СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR FORMATION OF THREE-DIMENSIONAL ULTRASONIC IMAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к формированию ультразвукового изображения в медицинских целях и, в частности, к способу, устройству и компьютерной программе для формирования трехмерного ультразвукового изображения.
Уровень техники
Трехмерная эхокардиология имеет многочисленные преимущества в медицинской диагностике по сравнению с классическим формированием двухмерного изображения. Например, она позволяет производить более точные количественные оценки, например, производить измерение объема левого желудочка и вычисление фракции выброса, поскольку не строится никаких гипотез относительно формы левого желудочка. Кроме того, сокращается общее время обследования, поскольку большинство участков сердца можно наблюдать в одной съемке.
С другой стороны, поскольку объем собираемых данных больше, чем в двухмерном случае, пространственное и временное разрешение снижается. Для получения больших объемов высокого разрешения съемка левого желудочка обычно делится на четыре сектора, каждый из которых получается в отдельном сердечном цикле. Однако необходимость в нескольких сердечных циклах для получения объема высокого разрешения может приводить к разъединению между разными секторами данных, если движение сердца не в точности периодично в течение нескольких сердечных циклов.
В порядке примера, система формирования трехмерного ультразвукового изображения в медицинских целях согласно US 5,993,390 собирает данные ультразвукового изображения, представляющие трехмерные секторы интересующего объема в теле пациента синхронно с соответствующими сердечными циклами пациента, и объединяет данные изображения, представляющие секторы, для обеспечения данных изображения, представляющих трехмерное ультразвуковое изображение объема.
Как упомянуто в этом патенте, недостаток системы состоит в том, что движение сердца между ударами может приводить к нарушениям непрерывности в отображаемом изображении.
Раскрытие изобретения
Задачей этого изобретения является обеспечение способа съемки, который позволяет избегать артефактов соединения в трехмерном изображении интересующего объема.
Согласно изобретению способ формирования ультразвукового изображения в медицинских целях содержит этапы, на которых:
a) собирают, с первым разрешением, первые данные ультразвукового изображения, представляющие объем интересующего органа, в течение сердечного цикла пациента;
b) собирают, со вторым разрешением, более высоким, чем первое разрешение, вторые данные ультразвукового изображения, представляющие трехмерный сектор упомянутого объема, в течение другого сердечного цикла пациента;
c) сравнивают первые и вторые данные ультразвукового изображения сектора для выявления подобия между первыми и вторыми данными ультразвукового изображения и, в зависимости от результата сравнения,
- подтверждают вторые данные трехмерного ультразвукового изображения, если первые и вторые данные ультразвукового изображения, по существу, подобны, иначе
- дополнительно обрабатывают сектор.
Съемка с первым, низким разрешением позволяет получить в одном сердечном цикле изображение всего интересующего объема. Это изображение используется как опорное для секторов, снятых со вторым, более высоким разрешением. Сравнив сектор, снятый с высоким разрешением, с соответствующим участком объема, снятым с низким разрешением, можно оценить, переместился ли сектор между съемкой объема и съемкой сектора. Эта информация позволяет избегать артефактов в окончательном изображении высокого разрешения, поскольку сектор, который переместился между съемкой объема и съемкой сектора, создает артефакт в окончательном изображении высокого разрешения в отсутствие дополнительной обработки.
