專利名稱：測量心室壁微面積功的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量心室壁微面積功的方法，特別是一種基于電影MRI技術(shù)與 介入傳感器技術(shù)相結(jié)合的測量心室壁微面積功的方法。
背景技術(shù)：
心臟是最重要的運(yùn)動器官，心臟的健康與否直接關(guān)系到生物體的存活狀態(tài)。目前 臨床上檢驗心臟狀態(tài)的"金指標(biāo)"就是檢驗心肌的收縮能力和動力特征。
心肌的微觀運(yùn)動發(fā)生改變也是早期發(fā)現(xiàn)和跟蹤心臟病發(fā)生發(fā)展過程的重要指標(biāo)， 大量的動物實驗證明心肌只要存在缺血，心肌的運(yùn)動狀態(tài)就會改變，導(dǎo)致心臟工作不 正常。
不同的心肌工作狀態(tài)在臨床上的治療原則是不同的。目前如何準(zhǔn)確探測其值沒有 一個固定的參考指標(biāo)。當(dāng)今研究的主要方面是關(guān)于心臟能量轉(zhuǎn)化的測量和心電信號、 多普勒超聲、CT、 MRI、生物糖、酶、激素等生物電和生物化學(xué)等方面。因此利用 本課題的方法可以從微觀動力學(xué)的觀點對心臟進(jìn)行綜合評價，再找到一條心臟病預(yù)警 診斷的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷提供一種檢測心室壁微面積功的方 法。本發(fā)明采用了電影MRI技術(shù)與介入傳感器技術(shù)相結(jié)合的方法，來測量心室壁微 面積的功，從微觀的角度來分析心臟的工作狀態(tài)以及檢測心臟異常的工作狀態(tài)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種測量心室壁微面積功的方法，采用電影MRI技術(shù)與介入傳感器技術(shù)相結(jié)合 來測量心室壁微面積功；具體操作步驟如下
(1) 傳感器介入麻醉劑肌肉注射加靜脈點滴法進(jìn)行麻醉，麻醉后接心電肢體導(dǎo) 聯(lián)監(jiān)測心電并做記錄；在數(shù)字減影血管造影機(jī)的導(dǎo)引下將傳感器放置于右心 房、右心室、肺動脈、左心室、左心房；
(2) 傳感器數(shù)據(jù)采集通過放置在測量點內(nèi)置式傳感器(1)采集信號經(jīng)傳輸導(dǎo)線 引出體外的電量變接電路(2)和數(shù)據(jù)采集電路(3)后由數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn) 行數(shù)據(jù)分析；
(3) 獲取"壓力波-心電-電影MRI"三同步數(shù)據(jù)；(4)心室壁微面積功的分析。
上述的步驟(4)中的心室壁微面積功的分析中操作步驟是
(1) 圖像分割心臟圖像的獲得采用電影Tagging MRI圖像；心臟的圖像分割采 用人工分割或程序自動分割；
(2) 運(yùn)動分析具體步驟為
① 標(biāo)記的檢測與跟蹤；
② 左心室的分析；
③ 心肌物質(zhì)標(biāo)記點的提取；
左心室的三維運(yùn)動重建及分析；
(3) 功的分析計算出各面元在時刻t所做出的功，得到心室壁各點的"功地圖"。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本
發(fā)明提供一種全新的檢測心臟工作狀態(tài)的方法，采用了電影MRI技術(shù)和介入傳感器 技術(shù)相結(jié)合的方法，來測量心室壁微面積功，從微觀的角度來分析心臟的工作狀態(tài)及 檢測心臟異常工作狀態(tài)，從而能找到一條心臟病預(yù)警診斷的新方法。


圖1是介入傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是心臟上心肌點位移示意圖。 圖3是心室微元體線變形和角變形坐標(biāo)圖。 圖4是一男性35歲的左心室容積變化曲線片段圖。 圖5是面積元坐標(biāo)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下
本測量心室微面積功的方法，采用電影MRI技術(shù)與介入傳感器技術(shù)相結(jié)合來測
量心室壁微面積功，具體操作步驟如下-
1、傳感器介入
麻醉劑采用氯胺酮肌肉注射加靜脈點滴法，試驗表明，氯胺酮起效快，鎮(zhèn)痛效果 好，術(shù)后蘇醒效快。手術(shù)中可起到安全、有效的麻醉作用。與其它的麻醉藥品相比， 對心臟的心率、血壓影響相似。麻醉后接心電肢體導(dǎo)聯(lián)監(jiān)測心電并做記錄，將動脈、
靜脈造影劑注入血管，然后切開下肢大隱靜脈，在數(shù)字減影血管造影機(jī)(DSA)的導(dǎo)
引下經(jīng)股靜脈、骼靜脈、下腔靜脈、可分別將傳感器放置于右心房、右心室和肺動脈:左心傳感器介入術(shù)，可由股動脈、經(jīng)骼動脈、主動脈弓、升主動脈至左心室、左心房； 也可由右心房穿刺心房間隔直接進(jìn)入左心房和左心室。比較手術(shù)前后的心電圖，選取 無差別者作為試驗對象。
2、 傳感器數(shù)據(jù)采集
介入傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。
通過介入手術(shù)將內(nèi)置式傳感器(1)放置在測量點，傳輸導(dǎo)線由身體內(nèi)部引出與 體外的電量變換電路(2)、數(shù)據(jù)采集電路(3)相連，由數(shù)據(jù)處理器(4)用數(shù)據(jù)分析 軟件LabView進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
內(nèi)置式傳感器由具有壓阻效應(yīng)的單晶硅材料和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶 硅材料在受到力的作用后，其電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到與力比例變化 的電信號輸出。這種傳感器具有頻率響應(yīng)高(適于動態(tài)測量)、體積小(適于微型化)、 精度高、靈敏高以及可靠性高等優(yōu)點，是生物醫(yī)學(xué)理想的力傳感器。
傳感器封裝外殼的作用非常重要，既要保證管芯的正常工作，又要與血液直接接 觸，并且還不能干擾MRI否則會造成成像偽影，否則將會影響圖像質(zhì)量，給后面的 圖像分析帶來困難。外殼一定要采用非磁性材料構(gòu)成，實驗表明金屬材料中金、銀、 純鈦因其導(dǎo)磁率低在磁共振成像中無偽影，組織成像不受干擾，還可以使用非金屬材 料如醫(yī)用Teflon或塑膠等。
由于傳感器要通過較長的傳輸導(dǎo)線和體外的電路系統(tǒng)相連，為解決人體生物電干 擾問題以及提高信號的信噪比，將圖1中內(nèi)置式傳感器和電量變換電路一起構(gòu)成環(huán)形 振蕩器，其振蕩頻率僅與內(nèi)置式傳感器的電阻變化相關(guān)，實現(xiàn)"血壓一電阻一頻率" 的轉(zhuǎn)換，即"壓/頻"變換，解決了人體生物電的干擾、增大了信噪比。
圖1中的數(shù)據(jù)采集電路實際上是一個頻率測量電路，通過對頻率的定標(biāo)可以直接 得到被測點的實際血壓數(shù)值， 一個簡單的單片機(jī)電路就可以實現(xiàn)20-40K的數(shù)據(jù)采樣率。
LabView是美國NI公司的可視化數(shù)字信號分析軟件，可以提供信號的多種常規(guī) 和復(fù)雜的可視分析工具，如濾波、頻譜、功率譜，小波或非線性變換等等。
3、 數(shù)據(jù)信號的同步技術(shù)
試驗的關(guān)鍵是獲得相位一致的心臟泵血壓力波信號和電影MRI圖像數(shù)據(jù)，即獲 得"壓力波一心電一電影MRI"的3同步數(shù)據(jù)。同時為保證試驗數(shù)據(jù)的科學(xué)性，傳感 器和介入手術(shù)必須滿i3:SS的要求l、生物相容2、動物相容3、 MRI相容。根據(jù)條件要求采用如下兩個方案分時同步和實時同步。
"分時同步"指將上面的3同步分解為兩兩分時同步。即首先通過傳感器，在心
臟搏動的同時利用LabView記錄和采集心血管中的壓力波和心電波，實現(xiàn)"壓力波一
心電"第1次同步的數(shù)據(jù)采集，獲得采集點的壓力信號與心電信號同步的數(shù)據(jù)。然后
取出傳感器，利用心電相位重聚和觸發(fā)實現(xiàn)心電信號與MRI電影幀的同步采集，即 實現(xiàn)"心電一電影MRI"的第2次同步。這種方案的特點是①可以充分利用壓力傳感 器、MRI圖像采集的精度和采樣率；②可以獲得多測試點的同步數(shù)據(jù)；③傳感器的 介入不會對MRI圖像產(chǎn)生影響。
另一種是"實時同步"方案，即首先通過介入手術(shù)將壓力傳感器等放置在心腔中， 連接LabView數(shù)據(jù)采集器；連接八導(dǎo)聯(lián)心電圖測試儀，將其輸出信號與MRI接通， 實現(xiàn)MRI心電門控的信號輸入；也將心電輸出信號與LabView相連；通過心電觸發(fā) 使圖像、血流/血壓數(shù)據(jù)同時實時采集；采用這種方案可以實現(xiàn)"壓力一心電一圖像" 的完全實時同步，相位準(zhǔn)確。
在實際的實驗時，將上面的兩種方式聯(lián)合使用，充分發(fā)揮分時同步和實時同步的
優(yōu)勢，全面準(zhǔn)確地獲得實驗數(shù)據(jù)。
4、心室壁微面積功的分析
功是物體所受的力與運(yùn)動位移的乘積。通過介入式傳感器可以直接測量出力的大
小，而微面積元的運(yùn)動情況可以從圖像的運(yùn)動分析中獲得。為了獲得準(zhǔn)確的MRI圖
像在靜脈或動脈血管中加入顯影劑，使得心室的圖像更清晰和完整。對圖像運(yùn)動的分
析主要有兩方面的技術(shù)感興趣區(qū)域的分割和運(yùn)動分析。
①圖像分割
心臟圖像的獲得采用電影Tagged MRI圖像。在心臟圖像采集上采用了一種稱作 空間調(diào)制磁化的tagging技術(shù)，它利用具有介入磁場梯度的非選擇性輻射頻率脈沖使 生物組織多層面上的信號與成像平面正交。在心臟MRI中，磁模式是一組平面(tagging 平面，標(biāo)記平面)，在舒張末期加到心臟上去，MRI成像一般是在與標(biāo)記平面正交的 平面上，該平面為影像平面。由于所得到的圖像是2維的，因此MRI標(biāo)記方法只能 跟蹤成像平面中的運(yùn)動。在對MRI圖像做分割的時候，感興趣的目標(biāo)不僅包括心肌 的內(nèi)部和外部邊界的輪廓，而且還包括標(biāo)記線。得到的tagged MRI影像是具有規(guī)整 平行或網(wǎng)格黑色條紋，這些條紋對應(yīng)tagging平面，即為標(biāo)記線。在心臟搏動過程中， 這些網(wǎng)格標(biāo)記線隨著心肌的運(yùn)動而產(chǎn)生位移，為研究提供了心肌運(yùn)動的圖像信息。為了能夠更為準(zhǔn)確地得到心臟的全面的信息，在研究過程中(以左心室為例)通 常在長軸LA、短軸SA兩個方向上對左心室成像。相對于帶標(biāo)記線的核磁共振圖像 而言，為了反映左心室3D運(yùn)動的情況，需要3組標(biāo)記面來標(biāo)定心肌的運(yùn)動。在垂直 于短軸平面的方向上采用了兩組相互垂直的標(biāo)記平面來表示心肌在平行于短軸平面 上的運(yùn)動，通過垂直于長軸平面且平行于短軸平面的一組標(biāo)記面來反映心肌的過短軸 平面的運(yùn)動。
關(guān)于心臟的圖像分割可以有人工或程序自動的許多種方法。在基礎(chǔ)研究中采用人 工分割的方法是十分準(zhǔn)確和有效的， 一套連續(xù)電影MRI圖像約有40-70幀。 一位有 經(jīng)驗的醫(yī)生只要20-30分鐘就可以利用電腦圖像工具對一套MRI圖像分割完畢，其 精度和準(zhǔn)確率都能夠達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。
②運(yùn)動分析
基于帶標(biāo)記線的核磁共振圖像的左心室運(yùn)動分析，首先要知道標(biāo)記線的位置與它 所反映的運(yùn)動信息，其次要能夠得到左心室的3D形狀，主要包括如下步驟
1) 標(biāo)記的檢測與跟蹤標(biāo)記作為心肌運(yùn)動的主要參照物，它的運(yùn)動能夠反應(yīng)心 肌在成像平面中的運(yùn)動，對標(biāo)記線的跟蹤得到心肌點的二維運(yùn)動，是對左心室進(jìn)行 3D運(yùn)動重建和分析的基礎(chǔ)。
2) 左心室的分割分割左心室的內(nèi)外輪廓，重建左心室3D形狀，左心室的3D 表面信息能夠?qū)\(yùn)動分析提供邊界限制，同時為重建得到的3D運(yùn)動場以及各種分析 結(jié)果提供載體。
3) 心肌物質(zhì)標(biāo)記點的提取由于垂直于短軸平面的兩組標(biāo)記平面與垂直于長軸 平面的標(biāo)記面是同時產(chǎn)生并隨心肌運(yùn)動的，因此三組平面的交點(物質(zhì)標(biāo)記點)能夠 準(zhǔn)確且密集地反映心肌的3D運(yùn)動。
4) 左心室的三維運(yùn)動重建及分析最主要的目標(biāo)是能夠定量的對左心室的形變 進(jìn)行分析。現(xiàn)有的左心室運(yùn)動重建及分析模型主要包括B樣條模型、有限元分析模 型及可形變模型，此外還有光流分析、生物力學(xué)方法以及HARP等方法。
應(yīng)變張量是彈性力學(xué)中的概念，能夠包括形變的全部信息，因此被廣泛應(yīng)用于描 述彈性塑性體的形變。心臟可以看作是彈性體的運(yùn)動。 心臟上心肌點的其位移如圖2，可以表示為<formula>formula see original document page 8</formula> (1) 引入對稱張量廠和反對稱張量O后，可以表達(dá)為
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中w為與D相對應(yīng)的軸矢量。雖然心肌表面上各點受力情況不同，但在微面
積的范圍內(nèi)受力可以認(rèn)為是連續(xù)的。如果微面積為A4，其上的作用力為z!P，則當(dāng)A4
為無限小時有o"-lim二。 cr被稱為應(yīng)力。應(yīng)力可以分解為沿微表面法線方向的分
量和沿切線方向分量2個部分。前者稱為正應(yīng)力，后者稱為剪應(yīng)力。對一個空間微六 面體來說，在它的每個面上都存在著3個應(yīng)力分量 一個正應(yīng)力和兩個剪應(yīng)力。在六
面體上的應(yīng)力共有9個3個正應(yīng)力和6個剪應(yīng)力。對于正應(yīng)力，微元體各邊會伸長 或縮短，稱為線變形;對于剪應(yīng)力，微元體的各相對面相互錯動而引起微元直角的改 變，稱為角變形，如圖3所示。
點P(x,y)及其附所的兩個點^(;c+血,力和S(x,;; +辦)在外界因素影響下坐標(biāo)變化
如下
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
(3)式中^ =^的幾何意義為X方向上微線元的相對伸長，同理<formula>formula see original document page 8</formula>
分別是y、 z方向上微線元的相對伸長。
設(shè)r表示點P變?yōu)椤返奈灰剖笍?，可以得到Green應(yīng)變張量 G-廠+ i(Vw).(wV) (4) 其中r為Cauchy應(yīng)變張量。
在非線性大變形時，需要考慮Green應(yīng)變張量，它的各分量為(5)g =t + ;[(:)2+(t) +(7)] fix; 2 fix ftc Sx^ 5v 1 r/3w、2 ,5v、2 ,3份、2，2g33+ ]改2 改 改 改^ 1 5v、 1 5w 5v 9v d S 、 g23 =—(——+ —) — (--+--+--)^ 13w、 1 5v 5v ■ 3< 、g31 = —(— + —) —(--+--+--)2 &Sx; 2 & Sac & & 3x八 1 9v、 1 3w 5v 9v 3w 5 、 g12 =—(— + —)—(--+--+--)關(guān)于心室容積的計算方法是(以左心室內(nèi)膜容積為例)使用B樣條曲面SO,v)(we[l，iV],ve[l,M]"擬合左心室內(nèi)膜，其中參數(shù)"平行于SA平面，v方向垂直 于SA平面指向左心室基部；考慮樣條曲面上的一個曲面片l面片節(jié)點分別為 A,,+u,f，設(shè)內(nèi)膜基部的中心點為Os ,可通過對曲線S(w,M)O e[1，iV])計 算均值得到，則容積的計算公式為-+ c/W(S盧8, , S;J+1))其中dot(), cross()分別表示向量的點乘和叉乘運(yùn)算，即用多個四面體體積之和來近似 曲面的容積。對心臟電影MRI圖像運(yùn)用上面的模式識別處理獲得心動周期中左心室容積變化 曲線。該曲線因人而異，圖4是某35歲男性的左心室容積變化曲線片段，可以看出 在心跳周期的中段有一個明顯的等容過程，提示在該過程中由心肌產(chǎn)生了對血液較強(qiáng) 的壓力，并通過血液傳遞到血管壁上，血管產(chǎn)生相應(yīng)的形變。該曲線還告訴我們，血 液的瞬時流量血壓和左心室容積的變化，不是線性關(guān)系，要想準(zhǔn)確地獲得它們之間的 關(guān)系，就應(yīng)當(dāng)將介入式血流參數(shù)測量和電影Tagged MRI圖像結(jié)合起來。◎功的分析血漿在心腔中的運(yùn)動符合泊肅葉定律，單位時間內(nèi)血液的流量g與管道兩端的 壓力差尸2 -《以及管道半徑r的4次方成正比，與管道的長度￡成反比g = 4(P2—S) (7) K為常數(shù)，它與血液的粘度Ti有關(guān)(粘度、密度等參數(shù)可以通過實驗前的生化實1 W—l M戶i i=i(6)驗獲得)，因此泊肅葉定律又可寫為4如果將流阻表示為i =^，則(7)式就可以寫為 P —P式(9)具有與歐姆定律相同的概念。血流的平均功率尸=2^是由心臟對血流 的擠壓產(chǎn)生的，心腔內(nèi)部各面元對平均功率的貢獻(xiàn)是不同的。在時刻,某面元面積為dU,壓強(qiáng)為f (o ，對血液施加的力為《0) = a.o)cH 。其中面積元d4,可表示為(圖5所示)<formula>formula see original document page 10</formula>由于心腔內(nèi)表面的運(yùn)動距離^是不同的，各面元在時刻f所做出的功為—=^ = a (0d4-dy (11) 關(guān)于微面元受力的情況比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在心動周期中各時刻力的大小和方向都在變化。按照牛頓第二定律，力和位移都是矢量，而功是標(biāo)量，所以對心動周期r 積分就可以得到在一個周期中的總功。同時各面元所作的功能夠用等位圖形表達(dá)出 來。即將"球形"心臟利用圓錐或圓柱的地圖投影技術(shù)表達(dá)在二維平面上，再用通俗易 懂的地圖等高線或偽彩色技術(shù)表示等力線和等功線，并按照心臟的跳動動態(tài)顯示，得 到心室壁各點的"功地圖"。通過對心室壁"功地圖"的研究，我們就可以得到多種病理或生理條件下心臟 的動力特性、實際心肌應(yīng)變張量、功率曲線與心臟疾病之間的關(guān)系，針對異常的"功 地圖"進(jìn)行疾病的預(yù)測并做出相關(guān)的治療。
權(quán)利要求
1. 一種測量心室壁微面積功的方法，采用電影MRI技術(shù)與介入傳感器技術(shù)相結(jié)合來測量心室壁微面積功；具體操作步驟如下a)傳感器介入麻醉劑肌肉注射加靜脈點滴法進(jìn)行麻醉，麻醉后接心電肢體導(dǎo)聯(lián)監(jiān)測心電并做記錄；在數(shù)字減影血管造影機(jī)的導(dǎo)引下將傳感器放置于右心房、右心室、肺動脈、左心室、左心房；b)傳感器數(shù)據(jù)采集通過放置在測量點內(nèi)置式傳感器(1)采集信號經(jīng)傳輸導(dǎo)線引出體外的電量變接電路(2)和數(shù)據(jù)采集電路(3)后由數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；c)獲取“壓力波-心電-電影MRI”三同步數(shù)據(jù)；d)心室壁微面積功的分析。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量心室壁微面積功的方法，其特征在于所述的步驟(4) 中的心室壁微面積功的分析中操作步驟是a) 圖像分割心臟圖像的獲得采用電影Tagging MRI圖像；心臟的圖像分割采 用人工分割或程序自動分割；b) 運(yùn)動分析具體步驟為 i. 標(biāo)記的檢測與跟蹤；ii. 左心室的分析；iii. 心肌物質(zhì)標(biāo)記點的提??；iv. 左心室的三維運(yùn)動重建及分析；c) .功的分析計算出各面元在時刻t所做出的功，得到心室壁各點的"功地圖"。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量心室壁微面積功的方法。它是采用電影MRI技術(shù)和介入傳感器技術(shù)相結(jié)合來測量心室壁微面積功，具體操作步驟為(1)傳感器介入，設(shè)置于右心房、右心室、肺動脈、左心室和左心房；(2)傳感器數(shù)據(jù)采集；(3)獲取“壓力波-心電-電影MRI”三同步數(shù)據(jù)；(4)心室壁微面積功分析。應(yīng)用本發(fā)明的方法測量心室壁微面積功，從微觀的角度分析心臟的工作狀態(tài)，并檢測心臟異常的工作狀態(tài)，從而為心臟病預(yù)警診斷提供一個新方法。
文檔編號A61B5/055GK101278828SQ20081003769
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者馮運(yùn)亮, 孫峰杰, 羅珍茜, 雷 薛 申請人:上海大學(xué)