专利名称：检测血管狭窄的制作方法
检测血管狭窄相关申请的交叉引用本申请要求于2009年2月5日递交的第61/150，146号美国临时申请的利益，所述的美国临时申请以引用的形式结合于本文。背景一般来说，在狭窄的动脉中流速(flow velocity)的增加与狭窄(stenosis)的程度(即管的横截面积的相对减少)成正比。然而在某些情况下，该一般规律失效。在正常的动脉段中，流量(flow) (Q)依赖于沿管的压力降(ΔΡ)和对流动的总阻力(R)，对流动的阻力(R)通常存在于心肌内血管中。在狭窄截面的情况下，在外周阻力中增加了对流动的局部阻力，所述的局部阻力由约束的尺寸确定。Q = ΔΡ/R = AP/(Rstenosis+Rmyocard) [cm3/min]狭窄的截面之处对流动的阻力依赖于血粘度(μ )，狭窄的长度(L)以及狭窄管的半径ω，使得:Q= Δ P/ (8 μ L/ 31 r4+Rmyocard)在狭窄的截面中的流速(V)与相对于正常的动脉截面的平均横截面积成反比，所述的相对于正常的动脉截面的平均横截面积限定了狭窄的程度(假设流量保持不变)。V = Q/ 31 r2 [cm/sec]在
图1中显示了在狭窄的截面中流量和速度作为狭窄程度的函数的变化，其是在 Icm长的段中，作为狭窄水平的函数的冠状动脉的流量(flow rate)和流速的模拟。使用以下的参数进行计算Rmyocard = 60mmHg/cm3/secμ blood = 0. 045氺P (gr/cm氺sec).沿血管的ΔΡ = 70mmHg正常的冠状动脉半径=1. 5mmL狭窄的长度=IOmm在图1中，曲线12是狭窄段中的流量，其在高达50 %的狭窄处几乎不变，并且随后在约75%的狭窄处降低到初始值的一半。流量的减少最终导致在狭窄段中流速(曲线14) 的衰减。因此，所述的速度在约75%的狭窄处达到最大，并随后急剧降低接近零。在实验室中以及在临床上通过实验证实了在高度狭窄的动脉中的流速可以低于在轻度狭窄的动脉中的流速这一事实。由于这一点，不可能单独使用血流速测量结果(例如在胸壁上使用多普勒系统所测定的)来测定动脉狭窄的程度。注意当存在重度狭窄时，流量的降低还导致非狭窄段中流速的降低(曲线16)。发明简述本发明的一个方面涉及检测流体流经的管中的流动紊乱的方法。该方法包括以下步骤获得流经管的流体的多普勒超声测量结果；从所述的多普勒超声测量结果中得到流动包络；将所述的流动包络参数化从而产生第一套参数；并且基于第一套参数进行分类从而确定管中是否存在流动紊乱。
本发明的另一个方面涉及检测冠状动脉血管中的狭窄的方法。该方法包括以下步骤获得流经管的血液的多普勒超声测量结果；从所述的多普勒超声测量结果中得到流动包络；将所述的流动包络参数化从而产生第一套参数；并且基于第一套参数进行分类从而确定管中是否存在流动紊乱。所述的第一套参数至少包括(a)用于在相邻的肋间隙之间最大功率的最大差值的参数，(b)用于在一段时间内所有的速度的平均功率的参数，以及(C) 用于峰值速度的时间间隔的参数。本发明的另一个方面涉及检测流体流经的管中的狭窄的方法。该方法包括以下步骤产生超声能量束；将所述的束瞄准管中的点，所述的束与(a)垂直于管中流动的方向且 (b)通过所述的点的平面成小于20°的角度；使用多普勒工艺检测(在管内)与流体流动的方向垂直的流体移动的速度分量；重复瞄准的步骤并在管中多个点处使用多普勒工艺步骤；在管中辨别出在所检测的速度分量于高速度下有高功率的位置；并且确定在所辨别的位置的上游位置存在狭窄的高的可能性。本发明的再一个方面涉及检测流体流经的管中的狭窄的方法。所述的方法包括以下步骤产生超声能量束；将所述的束瞄准管中的点，所述的束与(a)垂直于管中流动的方向且(b)通过所述的点的平面成小于20°的角度；使用多普勒工艺来检测(在管内)与流体流动的方向垂直的流体移动的速度分量；并且显示所检测的速度分量下功率水平的读数。在存在高速度分量的高功率水平的情况下，将高速度分量的高功率水平的存在与管中狭窄的存在相联系。附图的简要说明图1是描述了狭窄段中的流动特征的图。图2是使用多参数分析检测动脉或者其他管中的狭窄或其他异常流动的一种方法的流程图。图3是动脉中流动的(速度和功率)_时间的曲线图。图4是表现流动包络的曲线图。图5A和5B分别是在有狭窄的管中流动的侧面和横截面视图上的示意图。