(57)【要約】心臓リモデリングを診断するために特に有用な心臓性能を評価する超音波システム及び方法について開示されている。心臓の表面の３Ｄデータ集合が取得され、主曲率がその表面の１つ又はそれ以上の点において決定される。各々の点における２つの主曲率の差である曲率メトリックが生成される。収縮器に取得される心臓表面から生成されるメトリックは、駆出率と強く相関することが判明している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
心臓性能の評価用の超音波システムであって：
心臓の三次元表面を表すように動作する三次元心臓データに対応する三次元表面プロセッサ；
前記三次元表面の１つ又はそれ以上の点において曲線表現を生成するように動作する、前記表された心臓表面に対応する曲率プロセッサ；及び
心臓の曲率を表す１つ又はそれ以上のメトリックを生成するために、曲線表現に対応する曲率メトリックプロセッサ；
を有する超音波システム。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波システムであって、前記曲率プロセッサは、前記表面の１つ又はそれ以上の点における主曲率を表す係数を得るように更に動作する、超音波システム。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波システムであって、前記曲率メトリックプロセッサは、複数の主曲率係数の差を表すメトリックを生成する、超音波システム。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波システムであって、前記曲率メトリックプロセッサは、平均曲率、ガウシアン曲率、長手方向曲率、周縁曲率、又は曲率の標準偏差を表すメトリックを生成する、超音波システム。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波システムであって、前記曲率メトリックプロセッサは、全表面の曲率を表すメトリックを生成する、超音波システム。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波システムであって、前記曲率メトリックプロセッサは、前記表面の領域の曲率を表すメトリックを生成する、超音波システム。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波システムであって、前記領域は、前記表面の数ｍｍ２の領域を有する、超音波システム。
【請求項８】
請求項６に記載の超音波システムであって、前記領域は、ＡＨＡ心臓壁セグメントに対応する領域を有する、超音波システム。
【請求項９】
請求項６に記載の超音波システムであって、前記曲率メトリックプロセッサは、前記全表面において分配された複数の点におけるメトリックを生成する、超音波システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波システムであって、主観的に表示するメトリックにより前記表面の画像を生成するように動作する前記表面における複数の点におけるメトリックに対応するメトリックプロセッサを更に有する、超音波システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超音波システムであって、前記メトリックはカラーで表示される、超音波システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の超音波システムであって、数値化された曲率メトリックを表示するように動作するディスプレイを更に有する、超音波システム。
【請求項１３】
心臓性能の評価用の方法であって：
心臓表面の三次元表現を取得する段階；
前記心臓表面の１つ又はそれ以上の点における表面曲率を計算する段階；及び
前記表面曲率のメトリック表現を計算する段階；
を有する方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって：
前記の表面曲率を計算する段階は、各々の点において主曲率を計算する段階を更に有し；
前記メトリックは前記主曲面の両方に基づく；
方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記メトリックを計算する段階は、点における主曲率の差を計算する段階を更に有する、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、前記メトリックを計算する段階は、点における主曲率の商を計算する段階を更に有する、方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、メトリックの表現を有する前記の心臓表面の三次元表現を表示する、方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、前記メトリックはカラーで前記心臓表面に関して表示される、方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法であって、１つ又はそれ以上のメトリックが計算される表面の領域を選択する段階を更に有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元心エコー形状分析の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
