心脏成像方法

心脏成像方法
【专利摘要】本发明涉及人或动物心脏的呈现，特别是心脏运动的成像，并且能够在大范围的研究、医学、兽医或工业应用中用于对功能和形态进行成像。特别地，本发明提供了用于对受试者心脏进行成像的方法和设备，该方法包括步骤：（1）记录一个或多个区域中的受试者的肺的一个或多个活体内图像；（2）将所述至少一个活体内图像应用于2D或3D图像模型；以及（3）重构受试者心脏的2D或3D图像场。
【专利说明】心脏成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人或动物心脏的成像、特别是心脏的运动的成像。
[0002]在一方面，本发明涉及生物医学工程领域，特别是心脏的活体内或活体外成像。
[0003]在另一方面，本发明涉及用于大范围的研究、医学、兽医和工业应用中的功能和形态的成像的技术。
[0004]在另一方面，本发明适合于用作用于对活着的心脏组织的运动进行成像的方法和设备。
[0005]在下文中相对于活体内医学成像来描述本发明将是方便的，然而应认识到本发明不仅限于该用途，而是还能够用于活体外应用，诸如诊断和治疗之类的其他医学应用以及研究应用、兽医应用和工业应用。
[0006]此外，虽然在下文中相对于使用发射X射线的源、诸如被用于计算机断层成像X射线微粒图像测速(CTXV)的那些进行成像来描述本发明，但将认识到的是本发明扩展至使用任何方便的源来提供图像的任何系统。
【背景技术】
[0007]应认识到的是包括本说明书中的文献、设备、动作或知识的任何讨论是为了解释本发明的背景。此外，遍及本说明书的讨论由于本发明人的认识和/或本发明人对某些相关技术问题的识别而发生。此外，包括本说明书中的文献、设备、动作或知识之类的材料的任何讨论是为了按照本发明人的知识和经验来解释本发明的背景，并且相应地，不应将任何此类讨论视为承认任何材料在本·文中的公开和权利要求的 优先权日:或之前在澳大利亚或别的地方构成相关技术中的现有技术基础或常见的一般知识的部分。
[0008]还将认识到的是在本文中对‘运动’的提及与‘流动’或‘速度’(是随时间推移的运动的函数)是可互换的。
[0009]心血管疾病是全世界的主要杀手，并且诸如血栓形成之类的心血管系统疾病和诸如肺气肿之类的肺病是发达国家中的死亡率和发病率的主要原因。相应地，存在相当大的患者人群，其需要心脏成像，使得能够制定适当的医学疗法管理。医疗诊断显著地基于超声心动图(ECG)测量，但是这些对许多医疗情况而言具有有限的诊断价值，并且质量可能是差的。
[0010]能够获得更有意义的测量结果并可视地研究心血管系统的机械动态方面，将促进更好地理解人体的基本操作并将是对抗功能异常和疾病的有用帮助。
[0011]识别并治疗心血管系统中的疾病或功能异常的能力由我们以高分辨率对心脏和血管进行成像的能力决定。特别是，在心血管问题变得在临床上明显之前检测到它们是重要的。检测到这些问题越早，预后越好。与心血管系统的测量相关联的最显著问题中的一个是心脏的稳定运动使得难以将心脏和冠状动脉可视化到足以允许全面评估。
[0012]测量活体内的三维(3D)血液流场的能力是用于研究血流性质对诸如动脉粥样硬化之类的心血管疾病的发展、诊断和治疗的影响的重要能力。为了从活体内血液流场测量获得有用信息，要求高分辨率下的通过光学不透明组织的非侵入式测量。
[0013]在各种回顾中讨论支撑人体的形态和功能的活体内测量的技术的发展。(参见例如 Fouras A、Kitchen MJ> Dubsky S、Lewis RA、Hooper SB 和 Hourigan K 的 2009Journalof Applied Physics Vol.105)。
[0014]已经开发了各种形式的成像以用于心血管系统的功能和结构的非侵入式评估。例如，心血管磁共振成像(CMR)基于与通过使用ECG门控和快速成像技术或序列而优化的磁共振成像相同的基本原理。通过将多种此类技术组合成协议，能够评估心血管系统的关键功能和形态特征。
[0015]已经进行了通过将计算机断层成像术(CT)与MRI组合来改善心血管系统的尝试。本质上，使用CT的非常快速的获取时间来在心脏搏动的同时捕捉其图像。将该图像排序以产生近实时地表示心脏搏动的电影。
[0016]与CT相比，MRI具有能够在不需要给予造影剂材料或使患者经受辐射的情况下在任何平面中对心脏进行成像的优点。然而，像用于不透明血管中的流场测量的其他当前可用技术一样，基于MRI的技术遭受差的空间和时间分辨率，限制了这些技术用于活体内流动分析的应用。
[0017]用诸如微粒图像测速(PIV)之类的技术已经实现了更好的结果，其中使用微粒图像对内的区域的统计互相关来确定跟踪微粒的移位。存在用于容积流量分析的多个变体，包括断层成像PIV、容积微粒跟踪、和全息PIV。
[0018]一般地PIV成像
[0019]PIV对于瞬时速度场的准确测量而言是众所周知的。使用可见光的PIV技术局限于光学透明样本。然而，X射线与PIV —起的使用已经将这种方法的应用扩展至不透明组织，使得这种成像模式对于活体内血液流场测`量而言是理想的。