图6A是狭窄的动脉中(速度和功率)_距离的曲线图。图6B是图6A的狭窄的动脉中功率-距离的曲线图。图7A是不同的流量和狭窄水平下的一系列功率谱。图7B显示了图7A中正负值之间的相关性。图8A、8B和8C是在管中血流的三种不同模式下的功率谱。图9是描述用于检测狭窄的多参数方法如何与检测狭窄的垂直数据方法相结合的流程图。优选实施方案的描述在此描述了两种基于多普勒测量结果，用于克服以上问题，并用于诊断和表征狭窄的方法。第一种方法使用多普勒数据的多参数分析。第二种方法使用从与血流方向垂直的方向上得到的多普勒数据，该方向传统上被认为对于此目的是无用的。可选地，可以将这两种方法结合。I.多普勒数据的多参数分析第一种方法使用管中流体流动的参数特征，所述的参数特征包括在不同的压力下的流量，以及在横截面不为恒量的管中的流量，即所述的管具有一处或者多处变窄如血管中的狭窄，或者变宽(动脉瘤)等等。表征了流量、速度、功率、时间过程(time course)以及这些参数的持续时间，以及以上所有的组合。该数据分析可以在线或者离线进行。下文的描述涉及例如一般的血管中，以及特别地在冠状动脉中的血流，并且涉及多普勒超声所测量的该系统的模型(phantom)。将流动参数化以及进行表征的主要目标在于检测和诊断动脉或其他管中的狭窄，管壁和直径的变化的存在，以及测定管和流经该管的流体的功能状态。参数化的表征涉及以下范围的流动紊乱的整个谱从相对小的变窄/ 变宽和管衬里缺陷(lining defect)，到严重的变窄/变宽(狭窄和动脉瘤)直到完全的管闭塞，所述的血管衬里缺陷包括定义为易损斑块(vulnerable plaque)的那些。注意，尽管在此描述的实施方案主要地围绕冠状动脉的狭窄为背景进行描述，在此描述的技术不限于该特定的背景，并且也可以用于检测冠状动脉或其他血管中其他类型的流动紊乱。其也可以用于检测其他类型的流体循环中(例如在生物和工业上的应用)的狭窄和其他的流动紊乱。图2是使用多参数分析检测动脉或者其他管中的狭窄或其他异常流动的方法的流程图。在步骤SllO中，使用任意的常规方法得到相关的动脉的多普勒超声测量结果。优选地，将这些超声测量结果在步骤S112中进行参数化。下表1和2中包括了可以从常规的超声测量结果中得到的参数的实例。在步骤S114中，从超声测量结果中得到流动包络。完成该步骤的一种适合的方式是从常规的(速度和功率)_时间的数据开始。该数据的实例显示于图3中。常规地，该类型的数据按照颜色标出的功率进行显示。但是在图3中，该颜色已经替换为灰度。从此功率-速度信号示踪与时间数据开始，优选地将预处理算法用于(a)将流体速度与壁的运动分开，以及(b)将流体速度与噪音分开。在图3中，等值线图表(contour plot)显示了在经胸廓的冠状动脉多普勒检查时，产生自心肌运动或者冠状动脉流动的多普勒信号所采集到的最大速度。更具体地，图3 显示了心脏壁运动速度的最大值(与零线最近的曲线31、3幻以及最大的血流速度(最高和最低的曲线36、37)的等高线。适用于区分管中的血流和非特异性的噪音的预处理算法可以使用随后的两阶段方法进行。(第ι阶段)在任意给定的时间(、)定义每个功率谱的阈值“thH、)”如下 在、的附近搜索最低能量的区域，thHt》等于该区域中最高的功率水平。随后将thHt》 施加在A(ti)上一在thHt》以上的所有A(ti)的部分是流动的区域，而其他的部分是噪音。(第2阶段)通过使用噪音的统计，提取流动和噪音之间最初的差异。假设向下估计 (包括于噪音区域内的流动)。调整包络检测，从而将流动的像素点(pixels)从噪音区域中分出。通过相对高的数值在噪音区域中鉴别流动的像素点。适用于区分管中的血流和组织运动(心壁运动)的预处理算法可以按照下文进行。注意此算法优选地在前文所述的去噪算法或者其他适用的去噪算法之后使用。相应地， 此时我们假设数据包括两个亚区域——血液流动和组织运动，定义为R0I1。该算法包括以下的步骤(1)随时间将ROIl划分为亚区域R0I2」，使得U {R0I&} = R0I1。例如——将R0I2」 定义为4次心脏跳动的间隔时间。
(2)对于各个j = 1,2,......，J，在ROUj的谱图(亮点)中，在功率水平的局部
