ОЦЕНКА ИНФАРКТА МИОКАРДА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
ASSESSMENT OF MYOCARDIAL INFRACTION BY MEANS OF ULTRASONIC VISUALIZATION OF DEFORMATIONS IN REAL TIME

Данная заявка имеет приоритет по предварительной заявке США No. 62/109,209, зарегистрированной 29 января 2015 г., которая включена в настоящее описание путем ссылки.
Данное изобретение относится к ультразвуковым диагностическим системам визуализации, в частности, к использованию ультразвуковой визуализации деформаций для оценки ишемических участков сердца, пострадавших от инфаркта.
Одно из применений ультразвука в кардиологии - оценка сердца пациента, перенесшего инфаркт. Желательно, например, иметь возможность визуализировать коронарные артерии для поиска мест закупорки, которые могли вызвать ишемическое событие. Ультразвук, однако, обычно не позволяет визуализировать коронарные артерии, вследствие их движения, расположения за пределами сердца, близости к легким и других характеристик. Таким образом, функции артерий диагностируют косвенно с помощью ультразвука путем оценки движения стенок миокарда. Аномальное или асинхронное движение стенок говорит о сниженном артериальном кровотоке, что, возможно, вызвано окклюзией коронарной артерии вследствие бляшки или тромба в артерии. Аномальное функционирование миокарда вследствие окклюзии можно диагностировать путем визуализации сократительной способности миокарда. Сократительная способность может оцениваться путем расчета внутристеночных деформаций миокарда по всей сердечной мышце при сердечных сокращениях в поисках областей, в которых деформация в период сокращения минимальна или изменчива. К сожалению, большинство современных подходов не обладают разрешающей способностью для визуализации локальных деформаций и не выполняются в режиме реального времени. Существующая визуализация деформаций позволяет лишь проводить измерения глобальных деформаций (продольных, окружных и радиальных) на одном сердечном цикле. Хотя информация о них полезна, их нельзя использовать для определения местонахождения и надежной визуализации инфаркта, либо установления границ ишемической зоны. Данные практические подходы не обладают чувствительностью, необходимой для диагностики локальной деятельности сердца. Кроме того, поскольку деформация определяется путем отслеживания движения миокарда на всем сердечном цикле или, по меньшей мере, на фазе его сокращения, в сердечном цикле можно получить лишь одно изображение деформации. Данные изображения рассматриваются статически, а не как динамические изображения в режиме реального времени. Следовательно, желательно иметь возможность определять характеристики сократительной способности сердца с высоким разрешением, а также обладать возможностью наблюдать их на изображениях сердца в режиме реального времени.
В некоторых аспектах настоящее изобретение включает в себя ультразвуковые системы, например ультразвуковую диагностическую систему визуализации для визуализации деформаций в режиме реального времени, которая содержит зонд для ультразвуковой визуализации, имеющий матричный датчик, осуществляющий сбор ультразвуковых эхо-сигналов, процессор обработки изображений, соединенный с зондом для визуализации и создающий первую последовательность кадров изображения в режиме реального времени, калькулятор деформаций, соединенный с процессором обработки изображений и осуществляющий обработку данных кадра изображения для оценки деформации на протяжении последовательности кадров изображения, цветной картопостроитель, создающий цветовую карту из значений деформаций, преобразователь (warper) цветовой карты, реагирующий на цветовую карту и новую последовательность кадров изображения, который выполнен с возможностью преобразования цветовой карты под кадр изображения новой последовательности, чтобы создать преобразованную цветовую карту, а также дисплей, отображающий кадр изображения в сочетании с преобразованной цветовой картой.
В некоторых аспектах настоящее изобретение может включать в себя ультразвуковую систему визуализации, имеющую инструкции, которые при их выполнении заставляют систему осуществлять сбор ультразвуковых эхо-сигналов с помощью зонда для ультразвуковой визуализации, имеющего матричный датчик, создавать первую последовательность кадров изображения в режиме реального времени, обрабатывать данные кадров изображения для оценки деформации на протяжении последовательности кадров изображения, создавать цветовую карту, по меньшей мере, частично на основе значений деформаций, преобразовывать или согласовывать цветовую карту с кадром изображения новой последовательности изображений для генерирования преобразованной цветовой карты, а также отображать кадр изображения в сочетании с преобразованной цветовой картой.