[0020]在PIV中，在以已知时间间隔分离的两个时间点处对包含多个跟踪微粒的流体区域(通常被可见波长的激光器照亮)进行成像并使用相关性软件进行处理。具体地，将图像对分配到离散询问区域中。在各个询问区域上的图像对之间执行互相关，并且在统计上，互相关的最大值是询问区域内的最可能的微粒位移。
[0021]近年来，已将PIV与X射线成像组合。X射线的穿透力允许在不透明物体内测量流动，具有用于非侵入性、高分辨率血液流场测量的应用。
[0022]2D微粒图像测速
[0023]Kim 和 Lee (Kim GB 和 Lee SJ2006, Exp.Fluids41, 195)已使用 X 射线 PIV 以微粒和血细胞作为示踪物来测量管内流动。该方法讲授的是该研究局限于测量容积内的速度的两个分量(在垂直于图像平面的维度上求平均)。所使用的PIV算法属于关于基于光学/激光测速的现有技术。这些算法采取脉冲(即时)照射和零平面外流梯度，并且因此未能将使用X射线对实际流进行成像的3D特性考虑在内。这导致流速的显著估计不足。
[0024]3D微粒图像测速
[0025]最近,X射线PIV分析已被扩展至3D流数据。Fouras等人(Fouras A、Dusting J、Lewis R 和 Hourigan K 等人，2009Journal of Applied Physics Vol.102:064916)教授的是相关峰表示测量容积内的速度的概率密度函数(PDF)。当与关于流场的某些假设组合时，可以将速度的此容积PDF转换成速度分布图。这导致从单投影X射线图像测量3D流数据的能力。
[0026]CT是用来根据二维投影在三维空间中重构对象的技术。通常，根据X射线衰减来计算投影方向上的积分对象密度，其将与数字投影图像上的像素强度值成比例。然后使用傅立叶反投影或代数方法根据在不同视角拍摄的投影图像来重构对象结构。还存在用于从少数投影角度重构对象的变体，其使用迭代方法来重构样本的结构，常常利用样本的先验知识，例如其由单个材料构成。
[0027]CTXV因此能够提供用于诸如在心血管系统中发现的那些之类的复杂3D流场的三分量速度测量结果。单投影图像不足以用于评估速度的三个分量。在单个投影角度拍摄的图像不包含在平行于X射线束的方向上的位移信息。这使单投影X射线PIV局限于二分量速度测量。在类似于CT的方法中，CTXV通过使用多个投影角度来克服此限制。使用相衬成像和相位恢复方法来增强信噪比。
[0028]具体地，如在现有技术的单投影X射线PIV中，针对图像对内的询问区域来计算互相关函数。在由用于所有投影角的询问区域的行定义的轴向切片中重构速度场。三分量、2D、矩形格栅模型表示用于各个切片的速度场。针对各个切片内的每个角和每个询问区域生成估计互相关函数。使用测量的自相关函数与用于模型内的询问区域的速度PDF的卷积来生成估计互相关函数。迭代地优化模型中的速度系数，同时地跨该切片内的所有投影角和询问区域，使测量互相关函数与估计互相关函数之间的误差最小化。使用这种迭代方法，达到准确地表示各个切片内的三分量速度场的模型。
[0029]要求数目相对小的投影且这对于使辐射剂量最小化而言是重要的。其还允许CTXV与诸如上述的CT重构的集成，提供形态和功能两者的同时测量。
[0030]特别地，国际专利申请PCT/AU2010/001199 `(要求来自澳大利亚临时2009904481的优先权)涉及用于活组织的运动的CTXV成像的甚高分辨率方法和设备。CTXV具有提供所有医学成像模式的最佳分辨率和穿透力的优点，与诸如高分辨率CT之类的替换技术相比具有减少的X射线输送。然而，病人对X射线的任何暴露都需关注，并且一直都需要每次对X射线的暴露提取尽可能多的有用数据，或者更优选地，在不降低获得数据的质量的情况下减少X射线暴露的量。
[0031]在2011年随着用于电阻抗断层成像(EIT)的第一商用设备的发行而建立了另一医学成像模式。EIT基于来自表面的电气测量的电导率或介电常数来创建身体的相关部分的图像。通常，将传导电极附着于患者的皮肤，并向电极中的某些或全部施加小的交流电流。测量结果得到的电位，并使用各种施加电流来重复该过程。然而，提出的EIT的应用并未扩展超过肺功能的监视、皮肤和胸部中的癌症的检测和大脑中的癫痫病灶的定位。
[0032]正在开发中的另一成像模式是超极化氦MRI (HHMRI)。患者吸入超极化气体并使用MRI来示出气体如何在肺中流动，并检测该区域是否正在正常地或异常地换气。HHMRI使用基于氦气原子的核磁矩的对准的特殊技术，使得MRI信号被增强多达六个数量级。对其中水含量低的肺或其他区域进行成像，常规MRI已被证明是不适当的。超极化效应是短暂的，该效果根据如何储存和运输气体而在约80小时的时段内减少。过去，MRI成像常常在其中水含量相对低的区域、诸如肺中被证明是不适当的，然而，其应用基本上局限于能够被氦气渗透的身体区域。
[0033]还需要增加用于在结构、容积和运动方面测量心脏和肺附近的其他组织的形态和功能两者的能力并提供流场的更真实的3D重构。

