相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年5月6日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.61/989,214的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該申請(qǐng)以其整體通過(guò)引用合并于此。

本公開(kāi)總體涉及圖像處理，以便理解、診斷以及改善對(duì)疾病的現(xiàn)有的和發(fā)展的新的治療。更具體地，本公開(kāi)涉及根據(jù)源自心動(dòng)周期內(nèi)的醫(yī)療圖像數(shù)據(jù)集(諸如計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct)和磁共振成像(mri)數(shù)據(jù)集)對(duì)心肌壁動(dòng)力學(xué)進(jìn)行的定性分析和定量分析。

背景技術(shù)：

影像被用作診斷工具以及實(shí)驗(yàn)性工具來(lái)研究人類和其他動(dòng)物的解剖學(xué)和生理學(xué)。它也用來(lái)指導(dǎo)諸如癌癥的一些疾病的靶向治療。各種醫(yī)療成像技術(shù)包括x射線、超聲波、正電子發(fā)射斷層掃描(pet)、磁共振成像(mri)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct)。

通過(guò)這些醫(yī)療成像技術(shù)獲得的數(shù)字圖像被處理以獲得解剖學(xué)和生理學(xué)信息。一種這樣的處理被稱為應(yīng)變分析，其中在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)醫(yī)療圖像進(jìn)行分析，以計(jì)算組織或器官在給定方向上的形變量，例如，心臟應(yīng)變分析。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了若干種技術(shù)以執(zhí)行心臟應(yīng)變分析。例如，定性和定量心臟應(yīng)變分析使用超聲波心動(dòng)圖(echocardiography)(例如，組織多普勒成像(tdi)和斑點(diǎn)追蹤)和mri(例如，2d標(biāo)記-mri、編碼有模擬回聲的位移(dense)、應(yīng)變編碼(senc)和2d解剖學(xué)電影mri圖像集(特征追蹤))來(lái)完成。

存在很多與利用上述方法的應(yīng)變計(jì)算相關(guān)聯(lián)的困難。雖然超聲波心動(dòng)圖由于出色的時(shí)間分辨率(～10ms)而知名，但是與mri相比，它遭受不良的圖像質(zhì)量和對(duì)所有心臟結(jié)構(gòu)的有限進(jìn)入。然而，由于時(shí)間分辨率在分析心肌壁動(dòng)力學(xué)中的重要性，超聲波心動(dòng)圖已被廣泛地用于心肌的應(yīng)變分析。

rf標(biāo)記的電影mri圖像也由于出色的圖像質(zhì)量和可視化心肌組織移動(dòng)(標(biāo)記)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格的能力而被使用。然而，這種技術(shù)在一段時(shí)間內(nèi)隨著rf標(biāo)簽的淡化而受到影響。因此，在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)標(biāo)簽的追蹤和量化變得困難，從而導(dǎo)致不良的時(shí)間分辨率。另外，圖像獲取和定量后處理消耗顯著的時(shí)間量。因此，這種技術(shù)沒(méi)有被用于常規(guī)的臨床診斷中，而是主要用于研究目的。

近來(lái)，使用2d解剖電影mri的技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)，其采用斑點(diǎn)追蹤的超聲波心動(dòng)圖技術(shù)。與追蹤斑點(diǎn)的移動(dòng)相反，這些方法都使用心肌的區(qū)域特征，并且因此被稱為特征追蹤(例如，tomtec^tm)。二維電影mri技術(shù)涉及使用心內(nèi)膜和心外膜邊界來(lái)劃分心肌的區(qū)域以及推導(dǎo)在心動(dòng)周期內(nèi)的應(yīng)變值。但是，心肌中特征的缺乏以及心肌的貫穿平面運(yùn)動(dòng)使得該方法不那么準(zhǔn)確。因?yàn)樾募≈械娜魏吸c(diǎn)在正常的心動(dòng)周期中貫穿3個(gè)維度移動(dòng)，并且在心動(dòng)周期期間在圖像平面中心肌的不同部分是可見(jiàn)的，因此難以在靜態(tài)短軸(sax)或長(zhǎng)軸(lax)切片中得到高水平的精確度。

因此，仍然需要一種改進(jìn)的方法來(lái)計(jì)算和可視化真正的心肌壁動(dòng)力學(xué)和相關(guān)聯(lián)的值。

呈現(xiàn)上述信息作為背景信息只是為了幫助理解本公開(kāi)。沒(méi)有關(guān)于任何上述內(nèi)容是否可以適用于作為關(guān)于本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行確定或者進(jìn)行斷言。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供一種使用心肌的模型和電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定心肌的特性的方法，該方法包括：定義心肌的2d模型；通過(guò)使該2d模型擬合到電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定該2d模型；限定心肌的3d模型；基于來(lái)自確定的2d模型的數(shù)據(jù)來(lái)確定該3d模型；以及對(duì)3d模型執(zhí)行后處理，以確定心肌特性。

在各種實(shí)施例中，心肌特性可以包括組織特性、心肌動(dòng)力學(xué)或心肌應(yīng)變。

在實(shí)施例中，確定心肌特性包括識(shí)別組織特性。該組織特性可以包括，例如但不限于，纖維化或水腫。組織特性可以是急性或慢性狀態(tài)(例如急性或慢性纖維化)。

在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括呈現(xiàn)心肌的3d模型的顯示，該3d模型包括關(guān)于該3d模型的應(yīng)變信息的顯示。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)變信息的顯示包括在3d模型上的各個(gè)位置處的應(yīng)變幅度的圖形化顯示。

在各種實(shí)施例中，來(lái)自確定的2d模型的數(shù)據(jù)包括被追蹤的心內(nèi)膜和心外膜邊界，或者來(lái)自確定的二維模型的數(shù)據(jù)包括切片中的2d位移。

在一些實(shí)施例中，確定該2d模型包括：識(shí)別電影數(shù)據(jù)集的參考幀中的心外膜和心內(nèi)膜輪廓；識(shí)別該參考幀中的采樣點(diǎn)；追蹤通過(guò)電影數(shù)據(jù)集的每一幀的采樣點(diǎn)；以及基于被追蹤的節(jié)點(diǎn)確定2d模型。