В некоторых аспектах настоящее изобретение включает в себя способы ультразвуковой визуализации, например способ создания ультразвуковых изображений деформаций в режиме реального времени, который включает в себя получение кадров эхо-данных изображения, оценку смещения тканей между полученными кадрами из эхо-данных изображения, расчет значений деформаций из смещений, формирование цветовой карты значений деформаций, получение дополнительных кадров эхо-данных изображения, преобразование цветовой карты под дополнительные кадры, а также отображение дополнительных кадров в сочетании с преобразованными цветовыми картами.
На чертежах:
ФИГУРА 1 - блок-схема ультразвуковой системы, построенной согласно принципам настоящего изобретения.
ФИГУРЫ 2a - 2d иллюстрируют движение точек в миокарде в процессе сокращения сердца.
ФИГУРА 3 иллюстрирует движение точек в миокарде, наблюдаемое по короткой оси сердца.
ФИГУРА 4 - блок-схема алгоритма визуализации деформаций сердца согласно принципам настоящего изобретения.
ФИГУРА 5 иллюстрирует кросс-корреляционные функции эхо-данных последовательных изображений сердца.
ФИГУРА 6 графически иллюстрирует типовое кросс-корреляционное распределение спеклов, обусловленное движением сердца, в одном варианте осуществления настоящего изобретения.
Согласно принципам настоящего изобретения, описана ультразвуковая диагностическая система визуализации, способная осуществлять визуализацию сердца с высокой частотой кадров и вычислять деформацию в локализованных областях миокарда. Для каждого пикселя на изображении определяется параметр деформации, представляющий локальную деформацию, при этом эти пиксельные значения далее наносятся пространственно на анатомическое изображение. Карта деформаций затем приводится в соответствие с первым изображением следующего сердечного цикла и отображается в виде параметрического цветового наложения на кадры изображения следующего цикла изображений сердца. По мере того, как изменяются изображения с сокращением и расслаблением миокарда, цветовое наложение преобразуется, чтобы непрерывно соответствовать каждому изображению сердца. Таким образом, пользователю предоставляется отображение сердца в режиме реального времени, пространственное изменение его деформаций, а также соответствующие характеристики сократительной способности.
В некоторых аспектах настоящее изобретение предоставляет ультразвуковые диагностические системы визуализации для визуализации деформаций в режиме реального времени. Ультразвуковые системы могут включать в себя множество компонентов, таких как зонд для ультразвуковой визуализации. Зонд может включать в себя матричный датчик, осуществляющий сбор ультразвуковых эхо-сигналов. Системы могут включать в себя процессор обработки изображений. Процессор обработки изображений может соединяться с зондом для визуализации и выполнен с возможностью создания первой последовательности кадров изображения в режиме реального времени. Системы могут включать в себя калькулятор деформаций, соединенный с процессором обработки изображений. Калькулятор деформаций может быть выполнен с возможностью обработки данных кадра изображения для оценки деформации на протяжении последовательности кадров изображения. Системы могут включать в себя цветной картопостроитель. Системы могут быть выполнены с возможностью содержать процессоры, запоминающее устройство, а также другие структуры, которые могут быть запрограммированы, чтобы служить в качестве цветного картопостроителя. Цветной картопостроитель может быть выполнен с возможностью создания цветовой карты на основе значений деформаций. Системы могут включать в себя преобразователь цветовой карты. Системы могут включать в себя цветной картопостроитель. Системы могут быть выполнены с возможностью содержать процессоры, запоминающее устройство, а также другие структуры, которые могут быть запрограммированы, чтобы служить в качестве преобразователя цветовой карты. Преобразователь цветовой карты может реагировать на цветовую карту и новую последовательность кадров изображения, при этом выполнен с возможностью преобразования цветовой карты под кадр изображения новой последовательности, тем самым генерируя преобразованную цветовую карту. Системы могут также содержать дисплей, отображающий кадр изображения в сочетании с преобразованной цветовой картой.
В некоторых вариантах осуществления кадры изображения могут включать в себя кадры изображения сердца. Первая последовательность кадров изображения может быть получена в течение первого сердечного цикла, а новая последовательность кадров изображения может быть получена в течение последующего сердечного цикла. Системы могут включать в себя запоминающее устройство для кадров, соединенное с процессором обработки изображений, которое хранит последовательности кадров изображения.
В определенных вариантах осуществления системы могут включать в себя устройство для оценки смещений. Системы могут включать в себя цветной картопостроитель. Системы могут быть выполнены с возможностью содержать процессоры, запоминающее устройство, а также другие структуры, которые могут быть запрограммированы, чтобы служить в качестве устройства для оценки смещений и цветного картопостроителя. Устройство для оценки смещений может реагировать на последовательность кадров изображения и может быть выполнено с возможностью оценки смещения тканей на протяжении последовательности кадров изображения. Устройство для оценки смещений может включать в себя кросс-коррелятор смещений, оценивающий смещения путем кросс-корреляции эхо-данных, а также интегратор смещений, рассчитывающий интегральные значения смещений по Лагранжу.
В некоторых вариантах осуществления, системы могут включать в себя устройство для отслеживания спеклов, идентифицирующее смещение тканей. Системы могут включать в себя цветной картопостроитель. Системы могут быть выполнены с возможностью содержать процессоры, запоминающее устройство, а также другие структуры, которые могут быть запрограммированы, чтобы выполнять функции устройства для отслеживания спеклов и цветного картопостроителя. В определенных вариантах осуществления системы могут соединяться с ЭКГ-датчиком, распознающим волновую форму ЭКГ пациента. Системы могут дополнительно включать в себя формирователь пучка, соединенный с матричным датчиком и выполняющий функции по получению последовательностей кадров изображения в привязке к волновой форме ЭКГ.
Обратимся сначала к ФИГУРЕ 1, на которой ультразвуковая система, построенная согласно принципам настоящего изобретения, показана в форме блок-схемы. Зонд 10 имеет матрицу преобразовательных элементов 12, сканирующих область тела перед матрицей. Матрица может представлять собой одномерную или двумерную матрицу для 2D- или 3D-сканирования. Обычно в кардиологии матричный датчик работает в виде фазированной решетки. Зонд управляется формирователем 20 пучка, который управляет моментами подачи импульсов и обрабатывает полученные эхо-сигналы. Зонд 10 соединен с основной ультразвуковой системой с помощью кабеля 14 зонда и переключателя 16 приема/передачи, предохраняющего чувствительную электронику формирователя пучка в процессе передачи высокого напряжения. Формирователь пучка осуществляет задержку и объединяет сигналы, полученные от преобразовательных элементов, для формирования когерентных эхо-сигналов из точек в поле изображения. Эхо-сигналы поступают в процессор 22 обработки сигналов, который усиливает сигналы путем фильтрации и выдает распознанные эхо-сигналы. Обработанные эхо-сигналы далее преобразуются в пространственное изображение требуемого формата с помощью процессора 24 обработки изображений. Последовательно созданные кадры изображения хранятся в запоминающем устройстве 30 для кадров.