【发明内容】

[0034]本发明的目的是提供改善的心脏图像，其是更真实、更准确的多维(亦即2D、3D和4D)重构。
[0035]本发明的目的是提供与肺组合的心脏的改进图像，其是更真实的多维重构。
[0036]本发明的另一目的是提供获得心脏或心脏/肺组合的2D、3D和4D重构的改进方法。
[0037]本发明的另一目的是获得从图像导出的增加的数据量。
[0038]本文所述实施例的目的是克服或缓解现有技术系统的至少一个缺点或至少为现有技术系统提供有用替换。
[0039]在本文所述的实施例的第一方面，提供了一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤:
[0040]1.记录一个或多个区域中的受试者的肺的至少一个活体内图像；
[0041]2.将所述至少一个活体内图像应用于多维心脏模型；以及
[0042]3.重构受试者心脏的多维图像场。
[0043]当在本文中使用时，对术语‘多维’的参考意图包括二维(2D)、三维(3D)或四维(4D)。将认识到的是能够通过在·多个时间点处获取3D数据来将本文公开的方法扩展至4D数据。
[0044]在本文所述的实施例的第二方面中，提供了一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤:
[0045]1.记录受试者的肺的一个或多个区域中的一组活体内成像数据；
[0046]2.由所述一组活体内成像数据来创建多维心脏模型；
[0047]3.重构多维成像数据集以产生受试者心脏的计算机图像；以及
[0048]4.从活体内成像数据导出速度数据并将该速度数据应用于模型。
[0049]通常通过以下步骤导出步骤4的速度数据:(i)执行图像对互相关分析，其在空间坐标方面对用于被成像区域的速度数据进行编码；以及(ii)根据来自分析的图像对互相关直接重构多维速度场，其中，在并未首先重构多维图像的情况下执行重构。先前在共同待决申请PCT/AU2010/001199中已描述了以这种方式来导出数据。
[0050]在步骤I中提及的活体内图像通常是从至少一个投影角度、优选从多个投影角度记录的。可从各个投影角度记录一个或多个图像。其后面可以是执行对用于在步骤I中成像的区域的速度数据进行编码的图像对分析。
[0051]可通过任何方便的手段来执行多维图像的重构，诸如通过使用非线性反演法。通常，步骤3另外包括重构肺的至少一部分的多维图像场。
[0052]在特别优选实施例中，使用本发明的方法来获得除心脏之外还有至少受试者的肺的多维图像场。
[0053]肺包住心脏的一大部分，且在两个器官之间没有间隔或间隙。在其中两个器官相邻的表面处，垂直于接触面的任何运动都要求两个器官平等地移动。此外，心脏的某些特性能够对未邻近于心脏的肺的区域具有相应的可测量影响。例如，心搏能够影响在肺的末端处的区域。因此，所以可以通过肺的详细成像来间接地实现心脏的功能性测量，通过应用适当心脏模型以推断并未直接邻近于肺组织的那些心脏区域中的运动。
[0054]心脏模型
[0055]心脏的模型是结合了来自相关肺图像的数据的、基于物理的计算上可行的模型。基于模型的图像分析从图像导出对象形状——严格地对形状进行建模，然后使用图像模型来推断。(相反，诸如图案或对象识别之类的现有技术方法通常涉及到根据通过‘处理’图像提取的特征来构建图案或对象)。在基于模型的图像分析中，通过将描述形状变化的现有模型与数据似然组合(即，描述形状的观察结果的概率模型)来推断形状。使用数据似然来结合成像系统的物理学。
[0056]特别地，心脏的模型部分地基于参数的列表，其描述:
[0057]a)对心脏的性质和行为的限制；以及
[0058]b)对心脏和肺的相互作用的限制。
[0059]对心脏的性质和行为的限制(即上述第I点)很可能涉及到关于心脏的显而易见且众所周知的约束。对心脏和肺的相互作用的主要限制(即上述第2点)是在胸的大部分区域上，心脏和肺直接邻近。因此，心脏的移动直接地引起肺的移动。甚至并未邻近于心脏的肺的部分也受到心脏运动的影响，并且能够间接地提供信息。观察到的肺的移动能够提供关于心脏运动的信息。
[0060]以这种方式，可以创建心脏和肺的图集(atlas)，其能够被缩减成心脏和肺的参数化模型。该参数帮助表征物理特征，诸如心脏和肺的形状和尺寸及其之间的界面。参数模型可以是一般的(基于多项式或样条函数)或几何的(预定义形状的组合或基于标准几何形状)。模型的参数能够用来定义·心脏的尺寸、位置和定向，其与成像数据匹配。
[0061]能够通过定义并应用以下参数来创建简单模型的示例:
[0062]⑴心脏的运动等于肺在垂直于它们的接触表面的方向上的运动；
[0063](ii)在心室周围和心房底部的前视图和后视图中，心脏被肺束缚；
[0064](iii)将使用已知心脏几何结构来进行心脏结构的当前位置处的近似，(B卩，心室、心房等);
[0065](iv)心脏运动将导致在邻近于心脏和遍及肺两者的位置上可检测的肺组织运动；