在一些實(shí)施例中，識(shí)別采樣點(diǎn)包括：基于被識(shí)別的參考幀的輪廓識(shí)別心外膜點(diǎn)(epi-point)、心內(nèi)膜點(diǎn)(endo-point)以及中間點(diǎn)；并且其中追蹤通過(guò)每一幀的采樣點(diǎn)包括：對(duì)于電影數(shù)據(jù)集中的每一幀：識(shí)別該幀中對(duì)應(yīng)于之前幀的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)的點(diǎn)；將中間點(diǎn)從之前幀轉(zhuǎn)移到該幀；以及在空間上平移被轉(zhuǎn)移的中間點(diǎn)，以改善在該幀中被識(shí)別的點(diǎn)與之前幀中對(duì)應(yīng)的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)之間的匹配。

在一些實(shí)施例中，確定3d模型包括：定義表面來(lái)表示心肌壁參考幀；通過(guò)從定義的表面中選擇一組控制節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)；選擇電影數(shù)據(jù)集的參考幀中的一組心肌點(diǎn)用作3d采樣點(diǎn)；對(duì)于每個(gè)2d采樣點(diǎn)，從確定的2d模型中獲得一組2d位移；定義用于測(cè)量該組2d位移與由3d模型給出的3d位移的一組2d投影之間的總距離的距離函數(shù)；基于該距離函數(shù)和3d模型的位移場(chǎng)的平滑性定義成本函數(shù)；以及通過(guò)最小化該成本函數(shù)來(lái)確定該3d模型的系數(shù)。

在一些實(shí)施例中，確定該3d模型包括：定義表面來(lái)表示在參考幀處的心肌壁；通過(guò)從定義的表面中選擇一組控制節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)；使用來(lái)自電影數(shù)據(jù)集的心內(nèi)膜和心外膜輪廓定義標(biāo)準(zhǔn)表面，對(duì)于電影數(shù)據(jù)集中的每一幀，通過(guò)投影到先前幀的幀節(jié)點(diǎn)并使用該投影作為被追蹤的節(jié)點(diǎn)的估計(jì)來(lái)產(chǎn)生該被追蹤的節(jié)點(diǎn)的估計(jì)；定義成本函數(shù)來(lái)測(cè)量追蹤的節(jié)點(diǎn)和該被追蹤的節(jié)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)表面上的徑向投影之間的距離；以及通過(guò)最小化成本函數(shù)來(lái)確定該3d模型的系數(shù)。

在另一方面，本公開(kāi)提供了使用心肌的2d模型和電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定心肌的特性的方法。該方法包括：識(shí)別電影數(shù)據(jù)集的參考幀的心外膜和心內(nèi)膜輪廓；識(shí)別該參考幀中的采樣點(diǎn)；追蹤通過(guò)電影數(shù)據(jù)集的每一幀的采樣點(diǎn)；以及對(duì)3d模型執(zhí)行后處理，以確定心肌特性。

在各種實(shí)施例中，心肌特性包括心肌應(yīng)變。

在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括呈現(xiàn)心肌的2d模型的顯示，該2d模型包括關(guān)于2d模型的應(yīng)變信息的顯示。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)變信息的顯示包括在3d模型上的應(yīng)變幅度的圖形化顯示。

在各種實(shí)施例中，識(shí)別采樣點(diǎn)包括：基于參考幀的被識(shí)別的輪廓識(shí)別心外膜點(diǎn)、心內(nèi)膜點(diǎn)和中間點(diǎn)。此外，追蹤通過(guò)每一幀的采樣點(diǎn)可以包括：對(duì)于電影數(shù)據(jù)組中的每一幀：識(shí)別該幀中對(duì)應(yīng)于先前幀的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)的點(diǎn)；將中間點(diǎn)從先前幀轉(zhuǎn)移到該幀；以及在空間上平移被轉(zhuǎn)移的中間點(diǎn)，以改善該幀中被識(shí)別的點(diǎn)與先前幀的對(duì)應(yīng)的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)之間的匹配。

在另一方面，本發(fā)明提供包含用于執(zhí)行任一上述方法的語(yǔ)句和指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

在另一方面，本公開(kāi)提供了使用心肌的模型和電影數(shù)據(jù)集確定心肌的特性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：顯示器、輸入裝置；以及處理器。該處理器被配置為并適用于：定義心肌的2d模型；通過(guò)使2d模型擬合到電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定該2d模型；定義心肌的3d模型；基于來(lái)自確定的2d模型的數(shù)據(jù)確定3d模型；以及對(duì)3d模型執(zhí)行進(jìn)行后處理以確定心肌特性。

在各種實(shí)施例中，心肌特性可以包括組織特性、心肌動(dòng)力學(xué)或心肌應(yīng)變。

在實(shí)施例中，確定心肌特性包括識(shí)別組織特性。該組織特性可以包括，例如但不限于，纖維化或水腫。該組織特性可以是急性或慢性狀態(tài)(例如急性或慢性纖維化)。

在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括呈現(xiàn)心肌的3d模型的顯示，該3d模型包括3d模型的應(yīng)變信息的顯示。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)變信息的顯示包括在3d模型上的各個(gè)位置處的應(yīng)變幅度的圖形化顯示。

在各種實(shí)施例中，來(lái)自確定的2d模型的數(shù)據(jù)包括被追蹤的心內(nèi)膜和心外膜邊界，或者來(lái)自確定的2d模型的數(shù)據(jù)包括切片中的2d位移。

在一些實(shí)施例中，確定2d模型包括：識(shí)別電影數(shù)據(jù)集的參考幀中的心外膜和心內(nèi)膜輪廓；識(shí)別該參考幀中的采樣點(diǎn)；追蹤通過(guò)電影數(shù)據(jù)集的每一幀的采樣點(diǎn)；以及基于所追蹤的節(jié)點(diǎn)確定2d模型。

在一些實(shí)施例中，識(shí)別采樣點(diǎn)包括：基于參考幀的被識(shí)別的輪廓識(shí)別心外膜點(diǎn)、心內(nèi)膜點(diǎn)和中間點(diǎn)；并且其中追蹤通過(guò)每一幀的采樣點(diǎn)包括：對(duì)于電影數(shù)據(jù)集中的每一幀：識(shí)別該幀中對(duì)應(yīng)于先前幀的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)的點(diǎn)；將中間點(diǎn)從先前幀轉(zhuǎn)移到該幀；以及在空間上平移被轉(zhuǎn)移的中間點(diǎn)，以改善該幀中被識(shí)別的點(diǎn)與先前幀的對(duì)應(yīng)的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)之間的匹配。