Изобретение также относится к устройству для формирования ультразвукового изображения в медицинских целях, а также к компьютерной программе для реализации способа, отвечающего изобретению.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет описано ниже, в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
Фиг. 1 - вид в разрезе трехмерного объема (Фиг. 1A), разделенного на секторы (Фиг. 1B);
Фиг. 2 - схематическое представление трехмерного объема с отображением артефактов;
Фиг. 3 - электрокардиограмма, разделенная на двадцать сердечных фаз;
Фиг. 4 - блок-схема этапов способа съемки изображений согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Все техники формирования трехмерного изображения сердца, отвечающие уровню техники, имели низкое разрешение и/или продолжительное время съемки. В случае продолжительного времени съемки, изображения обычно демонстрируют нарушения непрерывности вследствие движений сердца, дыхательных движений, движений пациента и/или движений специалиста по ультразвуковой эхографии. Как отмечено выше, вследствие необходимости в высоком разрешении, эхокардиографические съемки полного объема в настоящее время осуществляются в течение совокупности сердечных циклов, например четырех. В каждом цикле формируется изображение сектора лишь доли (например, четверти) всего объема сердца. Изображаемым органом сердечно-сосудистой системы также может быть только левый желудочек, но и он изображается с использованием четырех разных секторов. Следует заметить, что согласно изобретению можно строить изображения других интересующих органов, если их движение имеет определенную периодичность, связанную с сердечным циклом.
Однако любое движение пациента (дыхание, перемещение), ультразвукового зонда или любое изменение сердечного ритма (т.е. аритмия) приводит к образованию границ между секторами и порождает артефакты (F), что указано стрелкой на Фиг. 2.
Заметим, что в US 2005/0228280 раскрыт способ сбора ультразвуковых данных для отображения. Способ содержит:
(a) сканирование в трехмерном объеме с первым пространственным разрешением; и
(b) сканирование в трехмерном субобъеме объема со вторым пространственным разрешением, причем второе пространственное разрешение выше, чем первое пространственное разрешение.
Более подробно, этап (b) содержит сканирование во всем трехмерном субобъеме со вторым пространственным разрешением, и этап (a) содержит сканирование с первым пространственным разрешением во всем трехмерном объеме, кроме субобъема.
Объем более низкого пространственного разрешения можно сканировать быстрее, чем ту же область с более высоким пространственным разрешением. Благодаря сканированию субобъема с более высоким пространственным разрешением медицинская диагностика может быть более точной или базироваться на более обширной информации. Однако такая медицинская диагностика предусматривает, что пользователь обладает достаточными медицинскими знаниями, чтобы использовать изображение. Благодаря сканированию остального трехмерного объема с более низким разрешением, можно обеспечить опорную анатомическую информацию с более низким разрешением, которая помогает оператору определить положение субобъема, связанного с формированием изображения более высокого разрешения. Однако в этом документе не раскрыто, что изображение субобъема, полученное с высоким разрешением, сравнивается с изображением того же субобъема, полученным с более низким разрешением. Кроме того, трехмерный субобъем и трехмерный объем за исключением субобъема относятся к двум разным областям изображаемого объема, из-за чего на границах между объемом и субобъемом могут возникать артефакты.
Описанное ниже изобретение предусматривает способ съемки для получения изображения больших объемов высокого разрешения без артефактов, устройство для реализации такого способа и компьютерную программу для управления работой устройства. Устройство для формирования ультразвукового изображения в медицинских целях содержит:
- преобразователь, содержащий матрицу элементов преобразователя;
- передатчик для передачи энергии ультразвука с помощью преобразователя в объем интересующего органа в виде совокупности пучков передачи;
- приемник для приема ультразвуковых эхо-сигналов с помощью преобразователя из объема, порожденных энергией ультразвука, и для генерации принятых сигналов, представляющих принятые ультразвуковые эхо-сигналы;
- формирователь пучка приема для обработки принятых сигналов для формирования, по меньшей мере, одного пучка приема для каждого из пучков передачи и для генерации данных изображения, представляющих ультразвуковые эхо-сигналы в пучке приема;
- схему, предназначенную для управления сбором данных изображения, представляющих объем, в течение сердечного цикла с первым разрешением и сбором данных изображения, представляющих сектор объема, в течение сердечного цикла со вторым, более высоким разрешением, и
- компаратор для сравнения данных изображения первого и второго разрешения для сектора объема.
Устройство призвано, в зависимости от результата сравнения, либо подтверждать данные трехмерного ультразвукового изображения второго разрешения, представляющие сектор, либо далее обрабатывать сектор.