1-M
M-N
G
1-M
M-N
yy
xy
xx
xx
yy
xy
Поскольку невозможно определить напряжение в миокарде напрямую с помощью ультразвука, т.е. силы, прикладываемой сердечной мышцей, влияние такой силы оценивают путем измерения стрейна, т.е. деформации сердца, порождаемой таким сократительным напряжением. Процесс измерения деформаций начинается с отслеживания движения миокарда при его сокращении. Поскольку ультразвук создает когерентные сигналы, проявляется феномен, именуемый спеклом. Пока зонд остается неподвижным, спекл-паттерн сохраняется от одного кадра изображения до следующего за ним. Детализированный спекл-паттерн отслеживается устройством 32 для отслеживания спеклов, которое тем самым сопровождает малые области ткани миокарда путем сопровождения изменения положения их спекл-паттерна от одного кадра изображения до следующего за ним. Поскольку изменение интенсивности эхо-сигналов, обусловленное спекл-структурой, находится на очень низком уровне, а значит, подвержено маскировке шумом, система по ФИГУРЕ 1 оценивает смещения спекл-паттерна от одного изображения до следующего за ним с помощью кросс-корреляции. Эхо последовательных кадров изображения подвергаются кросс-корреляции кросс-коррелятором 34 смещений, чтобы определить местоположение пика кросс-корреляционной функции. Типовая кросс-корреляционная функция показана на ФИГУРЕ 6. ФИГУРА 7 иллюстрирует одну кросс-корреляционную функцию 52, полученную из кросс-корреляции первого и второго последовательных кадров изображения, а также вторую кросс-корреляционную функцию 54, полученную из кросс-корреляции второго и следующего за ним последовательных кадров изображения. Как можно видеть, между пиками этих двух функций имеется временной сдвиг d. Этот временной сдвиг d представляет собой смещение ткани в последовательности изображений от одного кадра до следующего за ним. Поскольку этот сигнал временного сдвига подвержен шуму, смещения на множестве последовательных кадров интегрируются интегратором 36 смещений. Предпочтительно используется интегрирование по Лагранжу (Lagrangian integration) для получения единственного значения для каждой точки в миокарде, представляющего смещения на множестве последовательных кадров. Поскольку движение сердца является циклическим, а значит, возвращается к своей исходной точке в каждом сердечном цикле (сердце на кадре 1 занимает то же положение, что и на последнем кадре N), можно получить две независимые оценки для смещения на фазах сокращения и расслабления. Например, мгновенные смещения интегрируются вперед по времени от кадра 1 до M (обозначено I) и назад по времени от кадра N до M (обозначено I). Следует отметить, что кадр M соответствует конечной систоле; это фаза сердечного цикла, на которой деформации должны быть максимальными. Интегрированные смещения далее усредняются, чтобы получить сводную карту смещений, интегрированных по Лагранжу (Lagrangian integrated composite displacement map): I=(I+I)/2. Интегрированные смещения далее используются калькулятором 38 деформаций для получения пространственных производных, представляющих собой пространственные значения деформаций для каждого местоположения пикселя. Взвешенное сочетание значений номинальной и сдвиговой деформаций используется для создания параметрического изображения. Один из примеров такого сочетания: (0.5E +0,25E +0,25E), где E - деформация, перпендикулярная A-линии, E - деформация вдоль A-линии, а E - сдвиговая деформация, полученная из аксиальных смещений. Это является мерой поворота. Данные значения деформаций далее наносятся в виде цветовых значений на двумерную или трехмерную цветовую карту блоком 40 цветового картирования деформаций. Цветовая карта пространственно соответствует миокарду, поскольку она появляется на кадрах изображения, на которых значения деформаций были рассчитаны. Цветовая карта может отображаться в виде статической цветовой карты деформации для сердечного цикла, для которого были рассчитаны значения деформаций.
Согласно принципам настоящего изобретения, цветовая карта деформаций хранится в блоке 40 цветового картирования деформаций, при этом кадры получают на последующем сердечном цикле. Предпочтительно кадры каждого сердечного цикла получают на известных фазах сердечного цикла в привязке к R-волне ЭКГ-сигнала. Как известно, электроды 26 для физиологического исследования прикрепляют к телу пациента в процессе сканирования для получения волновой формы ЭКГ, при этом моменты времени получения кадров изображения, таким образом, могут быть привязаны к моментам проявления R-волны ЭКГ-сигнала. Когда образуется R-волна последующего сигнала сердца, она запускает блок 40 цветового картирования деформаций для соединения цветовой карты с преобразователем 42 цветовой карты. Преобразователь цветовой карты получает кадр изображения, созданный в течение нового сердечного цикла, а также в качестве опции может получать пространственную информацию об отслеженном спекле в новом изображении из устройства 32 для отслеживания спеклов. Преобразователь цветовой карты далее преобразует или приводит в соответствие цветовую карту из предшествующего сердечного цикла с изображением сердца нового сердечного цикла. Когда цветовая карта, таким образом, пространственно совмещена с миокардом в новом кадре изображения, преобразованная цветовая карта и новый кадр изображения поступают в дисплейный процессор, где цветовая карта используется в качестве цветового наложения на кадр изображения. Новый кадр изображения и его цветовое наложение преобразованной цветовой карты далее отображаются на дисплее 50.
По мере получения последовательных кадров изображения нового сердечного цикла они поступают в преобразователь 42 цветовой карты, при этом цветовая карта, созданная в течение предыдущего сердечного цикла, преобразуется или приводится в соответствие с миокардом на каждом изображении. Цветовая карта деформации миокард, таким образом, вписывается в границы миокарда на каждом изображении нового сердечного цикла. Каждая преобразованная цветовая карта затем отображается в виде цветового наложения, нанесенного поверх каждого последующего кадра изображения сердца нового сердечного цикла. Отображение в режиме реального времени кадров изображения нового сердечного цикла, таким образом, включает в себя согласованное цветовое наложение деформаций, которое тем самым отображает динамическую последовательность изображений в режиме реального времени характеристик деформации миокарда.
В качестве опции, отслеженные спекл-значения (speckle values) каждого нового кадра изображения нового сердечного цикла могут использоваться преобразователем 42 цветовой карты для согласования значений деформаций цветовой карты с соответствующими местоположениями спеклов в каждом новом кадре изображения. Вместо преобразования цветовой карты в целом значения деформаций цветовой карты постоянно переустанавливаются, чтобы согласовываться с изменением соответствующих местоположений спеклов в каждом новом кадре изображения.
Одновременно с продолжением отображения по данной методологии элементы 32-40 ультразвуковой системы осуществляют расчет значений деформаций на новом сердечном цикле, так что создается новая цветовая карта для нового сердечного цикла. Новая цветовая карта далее используется в качестве нового преобразованного цветового наложения для следующего сердечного цикла.
A
B
C
ФИГУРА 2 иллюстрирует, как отдельные точки миокарда могут перемещаться в процессе сокращения сердца и как это перемещение проявляется в ультразвуковых изображениях. На ФИГУРЕ 2a) показаны три точки в миокарде, а именно My, My и My, которые в процессе сердечного сокращения перемещаются вдоль соответствующих траекторий A, B и C. После начального периода времени, т.е. отрезка времени между последовательными кадрами изображения в данном примере, эти точки в миокарде стянулись в положения вдоль траекторий A, B и C, как показано на ФИГУРЕ 2b). После следующего межкадрового периода времени точки миокарда переместились дополнительно в положения, показанные на ФИГУРЕ 2c). Непрерывное движение при данном перемещении теперь фиксируется с помощью ультразвуковой визуализации, однако только местоположения точек миокарда в момент времени, в который получен кадр изображения. Таким образом, движение, фиксируемое ультразвуковой визуализацией, представляет собой последовательность прямолинейных смещений 60, как показано на ФИГУРЕ 2d). Это смещение, если его изобразить в более широком контексте сокращения миокарда, принимает вид, показанный на ФИГУРЕ 3. На этом чертеже показан вид миокарда по короткой оси, где срез миокарда через сердце имеет вид тороида. В исходном положении точек миокарда на ФИГУРЕ 2a) эти точки сгруппированы так, как показано на левой стороне ФИГУРЫ 3. После того как сердце совершило сокращение, эти точки переместились внутрь и стали ближе друг к другу, как показано на правой стороне ФИГУРЫ 3. В типичном здоровом сердце можно ожидать, что точки мышцы миокарда перемещаются на 20% ближе друг к другу на фазе сокращения сердца. Данное смещение каждой точки миокарда представлено единственным значением после интегрирования по Лагранжу и вычисления деформаций в ультразвуковой системе. Конечные значения деформаций далее используются в пространственно упорядоченной цветовой карте значений деформаций.
В некоторых аспектах настоящее изобретение включает в себя способы создания ультразвуковых изображений деформаций в режиме реального времени. Способы могут включать в себя получение кадров эхо-данных изображения, оценку смещения тканей между полученными кадрами из эхо-данных изображения, расчет значений деформаций из смещений, формирование цветовой карты значений деформаций, получение дополнительных кадров эхо-данных изображения, преобразование цветовой карты под дополнительные кадры, отображение дополнительных кадров в сочетании с преобразованными цветовыми картами, сгенерированными путем преобразования цветовой карты под дополнительные кадры.
В некоторых аспектах получение кадров эхо-данных изображения может включать в себя получение кадров изображения сердца. Оценка смещения тканей может включать в себя осуществление спекл-трекинга. Спекл-трекинг может включать в себя оценку смещений с помощью кросс-корреляции, а также выполнение интегрирования смещений по Лагранжу. В определенных вариантах осуществления способы могут включать в себя получение волновой формы ЭКГ пациента, а также получение кадров эхо-данных изображения в привязке к моментам времени, отображенным на волновой форме ЭКГ.
Преобразование цветовой карты может включать в себя согласование цветовой карты с границами миокарда в каждом из дополнительных кадров. Преобразование цветовой карты может включать в себя согласование цветовой карты со спекл-паттерном в каждом из дополнительных кадров.
Способ по настоящему изобретению изображен на блок-схеме алгоритма по ФИГУРЕ 4. Первый этап 102 заключается в сборе эхо-данных с высокой частотой кадров. Чем выше частота кадров изображения, тем меньше приращения смещений точек в миокарде (см ФИГУРУ 2d)). Предпочтительно кадры изображения получают с частотой 100 Гц или более. Повышенная частота кадров обеспечивает улучшение характеристик при использовании 2D-изображений, при которых происходит перемещение точек миокарда за пределы плоскости изображения. Повышенная частота кадров придает уверенность, что точка миокарда дискретизируется, по меньшей мере, дважды, прежде чем она покинет плоскость изображения, что позволяет оценить деформацию для этой точки. Далее на этапе 104 начинается проведение спекл-трекинга путем оценки смещений структур на кадре изображения, таких как спекл, с помощью кросс-корреляции. На этапе 106 выполняется интегрирование смещений по Лагранжу. На этапе 106 вычисляется деформация в виде пространственных производных смещения. Значения деформаций далее используются для формирования цветовой карты на этапе 108.
На этапе 110 получают кадры изображения следующего сокращения сердца. Цветовая карта после этого преобразуется, чтобы соответствовать миокарду на кадрах изображения следующего сокращения сердца, и отображается в виде цветового наложения на миокард в новом изображении. Процесс преобразования и наложения продолжается на всем протяжении следующего сокращения сердца, при этом одновременно выполняется обработка кадров изображения следующего сокращения сердца для формирования цветовой карты, используемой в качестве преобразованного наложения с кадрами изображения следующего сердечного цикла.
Следует понимать, что каждый блок изображенных блок-схем, а также сочетания блоков на изображениях блок-схемах, так же, как и любая часть систем и способов, раскрытых в настоящем описании, могут быть реализованы с помощью команд компьютерной программы. Эти программные команды могут выдаваться в процессор для создания аппаратной платформы, так что команды, выполняемые процессором, создают средство для реализации действий, указанных в блоке или блоках блок-схем, либо описанных для систем и способов, раскрытых в настоящем описании. Команды компьютерной программы могут выполняться процессором, чтобы обеспечить осуществление процессором ряда рабочих этапов с целью организации процесса, реализуемого компьютером. Команды компьютерной программы могут также обеспечить параллельное выполнение, по меньшей мере, некоторых рабочих этапов. Помимо этого, некоторые из этапов могут также осуществляться более чем на одном процессоре, например, в многопроцессорной компьютерной системе. Кроме того, один или несколько процессов могут также осуществляться одновременно с другими процессами или даже в иной последовательности, чем та, что проиллюстрирована, без отступления от объема или существа изобретения.
Команды компьютерной программы могут храниться на любом пригодном машиночитаемом аппаратно-реализованном носителе, в частности RAM, ROM, EEPROM, флэш-ПЗУ или других запоминающих устройствах, CD-ROM, универсальных цифровых дисках (DVD) или других оптических ЗУ, магнитных кассетах, магнитной ленте, ЗУ на магнитных дисках или других магнитных ЗУ, либо любом другом носителе, который может использоваться для хранения требуемой информации и к которому может иметь доступ компьютерное устройство. Процессоры могут содержать аппаратное обеспечение, например, микропроцессоры, программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), интегральные схемы и т.п.