在一些實(shí)施例中，確定3d模型包括：定義表面來(lái)表示心肌壁參考幀；通過(guò)從定義的表面中選擇一組控制節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)；選擇電影數(shù)據(jù)集的參考幀中的一組心肌點(diǎn)用作3d采樣點(diǎn)；對(duì)于每個(gè)2d采樣點(diǎn)，從確定的2d模型中獲得一組2d位移；定義用于測(cè)量該組2d位移與由3d模型給出的3d位移的一組2d投影之間的總距離的距離函數(shù)；基于該距離函數(shù)和3d模型的位移場(chǎng)的平滑性定義成本函數(shù)；以及通過(guò)最小化該成本函數(shù)來(lái)確定該3d模型的系數(shù)。

在一些實(shí)施例中，確定該3d模型包括：定義表面來(lái)表示在參考幀處的心肌壁；通過(guò)從定義的表面中選擇一組控制節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)；使用來(lái)自電影數(shù)據(jù)集的心內(nèi)膜和心外膜輪廓定義標(biāo)準(zhǔn)表面；對(duì)于電影數(shù)據(jù)集中的每一幀，通過(guò)投影到先前幀的幀節(jié)點(diǎn)上并使用該投影作為被追蹤的節(jié)點(diǎn)的估計(jì)來(lái)產(chǎn)生該被追蹤的節(jié)點(diǎn)的估計(jì)；定義成本函數(shù)來(lái)測(cè)量被追蹤的節(jié)點(diǎn)與該被追蹤的節(jié)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)表面上的徑向投影之間的距離；以及通過(guò)最小化成本函數(shù)來(lái)確定該3d模型的系數(shù)。

在另一方面，本公開(kāi)提供了使用心肌的2d模型和電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定心肌的特性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：顯示器、輸入裝置；以及處理器。該處理器被配置并適用于：識(shí)別電影數(shù)據(jù)集的參考幀的心外膜和心內(nèi)膜輪廓；識(shí)別該參考幀中的采樣點(diǎn)；追蹤通過(guò)電影數(shù)據(jù)集的每一幀的采樣點(diǎn)；以及對(duì)3d模型執(zhí)行后處理，以確定心肌特性。

在各種實(shí)施例中，心肌特性包括心肌應(yīng)變。

在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括呈現(xiàn)心肌的2d模型的顯示，該2d模型包括關(guān)于2d模型的應(yīng)變信息的顯示。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)變信息的顯示包括：在3d模型上的應(yīng)變幅度的圖形化顯示。

在各種實(shí)施例中，識(shí)別采樣點(diǎn)包括：基于參考幀的被識(shí)別的輪廓識(shí)別心外膜點(diǎn)、心內(nèi)膜點(diǎn)和中間點(diǎn)。此外，追蹤通過(guò)每一幀的采樣點(diǎn)可以包括：對(duì)于電影數(shù)據(jù)集中的每一幀：識(shí)別該幀中對(duì)應(yīng)于先前幀的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)的點(diǎn)；將中間點(diǎn)從先前幀轉(zhuǎn)移到該幀；以及在空間上平移被轉(zhuǎn)移的中間點(diǎn)，以改善該幀中被識(shí)別的點(diǎn)與先前幀的對(duì)應(yīng)的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)之間的匹配。

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了使用心肌的3d模型確定心肌壁動(dòng)力學(xué)和組織特性的方法。該方法包括從多個(gè)sax和lax切片中產(chǎn)生心外膜表面和心內(nèi)膜表面；識(shí)別心外膜和心內(nèi)膜表面上的或者在參考幀中的心肌內(nèi)的在這些表面之間的節(jié)點(diǎn)；定義一組系數(shù)，每個(gè)系數(shù)與階段中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)位置相關(guān)聯(lián)；確定系數(shù)并且以此方式確定該模型；在應(yīng)變值和位移方面確定心肌壁動(dòng)力學(xué)。

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了使用心肌的3d模型確定心肌壁動(dòng)力學(xué)和組織特性的系統(tǒng)。

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種有形的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上記錄有步驟和指令，當(dāng)該步驟和指令由處理器執(zhí)行時(shí)使計(jì)算機(jī)執(zhí)行使用心肌的3d模型來(lái)確定心肌壁動(dòng)力學(xué)和組織特性的方法。

盡管由于3個(gè)空間維度而使用術(shù)語(yǔ)3d模型，但是該模型可以被稱為4d模型以考慮時(shí)間維度。

在結(jié)合附圖查閱下列具體實(shí)施例的描述后，本發(fā)明的其它方面和特征對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得明顯。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考附圖僅僅通過(guò)示例來(lái)描述本公開(kāi)的實(shí)施例。

圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的系統(tǒng)；

圖2示出了短軸(sax)電影mri序列的五個(gè)切片和十個(gè)階段的部分采樣；

圖3示出了采樣電影mri序列的4室(4ch)、3室(3ch)和2室(2ch)視圖以及對(duì)應(yīng)的sax參考切片的示例；

圖4示出了來(lái)自電影mri序列的sax切片的采樣及其在2ch視圖中在lax參考切片中的對(duì)應(yīng)位置；

圖5是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的用于基于心肌的模型確定心臟參數(shù)的方法的流程圖；

圖6是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的基于心肌的2d模型確定心臟參數(shù)的方法的流程圖；

圖7示出了處于末期心臟舒張階段并且具有根據(jù)本公開(kāi)的方面所識(shí)別的心內(nèi)膜和心外膜輪廓以及位于中間曲線周圍的中間節(jié)點(diǎn)的sax切片；

圖8示出了處于末期心臟收縮階段并且具有根據(jù)本公開(kāi)的方面所識(shí)別的心內(nèi)膜和心外膜點(diǎn)以及位于中間曲線周圍的中間節(jié)點(diǎn)的sax片；

圖9是使用醫(yī)療程式捕獲的心臟腔室的圖像的圖示；

圖10是示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的用于基于心肌的3d模型來(lái)確定心臟參數(shù)的方法的流程圖；

圖11是示出用于根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的用于基于心肌的3d模型確定心臟參數(shù)的方法的流程圖；