[0066](V)将心搏的时间频率处的邻近于心脏的区域中的肺容积的任何扩张说成是等效于同一时间频率处的相邻区域中的心脏的收缩。
[0067]可输入其他另外可用信息以提供用于模型的参数(即，成像期间的ECG轨迹、成像期间的每搏的心输出量测量等)。因此，创建模型可包括将成像系统特性公式化、将大致形状公式化、将微结构公式化并结合成像系统特性、大致形状和微结构以形成图像模型。
[0068]除上述参数之外，还可使用诸如频率滤波之类的过程对模型进行进一步细化。这将确定并非由于心脏功能而引起的任何肺运动，使噪声最小化，并突出由心脏活动引起的肺运动。这将允许呼吸期间以及屏住呼吸时的心脏功能的成像。
[0069]使用此类建模，能够随时间推移从心脏捕捉信息和/或在一个或多个周期内求平均。能够用例如使用非线性反演法的任何方便手段来设计成像期间的心脏活动的近似。
[0070]在本文所述实施例的第三方面，提供了一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤:
[0071]1.记录用于受试者的肺的至少一个区域的至少一组活体内成像数据；
[0072]2.根据所述至少一组活体内成像数据来创建多维心脏模型；以及
[0073]3.重构多维成像数据集以产生受试者心脏的计算机图像；
[0074]其中，所述心脏模型是通过包括以下的步骤创建的基于物理上的模型，
[0075]a)形成成像系统特性，
[0076]b)形成形状，以及
[0077]c)创建物理模型的表示。
[0078]成像数据集包括从至少一个图像、优选地多个图像导出的数据。
[0079]在本文所述的第四方面，提供了一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤:
[0080]1.获取用于受试者的肺的第一区域中的第一活体内图像的数据，并且由该数据能够推断心脏或肺的运动或动态；
[0081]2.随后获取用于受试者的肺的上述第一区域中的第二活体内图像的数据；
[0082]3.由所述第一活体内图像来创建第一多维心脏模型；
[0083]4.由所述第二活体内图像来创建第二多维心脏模型
[0084]5.作为数据获取之间的时间的函数来评估第一模型与第二模型之间的变化，并且根据这些评估推断心脏的以下特性:
[0085]⑴收缩频率，
[0086](ii)血流，
[0087](iii)收缩力，
[0088](iv)组织弹性，或者
[0089](V)组织加厚。
[0090]在本发明的第五方面，提供了一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤:
[0091]1.捕捉受试者的肺的第一区域中的一个或多个活体内图像，其中，该一个或多个图像包括关于心脏或肺的运动或动态的数据；
[0092]2.由从活体内图像导出的数据来创建多维心脏模型；以及
[0093]3.基于该多维心脏模型，推断一个或多个心脏功能参数，其选自，
[0094]⑴收缩频率，
[0095](ii)血流，
[0096](iii)收缩力，
[0097](iv)组织弹性，或者
[0098](V)组织加厚；
[0099]并且其中，从其导出数据的活体内图像是用具有能量源的成像方法捕捉的，该能量源可选自包括X射线、可见光、红外辐射、紫外线辐射、超声波、电阻抗以及磁共振的组，但是不限于这些源。
[0100]将认识到的是能够通过获取图像(在有或没有门控的情况下，如下面所讨论的)、然后执行在坐标方面对速度数据进行编码的图像对互相关分析(测速)、然后将测速结果拟合到模型来执行本发明的方法。
[0101]替换地，使获取的图像经受在坐标方面对速度数据进行编码的图像对互相关分析(测速)，然后直接由来自该分析的图像对互相关来重构速度场，并将其拟合到模型。
[0102]与现有技术的成像方法相反，本发明的方法使用一个器官(肺)的直接测量或成像来间接地测量另一器官(心脏)或对其进行成像。模型的使用导致比单独的直接心脏成像更多的信息的记录。例如，能够将使用关于心脏腔室的一部分的模型信息外推至整个腔室，能够将2D信息转换成3D信息或4D信息，并且能够减少背景噪声以增加成像结果的完整性。
[0103]两个器官的组合的直接和间接成像一起提供比先前可获得的更大的测量范围。本发明的方法特别适合于测量心脏与肺之间的许多机械相互作用，诸如肺内的气体的心源性混合。
[0104]例如，使用上述方法，能够从肺的相衬X射线图像来测量心脏功能。提取的典型测量结果将包括例如:
[0105]a)心率，
[0106]b)心搏的阶段，
[0107]c)心搏强度的定量度量，
[0108]d)心源性混合的程度，
[0109]e)每搏的心输出量，
[0110]f)心脏状况(例如A·-V块)，
[0111]g)肺对心脏的影响(例如引起心率下降并影响每搏的心输出量的屏住呼吸)，以及
[0112]h)心脏对肺的影响(例如来自血管的背压潜在地是相关的)。
[0113]提供关于心脏的信息的任何源都能够与本发明的方法一起使用。这包括发射以下类型的能量的源:
[0114]X 射线，
[0115]?包括可见激光的可见光，
[0116]?包括红外激光的红外辐射，
[0117]?包括紫外线激光的紫外线辐射，
[0118]?超声波，
[0119]?电阻抗，以及
[0120]?磁共振。
[0121]* ECG (更准确地描述为感测而不是成像)
[0122]在优选实施例中，将CTXV用于对患者心脏和/或肺进行成像。在特别优选实施例中，本发明结合了在PCT AU2010/001199中公开并讲授的成像方法，其利用2个或优选地3个空间坐标(X，y, z)上的运动的三个分量(U，V, w)加上时间(t)，并且在实践中测量比现有技术的3D成像更多的分量。对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可以使用任何方便的坐标系，并且可以将数据从一个坐标系转换到另一个。例如，可以使用笛卡尔坐标、柱坐标或极坐标，或者定向到相关解剖结构的局部坐标。
[0123]基于该方法的设备或系统可以是非常有用的，例如作为临床扫描仪。此类扫描系统可以用来提供早期检测并帮助监视疾病或异常。此类系统还将增加生理知识，并提供用于进一步且更大的科学和研究的平台。[0124]在本发明的实施例的另一方面，提供了被用于本发明的方法时的一种设备，该设备包括:
[0125](i) 一个或多个能量源；
[0126](ii) 一个或多个检测器，用于记录由来自一个或多个能量源的通过样本的能量创建的图像；以及
[0127](iii)轨迹，用于将受试者定位于所述一个或多个能量源与所述一个或多个检测器之间；
[0128]当在使用中时，受试者或一个或多个能量源被移动通过一个或多个能量投影角度，并且在各个投影角度记录至少一个图像。
[0129]除至少一个能量源和检测器之外，供与本发明的方法一起使用的设备可包括许多其他部件，诸如，例如(i)用于调制并对准受试者和/或检测器的系统，(ii)用于图像捕捉、处理和分析的系统，以及(iii)便利的用户接口。
[0130]在本发明的实施例的另一方面，提供了被用于本发明的方法时的一种设备，该设备包括:
[0131](a)医学成像系统，具有:
[0132](i) 一个或多个能量源，
[0133](ii) 一个或多个检测器，用于记录由来自一个或多个能量源的通过样本的能量创建的图像；以及
·[0134](iii)轨迹，用于将受试者定位于所述一个或多个能量源与所述一个或多个检测器之间；
[0135]使得受试者或所述一个或多个能量源移动通过一个或多个能量投影角度，并且在各个投影角度记录至少一个图像，
[0136](b)处理装置，用于:
[0137](i)将所述图像应用于2D或3D心脏模型，以及
[0138](ii)重构受试者心脏的2D或3D图像场，
[0139](c)显示装置，用于显示受试者心脏的2D或3D图像场或由其导出的图像。
[0140]门控
[0141]能够将用于心脏成像的本发明与用于提供更清楚的图像的已知成像方法组合。获得更清楚且更准确的肺的图像附带地改善了心脏的间接测量的质量。用于提供肺的更清楚图像的优选方法是‘门控’，包括呼吸门控、心脏门控或双门控的方法。双门控对于与在本说明书中描述的本发明一起使用而言是特别优选的。
[0142]呼吸门控
[0143]在呼吸门控中，在记录关于呼吸周期的信息的同时遍及多个呼吸周期针对肺的各个部分记录超过一个活体内图像，诸如CT扫描。能够分析此信息(通常以图形迹线的形式)以在记录图像时识别呼吸周期内的阶段。这样，能够将各个活体内图像分配给呼吸周期内的该阶段的精确时刻。本发明的方法通常使用后门控技术。另外，可使用活(live)门控，其中仅在满足门控要求时获取图像。
[0144]心脏门控
[0145]在心脏门控中，在记录信号(诸如ECG迹线)的同时记录图像。然后使用ECG来使得图像与心动周期的阶段期间的相应时刻相关。这样，能够将各个图像分配给心动周期内的该阶段的精确时刻。这种方法涉及后门控技术。另外，可使用活门控方法，其中仅在满足门控要求时获取图像。
[0146]双门控
[0147]在双门控中，能够在正常呼吸期间获取对应于呼吸信号和心脏信号两者的数据并允许呼吸或心动周期的任何阶段处的图像重构。例如，能够在舒张阶段期间重构呼吸的4DCT图像重构。替换地，可以遍及心动周期在峰吸入处重构心脏和/或肺(以用于间接心脏测量)的4D CT图像。
[0148]对于本领域的技术人员而言将显而易见的是门控能够服从预设标准。在本发明中，这将包括例如在周期的某个阶段或区间期间，或在心脏的舒张期间，或者当心脏处于最大容积的大于80%时收集图像。
[0149]关于根据本发明的方法来对受试者心脏进行成像，用于门控的附加步骤将包括以下:
[0150](i)记录从第一生理测量和第二生理测量导出的数据；
[0151](ii)在所述第一生理测量指示所选事件的发生与由所述第二生理测量指示的所选事件一致时的时间点，收集根据本发明的步骤I记录的图像；
[0152](iii)仅使用在该时间点来自不同投影角度的图像根据本发明的步骤2和3进行
重构。
