CN101036162A - 在显示的图像数据中保持一致的解剖视图的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声诊断成像***和方法，其中在整个生理周期中采集关于感兴趣解剖区域的体积数据，并建立该体积数据相关的3D视图，在整个上面提到的生理周期中(在空间和/或时间上)分析感兴趣结构的运动，并且在呈现给用户时，使用该运动来移动感兴趣结构的3D视图，以便使它跟踪感兴趣结构并将该结构保持在3D视图的中央。

Description

在显示的图像数据中保持一致的解剖视图的方法和***

技术领域

本发明涉及在显示的图像数据中保持一致的解剖视图的方法和***，并且发现关于感兴趣的解剖区域特别可应用于处理诸如超声图像的医疗图像领域中。

背景技术

某些医疗成像技术，诸如诊断超声成像具有超过许多其他诊断成像模态的优势之一是产生实时图像的能力。该优势在超声心动图中意义尤其重大，其中连续运动的器官即心脏的生理机能是研究的主题。与被研究的组织和器官是静止的以及易于通过静态成像进行检查的腹部和产科应用相比，实时成像在超声心动图中事实上已经成为必需的。

使用已记录的、实时运动的图像可执行广泛的心脏研究，并且由训练有素的医务人员进行这种图像的定性回顾可发现先天性心脏缺损、冠状动脉主干的大动脉瘤或狭窄以及其他明显的解剖异常。诸如心脏泵送容量测量、心肌膜中的壁运动异常血管灌注研究和冠状血管跟踪等这些分析提供了补充的定量诊断信息。

例如，在从二维和三维数据中评估心脏结构的一个主要问题已经确定为当心脏在整个心动周期中运动时人们观看到的是同一个组织或结构。所希望的是在整个心动周期中有该组织结构的一致视图，即使该结构与心脏的其它部分一起运动。例如，当观看二尖瓣环、左心室流出道或位于特定水平的左心室短轴视图时，使用图像采集的参照系当前地定义了限定MPR切片或者该结构的定向3D视图的平面。然而，由于感兴趣的结构连同该组织的其余部分相对于成像参照系进行运动，它可移入和移出视图，这具有使评估该结构的过程复杂化的效果。例如，这就是为什么花了许多年来理解二尖瓣环的马鞍形状的一个原因。

发明内容

本发明的目的是提供显示对象解剖区域的图像数据的***和方法，使得便于其中给定的结构(例如，心脏结构)可视化，该结构从整个生理周期，诸如心脏周期的二维或三维数据中可以是运动的和/或可以沿着一个曲折路径穿过至少该区域的一部分。

根据本发明，提供了用于显示从一个区域采集的图像数据的***，所述区域其中包括至少一个经常运动的结构，该***包含用于识别一部分所述运动结构、跟踪对应于所述运动结构运动的所述识别部分的运动，以及补偿所述运动以便在其整个所述运动中提供所述区域稳定显示的视图的装置。

同样根据本发明，提供了用于显示从一个区域采集的图像数据的方法，所述区域其中包括至少一个经常运动的结构，该方法包含识别一部分所述运动结构、跟踪对应于所述运动结构运动的所述识别部分的运动，以及补偿所述运动以便在其整个所述运动中提供所述区域稳定显示的视图。

上述定义的***拟包含在离线工作站环境中使用这样一个***。然而，本发明还可扩展到成像***，该成像***包括采集或接收图像数据的装置，显示所述图像数据的屏幕以及如上定义的***。

这样，根据本发明，用于评估和/或诊断目的的这一感兴趣运动结构部分可保持在各个区域的观看图像内，从而改进了来自二维或三维图像数据在整个生理(例如心脏)周期中诸如心脏结构的结构的可视化和联系，使得方便和简化评估/诊断处理。

为了评估来自关于感兴趣区所采集的二维或三维图像数据中的感兴趣解剖区域，诸如心脏结构，本发明发现在医疗成像***，诸如超声成像***中有特定的应用。该图像数据可以是实况的或是预先采集的。