圖12示出了說(shuō)明各種3d應(yīng)變方向的左心室(lv)的示例模型；

圖13示出了從與圖7中所示的切片類似的sax切片中獲得的周向應(yīng)變映射；

圖14圖示了顯示在總的心肌切片(整體的心肌)的時(shí)間內(nèi)的平均周向應(yīng)變的圖形；

圖15圖示了顯示在心肌切片的外和內(nèi)邊界區(qū)域的時(shí)間內(nèi)的平均周向應(yīng)變的圖形；

圖16圖示了在切片的感興趣的區(qū)域(或區(qū)段)的時(shí)間內(nèi)的平均周向應(yīng)變以及顯示該感興趣的區(qū)域的位置的對(duì)應(yīng)的lax和sax幀；以及

圖17圖示了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的顯示器的截屏。

具體實(shí)施方式

總體上，本公開(kāi)描述用于圖像處理以便理解、診斷以及改善對(duì)疾病的現(xiàn)有的和發(fā)展的新的治療的方法和系統(tǒng)。更具體地，本公開(kāi)描述用于對(duì)源自心動(dòng)周期內(nèi)的心肌壁動(dòng)力學(xué)醫(yī)療圖像數(shù)據(jù)集(例如2d電影數(shù)據(jù)集)(諸如ct和mri數(shù)據(jù)集)進(jìn)行定性和定量分析的方法和系統(tǒng)。

本公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以用于許多診斷和治療領(lǐng)域。例如，本公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以幫助處于亞臨床狀態(tài)(或當(dāng)患者尚未被診斷為患有特定疾病或病癥的臨床前狀態(tài))以及處于急性和慢性缺血兩者的心肌供血不足的早期檢測(cè)。由于所有的功能參數(shù)看起來(lái)是正常的，諸如正常的射血分?jǐn)?shù)(即，在心動(dòng)周期期間被泵出左心室(lv)的血液體積的部分)，因此患者通常不會(huì)治療。然而，在現(xiàn)實(shí)中，該患者可能處于疾病的初期階段。因此，當(dāng)其他臨床上被接受的方法指示正常狀態(tài)時(shí)，心肌壁動(dòng)力學(xué)的正確評(píng)估可以潛在地在臨床上識(shí)別患有疾病或病情發(fā)展的患者。

另一潛在的臨床/診斷用途是在心臟收縮后lv的填充率受損的情況下心臟舒張功能障礙的檢測(cè)和定量?；颊呖赡芫哂姓５纳溲?jǐn)?shù)以及末期心臟舒張(ed)和末期心臟收縮(es)體積，但患者處于患病狀態(tài)。

在治療或者更具體地在介入性或電生理學(xué)手術(shù)規(guī)劃的情況下，無(wú)論是心肌壁動(dòng)力學(xué)還是疤痕組織配準(zhǔn)(scartissueregistration)對(duì)于治療的最終成功都是重要的。

例如，考慮被稱為心臟再同步治療(crt)的電生理學(xué)手術(shù)。crt包括植入心臟再同步裝置，該裝置通過(guò)發(fā)送微小的電脈沖到心肌來(lái)再同步心臟心室的收縮，以幫助心臟以更有效的方式泵送血液貫穿整個(gè)身體。crt除顫器(crt-d)還包含可植入心血管除顫器的附加功能，以迅速終止異常快速的、危及生命的心律。對(duì)于患有中度和重度心臟衰竭的患者來(lái)說(shuō)，crt和crt-d已經(jīng)成為日益重要的治療選擇。通常，該手術(shù)包括在心臟中安置三條引線，一條在右心房(ra)，一條在右心室(rv)(通常在頂端)，并且一條在lv的心外膜表面。然而，crt植入不是非常成功的，并且僅在大約66％的情況下對(duì)患者顯示成效。

crt故障的潛在原因中的一個(gè)已經(jīng)被歸因于心肌中的疤痕組織。疤痕組織(取決于它的異質(zhì)性)通過(guò)阻斷信號(hào)或嚴(yán)重減慢信號(hào)傳播通過(guò)組織來(lái)改變脈沖的電動(dòng)力學(xué)。因此，不能實(shí)現(xiàn)心臟力學(xué)的正確同步。在crt手術(shù)期間，具有很高的概率可能將引線安置在疤痕組織的區(qū)域中，從而導(dǎo)致裝置的正常運(yùn)作出現(xiàn)潛在問(wèn)題。盡管若干電生理學(xué)家(ep)認(rèn)為，在當(dāng)前的crt手術(shù)期間使用的電-解剖標(biāo)測(cè)(electro-anatomical)清楚地顯示疤痕組織的區(qū)域，但是標(biāo)測(cè)是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，并且不總是正確顯示感興趣的區(qū)域。

當(dāng)在裝置植入手術(shù)期間識(shí)別在lv中放置引線的位置時(shí)，相比于機(jī)械標(biāo)測(cè)，ep歷來(lái)密切關(guān)注電標(biāo)測(cè)。在crt裝置植入中放置lv引線的機(jī)械延遲信息的使用常常被忽視，因?yàn)楫?dāng)不確定甚至ep可以使引線到達(dá)該區(qū)域時(shí)需要額外的成像研究。同樣，ep往往受到冠狀靜脈解剖的限制。因此，已經(jīng)被顯示為是用于引線放置的最佳區(qū)域的最終的機(jī)械延遲區(qū)域不總是可達(dá)到的。

由khanfz等人于2012年4月24日在jamcollcardiol；59(17):1509-18中的名為“targatedleftventricularleadplacementtoguidegardiacresynchronisationtharepy:thetargetstudy:arandomised,controlledtrial”的一項(xiàng)英國(guó)研究中提供了對(duì)多種不同的區(qū)域的洞察以解決這些裝置植入手術(shù)中的低功效速率。使用斑點(diǎn)追蹤(一種超聲波心動(dòng)技術(shù))來(lái)分析機(jī)械功能，以測(cè)量應(yīng)變和不同步。在執(zhí)行成像過(guò)程后，用于引線放置優(yōu)化的區(qū)域被識(shí)別并被分類為三個(gè)主區(qū)域：一致區(qū)域、相鄰區(qū)域和邊遠(yuǎn)區(qū)域。

一致的引線放置處于可經(jīng)由冠狀靜脈解剖進(jìn)入的區(qū)域中。相鄰的引線放置處于遠(yuǎn)離最佳區(qū)域一個(gè)區(qū)段的區(qū)域中。邊遠(yuǎn)引線放置處于距離最佳區(qū)域≥2個(gè)區(qū)段的區(qū)域中。經(jīng)表明，一致的引線放置具有比其他兩種高得多的響應(yīng)速率。

