越性表現在(1)探頭在心臟後方直接探查心臟，避免了傳統經胸超聲心動圖探頭由於肋骨、肺組織、脂肪組織等遮蓋限制探查的缺點；(2)探頭頻率高，可清晰地顯示心臟內部經胸超聲心動圖所不能顯示的細微結構；(3)克服了單平面和雙平面TEE僅能觀察心臟水平切面和縱切面的局限性，可以從0°-360°的範圍內連續掃查心臟和大血管，從而為心血管疾病的診斷和外科學手術提供詳盡的形態學資料。同時，多平面TEE技術在發展過程中存著一些限制其發展的障礙(1)TEE屬於介入性超聲心動圖範疇，具有一定的創傷性；(2)探頭在食道內的每一深度最多可獲得180個切面，如果缺乏統一的標準切面和與其相對應的薄層斷面解剖學資料加以規範，常常需要花費較長的時間加以鑑別分析。上述障礙困難增加了患者的痛苦和併發症的發生率，從而在一定程度上阻礙了TEE的普及和推廣。
1994年美國完成了世界第一個「可視人體計劃(Visible HumanProject，VHP)」，VHP數據集具有富含解剖信息的特點和優點，彌補了影像學二維圖像分辨力低的缺點。在它的基礎上能夠虛擬出具有真實解剖信息的人體器官和組織。不少科研機構或大學利用VHP的連續斷面解剖數據已經和正在開發一些虛擬實境醫學系統，如華盛頓大學開發的數字解剖學家系統、哈佛大學開發的全腦圖譜及外科手術規劃系統、史丹福大學開發的虛擬內窺鏡系統等等。我國的醫學虛擬可視化研究已經起步，本研究所於2002年開始先後完成5例中國可視化人體(CVH)數據集(可參考2003年4月的第三軍醫大學學報第25卷第7期)。每套數據集均具有連續、完整、圖像清晰、無節段性數據缺損等優勢，其準確性、代表性及完整性在以往研究的基礎上向前邁進了一步。在該套數據集的基礎上建立和開發具有黃種人特點的各種虛擬實境醫學系統將對我國醫學的教學、臨床診斷和外科手術將具有非常重大的價值。
虛擬可視化心臟系統(包括虛擬心臟外科手術模擬系統、虛擬心臟解剖學系統、虛擬心臟影像學診斷系統等)對於心臟疾病的診斷和治療具有重要的意義。建立虛擬醫學系統的關鍵在於高清晰度的三維可視化模型和成熟的虛擬實境技術，虛擬可視化心臟系統的前提是高質量心臟可視化模型的建立。Schroeder(作者名，詳見2002年的Heart87卷第3期)等在螺旋CT的基礎上開發了可動態實時觀察冠狀動脈硬化及狹窄的內窺鏡系統，能評估支架的狹窄或閉塞。Wahle(作者名，詳見2004年IEEE Trans Med Imaging.23卷11期)等在血管內超聲基礎上實現了冠狀動脈內虛擬飛行觀察，模擬冠狀動脈內超聲檢查。上述虛擬系統的心臟及冠狀動脈三維可視化模型是在影像學(如CT、MRI和超聲心動圖等)的斷面圖像建立的，受到二維圖像分辨力的限制，存在著心臟內部結構不夠清晰和完整的缺點。國外有學者應用美國VHP數據集建立了心臟的可視化模型，可對心臟進行任意方位的切割和內部結構的實時顯示，實現了心臟的虛擬解剖學教學，為心臟介入診斷和介入治療提供了虛擬實境的應用環境。
建立虛擬心臟可視化系統的另一個關鍵是建立人機互動式的虛擬環境，目前虛擬醫學系統所採用的虛擬技術主要有2種(1)沿一個預定的飛行路徑，用視頻動畫顯示腔內(如氣管、血管等管腔結構)的三維解剖結構，主要應用於虛擬內窺鏡；(2)使用交互式模擬器，如高速高性能實時響應的虛擬實境系統，主要應用於虛擬外科手術。Weidenbach(作者名，詳見2004年Computers in Biology and Medicine的34卷第5期)等在實時三維超聲心動圖的基礎上設計了一種虛擬經胸超聲心動圖系統EchoComJ，該系統採用交互式模擬虛擬技術，能實時地同時顯示探頭在心臟的切割方位和相應方位上的超聲二維斷面解剖。該系統為超聲虛擬診斷醫學的建立開闢了道路。但也存在著一些缺點(1)在二維超聲斷面基礎上建立的心臟三維可視化模型仍存在解剖結構顯示不清的缺點；(2)該系統僅顯示探頭的切割方位及其相對應的超聲斷面圖像，缺乏清晰的薄層斷面解剖對照，不利於初學者學習和掌握超聲心動圖。
虛擬經食道超聲心動圖系統教經胸超聲心動圖系統需要更精細的三維解剖對照和操作方便的虛擬實境技術，因此建立一套虛擬經食道超聲心動圖系統必須具備以下條件首先，必須要確立與任意方位經食道超聲切面相對應的薄層斷面解剖對照，從而有利於醫師對不斷變換超聲切面解剖結構的識別；其次，由於經食道超聲心動圖可顯示心內的細微解剖結構，必須經過細緻的圖像分割技術建立高質量的心臟三維可視化模型；最後，經食道超聲心動圖的操作較經胸超聲心動圖複雜，必須設計和研究一種虛擬技術確保虛擬經食道超聲心動圖系統有操作簡便、環境逼真的特點。目前國內外尚未見有關虛擬經食道超聲心動圖系統研究開發的報導。
基於臨床迫切的需求、我國可視化人體數據集的優勢和虛擬實境醫學的發展，本研究擬在國人心臟可視化研究的基礎上開發一套經食道超聲心動圖虛擬實境系統，該系統的特點在於在中國可視化人體數據集的基礎上所建立高質量的心臟三維可視化模型能清晰完整地顯示心臟內部三維解剖結構；具有大量的任意方位多平面經食道超聲心動圖超聲圖像數據和與之相對應的富含解剖信息量的經食道薄層斷面解剖；虛擬技術的設計能為超聲醫師提供操作方便、人機互動、適合多平面經食道超聲心動圖特點的虛擬環境。

發明內容
本發明的目的主要在於提供一種虛擬經食道超聲心動圖系統及其實現方法，其可克服現有系統的缺陷，不會增加患者痛苦及併發症的發生率，且能清晰完整地顯示心臟內部三維解剖結構，有利於醫師對不斷變換超聲切面解剖結構的識別。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為一種虛擬經食道超聲心動圖系統，其包括顯示器、與顯示器相連的計算機主機及與計算機主機相連的虛擬探頭；計算機主機內設有虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊。
所述的虛擬探頭為滑鼠。
所述的虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊包括多平面經食道超聲心動圖資料庫及心臟超聲操作的虛擬實境環境。
所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其包括以下幾個步驟(1)應用首套中國數位化可視人體數據集的心臟連續薄層斷面圖像集，在斷面解剖數據上進行心臟內部細微結構的分割；(2)利用計算機三維重建及醫學可視化技術，建立中國人體心臟三維可視化數字模型；(3)採集正常人體心臟的經食道超聲心動圖二維數據集；(4)在心臟可視化數字模型的基礎上研究其圖像特徵，並對圖像進行細緻、完整的識別，建立正常人的多平面經食道超聲心動圖資料庫；(5)在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境。
所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其在步驟(3)中，其是採集食道上段、食道中段、食道下段及胃底切面四個部分的0°-180°方位的180個切面。
所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其採集食道上段的標準是0°方位左右顯示升主動脈、肺動脈主幹和分支；食道中段的標準是45°方位左右顯示三個主動脈瓣；食道下段的標準是0°方位左右顯示二尖瓣和三尖瓣；胃底切面的標準45°方位左室乳頭肌短軸。
所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其所述的步驟(4)，其是在心臟可視化數字模型的基礎上，對上述每個部分食道不同深度的180個經食道超聲心動圖切面進行與心臟可視化數字模型上相應薄層斷面的對應研究。
所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其步驟(5)中，在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境的方法，包括以下步驟
①將心臟可視化數字模型的多方位剖面與相應的多平面經食道超聲心動圖資料庫中的切面進行對照；②在心臟三維可視化模型和多平面經食道超聲心動圖的基礎上設計符合經食道超聲心動圖系統特點的虛擬實境技術，實現計算機輔助下在國人心臟三維可視化數字模型上進行不同深度食道多平面經食道超聲心動圖任意切面的掃查，並能同時顯示相應的薄層斷面解剖，自動識別多平面經食道超聲心動圖切面解剖結構。
採用上述技術方案後，將本系統應用於臨床教學和實際工作中，用於解決大量經食道超聲心動像無法識別，經食道超聲心動圖難以普及和掌握的問題，另外，臨床醫師和醫學生可在此系統上掌握不同食道深度和角度經食道超聲心動像的解剖結構，有利於經食道超聲心動圖的普及和提高經食道超聲心動圖診斷心臟疾病的準確性，從而避免增加患者的痛苦，減少併發症的發生率。


圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
建立一套虛擬經食道超聲心動圖系統必須具備以下條件首先，必須要確立與任意方位經食道超聲切面相對應的薄層斷面解剖對照，從而有利於醫師對不斷變換超聲切面解剖結構的識別；其次，由於經食道超聲心動圖可顯示心內的細微解剖結構，必須經過細緻的圖像分割技術建立高質量的心臟三維可視化模型；最後，經食道超聲心動圖的操作較經胸超聲心動圖複雜，必須設計和研究一種虛擬技術確保虛擬經食道超聲心動圖系統有操作簡便、環境逼真的特點。目前國內外尚未見有關虛擬經食道超聲心動圖系統研究開發的報導。
基於臨床迫切的需求、我國可視化人體數據集的優勢和虛擬實境醫學的發展，本研究擬在國人心臟可視化研究的基礎上開發一套經食道超聲心動圖虛擬實境系統，該系統的特點在於在中國可視化人體數據集的基礎上所建立高質量的心臟三維可視化模型能清晰完整地顯示心臟內部三維解剖結構；具有大量的任意方位多平面經食道超聲心動圖超聲圖像數據和與之相對應的富含解剖信息量的經食道薄層斷面解剖；虛擬技術的設計能為超聲醫師提供操作方便、人機互動、適合多平面經食道超聲心動圖特點的虛擬環境。
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
圖1為本發明的結構示意圖，其公開了一種虛擬經食道超聲心動圖系統，其包括顯示器1、與顯示器1相連的計算機主機2及與計算機主機2相連的虛擬探頭3；計算機主機2內設有虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊4。
所述的虛擬探頭3為滑鼠；所述的虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊4包括多平面經食道超聲心動圖資料庫41及心臟超聲操作的虛擬實境環境42。
圖2為本發明的實現方法的步驟方框圖，其公開了一種虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其包括以下幾個步驟(1)應用首套中國數位化可視人體數據集的心臟連續薄層斷面圖像集，在斷面解剖數據上進行心臟內部細微結構的分割；所謂數位化可視人體是依靠計算機技術三維顯示真實人體器官結構的計算機模型。在此基礎上，賦予人體器官結構相應的物理屬性和生理屬於等，就可建立數位化虛擬人體，在中國2002年10月第三軍醫大學學報第24卷第10期中可以了解到，該技術在2002就已經完成第一例中國數位化可視人體的研究。
(2)利用計算機三維重建及醫學可視化技術，建立中國人體心臟三維可視化數字模型；(3)採集正常人體心臟的經食道超聲心動圖二維數據集；採集時，其主要是採集食道上段、食道中段、食道下段及胃底切面四個部分的0°-180°方位的180個切面；採集標準採集食道上段的標準是0°方位左右顯示升主動脈、肺動脈主幹和分支；食道中段的標準是45°方位左右顯示三個主動脈瓣；食道下段的標準是0°方位左右顯示二尖瓣和三尖瓣；胃底切面的標準45°方位左室乳頭肌短軸；(4)在心臟可視化數字模型的基礎上研究其圖像特徵，並對圖像進行細緻、完整的識別，建立正常人的多平面經食道超聲心動圖資料庫；建立多平面經食道超聲心動圖資料庫的方法是在心臟可視化數字模型的基礎上，對上述每個部分食道不同深度的180個經食道超聲心動圖切面進行與心臟可視化數字模型上相應薄層斷面的對應研究；(5)在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境。
在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境的方法，包括以下步驟①將心臟可視化數字模型的多方位剖面與相應的多平面經食道超聲心動圖資料庫中的切面進行對照；②在心臟三維可視化模型和多平面經食道超聲心動圖的基礎上設計符合經食道超聲心動圖系統特點的虛擬實境技術，實現計算機輔助下在心臟三維可視化數字模型上進行不同深度食道多平面經食道超聲心動圖任意切面的掃查，並能同時顯示相應的薄層斷面解剖，自動識別多平面經食道超聲心動圖切面解剖結構。
使用時，臨床超聲醫師或醫學生，利用滑鼠在計算機上，可看到心臟三維可視化模型，並且可看到經食道超聲心動像及心臟超聲操作的虛擬實境環境，本系統應用於臨床教學和實際工作中，用於解決大量經食道超聲心動像無法識別，經食道超聲心動圖難以普及和掌握的問題，另外，臨床醫師和醫學生可在此系統上掌握不同食道深度和角度經食道超聲心動像的解剖結構，有利於經食道超聲心動圖的普及和提高經食道超聲心動圖診斷以及疾病的準確性的提高，避免了增加患者痛苦及併發症的發生率。
雖然通過實施例描繪了本發明，本領域普通技術人員知道，本發明有許多變形和變化而不脫離本發明的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本發明的精神。
權利要求
1.一種虛擬經食道超聲心動圖系統，其特徵在於其包括顯示器、與顯示器相連的計算機主機及與計算機主機相連的虛擬探頭；計算機主機內設有虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊。
2.如權利要求1所述的虛擬經食道超聲心動圖系統，其特徵在於所述的虛擬探頭為滑鼠。