作为每个生理周期的结果，在该周期的序列中上述结构可以是运动的，在该情形下可安排跟踪装置在遍及一个或多个所述生理周期中跟踪所述结构的运动。该***可包含在所显示的图像中重定位所识别的结构部分以便补偿该运动并将所识别的部分保持在所显示的视图中的装置。

在优选实施例中，该***包括在整个生理周期中采集与感兴趣解剖区域有关的体积图像数据的装置。接着从该体积数据中可汇编出二维断层摄影片层图像或者汇编出从所述感兴趣解剖区域的特定视点绘制的三维视图。这样，通过在整个生理周期分析体积数据内感兴趣结构的运动可实现对感兴趣解剖结构中的结构运动进行跟踪的过程。作为整个生理周期中装配二维断层摄影片层图像或者所绘制的三维视图的一部分，该运动可进行补偿。

从下面所描述的实施例中，本发明的这些和其他方面将是很显然的，并且将参考下面所描述的实施例来阐明本发明的这些和其他方面。

附图说明

现在将参照附图的通过示例更加详细地描述本发明，其中：

图1是示出了根据本发明有代表性实施例的超声成像***典型结构的示意性方框图；

图2是示出了在实况体积成像期间特征如何移入和移出固定的观察平面的示意图；

图3是示出了识别所选解剖特征如何进行补偿以及将该观察平面联系到运动特征如何允许图像平面或观察点的显示跟踪该特征，从而给出该特征一致视图的示意性图示；以及

图4是示出了一种可能的有代表性的实现解剖特征的跟踪从而显示一致视图的方法的示意性方框图。

具体实施方式

下面具体的描述涉及显示关于心脏区域图像数据的***和方法。然而，将会意识到的是本发明同样可以应用于包括沿着不一致路径动态运动的器官或结构的其他感兴趣解剖区域的医疗成像。

在第一种情况下，在遍及各个心动周期中采集关于对象心脏区域的体积数据。将会意识到的是用于采集这种体积数据的许多不同技术对于本领域的技术人员来说是公知的，而本发明并非拟在这一点上进行限制。一种采集所需体积数据的适合方法被称为超声诊断成像。

参考附图的图1，示意性示出了采集或者作为2D断层摄影片层或者作为体积图像数据的实时心脏图像的超声***。包括1D或2D阵列换能器412的探头或扫描头410发射超声波并接收超声回波信号。在波束形成器420的控制下执行这一发射和接收，该波束形成器具有接收回波信号以形成相干波束或来自被扫描的解剖中的原始回波信号。接着由B模式处理器450、多普勒处理器440以及如果在成像期间使用造影剂则用对比信号处理器445处理来自波束形成器的回波信号。B模式处理器执行的功能包括但不限于滤波、频域和空域组合、谐波数据处理以及其他本领域众所周知的B模式功能。多普勒处理器对回波应用常规多普勒处理以产生速度和多普勒能量信号。对比度处理器对在被扫描的组织中存有造影剂时所获得的回波信号应用特定的处理。接着依据组织的2D断层摄影区域还是3D体积区域被成像，将处理的数据通过2D扫描转换器460或3D扫描转换器470。该扫描转换器将扫描头采集线束中的线性或极性几何的数据几何校正到在每个维度上具有适当刻度的笛卡尔形式(x，y或x，y，z)。接着将每个扫描转换图像或3D体积放置到2D电影回放(cineloop)存储器465或3D体积存储器475中。该电影回放存储器块依据所采集的数据类型会存储几秒钟到若干分钟的近期2D或3D数据。体积MPR片层显示处理器和3D绘制器480基于中央控制器430和来自用户接口435的用户输入处理来自3D体积存储器的体积数据，以提供一个或若干2D MPR片层图像和/或使用本领域公知的方法从给定视点提供3D体积的体积绘制图像。该显示处理器490基于来自中央控制器430的输入提取来自2D电影回放存储器或体积MPR片层视图处理器及3D绘制的2D图像，添加图像覆层和文本注释(例如，患者信息)并将合成图像(compostedimages)传递到显示器495用于呈现给操作者。该中央控制器可命令该显示处理器按实时显示来显示存储器中最近采集的数据，或者它可重放以前2D或3D体积数据的序列。

