专利名称：全方向m型心动图方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从心脏B超(或称超声心动图)序列图像中重建出新的动态信息的方法，特别是涉及到一种反映心脏结构活动与变形的灰阶强度～时间波形图的动态信息。
现有的心脏B超显像仪能显示心脏内部结构的截面相，通过其几何形态、大小等能揭示心脏内结构的病变。然而人们依据对心脏序列运动图像长期观察的经验，结合有限的监示式M型心动图也作些心脏结构机能的分析，但这样对心脏B超序列图像的运动信息分析是非常肤浅的，因人而异，没有统一标准的结论。
此外由于原心脏B超的M型心动图每次只选择一探测波束，所以无法进行多束同步比较。因此，这样的M型心动图信息对于心脏内大部分结构的变形和运动等机能的分析失去了应有的意义。
经检索可知，目前还没有全方向M型心动图方法及其系统问世。
本发明的目的在于反映心脏结构活动与变形的灰阶强度～时间波形图的动态信息，即发明全方向M型心动图方法及其系统。
本发明是这样实现的，实现全方向M型心动图方法为(1)先保证实时地对心脏B超的序列图像进行采集并实时顺序地传输并存贮到大容量存贮器内；(2)当重建全方向M型心动图时，通过一个软件操作模块，完成了回放存贮在大容量存贮器的图像平面上任一确定的方向线段轨迹相遇或最邻近的一个个象素点坐标位置对应大容量存贮器的一个个地址及其相应单元内容的转换，这单元内容即是对应象素点的灰阶强度，并补上因任意方向相对象素点排列坐标轴偏离而需要的最邻近平均插补点的灰阶强度，形成了完整的方向线段上的灰阶强度点集，在这段时间内，序列图像所有帧的这方向线段上的灰阶强度点集被帧间隔时间拉开成一列，这就是任一确定方向的灰阶强度～时间波形图。对于不同结构的所有各方向线段，这样灰阶强度集就形成了代表各方向的多列同步灰阶强度～时间波形图，即全方向M型心动图，这里一列波形代表了某结构的一个方向波形，而不一定只有一个波形。
全方向M型心动图方法的系统，它具有输入设备，将序列图像的视频模拟信息连接到插在微机系统PCI总线扩充槽上的PCI高速图像采集卡的输入端1或2，被该卡的多路开关选择一路滤波后由A/D变换采集，变换为数字图像信息，通过该卡插在PCI扩充槽连接到PCI总线，高速实时地传输到大容量存储器。如果不采集图像数据，通过微机机构VGA卡接到微机显示器显示这时的图像；采集期间可通过输入设备和监示器相连来监示采集的图像，以上操作是配合控制软件来实现的。
本发明能实现在心脏B超序列截面图像所显示心脏各结构的任意部位，设定(通常根据该部位的运动趋势)一方向(轴)线段，在某一心脏B超检测期时间段内重建出这方向线段上序列图像象素点灰阶强度(基本代表了心脏结构的轮廓)～时间波形图，在同一时间段内，序列图像中所有被确定的方向线段的波形图可以同步地相互作比较。
下面结合附图对实现全方向M型心动图方法及其系统作详细说明
图1为原心脏B超内设置的监示式M型心动图探测的波束方向和其结构各部位的运动方向比较图。
图2为任定OF运动路径方向线段的象素点确定图。
图3是本发明全方向M型心动图系统结构方框图。
图4是本发明高速采集、传输到大容量存贮器单元方框图。
图5是本发明主要控制软件的结构。
图6是全方向M型心动图重建流程图。
图7是本发明自动操作的实际结果图例。
图8是本发明手动操作的实际结果图例。
在心脏B超中原设置的监示式M型心动图是被限制重重的，它是依据来自从体外的探头向内一个选择超声波束(固定的方向)所探及的心内结构的位置，这位置超声反射波调辉形成的灰度亮点被监示这段时间拉开成灰度～时间波形。图1表示相控阵或一般扇超的心脏B超比较常见截面相的左室短轴图像(a)和长轴方向图像(b)，图中虚线表示原B超中M型心动图被限制的允许选择的波束方向；实线箭头表示心脏内各结构各部位腔壁的实际运动方向。由图可知，这两图仅有OA[5],O′A′[8]两束的灰度(亮点)～时间波形图(即监示式M型心动图)基本可以反映这两个结构四个位置的运动情况，其他波束基本上都无法反映被探及该位置的运动，因为其运动方向和波束方向差异很大，所以该波束每帧所探及是该结构的位置是不同的，这样的探测波形是没什么意义的。甚至最常用的O′B′[12]束(即左房、主动脉、肺动脉四线M型心动图)，它所提供的腔径还具有不小的误差。即使国外最新型心脏B超引用多普勒频移去作粗略的室壁运动估计，由于收发都是通过探测波束，所以它也只能较好地发现探测方向的一些运动情况，因此和上面一样地也受探测束方向限制。