Дополнительно, можно обеспечить другие компоненты, например память для хранения ультразвуковых данных, дисплей и устройство пользовательского ввода. Формирователь пучка способен производить сканирование в трехмерном объеме с одним пространственным разрешением и способен производить сканирование в субобъеме или секторе трехмерного объема с более высоким пространственным разрешением. Например, в зависимости от того, какой участок трехмерного объема сканируется, изменяются одно или несколько из частоты сканирования, полосы формирования изображения, размера апертуры, положения апертуры, типа аподизации, геометрии сканирования и плотности строк развертки. При более высокой частоте, большей апертуре и более плотном распределении строк развертки, субобъем или сектор сканируется с более высоким пространственным разрешением. Объем более низкого пространственного разрешения можно сканировать быстрее, чем ту же область с более высоким пространственным разрешением.
Формирователь пучка способен изменять параметры, например апертуру, частоту, профиль аподизации, профиль задержки и их комбинации между событиями передачи и приема для изменения поперечной протяженности, позиции сканирования или разрешения. Благодаря изменению параметров формирования пучка, можно обеспечить разнообразные комбинации шаблонов сканирования, например сканирование всего трехмерного объема с первым разрешением, например низким разрешением, в течение первого сердечного цикла и затем сканирование субобъема или сектора со вторым разрешением, например более высоким разрешением, в течение другого сердечного цикла.
Устройство может использовать компьютерную программу, которая управляет переключением формирователя пучка из одного режима разрешения в режим второго, более высокого разрешения, которая синхронизирует сбор данных изображения с сигналами сердечных циклов, поступающих, например, от датчика ЭКГ (электрокардиографa), и которая осуществляет этапы способа, отвечающего изобретению.
1
2
3
4
Сигналы формирователя пучка могут сохраняться в буфере данных изображения, который, как описано ниже, хранит данные изображения для разных секторов объема (VSi) для объема (V) изображения, показанного на Фиг. 1A и 1B (на Фиг. 1B секторы VS, VS, VS и VS соответственно обозначены S1, S2, S3 и S4), и для разных сердечных фаз (CPj) сердечного цикла Ck, показанного на Фиг. 3.
Объем (V) может иметь форму конуса, вершина которого располагается в центре матрицы преобразователей. Предпочтительным применением изобретения является формирование изображения сердца. Для облегчения формирования изображения сердца объем (V) можно разделить на трехмерные секторы (VSi) для формирования изображения сердца пациента.
Так, например, секторы могут иметь в поперечном сечении квадратную, прямоугольную, круглую или неправильную форму. Кроме того, разные секторы могут иметь разные размеры и формы в одном объеме.
Для данного объема выбор размера, формы и количества секторов может отчасти базироваться на доступном времени для сбора данных изображения в течение указанной сердечной фазы, что описано ниже.
Очевидно, что сам по себе объем не ограничивается конической формой и может иметь разнообразные формы и размеры. Например, объем может представлять собой пирамиду или усеченную пирамиду. Выбор размера и формы объема может базироваться на применении и типе используемого преобразователя.
Признак изобретения базируется на сборе данных изображения для одного или нескольких секторов синхронно с сердечным циклом пациента. На Фиг. 3 показана иллюстративная электрокардиограмма. В примере, показанном на Фиг. 3, электрокардиограмма указывает удар сердца каждые 860 миллисекунд. Сердечный цикл можно разделить на сердечные фазы для формирования изображения. В одном примере можно использовать 20 сердечных фаз CPj примерно 43 миллисекунд каждая. Выбор длительности сердечной фазы обычно зависит от максимального времени, в течение которого сердце не испытывает значительных движений. Можно использовать больше или меньше сердечных фаз.