左心室（ＬＶ）リモデリングの評価は、心臓再同期療法（ＣＲＴ）を受ける患者又は心筋梗塞後症候群における重要な処置である。心臓疾病が進行するにつれて、心筋はその変化している状態に適合しようとする。この適合化の１つの現れは、心臓の通常の状態からの形状の変化、即ち、略細長い形からより球状の形への変化である。心臓が機能しなくなるにつれて、心臓は、球形状になり、その収縮機能を再配分することにより、そのポンプ機能を維持するようにする。リモデリングといわれる、この形状における変化を検査する従来の試みは、心臓の球形度を特徴付けることに焦点を当ててきた。この関連で用いられる従来のパラメータは、２Ｄエコー（形状仮定を伴う）により測定されるＬＶ容積及び終期心臓拡張球状度である。それら従来技術は、しかしながら、局部の形状変化を数値化することができない。心臓の局部領域の形状の検知及び数値化は、疾病の進行における心臓疾病の早期検出に繋がり、心臓疾病の影響を止める又は転換するようにデザインされる早期治療を可能にする。従って、心臓の局部領域の形状及び全体的な心臓の形状を検知及び数値化を可能にすることが求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の原理に従って、何れの形状の仮定を伴うことなく、３Ｄ（三次元）心エコーデータにおける微分幾何学的方法を用いて、ＬＶ心尖拡張を数値化するメトリックをもたらす超音波システム及び方法について説明する。下で説明する特定の実施例においては、そのメトリックは、心臓の心内膜壁の１つ又はそれ以上の点における主曲率に基づいている。そのメトリックは、全心周期においてリアルタイムに計算されることが可能である。形状変化を示す心臓の最初の領域として知られている心臓の心尖領域に焦点を当てるメトリックが実現される。この心尖形状の指標は、駆出率（ＥＦ）により測定されるＬＶ収縮機能と直接、対応すると考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
先ず、図１を参照するに、本発明に従って構成される超音波システムが、ブロック図で示されている。トランスジューサ要素の二次元（２Ｄ）アレイ４１２を有するプローブ又はスキャンヘッド４１０は超音波を送信し、超音波エコー信号を受信する。この送受信は、走査される生体組織からのエコー信号のコヒーレントなビームを生成するように受信されたエコー信号を処理するビームフォーマ４２０の制御下で実行される。エコー情報は、例えば、振幅検出によりエコー情報を画像信号に処理する画像プロセッサ４４０に結合される。組織構造のＢモード撮影については、エコー信号は、振幅検出により画像処理され、表示のための好ましい画像フォーマットにスキャン変換される。画像は、画像ディスプレイ４８０における表示のために映像プロセッサ４７０に直接、結合されることが可能であるＣｉｎｅｌｏｏｐ（登録商標）メモリ４６０を通る。Ｃｉｎｅｌｏｏｐ（登録商標）メモリはまた、記憶並びに後の検査及び診断のために、一連の最近、取得されたリアルタイムの画像を捕捉するように動作されることが可能である。画像の“ループ”といわれる、一連の捕捉された画像は、１つ又はそれ以上の心周期において拡大されることが可能である。
【０００５】
本発明の原理に従って、それらの画像は、３Ｄ表面検出器５０２に適用される。適切な３Ｄ表面検出器について、２００６年３月２０日に出願された米国特許出願公開第６０／７８４，１９４号明細書に記載されていて、その内容の援用により本明細書の説明の一部を代替する。この３Ｄ表面検出器は、半自動化技術により心臓の三次元画像における組織境界を検出することにより動作する。代替として、米国特許第６，４４７，４５３号明細書（Ｃｈｅｎａｌ等による）に記載されているような完全自動化境界検出技術が用いられることが可能である。心臓の場合、そのようにして規定される組織境界は、心内膜、心外膜又は人為的に規定される表面であることが可能である。例えば、心内膜と心外膜との間の中間点は、心筋内部の人為的に規定された“表面”として心外膜データ及び新内膜データから規定されることが可能である。
【０００６】