这样，利用本领域技术人员公知的采集数据的方法的技术细节，可建立并显示二维断层摄影片层视图或从特定视点绘制的采集体积数据的三维视图。

接着，考虑所选感兴趣区域或结构连同诸如心脏的动态运动器官组织的其余部分一起正在运动的这种情况。在已有技术布置中，感兴趣的结构可移入和移出所显示的视图，从而使具有医疗技能的用户进行结构评估复杂化，如附图的图2中心脏成像示例所示出的，它显示了在心动周期两点处超声平面视图和相关的M模式显示。表示心动周期500中一点处该体积的侧平面视图的图像部分显示了心脏腔室壁510以及诸如瓣膜结构的壁上相关结构530。M模式线505穿过这两个结构。图解线显示了穿过这两个结构的备选成像平面(alternate imagingplane)540的位置。这一平面的图像没有显示，它将显示在特定角度上的来自心脏顶部的结构图像。侧面500下面的是相关的M模式显示线507，相对于这些结构沿M模式线，显示了腔室壁515的一维峰和瓣膜结构535以及备选平面540的位置。

图2的右手侧显示了在心动周期中更后面点处体积550的相同侧平面视图，展现了更小的心脏腔室560和更小的移位瓣膜结构570。同时在该图像侧平面的相同位置上显示了M模式线505和备选成像平面540。在这一更靠后侧平面550下面是伴随的M模式的显示557，显示了相对于心脏结构的腔室壁峰的新位置565、瓣膜结构575以及备选平面的移位位置540。注意在心动周期这一靠后点处，现在备选平面540在不同水平处切入该瓣膜结构，有可能导致关于其实际大小和功能的混乱。

为了解决这一问题，本发明包括分析在整个生理(即心脏)周期上的体积中感兴趣结构运动的装置，以及在提供给用户的三维视图中在整个心动周期上补偿该运动的装置。本发明的目标是移动提供给用户的显示视图使得它“跟踪”感兴趣结构的运动(或，例如，在感兴趣的解剖区域内感兴趣结构所沿着移动的曲折路径)，从而将感兴趣的结构优选但并非一定在中央地保持在视图内。

换句话说，当体积数据被采集或从存储器进行回顾性重放时，可使用运动分析技术来确定该体积内感兴趣结构的运动路径，并且可使用该运动来移动呈现给用户的视图以便能跟踪该结构。

还可将这一跟踪能力联系到整理平面或塑造表面，常常用它来去除覆盖在感兴趣特征上的图像数据。当执行3D成像时，操作员常常要去除该体积内使下面特征模糊的图像数据。所提供用于该操作的工具的范围从简单的整理平面到复杂的表面塑造工具，该工具允许象外科大夫或雕刻家所做的那样“切”除叠加的组织。常常这一平面或表面距感兴趣特征很近并且会随该特征一起运动。如果将该特征跟踪能力联系到该平面或表面中，则整理能力将连同观看的平面一起跟随该特征，当特征运动时再一次提供了运动特征的清晰视图。

存在很多能用在本发明中的用于分析感兴趣结构运动的已知技术，这对于本领域的技术人员来说将是显然的。现在将简要描述所选的少许这些技术，但是将会意识到的是也可使用其他技术，并且本发明并非拟在这点上进行限制。

例如，运动分析可基于沿着穿过关键结构(即，感兴趣结构)的直线的特征的简单2D运动来识别沿该线的运动矢量。M模式超声心动是众所周知的技术，在过去已经发现它在评价左心室壁物质、左侧动脉和左心室腔尺寸、以及在短暂时期中的运动中是特别有用的。在M模式(运动模式)成像中，重复采集沿预选M线从换能器发射的超声回波(在超声成像***的情况下)。在M线的连续采集上，将该回波的强度映射为亮度并连贯和邻近显示，使得在运动中再现经过相关M线运动的结构。

在本发明有代表性的实施例中，将3D视图或片层平面联系到M线中的明亮、暗或被组成图案的特征，并在该体积内通过沿M线垂直定向的平面执行对该特征的跟踪。图3使用先前参考图2所述的成像状态示出了这一种情形。在这一情况下，在M模式显示507中将备选成像平面540识别为瓣膜结构峰535之间的中间。这迫使备选平面540在心动周期开始之初穿过瓣膜结构530的中央。如前面所示，当心动周期进行时，瓣膜结构的峰575和心脏腔室壁565已经在M模式显示557中运动。通过将该备选成像平面的位置保持在瓣膜结构峰中间，位于545处，可将该平面保持在该瓣膜结构的中央并跟随感兴趣的解剖，而非保持固定在其他图像平面550上，在位置540处。当解剖结构运动时，这允许备选平面在位置540和545之间运动，提供瓣膜结构和功能更清晰的视图。

注意M线无需直接从换能器发射，而可以是任何穿过所采集体积的直线或弯曲路径。M线在2D和3D模型中的使用是已知的，并更详细地描述在例如国际专利申请No.WO2004/072903中。

很容易发现能将特征跟踪方式的概念扩展到2D特征，甚至是3D特征中。在这一情况下，可从近期采集的数据集或从特征库中选择特征的2D或3D模型或匹配图像并应用到体积数据的所选区域中。使用诸如匹配滤波、数学形态学或其他本领域众所周知的方法，当特征移动时，可跟踪贯穿体积数据和联系到相对于该特征为固定或用户所选方向的MPR片层或3D绘制视图平面中的特征位置。利用这一方法，可适当匹配整个周期上随时间改变的特征特性。甚至可将视点设置为随特征的特性的改变而改变。例如，如果正在监测主动脉瓣，当该瓣膜开放或关闭时，视图的方向可变为平行于其中的小叶(leaflet)平面。这意味着使用理想瓣膜模型或者图像或以前采集3D数据的序列在该瓣膜开放和闭合时在2D或3D中跟踪该瓣膜的开放。

另一运动分析方法可基于使用声学定量(AQ)或彩色室壁运动(colour kinesis)来在2D片层中识别更复杂的运动。

彩色室壁运动(CK)是已知的在单一收缩末期帧上按颜色层次显示心内膜运动的超声心动方法(例如，见Schwartz S.L.，Cao Q.，Vannan M.A.等人：“Autanatic Backscatter Analysis of RegionalLeft Ventricular Systolic Function using Color Kinesis”，Am.J.Cardiol.1996，77，1345-1350；Lang R.M.，Vignon P.，WeinertL.等人：“Echocardiographic Quantification of Regional LeftVentricular Wall Motion with Color Kinesis”，Circulation 1996，93，1877-1995；Mor-Avi V.，Goday I.E.，Lang R.M：“Color KinesisNew Technique or just another Display of AcousticQualification？”，Echocardiography 1999，16，95-103)。该方法是通过区分来自心肌血流的不同声反向散射特征来允许连续在线定量每个心脏腔室尺寸的半自动边界探测技术(即，声学定量)的延伸(例如，见Vered Z.，Barzilai B.，Mohr G.A.等人“QuantitativeUltrasonic Tissue Characterization with Realtime IntegratedBackscatter Imaging in Normal Human Subjects and in Patients withDilated Cardiomyopathy”.，Circulation 1987，76，1067-1073)。

还可将这一跟踪能力联系到整理平面或塑造表面，常常用它来去除覆盖在感兴趣特征上的图像数据。当执行3D成像时，操作员常常要去除该体积内模糊下面特征的图像数据。所提供用于该操作的工具的范围从简单的整理平面到复杂的表面塑造工具，该工具允许象外科大夫或雕刻家所做的那样“切”除叠加的组织。常常这一平面或表面距感兴趣特征很近并且会随该特征一起运动。如果将该特征跟踪能力联系到该平面或表面中，则整理能力将连同观看的平面一起跟随该特征，当特征运动时再一次提供了运动特征的清晰视图。