峰中检测位置{t，ν}和功率水平{ρ}(3)定义满足P (ρ < thrj) = pthr条件的阈值。(4)从ptto = 0. 7开始改变起始数值，从而改善边缘检测(edge detection)。(5)使用thr」将亮点划分为两个组——将各个ρ < thrj的点与血液流动的区域相联系起来，并且标为{tbf，vbf}。将所有其他的点与组织运动的区域相联系起来，并且标为 {ttm，VtmI。(6)对于R0I2J中的各个点(ti，vi)，计算出两个距离dbf = d({tbf，vbf}，{ti，vi})，并且 dtm= d{ttm，vtm}，(ti, vi))(7)如果dbf < dtm，将(ti，vi)与血液流动的区域联系起来。否则，将ti，vi)与组织运动的区域联系起来。(8)排除异常值，并且在血液流动和组织区域之间限定清晰的划分界限(作为时间的函数)。此时可以使用的另一种预处理算法是扣除组织运动对血流功率水平分布(Power Levels Distribution)的影响，从而根据在血流区域中的功率分布对组织运动的功率分布进行平衡。完成此算法的一种适合的方法如下对于每个时间t，将组织运动区域的局部功率水平直方图向血流区域的局部功率水平直方图移动，从而得到这两个分布下等同的平均值。在施加了这些用于边缘检测以及组织扣除的预处理算法之后，我们得到了显示于图4中的流动包络数据，其中血流的区域(例如舒张期流动41)由tl和t2间隔限定，并且 R标示了 ECG的R波。回到图2中，这结束了步骤S114。在得到流动包络之后，将其在步骤S116中参数化。随后是可以用于表征所述的流动，从而诊断和估计动脉或者其他管中的不同缺陷的程度的部分参数的列表。该数据中的一些得自功率谱，所述的功率谱自身由多普勒测量提供。这些功率谱的特征也可以参数化， 例如在特定速度下的功率、曲线的平均斜率、在该谱的正和负侧不同斜率的数量等等。也可以从速度和功率-时间的曲线上得到参数。注意，参数可以分别地从流动包络的舒张期部分(图4中的41)或者从流动包络的收缩期部分(图4中的4 或者流动包络的舒张期和收缩期部分一起得到。表1列出了上述参数的标量速度特征的一些实例，以及表2列出了上述参数的标量功率特征的一些实例。
权利要求
1.一种检测流体流经的管中的流动紊乱的方法，所述的方法包括步骤 获得流经管的流体流动的多普勒超声测量结果；由所述的多普勒超声测量结果得到流动包络；将所述的流动包络参数化从而产生第一套参数；并且进行分类，以基于第一套参数确定在所述的管中是否存在流动紊乱。
2.如权利要求1所述的方法，还包括输入与管的状态有关的第二套参数，其中在所述的进行分类步骤中的分类还基于第二套参数。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将所述的进行分类步骤的结果输出的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，还包括步骤在与垂直于管中的流动方向的平面成少于20°的角度上，获得所述管的多普勒超声测量结果；并且将所述的在小于20°的角度上获得的测量结果参数化，从而产生第三套参数； 其中在所述的进行分类步骤中的分类还基于第三套参数。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的管是血管。
6.如权利要求5所述的方法，其中将流动包络参数化的步骤包括将所述的流动包络的舒张期部分参数化。
7.如权利要求5所述的方法，其中将流动包络参数化的步骤包括将所述的流动包络的收缩期部分参数化。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述的流动紊乱是狭窄。
9.一种检测冠状血管中的狭窄的方法，所述的方法包括步骤 获得流经管的血液的多普勒超声测量结果；由所述的多普勒超声测量结果得到流动包络；将所述的流动包络参数化从而产生第一套参数，其中，所述的第一套参数包括至少(a) 用于在相邻的肋间隙之间最大功率的最大差值的参数，(b)用于在一段时间内所有的速度的平均功率的参数，以及(c)用于峰值速度时间间隔的参数；并且进行分类，以基于第一套参数确定在管中是否存在狭窄。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述的第一套参数包括用于标准偏差功率流的参数。