3.如權利要求1或2所述的虛擬經食道超聲心動圖系統，其特徵在於所述的虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊包括多平面經食道超聲心動圖資料庫及心臟超聲操作的虛擬實境環境。
4.如權利要求1所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其包括以下幾個步驟(1)應用首套中國數位化可視人體數據集的心臟連續薄層斷面圖像集，在斷面解剖數據上進行心臟內部細微結構的分割；(2)利用計算機三維重建及醫學可視化技術，建立中國人體心臟三維可視化數字模型；(3)採集正常人體心臟的經食道超聲心動圖二維數據集；(4)在心臟可視化數字模型的基礎上研究其圖像特徵，並對圖像進行細緻、完整的識別，建立正常人的多平面經食道超聲心動圖資料庫；(5)在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境。
5.如權利要求4所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其特徵在於在步驟(3)中，其是採集食道上段、食道中段、食道下段及胃底切面四個部分的0°-180°方位的180個切面。
6.如權利要求5所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其特徵在於採集食道上段的標準是0°方位左右顯示升主動脈、肺動脈主幹和分支；食道中段的標準是45°方位左右顯示三個主動脈瓣；食道下段的標準是0°方位左右顯示二尖瓣和三尖瓣；胃底切面的標準45°方位左室乳頭肌短軸。
7.如權利要求5或6所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其特徵在於所述的步驟(4)，其是在心臟可視化數字模型的基礎上，對上述每個部分食道不同深度的180個經食道超聲心動圖切面進行與心臟可視化數字模型上相應薄層斷面的對應研究。
8.如權利要求4、5或6所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其特徵在於步驟(5)中，在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境的方法，包括以下步驟①將心臟可視化數字模型的多方位剖面與相應的多平面經食道超聲心動圖資料庫中的切面進行對照；②在心臟三維可視化模型和多平面經食道超聲心動圖的基礎上設計符合經食道超聲心動圖系統特點的虛擬實境技術，實現計算機輔助下在國人心臟三維可視化數字模型上進行不同深度食道多平面經食道超聲心動圖任意切面的掃查，並能同時顯示相應的薄層斷面解剖，自動識別多平面經食道超聲心動圖切面解剖結構。
9.如權利要求7所述的虛擬經食道超聲心動圖系統的實現方法，其特徵在於步驟(5)中，在心臟可視化數字模型的基礎上，建立心臟超聲操作的虛擬實境環境的方法，包括以下步驟①將心臟可視化數字模型的多方位剖面與相應的多平面經食道超聲心動圖資料庫中的切面進行對照；②在心臟三維可視化模型和多平面經食道超聲心動圖的基礎上設計符合經食道超聲心動圖系統特點的虛擬實境技術，實現計算機輔助下在國人心臟三維可視化數字模型上進行不同深度食道多平面經食道超聲心動圖任意切面的掃查，並能同時顯示相應的薄層斷面解剖，自動識別多平面經食道超聲心動圖切面解剖結構。
全文摘要
本發明公開一種虛擬經食道超聲心動圖系統及其實現方法，系統包括顯示器、與顯示器相連的計算機主機及與計算機主機相連的虛擬探頭；計算機主機內設有虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊；所述的虛擬多平面經食道超聲心動圖系統模塊包括多平面經食道超聲心動圖資料庫及心臟超聲操作的虛擬實境環境；將本系統應用於臨床教學和實際工作中，用於解決大量經食道超聲心動像無法識別，經食道超聲心動圖難以普及和掌握的問題，另外，臨床醫師和醫學生可在此系統上掌握不同食道深度和角度經食道超聲心動像的解剖結構，有利於經食道超聲心動圖的普及和提高經食道超聲心動圖診斷心臟疾病的準確性，從而避免增加患者的痛苦，減少併發症的發生率。
文檔編號G09B9/00GK101036585SQ20071009059
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月12日 優先權日2007年4月12日
發明者郭燕麗, 張紹祥 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學第一附屬醫院