专利名称：测量心脏图心肌层的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及心脏的医学测定，更具体地说，涉及从一系列医学图象来测定心肌的方法及设备。
我们有时候需要能够从拍摄受检验者得出的图象将受检验者内同一物质的各邻接部位分段成许多不同的解剖特征部分。为正确诊断心脏疾病，必须根据心脏图鉴定受检验者的心脏的结构。我们知道，一般对结构进行分段的方法可用来鉴定受检验者的左心室，还可以确定受检验者心肌层的内轮廓。要测定象心肌层厚度和运动之类的参数时，还需要鉴别叫做心外膜的心肌层外轮廓。
图象亮度阈值处理法并不能很好地鉴别心外膜，因为心肌层毗邻亮度类似的组织。过去检测心外膜的方法通常是以可变形的模板或蛇模(snake)为基础的。D.Metaxas和D.Terzopoulos在1991年出版的《电气与电子工程师协会计算机显象和图形识别》一书第337～343页上发表的题为“强制变形超二次曲面和非刚性运动的跟踪”的文章介绍了用三维蛇模制取心外膜模型的方法。这类三维方法的问题在于，在临床应用上的速度通常太慢。
过去还采用过二维蛇模法。例如，L.H.Staib和J.S.Duncan在1992年11月份的《电气与电子工程师协会图形分析和机器智能论文集》第1061至1075页上发表的题为“用参数可变形模型求出轮廓”的一文中介绍的一种“付里叶蛇模”即谈到这个问题。虽然二维蛇模法提出了表示形状的极其巧妙的模型，但这些方法只根据图象梯度来测定轮廓。所有这些都需初步估计模型的情况是否大致可以解决问题。此外，这些方法在检测心脏磁共振图象经常出现的反差低但在统计上有意义的轮廓时效果差。
目前，为了更精确地诊断心脏疾病，需要有一个快速精确测定心肌层轮廓的方法。
本发明介绍一种测定心外膜轮廓的方法及设备，根据心外膜轮廓可以测定受检验者心脏的心肌层厚度。该方法是用能给积血造影的医学造影装置拍摄出心脏造影图，心脏图的象素亮度I(r，θ)用极坐标(r，θ)表示，取极坐标系的原点作为心室区的形心。以几个取样角θi，其中0≤θi≤2π，计算出半径的大小，从而得出一系列径向测定值r(θi)。
心肌层内轮廓为心室积血的外轮廓，经过鉴别后用作初始曲线r(θi)。此工序可按一般方法进行。
接着，将心肌层内膜r(θi)扩大预定量n的图象象素以绘制轮廓Ml，其中n小于1/2心肌层厚度近似值，此近似值是用根据过去对类似图象的测定值得出的预计值确定的。
接着，Ml扩大预定量m的图象象素以绘制轮廓Mh，其中m也小于1/2心肌层厚度通过对图象的测定所确定的近似值。
接着，确定Mh与Ml之间的部位M中的图象象素平均亮度μ和象素亮度I(r，θ)的标准偏差σ。
接下去，根据μ，σ确定优度函数G(I(r，θ))，该函数表示(r，θ)处的亮度I(r，θ)何时大致可确定为心肌层。
接着，分别计算出用角变化引起的径向变化的二次微商和四次微商
，并将其与G(I(r，θ))组合起来，确定局部能量函数H(θ)。
接着，将r(θi)扩大δr(θi)，变为-εH(θ)，以确定新轮廓；从确定优度函数开始，重复上述各步骤多个循环，直到H(θi)小于预定量，以得出心外膜轮廓r(θi)。
本发明的目的是提供一种测定观察对象心脏心外膜的方法及设备。
本发明的另一个目的是测定心外膜的厚度和运动。
本发明的另一个目的是根据一系列心脏造影图确定心脏的功能。
本发明据信是新颖的特点在所附权利要求书中具体说明。但本发明本身作为手术的组织方式和方法连同其其它目的和优点可通过结合附图阅读下面的说明最清楚地加以理解。附图中
图1是受检验者心脏的示意图，表明所采用的坐标系和心脏待测定的各部分。
图2是本发明一个实施例的简化方框图。
图1中表明受检验者心脏的横剖面。这里心室的外表面1，即心外膜轮廓，在以后的心脏疾病诊断中是需要参考运用的。
为了真实测定出心外膜轮廓1，需要利用要测定部位，例如心肌层3，预计的总外形。从图1横截受检验者心室长轴线的简单断层图象可以看到，心肌层3是环绕着左心室大致上呈环形的部位。积血5用一般的血造影和分段法确定。