因此，需要使用crt識(shí)別用于有效響應(yīng)的心肌中的最終機(jī)械延遲的區(qū)域。

近來(lái)，已經(jīng)在用于范圍從起搏器到crt-d裝置的電生理學(xué)裝置的無(wú)引線電極領(lǐng)域中取得進(jìn)展。這些無(wú)引線電極可以放置在心內(nèi)膜上并且不再需要冠狀靜脈路徑來(lái)植入。因此，如果最終機(jī)械延遲的區(qū)域可以以更高的概率來(lái)識(shí)別，則無(wú)引線電極可以以更高的精度被植入并且因此改善crt的成功率。為了識(shí)別感興趣的區(qū)域，心肌壁動(dòng)力學(xué)和組織特性是特別有價(jià)值的標(biāo)志物。

目前，心肌壁動(dòng)力學(xué)分析方法使用超聲波心動(dòng)圖，這是由于其高的時(shí)間分辨率。然而，如先前所描述的，由于潛在的不良圖像質(zhì)量，基于超聲波心動(dòng)圖的分析并不是理想地適合于心肌壁動(dòng)力學(xué)的正確評(píng)估。心臟mri(cmr)標(biāo)記成像已經(jīng)獲得流行，這是因?yàn)橛脕?lái)推導(dǎo)分段化的應(yīng)變數(shù)據(jù)的cmr的更高的空間分辨率。然而，cmr標(biāo)記成像在臨床環(huán)境不實(shí)用。根據(jù)所使用的編碼類型，使用這些序列掃描向程序增加了不必要的時(shí)間。

在mri的最新發(fā)展中，現(xiàn)在已經(jīng)提供借助新的序列或階段(每心動(dòng)周期的圖像的數(shù)目，例如，90個(gè)階段或90張圖像)來(lái)獲得數(shù)據(jù)集的能力。這些發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致獲得在水平上與超聲波心動(dòng)圖獲得的時(shí)間分辨率類似的更高的時(shí)間分辨率，然而維持高的圖像質(zhì)量。

本公開(kāi)描述了使用2d解剖圖像集(例如，在sax和lax取向上的解剖電影圖像集)來(lái)計(jì)算并且可視化心肌壁動(dòng)力學(xué)的方法和系統(tǒng)。此外，本公開(kāi)描述了用于來(lái)自其他mri或ct圖像數(shù)據(jù)集的組織特定參數(shù)的形變的配準(zhǔn)(registration)和內(nèi)插的方法和系統(tǒng)。

圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面的系統(tǒng)100。該系統(tǒng)包括處理器102和可操作地連接到處理器102的存儲(chǔ)器104。處理器102被配置為從圖像采集系統(tǒng)106(例如，mri圖像采集系統(tǒng)、ct圖像采集系統(tǒng)或一些其他醫(yī)療成像程式)接收?qǐng)D像序列。處理器102還被配置為執(zhí)行本公開(kāi)的方法并且在終端108的顯示器110上顯示所產(chǎn)生的結(jié)果。另外，處理器102被配置為經(jīng)由鍵盤(pán)或諸如鼠標(biāo)、觸控板、觸摸屏、平板電腦等的其它適合的輸入設(shè)備接收來(lái)自終端108的用戶輸入。

本文描述的方法可以用來(lái)從心臟中的任何腔室(包括左心房和右心房以及右心室和左心室)推導(dǎo)心肌壁動(dòng)力學(xué)。為了便于說(shuō)明，該方法在lv的解剖電影圖像序列的背景中進(jìn)行描述。這決不是對(duì)將該方法應(yīng)用到其他圖像集和/或心臟的其它腔室的限制。

在一個(gè)示例實(shí)施例中，lv的sax和lax圖像被用來(lái)組合圖像集以形成4d模型(空間上的3維與時(shí)間)，從而可視化并在所有方向上量化應(yīng)變值。

通常，該方法使用來(lái)自cmr或心臟ct(cct)研究的任何數(shù)量的解剖電影序列來(lái)配準(zhǔn)2d電影序列，以形成3d模型。例如，可以使用任何數(shù)量的sax和lax電影切片來(lái)形成3d可形變模型。配準(zhǔn)可以在解剖電影序列內(nèi)在心動(dòng)周期的任何階段發(fā)生。當(dāng)電影序列在多個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)被采集時(shí)，該方法使用配準(zhǔn)的3d模型中的2d數(shù)據(jù)來(lái)生成或定義4d模型。心肌動(dòng)力學(xué)值然后被計(jì)算以校正2d圖像的貫穿平面運(yùn)動(dòng)，并提供心肌動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的更精確的表示。

4d多參數(shù)模型然后可以被用來(lái)識(shí)別機(jī)械延遲、心肌機(jī)能不全和不同步的區(qū)域，以及感興趣的類型的組織(例如，疤痕組織、水腫或其他組織)的空間位置。從t1，t2或t2*中推導(dǎo)的附加參數(shù)映射也可以被用于組織表征。

此外，該方法可以被用來(lái)利用來(lái)自其他mr或ct采集(其通常僅在一個(gè)階段被采集)的組織特性并且基于該模型的心肌壁動(dòng)力學(xué)將它們內(nèi)插到整個(gè)心動(dòng)周期中。結(jié)果，可以在所采集的序列內(nèi)的任何階段獲得組織特性形變的更好的近似。

圖2示出了包括五個(gè)切片和十個(gè)階段的電影mri序列的采樣。切片的數(shù)目和階段的數(shù)目通常依賴于掃描協(xié)議(依賴于獲取序列的儀器)。切片的數(shù)目依賴于切片間隙，并且階段的數(shù)目依賴于在心動(dòng)周期期間圖像被采集時(shí)的時(shí)間點(diǎn)的數(shù)目。心動(dòng)周期從舒張到收縮并回到舒張來(lái)測(cè)量。

圖3示出了采樣電影mri序列的4腔室(4ch)302、3腔室(3ch)304以及2腔室(2ch)306視圖的示例，在這種情況下，4個(gè)階段和對(duì)應(yīng)的sax參考切片(322，324和226)。本公開(kāi)的方法可以處理從這些視圖中的任何視圖獲得的任何數(shù)量的切片，以確定心肌壁動(dòng)力學(xué)和組織特征。