11.如权利要求9所述的方法，还包括输出所述的进行分类步骤的结果的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述的参数化步骤包括步骤计算0. 39 (舒张期流动间隔)+1. 01 (平均功率)-1. 02 (PVTI) -0. 76 (STD功率流)+1. ll(Diff_max_power) +0. 43 (Diff_VTI) +0. 7 (Diff_ADPV)；并且将该计算步骤中所计算的总和与阈值0. 2进行比较。
13.—种检测流体流经的管中的狭窄的方法，所述的方法包括步骤 产生超声能量束；将所述的束瞄准管中的点，所述的束与(a)垂直于管中流动的方向且(b)通过所述的点的平面成小于20°的角度；使用多普勒工艺在管内检测与流体流动的方向垂直的流体移动的速度分量； 重复瞄准步骤，并在管中的多个点使用多普勒工艺步骤；辨别出在所检测的速度分量于高速度下有高功率的管中的位置；并且确定在所辨别的位置的上游位置存在狭窄的高的可能性。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括输出辨别的位置的读数的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括输出读数的步骤，所述的读数指定了位于所辨别的位置的上游的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其中所指定的位置处于所辨别的位置的上游1到3厘米。
17.如权利要求15所述的方法，其中所指定的位置处于所辨别的位置的上游约4-5倍管直径处。
18.如权利要求13所述的方法，其中在所述的瞄准步骤中，所述的束以与所述的平面成少于10°的角度瞄准。
19.如权利要求13所述的方法，其中在所述的瞄准步骤中，所述的束以与所述的平面成少于5°的角度瞄准。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述的管是血管。
21.检测流体流经的管中的狭窄的方法，所述的方法包括步骤 产生超声能量束；将所述的束瞄准管中的点，所述的束与(a)垂直于管中流动的方向且(b)通过所述的点的平面成小于20°的角度；使用多普勒工艺在管内检测与流体流动的方向垂直的流体移动的速度分量； 对于所检测的速度分量显示功率水平的读数；并且在存在高速度分量的高功率水平的情况下，将高速度分量的高功率水平的存在与管中狭窄的存在联系起来。
22.权利要求21所述的方法，其中将高功率水平的存在与管中狭窄的存在联系起来的步骤包括，将在管中第一个位置处检测的高速度分量的高功率水平的存在与在所述第一个位置上游的第二个位置的血管中狭窄的存在联系起来。
23.如权利要求21所述的方法，其中将高功率水平的存在与管中狭窄的存在联系起来的步骤包括，将在管中第一个位置处检测的高速度分量的高功率水平的存在与在所述第一个位置上游l_3cm的第二个位置的管中狭窄的存在联系起来。
24.如权利要求21所述的方法，其中将高功率水平的存在与管中狭窄的存在联系起来的步骤包括，将在管中的第一个位置处检测的高速度分量的高功率水平的存在与在所述第一个位置上游约4-5倍管直径处的第二个位置的管中狭窄的存在联系起来。
25.如权利要求21所述的方法，其中在所述瞄准步骤中，所述的束与所述的平面成小于10°的角。
26.如权利要求21所述的方法，其中在所述瞄准步骤中，所述的束与所述的平面成小于5°的角。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述的管是血管。
全文摘要
可以使用多种方法利用多普勒超声检测血管中的狭窄。在一种方法中，从多普勒超声的测量结果中得到流动包络(flow envelope)，并且将该得到的流动包络参数化(parameterize)。随后基于那些参数(以及可选地其他的参数)进行分类，从而确定狭窄是否存在。第二种方法使用在垂直于血流方向的方向上获得的多普勒数据，并且检测通常在狭窄的下游出现的与湍流一致的现象(artfact)。
文档编号A61B8/06GK102387748SQ201080015958
公开日2012年3月21日 申请日期2010年2月5日 优先权日2009年2月5日
发明者约朗姆·帕尔蒂 申请人:约朗姆·帕尔蒂