[0153]本领域的技术人员将认识到可将单门控或双门控用于本发明的方法，因此，可单独地或一起使用肺测量或心脏测量。例如，第一生理测量可以是基于心脏的，并且第二生理测量可以是基于心脏或基于肺的。替换地，第一生理测量可以是基于肺的，且第二生理测量可以是基于心脏或基于肺的。
[0154]在优选实施例中，在基于心脏的生理测量指示心动周期的所选事件的发生与由基于肺的生理测量所指示的肺的所选事件一致时的时间点，执行根据本发明的步骤2的图像收集。
[0155]在另一步骤中，能够在呼吸周期中的相同时间点针对心动周期中的各个时间点经由重构来获得4D数据集。
[0156]通常，基于心脏的生理测量将是ECG。基于肺的生理测量可选自包括压力、容积、气流和胸位移测量或在这里未说明的其他度量的组。
[0157]出于收集图像的目的，将心动周期划分成数个‘区间’或象征性数据范围可能是有利的。能够在记录时或者通过从先前纪录的图像中选择来收集图像。
[0158]图像的收集可以例如在基于心脏的生理测量指示Q波的通过与由基于肺的生理测量所指示的呼吸的结束一致时的时间点发生。
[0159]在本说明书中公开了和/或在所附权利要求中定义了其他方面和优选形式，其构成本发明的描述的一部分。
[0160]本质上，本发明的实施例源自于这样的认识，即肺包围心脏的一大部分，在两个器官之间没有任何间隔或间隙，并且在它们的表面接触处，垂直于接触面的任何运动要求两个器官相等地移动。因此可以通过肺的详细成像来实现心脏的功能性测量。
[0161]由本发明提供的优点包括以下各项:[0162].能够以组合方式对心脏和肺进行成像，特别是针对影响两个器官的异常，诸如先天性心力衰竭；
[0163].不要求通常被用于心血管测量的造影剂；
[0164].允许每个器官(心脏/肺)对另一个的相应影响的非侵入测量；
[0165].允许气流和血流进入和离开心血管和肺系统的同时测量；
[0166].促进从常规成像方法提取更多的数据和信息；以及
[0167].能够更容易地检测心脏心律不齐和不对称(例如由于电损伤)。
[0168]当结合诸如门控之类的技术以便在本发明的方法中使用时，提供包括以下各项的其他优点:
[0169].更清楚的心脏图像；
[0170].能够与经由间接方法的心脏成像一起使用，诸如肺的PCXI ；
[0171].使心脏边界的图像的模糊最小化，并且因此对3D或4D扫描特别有用；
[0172].能够用于门控关闭多种数据类型，诸如从ECG、压力跟踪、气道流、容积曲线等导出的那些；
[0173].如果记录了大的连续数据集，则能够应用后门控；
[0174].能够实时地执行，基于两·个数据类型的图像是对准的；
[0175].能够应用于测速措施，诸如CTXV、CT、MR1、SPECT、PET等；以及
[0176].能够以与非门控信息收集相比以较低的辐射剂量改善所收集信息的质量。
[0177]根据下面给出的详细描述，本发明的实施例的进一步适用范围将变得显而易见。然而，应理解的是详细描述和特定示例虽然指示本发明的优选实施例，但仅仅是以举例说明的方式给出的，因为根据此详细描述，在本文中的公开的精神和范围内的各种变更和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。
【专利附图】

【附图说明】
[0178]通过参考结合仅以示例性的方式给出且因此不限制本文中的公开的附图进行的实施例的以下详细描述，本领域的技术人员可更好地理解本申请的优选及其他实施例的其他公开、目的、优点和方面，并且在所述附图中:
[0179]图1是将具有在呼气屏住呼吸期间的压力振荡(cm(H20))与在时间上同步的心电图(ECG)迹线(mV)相比较的图；
[0180]图2是将患者心脏的水平运动(使用X射线测速计测量)与在时间上同步的心电图(ECG)迹线相比较的图；
[0181]图3是将X射线测速矢量散度与在时间上同步的ECG迹线相比较的图；
[0182]图4图示出用肺运动测量的健康受试者体内的心脏活动的空间度量；
[0183]图5图示出用肺运动测量的不健康受试者体内的心脏活动的空间度量；
[0184]图6图示出用于图像收集的时间点及其与气压和血流迹线上的特定位置的关系；以及
[0185]图7图示出在心动周期中的不同时间点、但在呼吸周期中的相同点处生成的图像。【具体实施方式】
[0186]图1是将在呼气屏住呼吸期间的压力振荡(cm(H20))与在时间上同步的心电图(ECG)迹线(mV) (3)相比较的图。其图示出心率、心脏功能和心脏对肺的影响的典型现有技术测量。
[0187]ECG是心率和心脏功能的常用现有技术度量。其为心脏的电活动的度量而不是心动周期的完整分析。
[0188]气道开口处的压力和气体含量的测量是全局度量且并不告知空间信息。具体地，此类全局度量指示肺中的活动，但其并不是稳健的度量。全局度量仅仅是肺中的所有区域的活动的总和，而不考虑相消干扰。
[0189]在由Lichtwarck_Aschoff(2003)进行的研究中，使用气道处的压力迹线上的心源性振荡来示出呼吸系统的顺应性与气道开口处的压力波动的大小之间的关系。总而言之，即使当受试者屏住呼吸时，其肺压也由于心脏的搏动而改变。