Электрокардиограмма пациента используется для инициирования сбора данных изображения, чтобы сбор данных осуществлялся синхронно с каждым сердечным циклом пациента. В частности, сбор данных изображения синхронизируется с конкретной фазой сердечного цикла. Кроме того, данные изображения можно собирать в течение каждой фазы каждого сердечного цикла. Объем данных изображения, собранных в течение каждой сердечной фазы, зависит от длительности сердечной фазы и скорости сбора данных изображения.
fr
fr
fr
CP0-C0
CP1-C0
CP19-C0
Сбор данных изображения для нескольких секторов, составляющих объем, описан со ссылкой на Фиг. 4. Объем (V) по определению имеет секторы (VS1-VS4). Каждый сердечный цикл Ck по определению имеет сердечные фазы (CP0-CP19). Сбор данных изображения производится в течение, например, четырех сердечных циклов C0-C3. Согласно этой системе обозначений данные изображения V для объема (V) собирают в течение сердечной фазы CP0 сердечного цикла C0 с первым разрешением (fr). Данные изображения V, …, V для объема (V) собирают в течение сердечных фаз CP1-CP19 сердечного цикла C0.
fr
sr
sr
sr
sr
CPj-C0
CP0-C1
CP1-C1
CP19-C1
CPj-Ck
В описании (V)Si=FRsi обозначает часть данных, соответствующую сектору (Si) и собранную для объема (V) с первым разрешением в течение фаз CPj первого сердечного цикла C0. Данные изображения VS1, VS1, …, VS1 для сектора VS1 объема аналогично собираются со вторым разрешением (sr) в течение каждой из сердечных фаз (CP0-CP19) сердечного цикла C1. В дальнейшем VS=SRi обозначает данные изображения, собранные со вторым разрешением в секторе Si в течение сердечной фазы (CPj) сердечного цикла Ck.
fr
sr
CP0-C0
CP0-C0
Согласно способу, отвечающему изобретению, показанному на Фиг. 4, первые (V)Si и вторые VSi данные изображения одного и того же сектора Si сравниваются с определенным условием для подтверждения вторых данных трехмерного ультразвукового изображения, представляющих сектор, когда сравнение удовлетворяет этому условию.
i
i
Каждый SR сектор (SR) сравнивается (1) со снимком FR (FRsi). В одном варианте осуществления подтверждение (2) разных секторов осуществляется путем вычисления подобия T между данными изображения секторов FR и SR, в виде суммы квадратов разностей.
fr
sr
CP0-C0
CP0-C2
Если сумма не превышает заранее определенного значения, данные изображения второго разрешения сохраняются (3) в памяти устройства или напрямую отображаются на дисплее. Если нет, новая съемка (4) того же сектора инициируется в начале следующего сердечного цикла, пока данные изображения не удовлетворят условию, или пока количество неудачных съемок на одном и том же секторе не достигнет данного числа, и в этом последнем случае оператору передается предупреждающий сигнал. Предупреждающий сигнал также может выводиться при условии, что вышеупомянутая сумма превышает заранее определенное значение. Одно преимущество способа состоит в получении изображения больших объемов высокого разрешения без артефактов. Согласно примеру, показанному на Фиг. 4, если в ходе сравнения между (V)S2 и VS2 вышеупомянутая сумма превышает заранее определенного значения, данные изображения второго разрешения, полученные в течение сердечного цикла C2, не сохраняются (3) в памяти устройства. Новая съемка инициируется (4) и осуществляется в течение следующего сердечного цикла C3, пока данные изображения не удовлетворят условию, или пока не будет предпринято некоторое количество неудачных попыток съемки.
sr
CPj-Ck
Кроме того, если данное количество фрагментов данных изображения VSi, собранных в течение первых фаз сердечного цикла Ck, удовлетворяют условию, и остальные фрагменты данных изображения, собранные в течение остальных фаз, не удовлетворяют условию, система может интерполировать эти неудовлетворительные или неподтвержденные съемки, тем самым избегая начала новой съемки для остальных фаз того же сектора в течение следующего сердечного цикла. Фактически, данные изображения, удовлетворяющие условию, можно использовать для интерполяции данных изображения, не удовлетворяющих условию. Другими словами, данные изображения, не удовлетворяющие условию, можно повторно вычислить для размещения в том же месте, что и данные изображения, удовлетворяющие условию.