圖4顯示了多個(gè)sax片及其在采樣電影mri序列的2ch視圖中在lax參考切片中的位置。具體地，為了說(shuō)明的目的，3個(gè)sax片(402，404和406)被示出；然而，應(yīng)當(dāng)注意，電影mri序列通常將包括數(shù)量大得多的切片。圖像412、414和416是相同的lax參考圖像(2ch視圖)的實(shí)例。該lax參考圖像中的線示出了sax圖像在lax切片中所在的位置。因此，lax參考圖像的每個(gè)實(shí)例突出對(duì)應(yīng)于sax切片中的一個(gè)的特定線。具體地，線422對(duì)應(yīng)于sax切片402，線424對(duì)應(yīng)于sax切片404，并且線426對(duì)應(yīng)于sax切片406。

圖5是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面用于基于心肌的模型來(lái)確定心臟參數(shù)的方法的流程圖。該方法可以通過(guò)由諸如處理器(例如圖1的系統(tǒng)100的處理器102)執(zhí)行的軟件來(lái)實(shí)施。用于實(shí)施這種方法的軟件的編碼在考慮本描述的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。該方法可以包含附加的過(guò)程或者比示出和/或描述的過(guò)程更少的過(guò)程，并且可以以不同的順序來(lái)執(zhí)行?？捎芍辽僖粋€(gè)控制器或處理器(諸如例如處理器102或不同的處理器)執(zhí)行以完成本方法的計(jì)算機(jī)可讀代碼可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

根據(jù)本公開(kāi)的方面，該方法可以包括心肌的2d模型和3d模型。盡管該模型基于其空間上的維度被稱為2d和3d。然而，也存在時(shí)間維度，因此該模型可以被稱為具有附加的維度。

該方法包括定義心肌(502)的2d數(shù)學(xué)模型。該模型可以是心肌的一部分，諸如對(duì)應(yīng)于lv的心肌。2d模型然后被確定(504)。例如，在實(shí)施例中，通過(guò)將該模型擬合到2d電影數(shù)據(jù)集來(lái)確定該模型。這是如何進(jìn)行的詳細(xì)的示例將在下面更詳細(xì)地討論。

一旦2d模型被確定，該方法可以包括，進(jìn)行后處理以便確定可能感興趣的心肌的各種特性(506)。可替代地，該方法可以包括生成并使用3d模型，以確定心肌特征(508，510和512)。

該方法可以包括定義心肌(的一部分)的3d數(shù)學(xué)模型(508)。例如，該模型可能是lv的模型。在實(shí)施例中，假設(shè)心肌形變完全由從心肌壁(例如，當(dāng)lv被建模時(shí)為lv壁)中選擇的一組心肌點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))的形變來(lái)確定。從參考幀到當(dāng)前幀的位移場(chǎng)被建模為的徑向基函數(shù)的線性組合，每個(gè)由系數(shù)來(lái)加權(quán)。在實(shí)施例中，每個(gè)系數(shù)與當(dāng)前幀中的節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)聯(lián)(一對(duì)一對(duì)應(yīng))。在參考幀中，所有的系數(shù)均為零。

然后通過(guò)將3d模型擬合到2d結(jié)果來(lái)確定該模型(510)。確定該模型意味著確定每個(gè)幀中的節(jié)點(diǎn)的位置。

然后進(jìn)行后處理以便確定可能感興趣的心肌的各種特性(512)。這可以包括確定諸如心臟應(yīng)變和位移的心肌參數(shù)以及其他信息。

該方法還可以包括基于模型和所確定的參數(shù)(例如，應(yīng)變參數(shù))來(lái)顯示信息。具體地，該顯示可以包括模型的可視化(以2維和3維)與顯示的應(yīng)變特性以及圖形或圖表。該信息可以證明對(duì)醫(yī)療界(例如，心臟病專家或其他臨床醫(yī)生)或研究人員是有用的。具體地，顯示3d模型和包含的信息(例如，應(yīng)變信息)允許人員看到心肌上的應(yīng)變的物理位置，通常對(duì)于研究目的或其他目的，這可以證明在診斷疾病或心肌的結(jié)構(gòu)不規(guī)律性上是有用的。這種顯示的示例在圖17以及本發(fā)明的其它附圖中提供。

3d模型(以及2d模型)準(zhǔn)確模擬心肌的組織特性，并且因此允許人們預(yù)測(cè)某一時(shí)間內(nèi)(例如，在心動(dòng)周期內(nèi))該組織的行為。該模擬的行為(和組織特性)可以與“正?！被颉邦A(yù)期”行為和組織特征(例如，健康心臟的行為和特性)相比，并且由此可以被用來(lái)識(shí)別心肌中的異?；虿±怼＿@可以包括，但不限于，識(shí)別纖維化或水腫或其他狀況的區(qū)域，它們是急性的還是慢性的。因此，在一些實(shí)施例中，方法包括將從任一模型(無(wú)論是2d模型或3d模型)獲得的數(shù)據(jù)與“正?！被颉邦A(yù)期”數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且基于這兩者之間的差異識(shí)別關(guān)心的區(qū)域(例如，諸如纖維化的組織特性)。

在示例實(shí)施例中，針對(duì)序列中的每個(gè)階段或幀(針對(duì)整個(gè)心動(dòng)周期)計(jì)算與節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的該一組系數(shù)。一旦該節(jié)點(diǎn)被確定(根據(jù)它們的系數(shù))，心肌的動(dòng)力學(xué)就可以被確定，即，心肌的時(shí)間上的3d模型(或4d模型)被獲得。根據(jù)4d模型，初始點(diǎn)在任何時(shí)間的位置、心肌的應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)和其他參數(shù)可以被確定。

應(yīng)變(％)、應(yīng)變速度(％/t)、位移(mm)，速度(mm/t)、扭轉(zhuǎn)(deg/cm)、扭轉(zhuǎn)速度(deg/cm/t)以及這些值的最小、最大和平均值可以根據(jù)上述方法來(lái)確定。此外，對(duì)于周向、徑向和縱向方向中的每個(gè)方向，峰值應(yīng)變、到峰值應(yīng)變的時(shí)間、峰值收縮應(yīng)變速率、峰值舒張應(yīng)變率、峰值位移和峰值速度也可以被確定。