そのように規定される３Ｄ表面データは、曲率メトリック計算器５０４に結合される。曲率メトリック計算器は、下で更に十分に説明するように、表面の曲率の１つ又はそれ以上のメトリックを生成するように３Ｄ表面データを用いる。ユーザインタフェース４３０は、そのようなメトリックが計算されるようになっている領域を超音波システムのユーザが描くことが可能であるように、曲率メトリック計算器に結合されている。その領域は、下で更に十分に説明されるように、個別のメトリックが計算される表面における数百乃至数千の点に対する単独のメトリックにより特徴付けられる全表面を有することが可能である。それらのメトリック及び３Ｄ表面データは３Ｄカラープロセッサに結合され、その３Ｄカラープロセッサは、メトリックデータの主観的画像を生成するように、計算されたメトリックに従って３Ｄ表面をカラー符号化する。単色画像については、それらのメトリックが、階調値に符号化されることが可能である。主観的メトリック情報及び客観的メトリック情報は、ディスプレイ４８０における視聴のための映像プロセッサ４７０により処理されるＣｉｎｅｌｏｏｐメモリ（登録商標）４６０に戻されて結合される。
【０００７】
構築された実施においては、メトリックを計算するために用いられる曲率は、心臓の３Ｄ表面における選択された点における主な曲率である。表面の点における主な曲率は、曲率の最大値及び最小値を表す点を通る表面の曲率である。何れかの表面について、それらの曲線は互いに対して直交していることが数学的に示されることが可能である。図２ａ及び２ｂは、よく知られているＭ＆Ｍ（登録商標）のチョコレートキャンディ１０の断面図である。図２ａの断面図の切断面は、そのキャンディの中心を鉛直方向に通っている。Ｍ＆Ｍ（登録商標）は偏球であるため、この切断面は、一般に、図２ａに示されているような長円形である。図２ｂの断面図の切断面は、キャンディの中心を水平方向に通ったものであり、円形である。
【０００８】
ここで、Ｍ＆Ｍ（登録商標）の最上部の中心における点３２を通るキャンディ１０における何れかの２つの曲率を考える。キャンディ１０の表面は最上部の中心点について対称的であるため、その中心点を通る曲線の全ては同様であり、それらの曲線は全て、主曲率であり、互いに対して直交するそれらの曲率の何れか２つは、この点３２における２つの主曲率とみなされる。図２ｃは、同様であるようにみえる曲線１２及び１４を示している。
【０００９】
ここで、それらの曲線の各々の曲率を表すように、係数が与えられることを考える。それらの係数は、最も狭い有効な曲線についての大きい値から、最も小さい値を有する曲線についての小さい値までの範囲内にある。例えば、直線は、係数０を有する。主曲線１２及び１４の曲率は同じであるため、それらの係数は、何れの計数値の尺度においても同じである。ここで、２つの主曲線の曲率係数の差に等しいメトリックを計算する。等しい係数を用いると、それら２つの値の差は０である。メトリックＫＤｉｆｆは、それ故、次式のようになる。
【００１０】
ＫＤｉｆｆ＝Ｋｍａｘ−Ｋｍｉｎ                                  （１）
小さい主曲率を大きい主曲率から減算することによると、ＫＤｉｆｆの値は常に正である。代替として、何れかの差の次数の絶対値が用いられることが可能である。
【００１１】
ここで、図２ａ及び２ｂにおける参照番号１６及び１８で表されるＭ＆Ｍ（登録商標）の側部における点の場合を考える。この点においては、鉛直方向の曲線は、点１６についての太い曲線で示されているように、かなり大きい曲率を有するが、点１８について図２ｂに示す太い曲線の直交面においては、かなり小さい曲率を有する。それらの２つの曲線は、このＭ＆Ｍ（登録商標）の側部の点における主曲率を有する、それらの２つの直交曲線は、点１６、１８について共に回転されることが可能であるが、他の方向においては、図２ａにおける曲線のように狭い又は図２ｂにおける曲線のように浅い曲線は存在しない。それらの２つの主曲線１６′及び１８′が図２ｄに示されている。
【００１２】
曲率の係数が、曲線１２及び１４について用いられる同様の尺度でそれらの２つの曲線に対して与えられるとき、曲線１６′についての係数はかなり大きく（大きい曲率）、曲線１８′についての係数はかなり小さい（小さい曲率）。異なるメトリックが、式（１）を用いて、この係数の集合について計算されるとき、比較的大きい値が得られる。Ｍ＆Ｍ（登録商標）について計算される２つのメトリックの間の差は、Ｍ＆Ｍ（登録商標）の側部における表面曲率が大きい差を有することを示し、Ｍ＆Ｍ（登録商標）の最上部の中心における差は０である。この概念は、本発明の例示としての実施例のメトリック値について用いられる。
【００１３】
例えば、曲率の和、積又は商のような他の主曲率係数の組み合わせが、メトリックを規定するように用いられることが可能である。しかしながら、その差は、心臓の心尖における及び心尖の周囲の球形状又は尖頭形状を最も良好に強調する能力のための好適なメトリックである。
【００１４】