为了解决这问题，本发明采用先确定运动路径即图1中的实线方向线段，而后从由所有超声波束生成的心脏B超序列截面像的每帧图像数据中去重建出这运动路径方向线段上的灰度亮点(它反映了结构轮廓)，这些灰度亮点被序列图像这段时间的每帧展开也形成了相似M型心动图的波形，但由于这时的方向是可以任意的(按照运动的趋势人为来确定)；并且由于同帧上的灰度亮点可看成同时刻，这样所有被选择的方向线段上的灰度亮点波形可看成是同步、可相互比较的波形，所以发明人把本发明称为全方向M型心动图(在我们实现的系统中，运动路径方向线段是采用鼠标画白线段的方法来实现)，其特色在于“全方向”。
由于全方向M型心动图的检测方向就是心脏结构被探测位置的运动方向，因此每帧跟踪的位置基本上是同一位置，所以它真正反映了心内结构某处(位置)的运动状态，而且可以多方向同步、比较各结构、各不同位置的运动状态。为此，这样的动态信息，对心脏各结构不同部位的形变、运动等的机能分析具有了极为重要的意义。
根据上面叙述的全方向M型心动图的方法，实现本发明的专用系统设置应主要解决以下二个问题。其一，它应有一个能将一定时间段心脏B超序列运动图像实时采集并传输到大量容量存贮器的硬件设备，才能保证重建的全方向M型心动图的真实性，可信性和科学性。这时间段若掌握在二个呼吸周期(约6秒)，按PAL制(即25帧/秒)计算共有150帧序列图像，一帧黑白图像约0.3MB，则共需45MB容量的存贮器；现有PCI总线的图像采集卡可以用微机系统内存为图像的大容量存贮器并能实时采集传输，因为其传输速度达40MB/秒以上，A/D采样频率达14.75MHz,所以它是足以达到该系统设置要求；其二是序列图像某一帧图像上运动路径方向线段的象素点灰阶强度值的取得，这是重建全方向M型心动图的最关键技术。但对于已存入存贮器的数字图像上象素点的灰阶强度值，其实是将图像上该方向线段的轨迹坐标转换到存贮器地址，其存贮器地址的内容就是这方向线段轨迹相迂的象素点的灰阶强度值。由于这选择方向是任意的而不一定是在X、Y轴上而引起二个问题①如图2所示，OF[5]是我们确定的方向线段，对于数字化后图像，它不可能正好通过X、Y轴都为整数的交叉点处(此处才有灰阶强度值)，所以只能用最邻近点如S1,S2,S3…,S7来作为象素点坐标位置，再通过它们转换为存储器地址的内容(即灰阶强度值)。这里我们采用4舍5入近似算法确定象素点位置，这样的误差在0.5象素点间距左右，假如轴向用500点代表20cm心脏内距离，则象素点间距约为0.4mm，所以这样的误差相当心脏内0.2mm长度，这数据小于超声检测的灵敏度，所以不会影响检测结果的；②图2还可得出，OF[15]通常大于X轴的“7”或Y轴的“4”(因为它是直角三角形的斜边)。但作为全方向M型心动图OF[15]就是(和XY轴一样的)轴向，如图2实例它应恢复为8.06(4舍5入后取8)象素点间距长度，包括原点O，它应有9个象素点，按图上的象素点只有0,S1,…,S7共八个，所以必需补一个象素点，我们用最邻近(灰阶强度值)平均插补法补上这点，以达到9点。
这样各帧的OF[15]方向线段上的灰度值(亮点)相当于时间轴上的一条条竖起的亮点集，它们就构成了反映心脏结构运动的波形图——即全方向M型心动图。这些新的灰度值数据都存贮在存贮器中，所以可以很便利地对这些波形作特征参数的提取(如移动距离、速度等)以便于临床分析需要。
实现全方向M型心动图方案的系统是一个带有IBM-PC微机系统。由于速度的要求，一般微机选择在奔腾586-166以上，PCI总线，内存64MB的配置即可。由于我们采用大恒公司生产的Video-PCI-SM黑白高速图像采集卡，它的A/D的采样频PAL制达到14.75MHz。图像采集最大分辩率PAL制式达到768×576×8bits；通过PCI总线传到VGA卡实时显示或传到计算机内存、实时存贮，其传输速度达到40MB/秒，所以可以用微机内存为图像大容量存贮器。因此，这样配置足以达到图像的实时采集并传输到大容量存贮器的要求，而且大大简化了全系统的设置。
该系统在全方向M型心动图重建中有二种操作，一种是自动方式，它是只适应心脏B超左室短轴截面相，收缩、舒张比较相似于向、离圆心的运动状态。这时操作者只需确定圆心，图上会自动形成从圆心散射出各间隔30°的十二条全方向线段，并形成这十二个方向的M型心动图；另一种就是上面叙述的人工地根据探测结构某部位的运动方向用鼠标以橡皮筋式画出特定的方向线段，而后根据它形成这方向的M型心动图，由于人工可以从整个图像的各结构不同位置都确定一个方向线段，这样的多方向线段就形成可以同步互相可比较的多方向M型心动图。
图3是全方向M型心动图系统的结构方框图，它由输入设备[20]、PCI高速图像采集卡[24]、监示器[28]、控制软件[30]、IBM586-166微机[35]含显示器[44]和激光打印机[48]等组成，全部操作由控制软件[30]指挥。首先由输入设备输出的视频心脏B超序列图像通过高速图像采集卡[24]，在微机控制下直通VGA卡[46]后在计算机显示器显示输入设备的图像。当操作者选定要做全方向M型心动图的序列图像时，按下采集操作键、控制软件[30]命令PCI高速图像采集卡[24]进行了实时采集，并通过PCI总线[40]实时存入微机系统的内存[38]。由于该图像卡在采集时无法同时向VGA卡[46]传递图像，所以系统中设置监示器[28]以监示此刻被实时采集的序列图像，若操作者满意就保存这序列图像数据150～200帧于内存[38]；若不满意则重新采集。采集到内存[38]的是从采集键按下算起5-8秒时间段内的数字序列图像数据(如果要继续采集新的序列图像时则将这数据形成文件存入硬盘，待到要形成全方向M型心动图时再通过PCI总线[40]传输到内存来)；要生成全方向M型心动图功能键按下时，由控制软件[30]根据鼠标操作[56]的方向线段，生成其轨迹于各帧页的坐标位置集转为帧序和内存[38]地址并提取其灰阶强度值。重建的全方向M型心动图通过VGA卡[46]直接显示在微机显示器上，并可被激光打印机打印；结合鼠标操作[56]对显示的M型超声心动图作一些参数测量，并形成表格可被激光打印机[48]打印。
整个全方向M型心动图系统硬件部分最重要的是高速采集和传输单元，它完成了序列图像数据的实时采集和实时存贮进内存、保证了M型心动图真实和可信。软件部分最重要的是重建全方向M型心动图。
高速采集传输单元的工作是微机通过控制软件[30]进行操作的。这里的输入设备允许直接从心脏B超的视频输出端或录放象机的视频输出端接进Video-PCI-SM图像卡的二个输入端口，由多路开关选择一路滤波后进行A/D变换(即进行采集变成数字序列图像)，通过PCI总线[40]存入微机内存。
图5是主要控制软件的结构，它由图像一般操作函数[50]、序列图像实时采集、传输单元[53]鼠标操作函数[56]、全方向M型心动图的重建[58]、全方向M型心动图参数检测[60]、打印和显示[64]等组成。
图6为全方向M型心图重建单元的软件流程图，当软件控制进行重建全方向M型心动图操作时，它将序列图像调到显示屏上根据操作者对心脏结构和运动的判断作出手动或自动的选择(只有在左室短轴截面相并较均匀离、向心运动的情况才好选择自动，一般则选择手动)。自动主要是用鼠标选择中心，和从所有序列图像连续显示的检验中确定是否要纠正中心位置。当确定好中心后，软件会自动生成均匀的12个要生成M型心动图的方向线段及其全方向M型心动图如图7所示，它们显示出左室短轴截面序列图像以中心为参考自动形成12个方向的6～7个周期的同步心动波形，波形图上方为中心；当选择手动时，这时应用鼠标以橡皮筋式画出方向线段，同时可以利用序列图像运动来提示方向线段的修改，当确定好方向线段后，鼠标操作函数[56]可以通过软件自动转换出方向线段的坐标数据集并转换成其对应的灰阶强度值集。由于各帧间隔是相同的，它也可以代表一个时间单位，这样各帧顺序的灰阶强度值集就组合成一个方向的M型心动图。在这时间段内，同样的帧序代表同一时刻，所以各不同结构，不同位置的所有各方向线段的M型心动图波形都可看成是同步的、可以相互比较的如图8所示，它们同时可比较左室壁、主动脉壁和主动脉瓣、二尖瓣三个结构不同的位置的全方向M型心动图。所有已形成的全方向M型心动图可生成文件，可以随时调用打印显示软件使之显示于萤光屏和被激光打印机打印出波形。
得到全方向M型心动图后，再借助鼠标通过控制软件的参数测量、制表单元[60]可以得到医学所需的参数，如腔径、移动量、速度等等测量参数并形成有关的各种科学数据表。
由于这包含着一般图像卡系统，所以还可以同时进行许多有关图像的其他一般操作，就不详细叙述。
全方向M型心动图方法的重建，它具有一个操作软件[58]，实现向存储着心脏B超序列数字图像的大容量存贮器[38]有选择地提取相关单元的内容，这种选择按全方向M型心动图重建流程图进行，它在通过鼠标确定手动或自动选向选择后得到的方向线段被修改最后确定后，由鼠标操作函数[56]自动将该方向线段相遇最邻近象素点坐标集提取出来，并转换为大容量存贮器[38]的存贮地址，以致得到他们相应单元内容，即象素点的灰阶强度，再根据象素点序和方向线段OF[15]比较确定插补点序，并以最邻近象素点灰阶强度平均值补为该点的灰阶强度，由大容量存贮器提取和插补点的灰阶强度为一个方向上的灰阶强度，所有各帧的这方向线段的灰阶强度被帧间隔时间展开成该方向的M型心动图，各结构、各方向线段形成同步的多列的全方向M型心动图的重建。
这种方法实际是在序列图像中重建出按人定任意方向的灰度(轮廓、边界)～时间波形，所以这样方法可同样适用于医学其他动态序列图像(不一定是超声图像)，同样可以形成基于轮廓的灰阶强度～时间波形，从而获得人体内部脏器结构的运动信息和有关参数。
权利要求
1．全方向M型心动图方法，其特征在于实现全方向M型心动图方法为(1)先保证实时地对心脏B超或称为超声心动图的序列图像进行采集并实时顺序地传输并存贮到大容量存贮器内；(2)当重建全方向M型心动图时，通过一个软件操作模块[58]，完成了回放存贮在大容量存贮器的图像平面上任一确定的方向线段轨迹相遇或最邻近的一个个象素点坐标位置对应大容量存贮器的一个个地址及其相应单元内容的转换，这单元内容即是对应象素点的灰阶强度，并补上因任意方向相对象素点排列坐标轴偏离[15]而需要的最邻近平均插补点的灰阶强度，形成了完整的方向线段上的灰阶强度点集，在这段时间内序列图像所有帧的这方向线段上灰阶强度点集，被帧间隔时间拉开成一列对应该确定方向的灰阶强度～时间波形图，不同结构的所有各方向线段，这样的灰阶强度集就形成代表各方向的多列同步的灰阶强度～时间波形图，即全方向M型心动图。
2．根据权利要求1所述的全方向M型心动图方法，其特征在于全方向M型心动图的重建，它具有一个操作软件[58]实现向存储着心脏B超序列数字图像的大容量存储器[38]有选择地提取相关地址单元的内容，这种选择按全方向M型心动图重建流程图进行，它在通过鼠标确定手动或自动选向选择后得到的方向线段被修改最后确定后，由鼠标操作函数[56]自动将该方向线段相遇最邻近象素点坐标集提取出来，并转换为大容量存贮器[38]的存贮地址，以致得到他们相应单元内容，即象素点的灰阶强度，再根据象素点序和方向线段OF[15]比较确定插补点序，并以最邻近象素点灰阶强度平均值补为该点的灰阶强度，由大容量存贮器提取和增补点的灰阶强度为一个方向上的灰阶强度集，所有各帧的这方向线段的灰阶强度被帧间隔时间展开成该方向的M型心动图，各结构、各方向线段形成了同步的多列的全方向M型心动图的重建。
3．一种用于权利要求1或2所述的全方向M型心动图方法的系统，其特征在于它具有输入设备[20]，它将序列图像的视频模拟信息连接到插在微机系统[35]PCI总线的扩充槽上的PCI高速图像采集卡[24]的输入端1或2，被该卡的多路开关选择一路滤波后由A/D变换采集、变换为数字图像信息通过该卡插在PCI扩充槽连接到PCI总线[40]，实时地传输到大容量存储器[38]，如果不采集图像数据通过微机的VGA卡接到微机显示器显示这时图像；采集期间可通过输入设备和监示器相连来监示采集的图像。
全文摘要
本发明公开了全方向M型心动图方法及其系统,它是将心脏B超序列图像实时采集并存入大容量存储机构内,而后提取出任意轴向的灰阶强度～时间关系波形。从而重建出心脏B超所能反映心脏内运动结构序列图像的任意部位变化的几何尺寸(含变形)和运动信息。这是有统一标准的运动信息数据而且可以各方向互相比较;这是只在心脏B超图像上目视目测所得不到的科学信息。
文档编号G06T3/00GK1225256SQ9812571
公开日1999年8月11日 申请日期1998年12月10日 优先权日1998年12月10日
发明者林强 申请人:福州大学