在示例實(shí)施例中，一組連接點(diǎn)可以被用來(lái)代替?zhèn)€別心內(nèi)膜點(diǎn)和點(diǎn)。該一組連接點(diǎn)可以在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)在各種圖像幀上被追蹤。

在示例實(shí)施例中，連接點(diǎn)(或心內(nèi)膜/心外膜表面上的任何點(diǎn))的追蹤可以被用來(lái)可視化在心動(dòng)周期期間心臟的形變。在示例實(shí)施例中，該點(diǎn)可以用使用單位球面的鑲嵌(tessellation)來(lái)連接，該單位球面的鑲嵌使用三角形(也可以使用其它的形狀)并且將這些三角形的頂點(diǎn)投影到參照幀的心內(nèi)膜/心外膜表面。此外，追蹤這些三角形鑲嵌表面的頂點(diǎn)也可以針對(duì)每個(gè)階段來(lái)獲得。鑲嵌也可被用來(lái)通過(guò)將所追蹤的鑲嵌心內(nèi)膜/心外膜表面與圖像平面相交而在所有圖像上生成或定義心內(nèi)膜/心外膜輪廓。在3d模型中生成或定義的心內(nèi)膜/心外膜輪廓可以隨后由用戶進(jìn)行驗(yàn)證。

在示例實(shí)施例中，ed或es中的心肌和心肌腔室體積可以使用心外膜和心內(nèi)膜體積來(lái)確定，即，被確定為因?yàn)檫@兩個(gè)體積之間的差。此外，相關(guān)聯(lián)的射血分?jǐn)?shù)(ef)、質(zhì)量和行程體積(sv)也可以被自動(dòng)地確定。

本發(fā)明的方法還允許用戶交互。如果在一個(gè)階段中2d追蹤失敗(例如，由于貫穿放置運(yùn)動(dòng))，則用戶可以手動(dòng)地識(shí)別輪廓，然后該輪廓可以被用于配準(zhǔn)步驟。例如，2d追蹤失敗的階段的節(jié)點(diǎn)可以被調(diào)整，使得所映射的點(diǎn)最佳匹配手動(dòng)輪廓。這一階段的3d結(jié)果然后可以相應(yīng)地更新。

基于計(jì)算的應(yīng)變和位移值及其導(dǎo)函數(shù)，相對(duì)感興趣的區(qū)域現(xiàn)在可以被自動(dòng)計(jì)算和映射。如在crt的先前示例中一樣，上述值允許最終機(jī)械延遲的區(qū)域的計(jì)算和可視化。與其他mri或ct序列組合(例如，被采集用于組織特征的可視化和量化)，可以生成感興趣的心肌區(qū)域的完整模型，從而示出在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)在空間位置中的機(jī)械延遲/不同步和關(guān)鍵組織特性。在組織特性的信息僅針對(duì)一個(gè)時(shí)間幀可用的情況下，心肌位移可以被用針來(lái)對(duì)整個(gè)心動(dòng)周期可視化內(nèi)插感興趣的體積(例如，疤痕組織)的形變。

心肌模型

本文公開(kāi)的一些實(shí)施例涉及用于生成3d心肌模型的方法和系統(tǒng)。如本公開(kāi)的其它部分所提到的，3d模型可以是心臟的腔室諸如lv的模型。在實(shí)施例中，該方法包括將心臟的一部分的壁的不可壓縮和可形變模型擬合到心動(dòng)周期內(nèi)的各個(gè)圖像切片(包括但不限于，短軸切片、長(zhǎng)軸切片和任意取向的切片的任何組合)，并且然后再生幾乎不可壓縮的3d位移場(chǎng)。心臟的該部分可以是，例如但不限于該心臟的一個(gè)腔室，諸如左心室。使用不可壓縮模型是因?yàn)樾募〗M織是幾乎不可壓縮的。

在實(shí)施例中，該方法兩個(gè)主要步驟：

1.生成2d可形變模型作為bistoquet,a.、oshinski,j.、skrinjar,o.于2007年9月在“l(fā)eftventriculardeformationrecoveryformcinemriusinganincompressiblemodel”描述的3d不可壓縮和可形變模型的2d版本，其全部并入于此。使用圖像特征追蹤確定該模型。

2.生成3d可形變模型并確定其使用上述2d追蹤結(jié)果。

2d模型

首先參考2d模型。在實(shí)施例中，使用從特征追蹤獲得的數(shù)據(jù)將2d模型生成或定義為2d可形變模型，其作為如bistoquet描述的3d不可壓縮和可形變模型的2d版本，并且該模型適合圖像序列的每一幀。

在實(shí)施例中，2d模型的生成基于下列假設(shè)：即模型的形變由該模型的中間曲線的形變來(lái)確定。在lv壁切片的情況下，中間曲線是穿過(guò)lv壁的中部的曲線；在短軸切片的情況下，中間曲線閉合曲線，并且在長(zhǎng)軸片的情況下，中間曲線是開(kāi)放曲線。中間曲線由被內(nèi)插以定義節(jié)點(diǎn)之間的曲線的節(jié)點(diǎn)表示。

讓m(u)＝(x(u),y(u))表示參考幀中的中間曲線。該曲線在參數(shù)方面使用u作為參數(shù)。讓表示在點(diǎn)m(u)處垂直于中間曲線的單位向量。讓?duì)帽硎驹诜较?imgfile="gda0001289997620000132.gif"wi="106"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>上與點(diǎn)m(u)的距離。因此，點(diǎn)可以用一對(duì)數(shù)字(u,γ)來(lái)定義示，該一對(duì)數(shù)字被稱為曲線坐標(biāo)，即，其位置是

讓m(u)＝(x(u),y(u))表示對(duì)應(yīng)于參考幀中的點(diǎn)m(u)的當(dāng)前幀中的中間曲線點(diǎn)(注意，這兩個(gè)具有相同的參數(shù)u)。[注：小寫(xiě)符號(hào)指代參考幀而大寫(xiě)符號(hào)指代當(dāng)前幀]。對(duì)應(yīng)于參考幀中的點(diǎn)r(u,γ)的當(dāng)前幀中的點(diǎn)由下式給出