这样，可使用任何一个上述(或其他)运动分析技术来确定体积内感兴趣结构的运动路径并利用这一运动来移动呈现给用户的3D视图以便跟踪该结构。图4示出了人们如何将该功能性加到图1中早先所述的超声***中。解剖特征探测器482将对最近采集的体积进行分析并确定感兴趣特征的位置和方向。利用这一信息，3D显示运动跟踪功能485将利用这一信息以及可能还利用来自以前体积的信息更新MPR片层视图和/或3D绘制视点的位置和方向。接着将该更新的视点位置传递给片层视图处理器和3D绘制器以便为最终的显示提供更新的视图。将会意识到的是对于本领域的技术人员来说许多不同的技术将会是已知的，并且本发明并非拟在这一点上进行限制。

注意3D视图无需是平坦的，例如可以设想，能够采集容量环，获得一系列片层视图，并在整个心动周期中识别的关键点处的体积数据中的关键结构。可使用插值技术来绘制穿过关键点处的复杂表面，并将这些表面作为2D图像进行显示。另外，可以使简单的2D平面或复杂表面也可在空间及时间上跟随复杂路径(即，可跟踪这样的复杂路径)。例如，血管短轴视图可跟随从血管壁特征所确定的沿血管的路径，使得该视图平面不顾血管的曲折路径显示血管的直径。

作为上述本发明有代表性实施例的结果，将感兴趣的结构保持在3D视图的中央。方便数据和诊断的分析。本发明被认为特别关于超声诊断成像***和技术，将其最佳但非专用于心脏应用中。

值得注意的是上面提到的实施例是阐述而非限制本发明，并且本领域的技术人员在不脱离如所附权利要求所定义的本发明范围内能够设计许多备选的实施例。在权利要求中，不应将放置在括号内的任何参考符号解释为对权利要求的限制。词语“包含有”和“包含”等不排除除了任何权利要求或说明书作为一个整体所列的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。单个提及的元件并不排除多个提及的这些元件并且反之亦然。本发明可通过包含若干分离元件的硬件，及通过适当编程的计算机来实施。在设备权利要求中列举了若干装置，若干这些装置可通过同一个硬件模块(item)来体现。在互不相同的权利要求中陈述了某些措施，仅仅这个实事并不预示着这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (6)

1.一种用于显示从一个区域采集的图像数据的***，所述区域其中包括至少一个经常运动的结构，该***包含用于识别所述运动结构的一部分的装置和用于跟踪对应于所述运动结构运动的所述识别的一部分的运动，以及补偿所述运动以便在其整个运动中提供所述区域稳定显示视图的装置。

2.根据权利要求1的***，其中所述结构作为在生理周期序列中每个这样周期的结果是经常运动的，并且将所述***布置成在遍及一个或多个生理周期中跟踪所述结构的所述识别部分的运动。

3.根据权利要求1的***，包含用于重定位所述结构的所述识别部分以便能补偿其所述运动并将所述识别部分保持在所述显示的视图中的装置。

4.根据权利要求1的***，包括用于采集关于感兴趣解剖区域的体积图像数据，并接着从该体积数据中汇编所述感兴趣解剖区域的断层摄影二维片层图像或绘制的三维视图的装置。

5.一种用于显示从一个区域采集的图像数据的方法，所述区域其中包括至少一个经常运动的结构，该方法包含识别所述运动结构的一部分、跟踪对应于所述运动结构运动的所述识别的一部分的运动，以及补偿所述运动以便在其整个运动中提供所述区域的稳定显示的视图。

6.一种医疗成像***，包含用于采集或接收图像数据的装置和根据权利要求1的用来显示所述图像数据的***。

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