図３ａ及び３ｂは、正常な心臓及び拡張した（より球形状に近い）心臓のそれぞれの三次元心臓表面４０、４２を示している。心臓表面４０及び４２におけるメトリック値及びメトリック値分布の主観がビューアに与えられるために、そのメトリック値領域が、色域又は色相範囲から色又は色相を選択するように用いられる。これは、例えば、ルックアップテーブルにより行われることが可能である。それらの図は、階調表現におけるメトリック値を示している。構築された実施形態においては、色は、小さいメトリックを有する領域についての黄色から大きいメトリックを有する領域についての赤色まで範囲化され、後者の実施例は、正常な心臓の形状４０の心尖である。
【００１５】
上記のように、ユーザインタフェース４３０は、メトリックが得られる、並びに／若しくはメトリック値が組み合わされる、平均化される又は標準偏差が計算される表面の点又は領域をユーザが選択する手段を与える。臨床的に、心臓は、図３ａに隣接して示されている基本領域、乳頭領域及び心尖領域に分割される。ユーザは、例えば、心尖領域のみにおいて曲率メトリックを計算し、分析することを決定することが可能である。他の可能性は、基本領域又は乳頭領域における尖端及び点２０に近接する点２４のような曲率を比較する特定の尖頭をユーザが指定することである。点２４における主曲率は、図２ｄの曲線により例示されているようにかなり異なり、その形状の最上部における僧帽弁に近接する点の複数の主曲率は、図２ｃのマッチングした対とかなり類似していて、略同じである。それらの曲率メトリクスは相応して異なる。
【００１６】
メトリックが、拡張された心臓４２の類似する点２６及び２２において計算されるとき、異なる比較が得られる。点２６におけるメトリックは、正常な心臓の点２４の曲率に比べて小さい曲率を示す。それ故、それらの曲率メトリックは、心臓の疾患の進行を表す。
【００１７】
上記のように、それらのメトリックは、必要に応じて、全３Ｄ表面において計算されることが可能である。構築された実施形態においては、メトリックは、図４に示されているように、心臓の表面の周囲を包むグリッド線５０の数学的なパターンの交点において計算される。そのグリッド線５０は、何れかの好ましい密度を有することが可能である。構築された実施形態においては、かなり高い密度のグリッドが用いられる。その場合、メトリックは、２つのグリッド線の全ての交点について計算される。グリッド線の交点５２に示されている２つの主曲率の曲線が、グリッド線と位置合わせされていることが理解でき、グリッド線の交点５４に示されているそれら２つの主曲率の曲線はグリッド線と位置合わせされていない。図３ａ及び３ｂの曲率メトリックの主観的３Ｄ画像を生成するように、かなり高い密度で全心臓表面をカバーしているグリッド線が用いられる。各々のグリッド線の交点について計算されるメトリックは、選択された色スケールの対応する色に変換され、表示される。色スケールは、ユーザインタフェースを用いてユーザにより選択され、調整されることが可能である。
【００１８】
又は全心臓表面における多数の点の各々においてメトリックを生成することの代替として、又はそれに付加的に、より小さい領域について、メトリックを計算することが可能である。心尖領域のメトリックの全てが、例えば、心尖領域についての曲率のメトリックを表すメトリックを生成するように、加算される及び／又は平均化されることが可能である。ユーザにより規定される数ｍｍ２の他の領域を用いることが可能である。メトリックは、例えば、１７個のＡＨＡ心臓壁セグメントの各々について計算されることが可能である。１つのメトリックは、心臓の曲率を表す単独のメトリックをユーザに提供するように計算された個別のメトリックの全てからまとめられることが可能である。
【００１９】
曲率を有する他のメトリックはまた、ＬＶの一様性又は球形度の指標である、点における平均曲率（（最大値＋最小値）／２）、ガウシアン（最大値＊最小値）、長手方向の曲率、周縁曲率、及び曲率の標準偏差を含む心臓性能を分析する及び表すために有用である。
【００２０】
上記の心臓収縮の心尖形状指標は、駆出率と強く相関する（ｒ＝０．８５８、ｐ＜０．０００５）ように求められる。拡張期において計算された同じ形状指標は、駆出率と弱く相関する（ｒ＝０．４４９、ｐ＜０．０５）ように求められる。それ故、心臓収縮画像データを用いる本発明の実施形態は、診断上、かなり有用であると考えられる。心臓収縮の心尖形状は、ＬＶリモデリングの評価において重要な層化パラメータであり、患者の心筋梗塞後症候群及びＣＲＴを受ける患者において有用である可能性が高いものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の原理に従って構築された超音波システムをブロック図で示す図である。
【図２】図２ａ乃至２ｄは表面の主曲率の概念を示す図である。
【図３】図３ａ及び３ｂは、正常な心臓及び疾病の心臓のそれぞれの表面の例を示す図である。
【図４】主曲率が決定される点を位置決定する技術を示す図である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
2010502239.tif 000011
2010502239.tif 000012