本发明采用以部位为主的蛇模，假设心肌层的模型呈环形。这里采用以受检验者心室中心7为坐标原点的极坐标系来确定蛇模的各项参数。以部位为基础的蛇模模型与J.Irvins和J.Porril在1994年《电气与电子工程师协会图国际会议，0-8186-6950-0/94》第227～231页上发表的题为“医学造影图象分段用的有效部位模型”一文中所述的蛇模型相同。这种模型本来就适宜解决有关部位大致呈圆形、部位的大致形心事先已确定好的问题。
本发明是一次处理一个图象断层的方式实施的。假设I(r，θ)为象素在图象(r，θ)处的亮度，G(I(r，θ))为优度函数，表示区分图象中所有象素的组织类型，下面即将进行说明。心外膜用从原点的距离r(θ)模拟。蛇模法计算最大限度减小含两个表示曲线约束条件的项和表示组织类型的第三项的“能量函数”的参数化曲线。模型化曲线越靠近环形部位，受头两项影响的能量就越小，部位越接近心肌层的亮度，受第三项影响的能量就越小。本发明的能量函数如下
其中
其中
为优度函数G(I(r，θ)沿模型整个内部R进行的积分，∮R表示绕曲线进行的积分。两参数α和β确定一次和二次刚度对能量E(即(1)式中的头两项)的相对影响。第三参数γ确定优度函数对能量E的影响。
应该指出的是，(1)式中的模型以径向坐标表示。因此，在没有外图象力的情况下，当曲线是圆的时能量E最小。能量在曲线变化小幅度的变分δr(θ)时变化。曲线能量变化相应的方程可以用变分法推导，其结果为δE＝∮H(θ)δr(θ)dθ(3)其中δ(r)是径向尺寸的变化，H(θ)则可用(4)式表示H(θ)=α∂2r∂θ2-β∂4r∂θ4+γrG(I(r,θ))....(4)]]>离散形式实用中，图象中的各曲线是通过对各曲线取样求出θ的离散值表示的。接着，用有限差分计算各微商。若曲线在为Δθ所分隔的离散角θ0、θ1、……取样，则在空间的对称差分为∂2r∂θ2=12(Δθ)2{r(θi+1)-2r(θi)+r(θi-1)}....(5)]]>∂4r∂θ4=12(Δθ)4{r(θi+3)-2r(θi-2)-r(θi+1)+4r(θi)-r(θi-1)-2r(θi-2)+(θi-3)}]]>这时，(3)式的积分变为δE≈ΣiH(θi)δr(θi).....(6)]]>优度函数优度函数G(I(r，θ))用来确保模板汇合到图象的心外膜轮廓。心外膜分段的情况下，优度函数用(7)式表示G(I(r,θ))=1-|I(r,θ)|-μkσ.......(7)]]>其中I(r，θ)是象素在(r，θ)处的图象亮度，μ和σ则为图象中心肌层组织亮度的平均偏差和标准偏差，k为一常数，这些都是可以预定的。若象素在(r，θ)处的亮度在平均值的k标准偏差内，则优度函数为正，从统计的角度看可以表示心肌层组织，否则为负，从统计的角度看表示非心肌层的组织。
参数μ和σ用叫做心室区的既定区确定。将此心室区扩展固定量n的象素，以形成Ml区，这里n选取小于图象中预计的心肌层最小宽度的一半，这方面可根据解剖学知识和对类似图象的标定加以确定。接着，将Ml扩大m个象素的幅度。这里m可等于或不等于n，但为了确保此Mh区仍然处在心肌层区内，因而还必须小于必肌层最小厚度的一半。于是形成了整个处在心肌层内的新区M＝Mh-Ml。接着，计算出μ和σ，作为M中象素亮度的平均和标准偏差。
通常，坐标(r，θ)不会正好处在图象象素上。I(r，θ)的值可取最接近象素的亮度，或者用线性或更高次的内插法计算出来。最优化若想减小曲线的能量，则从(3)式可知，可通过调节步程的大小进行δr(θ)＝-εH(θ) (8)其中ε是一个正的小常数，选取得使δr变为相当小的变分。如此选取δr(θ)，(3)式中积分是负函数的积分，因而δr＜0。此外应该指出的是，当H(θ)＝0时，函数中所有小变分的δrE值也为0。换句话说，曲线处于局部能量最小的状态。
每次扩展，用(4)式和这些有限差分公式(5)式计算各角θi下的H(θ)值。
接着，用(8)式求出要使用的变分δr(θ)，其中常数ε选择得使δr(θ)的最大值为一个象素。这个规范化确保蛇模不致用扩展得过快而忽略了细节。
这个改变δr(θ)和计算r(θ)的过程反复进行下去，直至达到稳态为止，这时蛇模围绕固定位置和缓地振荡，或者直到超过最高扩展次数为止，这时分段失败。
若H(θ)围绕零振荡，则小步程δr也要围绕零振荡，从而使蛇模和缓地围绕正确的解法振荡。
实施过程图2中示出了本发明的简化方框图。这些方框各个表示功能单元，可以是硬件或联合工作的硬件和软件。各方框表示特定的功能，可能是也可能不是单一的子程序。
在方框21中，医学造影装置拍摄医学造影，这是受检验者10的一系列亮度I(r，θ)。这个医学造应装置应能将积血和受检验者心脏的各部分造影。拍摄出的图象传送给造影存储器23存储起来。
图象亮度I(r，θ)由心肌层摘录装置25读出。心室分段单元29处理图象存储器23的至少一幅图象，鉴别心室积血的轮廓，该轮廓即为周边r(θi)的初始估计值。初始心室周边r(θi)存入周边存储器31中。初始周边可用任何一般现行的方法计算出来。
心室轮廓传送给心肌层摘录装置25，由装置25将心室积血轮廓以小于1/2心肌层壁近似厚度的量扩大。这个近似厚度可以通过测定图象最细处的心肌层厚度或通过了解现有各图象的性质确定下来。这个扩展区叫做Ml。接着将Ml区再次也以小于1/2心肌层近似壁厚的量扩展，以形成含Ml区的第二区Mh。Mh与Ml之间的部位叫做M，传送给统计装置27后由装置27确定该部位的象素平均亮度μ和该部位的标准偏差σ。
周边r(θi)直接或通过周边存储器31传送给鉴别装置33。鉴别装置33也接收统计装置27来的象素平均亮度μ和标准偏差σ。接着，鉴别单元33确定周边周围各象素的“优度函数”G(I(r，θ))。函数G(I(r，θ))是亮度I(r，θ)与心肌层平均亮度μ匹配的紧密程度的量度。偏离平均值大于k标准偏差的亮度确定为非心肌层的某一组织。这时，这些亮度的G(I(r，θ))函数值为负值。
现行周边r(θi)也传送给离散微商装置37，由装置37确定半径对θ的二次微商和半径对θ的四次微商，两者都传送给局部化能量计算装置39。优度函数G(I(r，θ))也传送给计算局部化能量H(θ)的装置39。
控制单元41接收局部化能量函数H(θ)，并确定该局部化能量函数是否超过预定阈值。若H(θ)超过阈值且扩展尚未超过预定次数，则将能量函数H(θ)乘以所确定的乘数-ε，从而使乘积-εH(θ)小于一个象素的宽度。-εH(θ)用作δr，表示周边半径的增量变化。
增量变化δr传送给半径调节装置35，由装置35提取现行周边r(θi)并加上δr以调节周边。经调节的周边r(θi)再次存入周边存储器31中，重复上述程序直到控制单元41确定局部化能量函数低于预定阈值或超过最高的扩展次数为止。
在超过扩展最高次数且能量函数不低于预定阈值的情况下，则周边不能汇合到某个答案，于是通知操作人员。
另一方面，若局部化能量函数低于预定阈值，则得出的周边r(θi)汇合到心外膜轮廓。
由于从一般方法可以知道心肌层的内轮廓现在又从本发明知道心肌层的外轮廓(即心外膜)，因而可以测定出心肌层的厚度供各种心脏诊断试验用。
这里，作为可供选择参考的方案，还可以用图形机13在显示器11上给操作人员1显示象现行周边r(θi)之类的有关数据。操作人员1还可以与控制板17或指示装置15打交道调节诸如H(θ)的最小值之类的系统预定参数。
本发明可处理单幅图象，但也可用本发明来处理各心动周期的多幅图象，从而可以在整个心动周期中确定心壁厚度。这样可以提供许多象受检验者心脏功能之类的宝贵资料，而且还可用以预测受检验者心脏的健康情况，和诊断可能有的心脏疾病。
下面是本发明操作的概要。
1.用任何传统的方法拍摄心肌层内轮廓，选取左心室的形心作为极坐标系的原点。
2.计算出心肌层区象素的平均偏差和标准偏差(μ和σ)作为左心室周围的M＝Mh-Ml区的亮度平均偏差和标准偏差。
3.用μ，θ和I(r，θ)确定优度函数G(I(r，θ))。
4.用一般的造影方法绘制左心室周围的曲线，即心肌层内轮廓。此曲线用作扩充蛇模算法的初始曲线。在每隔Δθ的角度θi下对曲线取样得出曲线的离散度。
5.用(4)式和(5)式计算H(θ)值，并从(7)式计算G(I(r，θ))。
6.用(8)式计算拟使用的增量δr(θ)，其中ε为正常数，选取得使δr(θi)的最大值为一个象素。
7.就每一个i将δr(θi)和r(θi)加起来以扩展曲线r(θi)。
8.重复步骤5至步骤7直到得出的曲线r(θi)围绕固定曲线振荡(H(θ)低于预定阈值)或振荡固定的最高重复次数。在后一种情况下，本方法失灵。
9.用得出的值r(θi)作为心外膜轮廓。
这里已就本发明的一些目前最佳的实施例详细说明，但本技术领域的行家们都知道，对这些实施例是可以进行种种修改和更改的。因此，应该理解的是，所附的权利要求书旨在包括所有这类修改和更改，因为这些修改和更改均属于本发明精神实质的范围内。
权利要求
1.一种根据在(r，θ)处的象素亮度为I(r，θ)的心脏造影图确定受检验者的心肌层心外膜轮廓的方法，其特征在于，它包括下列步骤a)用一般的方法从所述图象鉴别所述图象在若干离散角θi处在心肌层内轮廓；b)就多个(r，θ)坐标确定优度函数G(I(r，θ))，若在(r，θ)处的象素亮度I(r，θ)被认为是心肌层则为正，被认为是其它组织则为负；c)计算径向变化分别因角度变化产生的二次微商和四次微商∂2r∂θ2,∂4r∂θ4;]]>d)采用变分的微积分从G(I(r，θ))、
α，β，γ计算局部化能量函数H(θ)；e)根据-εH(θ)确定δr(θi)其中ε选取得使乘积|-εH(θ)|小于一个象素的宽度；f)给各r(θi)值加上dr(θi)确定新的轮廓；g)在多次重复的过程中重复步骤c至f从而得出心外膜轮廓r(θi)。
2.如权利要求1所述心外膜轮廓的方法，其特征在于，确定优度函数G(I(r，θ))的步骤包括下列步骤a)将心肌层内轮廓r(θi)扩大预定量n的图象象素，以形成轮廓Ml，其中n小于1/2通过测定图象确定的心肌层厚度近似值；b)将Ml扩大预定量m的图象象素，以形成轮廓Mh，其中m小于1/2通过测定图象确定的心肌层厚度近似值；c)确定Mh与Ml之间M区中象素亮度I(r，θ)的图象象素平均亮度μ和标准偏差σ；d)按下式计算G(I(r，θ))G(I(r,θ))=1-|I(r,θ)-μ|kσ]]>
3.如权利要求1所述的确定心外膜轮廓的方法，其特征在于，计算局部化能量函数H(θ)的步骤包括下列求H(θ)的值的步骤H(θ)=α∂2r∂θ2-β∂4r∂θ4+γrG(I(r,θ))]]>
4.一种根据在(r，θ)处的象素亮度为I(r，θ)的心脏造影图确定受检验者的心肌层心外膜轮廓的设备，包括a)心肌层摘录光置(25)，用以从所述图象鉴别所述图象在若干离散角θi处在心肌层内轮廓；b)鉴别装置(33)，用以从多个(r，θ)坐标确定优度函数G(I(r，θ))，若在(r，θ)处的象素亮度I(r，θ)被认为是心肌层则为正，被认为是其它组织则为负；c)离散微商装置(37)，用以计算径向变化分别因角度变化产生的二次微商和四次微商
d)局部化能量计算装置(39)，它采用变分的微积分从G(I(r，θ))、
α，β，γ计算局部化能量函数H(θ)；e)控制单元(41)，它根据-εH(θ)确定δr(θi)，其中ε选取得使乘积|-εH(θ)|小于一个象素的宽度；f)半径调节装置(35)，用以给各r(θi)值加上dr(θi)，确定新的轮廓；g)多次重复运用装置c至f从而得出心外膜轮廓r(θi)。
全文摘要
本发明确定心外膜轮廓,即将心肌层与左心室周围的组织和血液分隔开的闭合曲。先是确定受检验者心肌层组织医学图象各象素的平均和标准偏差。用这些结果确定图象的“优度”函数,统计结果为心肌层组织的象素则其优度函数为正,为其它象素的优度函数则为负。模拟心外膜的径向坐标初始曲线以一般造影方法得出的内心肌层轮廓开始。接着,反复更新这个曲线以便将所包括部位的整个优度函数扩大到最大。
文档编号G06T1/00GK1194812SQ9712317
公开日1998年10月7日 申请日期1997年11月19日 优先权日1996年11月19日
发明者R·W·M·柯温, R·I·哈特利 申请人:通用电气公司