[0190]图2是将使用X射线测速(7)测量的患者心脏的水平运动与在时间上同步的心电图(ECG)迹线(5)相比较的图。这图示出作为心率和功能的指示器的肺的运动。
[0191]图3是将X射线测速矢量散度(11)与在时间上同步的ECG迹线(9)相比较的图。其说明肺测量结果能够等同于心脏功能，并且能够提供高度准确的测量结果。
[0192]图4图示出由其中可获得信息的周界处的肺运动测量的健康受试者体内的心脏活动的空间度量。不同的阴影指示不同的运动速率。使用这种方法能够独立地研究心室和心房。这向心动周期事件的定时和心脏负荷中提供信息。
[0193]图5图示出使用表现出房颤的受试者体内的肺运动的心脏活动的空间度量。阴影与图4中所示的相当不同，并且指·示在心室周围不存在运动且颤动主要位于心脏(15)的一侧中。本发明的方法因此能够用来检测此类心脏疾病、颤动的位置和动作的大小。
[0194]能够将用于心脏成像的本发明与已知成像方法组合以便提供更清楚的图像，诸如门控或优选地双门控。门控将要求记录从基于心脏的生理测量和/或基于肺的生理测量导出的数据，取决于正在应用单门控还是双门控。在基于心脏或基于肺的生理测量指示心脏或肺周期的所选事件的发生与由基于肺或基于心脏的生理测量所指示的肺或心脏的所选事件一致时的时间点，将执行根据本发明的步骤I的图像的收集。
[0195]图6将用于图像收集的时间点(23a、23b、23c)示为对准的肺气压(21)和心脏ECG
(19)迹线上的特定位置。时间点(23a、23b、23c)对应于肺吸气的结束，并且在心脏Q波之后。
[0196]图7图示出在心动周期的不同时间点处但在呼吸周期中的相同点处生成的肺(27、29)的图像。(还指示了骨(25))。具体地，图7图示出使用在各时间点来自不同投影角度的图像的、根据本发明的步骤2和3实现的重构的轮廓。对于在心动周期中具有两个不同时间点的情况下的用于呼吸中的相同时间点(在呼气结束时)，具有重构的两个轮廓(27和29)。因此通过查看肺组织的变化来确定心脏的运动，其是在此特定情况下被成像的器官。这说明以用于肺的相同条件但在心动周期中的不同时间点处执行的两次重构。
[0197]已结合本发明的具体实施例描述了本发明，但将理解的是其能够实现其他修改。本申请意图覆盖本发明的任何变体使用或适应，其一般地遵循本发明的原理并包括与本公开的此类偏离，该类偏离落在本发明所属领域的已知或习惯做法内且可应用于上文所阐述的本质特征。
[0198]由于在不脱离本发明的本质特性的精神的情况下可以多个形式来体现本发明，所以应理解的是上述实施例不限制本发明，除非另外指定，而是应在如所附权利要求中定义的本发明的精神和范围内广泛地理解。所描述实施例在所有方面仅仅被视为说明性而非限制性的。
[0199]各种修改和等效布置意图被包括在本发明和所附权利要求的精神和范围内。因此，应将特定实施例理解成说明可用以实施本发明的原理的许多方式。在以下权利要求中，装置加功能条款意图覆盖执行限定功能的结构，并且不仅覆盖结构等效物还有等效结构。
[0200]当在本说明书中使用时，将“包括/包含”理解成指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其组的存在或添加。因此，除非上下文清楚地另外要求，遍及本说明书和权利要求，应与排他性或专有意义相反地在包括性意义上，亦即在“包括 但不限于”的意义上，理解词语‘包括’、‘包含’等。
【权利要求】
1.一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤: 1.记录一个或多个区域中的受试者的肺的至少一个活体内图像；
2.将所述至少一个活体内图像应用于多维心脏模型；以及
3.重构所述受试者心脏的多维图像场。 2.根据权利要求1所述的方法，其中，心脏模型选自2D、3D或4D心脏模型。 3.根据权利要求1所述的方法，其中，图像场选自2D、3D或4D图像场重构。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括门控，所述门控包括步骤: (i)记录从第一生理测量和第二生理测量导出的数据； (ii)在所述第一生理测量指示所选事件的发生与由所述第二生理测量指示的所选事件一致时的时间点，收集根据步骤I记录的图像； (iii)仅使用在所述时间点来自不同投影角度的图像根据步骤2和3进行应用和重构。