Альтернативно, данные изображения, не удовлетворяющие условию, можно повторно вычислить для размещения их в другом месте, пока они не удовлетворят условию. Таким образом, также можно избежать другой съемки, осуществляется правильное позиционирование секторов в объеме посредством повторного вычисления данных изображения каждого неподтвержденного сектора.
Такой подход используется в течение достаточного количества сердечных циклов, например шести C0-C5. Первый цикл C0 используется для съемки первого разрешения на объеме (V), и, предполагая, например, что один сектор (например, S2) объема нуждается в новой съемке, нужно еще пять циклов C1-C5 для съемки четырех секторов (S1-S4), поэтому данные изображения для четырех секторов объема собираются в течение каждой из сердечных фаз CP0-CP19 сердечных циклов для доставки данных изображения, удовлетворяющих условию.
Таким образом, настоящее изобретение описывает надежный протокол съемки, позволяющий преодолевать возможные артефакты соединения, возникающие в процессе съемки полного объема.
Если окончательная разность между данными изображения SR и FR превышает определенный порог, оператор может получать предупреждение, что в снимке могут присутствовать артефакты. Кроме того, можно осуществлять апостериорную проверку гладкости перехода от сектора к сектору путем наблюдения градиентного изображения или с использованием других аналогичных низкоуровневых алгоритмов обработки изображения.
Согласно признаку новизны изобретения секторы выбираются таким образом, чтобы, по меньшей мере, два сектора частично перекрывались. Этот случай показан на Фиг. 1B. В случае отсутствия артефактов данные изображения в перекрывающихся областях должны быть одинаковыми для двух частично перекрывающихся секторов. Следовательно, если данные изображения в области перекрытия отличаются от одного сектора к другому последующему и перекрывающемуся сектору, это свидетельствует о наличии артефакта и о том, что следующий сектор подлежит выбраковке или дальнейшей обработке.
Согласно признаку новизны сравнение перекрывающихся участков можно осуществлять путем вычисления подобия между секторами, в виде суммы квадратов разностей, например:
0
где предполагается, что T указывает тождественность (первый сектор выступает в качестве опорного).
Этот признак новизны позволяет дополнительно подавлять артефакты в окончательном изображении, поскольку его можно использовать для дополнительной проверки наличия или отсутствия артефактов.
В другом варианте осуществления порядок съемки также может иметь значение. Если сначала осуществляется съемка FR, данные изображения секторов SR можно сравнивать с ней по мере их сбора, без необходимости ждать, пока не закончатся все съемки. Однако возможны другие порядки съемки. Если съемка объема FR производится в середине, т.е., например, производится 2 съемки SR, затем съемка FR и затем еще 2 съемки SR, съемка LR будет ближе ко всем съемкам SR, что снижает вероятность появления артефактов в случае наличия непрерывного дрейфа в съемках.
Благодаря получению трехмерного изображения, представляющего сердце в каждой из сердечных фаз, можно получить разнообразную информацию. Трехмерные изображения сердца в последовательных сердечных фазах можно отображать как функцию времени для представления движения сердца. Движущееся изображение можно использовать для определения конечно-систолического объема и конечно-диастолического объема и для осуществления другой диагностики. Изображения для выбранной сердечной фазы можно поворачивать, располагая их в нужной ориентации для упрощения анализа. Методы анализа изображений можно использовать для количественного определения максимального и минимального объемов левого желудочка. Из этой информации можно вычислить объем выброса и фракцию выброса.
Изобретение не ограничивается вычислением подобия на основании суммы квадратов разностей. Можно использовать другие метрики подобия, например сумму абсолютных разностей, нормализованную корреляцию или нормализованную взаимную информацию.
Никакие условные обозначения в нижеследующей формуле изобретения не следует считать ограничением формулы изобретения. Очевидно, что употребление глагола "содержать" и его производных не исключает наличия других элементов помимо указанного в любом пункте формулы изобретения. Употребление названия элемента в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов.