专利名称：心脏显示方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及心脏的CT、PET和MR检查，特别是涉及自动图象产生和重现(review)的方法和装置。
背景技术：
准确地评价心脏功能，特别是左心室(LV)功能(例如心博量，心室射血分数，局部壁运动)在心脏诊断，指导病人的治疗，确定预后，以及追踪引起疾病的原因中很有用。LV功能也是任何用于稳定冠状动脉疾病(例如稳定心绞痛)和急性心脏综合症(例如急性心肌梗塞和不稳定心绞痛)的全面心脏诊断检查中有用的组成部分。心室功能测量用于补充和增补其它心脏诊断过程，比如用于脉管未闭和心肌灌注的心脏导管插入术和冠状动脉成像。对于具有不同心脏疾病的病人，心功能比脉管未闭具有更好的诊断和预后价值。例如，即使病人具有慢性冠状动脉狭窄，稳定冠状动脉疾病，但在静止和运动时接近正常心室功能提示预后良好。另一方面，即使具有很好的冠状动脉和正常灌注，心室功能降低指示预后不良。
这里有很多用于测量心脏功能的公知方法，包括心回波描记术(超声波)，放射性核素成像(正电子发射体层成像(PET))，磁共振(MR)成像，以及计算机体层(CT)成像。心回波描计术的一个缺点是高度依赖操作者。
心脏的三维成像技术现在广泛地应用在许多形式中(例如，CT，MR，以及PET)。由放射科医生重现这些3D数据集通常包含在特定解剖学方位中生成2D重新格式化片层(reformatted slice)(又称为斜面)。这些视图依照心脏的长轴确定，该长轴由连接心脏尖端到二尖瓣平面中心的线确定。举例来说，短轴(SA)平面是与长轴正交的方位，以便在有意义的心脏平面内看清心脏的解剖学结构，而不会出现任何缩短或者伸长失真结构，并能够与其它心脏成像形式产生的输出进行比较。SA平面是左心室的横剖面图，其是观察心功能参数的经典平面。这使得内科医生能够观察心脏的收缩和舒张运动。
水平长轴(HLA)是由长轴和四个房室剖面(近似于相对于病人从左到右的剖面)确定的平面，该平面使得能够在有意义的心脏平面内看清心脏的解剖学结构，而不会出现任何缩短或者伸长失真结构，并能够与其它心脏成像形式产生的输出进行比较。该视图使得能够在一个视图中显示心房和心室的心脏四房室视图，从而看清三尖瓣和二尖瓣。
垂直纵轴(VLA)是正交于HLA的平面，并包括长轴，使得能够在有意义的心脏平面内看清心脏的解剖学结构，而不会出现任何缩短或者拉伸失真结构，并能够与其它心脏成像形式产生的输出进行比较。该视图使得能够在心脏的两房室视图中显示心脏三尖瓣和二尖瓣。
左心室的流入/流出视图允许影响心脏的形态学分析的附加视图。
病人与病人之间心脏在胸部的方位可能不同，因此该解剖学平面的几何学定向具有可变性，并且必须根据每个病例特别确定。
此外，为了有效重现3D心脏数据集，需要在不同视区同时显示许多解剖学方位，图像由公共的3D指示器链接。这些视图在屏幕上的设置可以依据每个内科医生的偏好或者根据特定的临床需求变化。
公知技术包括手工确定屏幕上的每个平面，这通过每个斜视图基于其它视图手工定向完成。产生许多不同方位的视图会很费时间。因此，下面描述的方法和仪器解决了上面的问题，在一个实施例中，使用统一自动化解决方案。
发明内容
在一个方面，本发明提供沿解剖学有效平面产生心脏视图的方法。该方法包括接收心脏3D数据集并在没有使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
在另一个方面，本发明提供由计算机可执行程序编码的计算机可读媒体，以沿解剖学有效平面产生心脏视图。该程序设置成命令计算机接收心脏3D数据集，并在没有使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
在又一个方面，本发明提供用于沿解剖学有效平面产生心脏视图的医学成像装置。该医学成像系统装置包括成像系统，该成像系统包括探测器阵列，至少一个放射源，和与探测器阵列耦合的计算机，以及与计算机耦合的工作站。工作站设置成用于接收心脏3D数据集，并在没有使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
图1示出了用于计算LV功能参数的公知方法的典型工作流程。
图2示出了包括对成像扫描器上获得的心脏扫描进行分析并传送到工作站的流程框图。
图3示出了从心脏CT检查中获得的代表性的短轴，垂直长轴，水平长轴，以及流入/流出视图。
图4示出了从周围的解剖结构描绘出的LV。
图5示出了先进算法的优化组合，这些算法比如阈值，形态学和连通度工具，边缘检测和用于从心肌中分割心室内的对比度的区域生长。
图6示出了在收缩末期和舒张末期的LV 3D模式实施例。
图7示出了LV容积在舒张末期和收缩末期的对比度示意图。
图8示出了成像系统的实施例，在该系统和方法中实现了改进的工作流程。
图9是CT系统的示意图。
图10是图9示出的系统的方框图。
具体实施例方式
在PET放射性核素成像方法中(也通称为放射性核素血管造影)，血池由放射性同位素(比如锝-99m)标记，并用R波(ECG)门控伽马相机扫描。心室腔内容积的变化从计数率变化的量化中计算。尽管放射性核素方式被认为是全心室功能定量评估的“黄金标准”，并且相对不依赖于操作者，但其提供局部心室壁运动评估是有限的。
在MR成像方法中，心脏的体层摄影术部分结合了重建3D图像。由于血液与心肌组织之间存在固有的对比度差，因此在横截面图中血池可以从相邻组织中分割出来，并且可计算出在收缩和舒张期的总体容积。虽然没有给病人注入造影剂，也没有给予放射，但由于可能会出现赝像，并且由于包括呼吸作用在内的病人的活动会引起IQ退化，因此扫描时间通常相对较长(比如，10到15分钟)。然而，MR在量化心室壁不同区域收缩速率方面具有一些优点。
借助CT成像评估心室功能是通过向血池中注入造影剂并在心脏内造影剂聚集的区域附近对心脏成像来完成的。采用ECG(R波)触发，心脏的扫描是遍及(over)一个屏息间期(通常是20到30秒)内多次心博周期而获得，并重建图像以提供心博周期所有时段的轴向图。由于这种检查在一个屏息间期内完成，呼吸造成的赝像部分得到消除。另外，冠状动脉未闭可以使用相同检查(相同的扫描数据)、不同重建算法来评估。
心室功能的MR和CT体层摄影方法都依赖于在轴向图中将对比度大的血液与心室壁区分开的等高线对心内表面进行划分。对心内表面划分的信任可能会出现错误，这是由于等高线不精确或者不连续引起的。这些方法是半自动的，并且需要使用者与测量心功能的装置(例如图像重现工作站，如从General Electric Medical Systems ofWaukesha WI or a Console可买到的Advantage Windows(AW)或控制台)之间有相当多的交互作用。这种需要使用者有很多交互作用的半自动方法通常是费时间的。另外，其中的操作者不同可能影响测量的再现性和可重复性。
图1示出了一种用于计算LV功能参数的公知方法的典型工作流程。在该公知方法中，计算心室容积和诊断参数，如射血分数和心输出量要求检测心肌边界。LV功能校正和重建测量比如在全射血分数和局部射血分数等参数方面需要准确的、可再现的方法来描绘左心室。现今，描绘可以使用不同运算方法手工或者半自动完成。这种手工跟踪或者半自动边界描绘由经过训练的临床医生操作，以对LV轮廓进行定位和提取。尽管该编辑的轮廓的可靠性可以通过采用更熟练的操作者和已有知识(比如位置、形状和强度)得到提高，但是手工跟踪仍具有两个缺点。第一，该获得的LV边界是有偏差的-该跟踪的边界存在个体差异。第二，手工跟踪耗费时间。
公知方法的另一个缺点是功能参数通过假定左心室的形状为椭圆形模型来评估的。这种假定会导致严重的评估错误。该问题通过使用更费时和手工增强的平行投影几何学假定的方式处理的方法以及通过将目标物分解成许多2D片层，每次重建一个片层在某种程度上得到解决。
图2示出了包括对成像扫描器(比如CT，MR和核素/PET)上获得的心脏扫描进行分析并传送到控制台或者图像工作站比如Advantage Windows工作站的流程框图。这些图像由一系列新的自动方法产生，包括自动短轴和长轴图像生成，自动LV分割，和从LV分割计算心脏功能，以产生心脏功能的最终报告。下面将描述每个新方法。
自动长轴和短轴图像的产生如下所述。该特征从一系列轴向图中自动确定长轴和短轴的方位。使用者选择多时段轴向心脏数据集并且将其加载到“射血分数”(EF)协议(protocol)中，该协议在图像工作站或者控制台运行。在加载中，软件算法对轴向图进行处理以产生长轴和短轴图像。此处描述的方法和装置提供了对重现布局很容易地进行大量采集的解决方案。每个重现布局可以应用于任意病人并自动提供一套斜视图，该斜视图显示定向到特定解剖学位置的3D心脏数据(SA，HLA，或者VLA)。这样，重现布局可以与特定的临床工作相对应，或者与特定医师的偏好相对应。
重现布局由指定每个视图在屏幕上的位置和其解剖学方位获得。该指定使用特定数据表示法执行。所述表示法可以，举例来说，使用XML语言编码，如下面的例子所示<layout>
<Axial x＝0 y＝0>
<Oblique x＝512 y＝0 orientation＝SA/>
<Oblique x＝0 y＝512 orientation＝VLA/>
<Oblique x＝512 y＝512 orientation＝HLA/>
</layout>
上面的例子建立左上视区(view port)的轴向图。该右上视区具有沿短轴定向的斜视图，左下和右下视区分别具有沿垂直长轴和水平长轴定向的图像。
一系列布置可以与特定的临床需求相应。在一个实施例中，用户界面允许用户产生和存储他们自己的布局。视图的位置可以在屏幕上以图形方式指定，每个视图的方位也可以从屏幕下拉菜单的列出表中选择。
当布局用于特定的3D数据集时，每个视图的方位由分析3D数据集的算法自动确定。
该自动方位算法使用心脏解剖学上的已有信息，并且，在一个实施例中，包括三个步骤。
作为第一步，完成左腔室在容积上的分割，其心脏的EKG时段定位在最接近数据集R到R间期的75％。该算法产生左腔室(心房和心室)的分割，并且主动脉作为该时段的连接成分。
在第二步中，算法从第一步中计算惯性轴(axis of inertia)以及该分割容积的惯性中心(center of inertia)。该轴是长轴的第一估算值，其将在第三步中精确计算。
在第三步中，算法是使用左心室形状的已有知识以沿长轴找两个点。第一个点是左心室尖端。该算法将该点确定为在先分割的右端(相对于病人)。第二点应沿长轴接近于二尖瓣瓣膜的中心。该分割的惯性中心接近该区域(这里左心室局部看起来像沿长轴的圆柱)。为了精确计算该点的位置，该算法用正交于长轴的第一估算值并包括左心室惯性中心的平面横切该左腔室的分割。第二点是该横切平面的惯性中心。长轴定义为该2点连成一线所成的轴。然后，短轴由长轴确定。
该结果数据集可以用于自动显示图象，这些图象可以与特定的临床需求相应。图3示出了从心脏CT检查中得到的代表性短轴，垂直长轴，水平长轴和流入/流出视图。
上面描述的方法不限于在计算机体层摄影中应用，还可以扩大到此外的磁共振，正电子发射体层成像以及其它成像方式的数据集工作中。
自动LV分割通过使用阈值、形态学和连通度工具，以及解剖学已有信息的优化组合完成，其中左心室中心的位置被经精确、可靠地确定。在沿LV中心位置的附近，跟踪算法，比如边缘检测和区域生长工具从心肌和乳头肌分离左心室内的对比度(例如参见J.H.C.Reiber，“从均衡门控血池扫描图量化分析左心室功能计算机方法的总体看法(Quantitative analysis of Left VentricularFunction from Equilibrium Gated Blood Pool ScintugramsanOverview of Computer Methods)”，Eur J Nucl Med，1097-110，1985；E1 O.Boudraa，J.J.Mallet，J.E.Besson，S.E.Bouyoucef，以及J.Champier，“在门控同位素脑室造影术中采用的使用模糊束的左心室自动检测方法(Left Ventricle Automated Detection Method inGated Isotopic Ventriculography Using Fuzzy Clustering)”IEEETrans.Med.Imaging vol.12，no.3，pp.451-465，1993.；M.Ekman，M.Lomsky，S.O.Stromblad，以及S.Carlsson，“闭合线整体优化边缘探测算法以及其在均衡放射性核素血管造影术中的应用(Closed-LineIntegral Optimization Edge Detection Algorithm and ItsApplication in Equilibrium Radionuclide Angiocardiography)”，J.of Nucl Med，vol.36，no.6，pp.1014-1018，1995年6月；以及M.Hosoba，H.Wani，M.Hiroe，以及K.Kusakabe，“具有斜孔瞄准仪的门控放射性核素脑室造影术全自动轮廓探测的临床确诊(ClinicalValidation of Fully-Automated Contour Detection for GatedRadionuclide Ventriculography with a Slant-Hole Collimator)”，Eur J Nucl Med，1253-59，1986.)用于ES和ED时段的LV的心内容积由此产生(参见图4和5)。舒张末期容积，收缩末期容积，射血分数，每博排出量，以及心输出量从这些容积中计算出来。表1包括上面描述的心功能参数
表1如图4所示，左心室的容积示意图消除了现今使用的公知手工和半自动方法容积计算的缺点。这里描述的自动容积示意图方法直接完成3D空间内的重建，并考虑双平面采集系统的斜投影几何学。图5示出了用于从心肌中分割心室内的对比度的先进算法的优化组合，这些算法比如为阈值，形态学和连通度工具，边缘检测和区域生长。
使用包括在收缩末期和舒张末期心室内的对比度容积示意图测量这些时段的容积。测量的容积仅表示血池，并排除了乳头肌。容积计算不对每个片层的轮廓进行平滑。伴随着乳头肌肉的排除，该非平滑可以提高心脏功能测量的精度。使用该容积可以计算心功能参数，即舒张末期和收缩末期容积，射血分数，每搏排出量和心搏出量。图6示出了在收缩末期和舒张末期的LV的3D模型的实施例。通过测量该模型的容积，可计算EDV，ESV，SV，EF和CO。图7示出了在舒张末期和收缩末期LV对比度的容积示意图。
图8是成像系统10的实施例，在该实施例中执行改善工作流程的系统和方法。成像系统10的例子包括超声成像系统，磁共振成像(MRI)系统，单光子发射计算机体层(SPECT)成像系统，计算机体层(CT)成像系统，以及正电子发射体层(PET)成像系统。工作站11可以包括在成像系统10之内，也可以位于在该成像系统10之外，该工作站包括计算机。成像系统10扫描目标物22，比如心脏，肝脏，或者肺，并产生原始投影数据。生理学信息装置(PID)13与工作站11和目标物22耦合。PID13的例子包括心电图描记器，该心电图描记器产生心电图(EKG)。PID13产生生理学循环信号，例如心电图信号或者呼吸的信号，包括许多时段，比如心脏的时段或者呼吸循环时段。PID13可以与系统10耦合并集成到系统10中。
参考附图9和10，在一个实施例中，成像系统10是计算机体层(CT)成像系统10，其包括代表“第三代”CT扫描仪的台架12。该台架12具有X-射线源14，该x-射线源向台架12相对侧上的放射探测器阵列18发出x-射线束16。探测器阵列18由探测器元件20组成，这些探测器元件一同探测穿过目标物22投射的x-射线，举例来说，目标物是内科病人。探测器阵列18可以制成单一片层或者多片层结构。每个探测器元件20产生电信号，该电信号表示x-射线束碰撞到该探测器元件上的强度，以及由于射线束以相应角度穿过病人22的衰减。在进行扫描以获得x-射线发射数据过程中，台架12和其上的元件沿旋转中心24旋转。
台架12的旋转以及x-射线源14的操作由CT系统10的控制机构26管理。控制机构26包括x-射线控制器28，其给x-射线源14提供动力和时间信号；以及台架马达控制器30，其控制旋转速度和台架12的位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32从探测器元件20上采集模拟数据，并为随后的处理将该数据转换为数字信号。图像重建器34从DAS32接收该采集和数字化的x-射线数据，并完成高速图像重建。该重建的图像作为输入提供给计算机36，计算机36在大容量存储器装置38中存储该图像。
计算机36还接收操作者从控制台40给出的命令和扫描参数，控制台40具有键盘。在一个实施例中，控制台40是工作站11。计算机36可以与控制台40集成，也可以远离控制台40。相联的显示器42允许操作者观察该重建图像和来自计算机36的其它数据。计算机36使用操作者提供的命令和参数，将控制信号和信息提供给DAS32，x-射线控制器28，以及台架控制器30。另外，计算机36操纵自动床马达控制器44，该自动床马达控制器44控制自动床46，以便将病人22置于台架12中。具体地说，自动床46移动病人的各部分穿过台架开口48。
在一个实施例中，计算机36包括装置(未示出)，例如软盘驱动器或者CD-ROM驱动器，以从计算机可读媒体(未示出)，比如软盘或者CD-ROM上读取指令和/或数据。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(未示出)中的指令。计算机36被编程以完成这里描述的功能，但是其它可编程电路可进行同样的编程。举例来说，在一个实施例中，DAS32完成这里描述的功能。因此，如在这里使用的计算机终端不仅限于指现有技术中如计算机的集成电路，也可以广泛地指计算机，处理器，微控制器，微机，可编程逻辑控制器，应用型特定集成电路和其它可编程电路，以及包括计算机的其它装置，比如工作站或者控制台。
在本发明的一个实施例中，CT系统10的使用者选择检查(即命令图像(prescription image))，该检查包括表示心脏给定时段的容积数据集，或者表示心脏多个时段的多容积数据集。在数据集是多时段轴向心脏数据集的实施例中，使用者得到提示以选择想要的时段。举例来说，当使用者选择舒张期作为想要的时段时，左心室舒张末期时段的心内容积产生出来而不需要使用者进一步的干涉，如图2所示。当使用者选择收缩期作为想要得到的时段时，左心室收缩末期时段的心内容积产生出来而不需要使用者进一步的干涉。在计算机36中运行的软件程序在这时由操作者通过显示器42和控制台40起动(launch)。该软件当作由使用者选择的容积数据集输入指令。在使用中，使用者选择命令，并且使用者界面这时出现在显示器42上，与图2所示的工作流程过程一致。使用者可以跳过不需要的图像的任意视图。
可以看出本发明的实施例使工作流程自动化，因此临床医生即使没有经过训练，其指令也可以正确执行。在CT成像的情况下，本发明的实施例允许使用者创造全(full)四维(4D)数据集，其很好的适用于心脏的功能研究并可以用于协同分析软件的应用。在一个实施例中，该4D数据集包括三维图像和时间成分。
另外，本发明的实施例可以加载单一时段或者同一位置的多时段心脏CT图像。举例来说，单时段数据集可以包括在70％的R到R间期的S0到I100位置的图像。多时段数据集可以包括在0到100％的R到R间期十个时段的S0到I100位置的图像。本发明一个实施例中的数据集在整个过程中具有相同的短/长轴平面，因此允许使用者观察壁运动，射血分数，壁厚和灌注。
在MR应用中，本发明的后处理实施例可以用于产生短轴和长轴视图。本发明的一个后处理实施例利用从MR获得的数据，但是利用与MR分立的计算机中运行的软件以及分立的显示器和操作控制台。该实施例缩短了扫描命令时间。费用也降低了，因为在操作者控制台的时间比在工作站的时间昂贵。因此，临床生产率(productivity)(由每天扫描的MR病人测定)通过该实施例增加。另外，本发明的实施例在命令不正确时能够避免重扫描。
这里描述的方法和系统消除了其中和其内对使用者变化的依赖，并且使计算LV功能参数的过程流水线化。由于该容积测量法排除了乳头肌和平滑LV轮廓的影响，所得到的射血分数真实的代表了心功能，即使是在有心室疾病的病人中也是如此。这里描述的方法和装置的技术效果包括提高心功能参数的精确度，增加再现性，通过自动过程(减少手工步骤)使工作流程流水线化，并且提高生产率。另外，这里描述的方法和装置不需要依靠高度训练的内科医生，通过取消手工短轴产生图象步骤减少了图象的数量，并且产生一个更少图象的数据集，使用更少的系统磁盘空间。同样的，这里描述的方法可在多种操作环境中方便切换。
尽管本发明以不同特定实施例的方式描述，本领域普通技术人员应该认识到，该发明可以在权利要求的精神和范围内修改。
部件表
权利要求
1.一种用于沿解剖学有效平面产生心脏视图的医学成像装置，该医学成像系统装置包括成像系统(10)，该成像系统包括探测器阵列(18)；至少一个放射源(14)；以及与所述探测器阵列耦合的计算机(36)；以及与所述计算机耦合的工作站(11)，所述工作站设置成用于接收心脏3D数据集；以及在没有使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
2.如权利要求1所述的医学成像系统(10)，其特征在于，所述工作站(11)进一步设置成用于分割心脏的左腔室；产生左腔室的长轴第一估算值；以及使用所述长轴的第一估算值以确定长轴第二估计值的至少两个点。
3.如权利要求2所述的医学成像系统(10)，其特征在于，所述工作站(11)进一步设置成用于选择分割的腔室的右端点作为长轴第二估算值的第一点；以及选择在分割的腔室内的另一点作为长轴第二估算值的第二点。
4.如权利要求3所述的医学成像系统(10)，其特征在于，所述工作站(11)进一步设置成用于计算左腔室惯性中心点；用正交于第一估算值并包括该惯性中心点的平面横切该分割的左腔室，以形成横切平面；计算横切平面的惯性中心；以及使用该横切平面的惯性中心作为长轴第二估算值的第二点。
5.一种沿解剖学有效平面产生心脏视图的方法，该方法包括接收心脏3D数据集；以及在不需要使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算包括分割心脏的左腔室；产生左腔室长轴的第一估算值；以及使用该长轴的第一估算值以确定长轴第二估算值的至少两个点。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分割包括分割心脏的EKG时段位置最接近数据集的R到R间期的75％的容积，其中该数据集包括多个容积。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述使用该长轴的第一估算值以确定长轴第二估算值的至少两个点包括选择分割的腔室的右端点作为长轴第二估算值的第一点；以及选择分割的腔室内的另一点作为长轴第二估算值的第二点。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述选择另一点包括计算左腔室惯性中心点；用正交于第一估算值并包括该惯性中心点的平面横切该分割，以形成横切平面；计算该横切平面的惯性中心；以及使用该横切平面的惯性中心作为长轴第二估算值的第二点。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述使用该长轴的第一估算值以确定长轴第二估算值的至少两个点包括计算左腔室惯性中心点；用正交于第一估算值并包括该惯性中心点的平面横切该分割的左腔室，以形成横切平面；计算该横切平面的惯性中心；使用该横切平面的惯性中心作为长轴第二估算值的第一点；以及在分割的腔室中选择另一点作为长轴第二估算值的第二点。
全文摘要
一种沿解剖学有效平面产生心脏视图的方法，该方法包括接收心脏3D数据集并在不需要使用者干涉下计算至少一个短轴和长轴。
文档编号G06T7/60GK1620991SQ20041009586
公开日2005年6月1日 申请日期2004年11月26日 优先权日2003年11月26日
发明者L·斯特凡尼, L·劳奈, H·J·汤姆森, D·M·哈斯 申请人:通用电气公司