5.一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤: 1.记录受试者的肺的一个或多个区域中的一组活体内成像数据； 2.由所述一组活体内成像数据来创建多维心脏模型； 3.重构多维成像数据集以产生所述受试者心脏的计算机图像；以及` 4.从所述活体内成像数据导出速度`数据并将该速度数据应用于模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，心脏模型选自2D、3D或4D心脏模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，成像数据集选自2D、3D或4D成像数据集。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，通过以下步骤来导出步骤4的速度数据: (i)执行在空间坐标方面对用于成像的速度数据进行编码的图像对互相关分析；以及(?)根据来自该分析的图像对互相关来直接重构多维速度场，其中，在没有首先重构多维2D或3D图像的情况下执行重构。
9.根据权利要求5或权利要求8所述的方法，其进一步包括门控，所述门控包括步骤: (i)记录从第一生理测量和第二生理测量导出的数据； (?)在所述第一生理测量指示所选事件的发生与由所述第二生理测量所指示的所选事件一致时的时间点，收集根据步骤I记录的图像；以及 (iii)使用在所述时间点来自不同投影角度的图像根据步骤2和3进行应用和重构。
10.一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤: 1.记录受试者的肺的至少一个区域中的至少一组活体内成像数据； 2.根据所述至少一组活体内成像数据来创建多维心脏模型；以及 3.重构多维成像数据集以产生所述受试者心脏的计算机图像，其中，所述心脏模型是通过包括以下的步骤创建的基于物理上的模型， a)形成成像系统特性， b)形成形状，以及 c)创建物理模型的表示。
11.根据权利要求10所述的方法，其另外包括单门控。
12.根据权利要求10所述的方法，其另外包括双门控。
13.一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤: ` 1.获取用于受试者的肺的第一区域中的第一活体内图像的数据，并且由该数据能够推断心脏或肺的运动或动态； . 2.随后获取用于受试者的肺的上述第一区域中的第二活体内图像的数据； .3.根据所述第一活体内图像来创建第一多维心脏模型； .4.根据所述第二活体内图像来创建第二多维心脏模型； .5.作为数据获取之间的时间的函数来评估第一模型与第二模型之间的变化，并且由这些评估推断心脏的以下特性: (i)收缩频率， (ii)血流， (iii)收缩力， (iv)组织弹性,或者 (V)组织加厚。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括门控，所述门控包括步骤: (i)记录从基于心脏的生理测量和基于肺的生理测量导出的数据； (?)在所述基于心脏的生理测量指示心动周期的所选事件的发生与由所述基于肺的生理测量指示的肺的所选事件一致时的时间点收集根据步骤I记录的图像；以及 (iii)仅使用在所述时间点来自不同投影角度的图像根据步骤2和3进行应用和重构。
15.一种用于对受试者心脏进行成像的方法，该方法包括步骤: . 1.捕捉受试者的肺的第一区域中的一个或多个活体内图像，其中，所述一个或多个图像包括关于心脏或肺的运动或动态的数据； . 2.根据从活体内图像导出的数据来创建多维心脏模型；以及 .3.基于所述多维心脏模型，推断选自下列参数的一个或多个心脏功能参数， (i)收缩频率， (ii)血流， (iii)收缩力， (iv)组织弹性,或者 (V)组织加厚； 并且其中，从其导出数据的活体内图像是用具有能量源的成像方法捕捉的，该能量源选自包括X射线、可见光、红外辐射、紫外线辐射、超声波、电阻抗以及磁共振的组。
16.一种被用于根据权利要求1至15中的任何一项所述的方法时的设备，该设备包括: (i)一个或多个能量源； (ii) 一个或多个检测器，用于记录由来自一个或多个能量源的通过样本的能量创建的图像；以及 (iii)定位器，用于将受试者定位于所述一个或多个能量源与所述一个或多个检测器之间； 当在使用中时，所述受试者或所述一个或多个能量源被移动通过一个或多个能量投影角度，并且在各个投影角度处记录至少一个图像。
17.—种被用于本发明的方法时的设备,该设备包括: (a)医学成像系统，具有:(i)一个或多个能量源、 (ii)一个或多个检测器，用于记录由来自所述一个或多个能量源的通过样本的能量创建的图像；以及 (iii)定位器，用于将受试者定位于所述一个或多个能量源与所述一个或多个检测器之间； 使得受试者移动通过一个或多个能量投影角度，并且在各个投影角度处记录至少一个图像； (b)处理装置，用于: (i)将所述图像应用于多维心脏模型，以及 (ii)重构受试者心脏的多维图像场， (C)显示装置，用于 显示受试者心脏的多维图像场或由其导出的图像。
【文档编号】A61B5/026GK103857340SQ201280049804
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年10月10日 优先权日:2011年10月10日
【发明者】安德烈亚斯·富拉斯, 斯蒂芬·杜布斯基, 乔丹·瑟古德 申请人:莫纳什大学