其中，是在點(diǎn)m(u)處垂直于中間曲線的單位矢量，并且γ(u,γ)是點(diǎn)r(u,γ)到中間曲線的距離。距離γ(u,γ)被確定為使得從參考幀到當(dāng)前幀的映射(其將點(diǎn)r(u,γ)映射成點(diǎn)r(u,γ))是不可壓縮的。在2d情況下，這意味著映射是區(qū)域保留(areapreserving)，即

da＝da(3)

其中，da為對(duì)應(yīng)于u和γ的無(wú)窮小變化的參考幀中的點(diǎn)r(u,γ)處的無(wú)窮小區(qū)域，并且da是在當(dāng)前幀中的對(duì)應(yīng)區(qū)域。由于

并且

關(guān)系式(1)-(4)導(dǎo)致γ的以下公式：

總之，變換由參考幀中的中間曲線m(u)和當(dāng)前配置中的對(duì)應(yīng)的中間曲線m(u)定義。為了將來(lái)自參考幀的點(diǎn)映射到當(dāng)前幀，第一步是獲得其在參考配置中的曲線坐標(biāo)(u,γ)(基于公式(1))，然后求解公式5中的γ(u,γ)，并且最后使用公式(2)獲得該點(diǎn)在當(dāng)前幀中的位置。

在實(shí)施例中，確定該模型意味著尋找每一幀中的中間節(jié)點(diǎn)的位置。

可形變模型擬合

一旦lv壁中在參照幀中被劃分，它的邊界就是已知的，并且人們可以中間曲線并且在中間曲線上分配節(jié)點(diǎn)。為了將該模型擬合到任何其他(當(dāng)前)幀，中間曲線節(jié)點(diǎn)需要在當(dāng)前幀中被移動(dòng)直到參考幀和當(dāng)前幀之間的對(duì)應(yīng)的(根據(jù)模型映射)圖像信息匹配。在解剖電影心臟mr圖像切片中的lv壁通常不具有可以被用來(lái)確定壁內(nèi)的形變的清晰和可靠的圖像特征(這就是為什么已經(jīng)開(kāi)發(fā)標(biāo)記的mri)；而它看上去像具有接近恒定的圖像強(qiáng)度的相對(duì)同質(zhì)的區(qū)域。lv壁的唯一可靠的圖像特征是它們的邊界。

出于該原因，該方法首先通過(guò)特征追蹤確定當(dāng)前幀中的lv壁邊界，并且然后使模型形變(即，移動(dòng)當(dāng)前幀中的節(jié)點(diǎn))來(lái)擬合該邊界。

特征追蹤程序：

為了最小化移動(dòng)出平面的影響，特征追蹤從先前幀(而不是參考幀)到當(dāng)前幀來(lái)完成。

來(lái)自先前幀的邊界被復(fù)制到當(dāng)前幀上。

對(duì)于先前幀和當(dāng)前幀中的每個(gè)邊界點(diǎn)，以給定的邊界點(diǎn)為中心定義小矩形窗口，其中側(cè)邊處于垂直和切線方向。

該窗口在當(dāng)前幀中的圖像上沿垂直方向滑動(dòng)(在先前幀中保持固定)，并且在這樣做時(shí)，來(lái)自當(dāng)前幀和先前幀的被存儲(chǔ)在窗口中的圖像信息被用來(lái)生成平方位移(msd)分布(profile)。如果宣告分布的最小值，則該最小值定義當(dāng)前幀中的邊界點(diǎn)。如果不是，則該點(diǎn)此刻被丟棄。

根據(jù)msd分布的最小值計(jì)算出的當(dāng)前幀中的邊界點(diǎn)用作被用來(lái)確定其他未確定的邊界點(diǎn)的錨定點(diǎn)(anchorpoint)。

即，不能從msd分布中確定的邊界點(diǎn)是通過(guò)使用兩個(gè)相鄰的錨定點(diǎn)內(nèi)插在橢圓上來(lái)確定的。

在利用ft確定當(dāng)前幀中的邊界后，下一步是要尋找這樣的節(jié)點(diǎn)：在仍然產(chǎn)生平滑變換的同時(shí)，來(lái)自參考幀中的映射邊界盡可能接近地匹配利用ft確定的邊界。這是通過(guò)在當(dāng)前幀中尋找中間節(jié)點(diǎn)曲線位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其最小化：

在上述公式中，n為邊界點(diǎn)的數(shù)量，和是通過(guò)映射并且相應(yīng)地通過(guò)特征追蹤計(jì)算的當(dāng)前幀中的i邊界點(diǎn)，λ是用于控制兩個(gè)項(xiàng)的相對(duì)貢獻(xiàn)的權(quán)重，er是在每個(gè)邊界點(diǎn)處評(píng)估的徑向應(yīng)變并且ec是在每個(gè)邊界點(diǎn)處評(píng)估的交叉徑向應(yīng)變(兩者均在“心肌應(yīng)變計(jì)算”部分中定義)。在上述等式中的第一項(xiàng)測(cè)量映射的邊界和特征追蹤的邊界之間的失配，而第二項(xiàng)測(cè)量變換的平滑性。

使用powell的方法的變型來(lái)執(zhí)行優(yōu)化，其被公開(kāi)在w.,flanneryb.,teukolsky,s.,和vetterling,w于1992年在w.出版社出版的numericalrecipesinc:theartofscientificcomputing的第二版中，其全部合并于此。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在正和負(fù)垂直(垂直于中間曲線)方向上移動(dòng)，并在正和負(fù)相切(相切于中間曲線)方向上移動(dòng)，并且最小化cost節(jié)點(diǎn)位置被保持。該節(jié)點(diǎn)在垂直/相切方向上移動(dòng)的距離由參數(shù)德?tīng)査?delta)來(lái)指定。節(jié)點(diǎn)被一次又一次地移動(dòng)直至cost不能再減少。然后垂直和相切德?tīng)査幌麥p一半，并且重復(fù)該優(yōu)化直到cost不能再減少。然后垂直相切德?tīng)査辉俅蜗麥p一半，并且重復(fù)該優(yōu)化。德?tīng)査牟煌捣Q為縮放級(jí)別(或細(xì)化級(jí)別)?？s放級(jí)別的數(shù)量由參數(shù)控制。

合并前向和后向形變恢復(fù)：

該模型被逐幀地?cái)M合，從參考幀開(kāi)始并持續(xù)直到最后一幀。在此過(guò)程中，擬合誤差累積，并且因此該模型更精確地適合于來(lái)自圖像序列的開(kāi)始的幀然后到來(lái)自圖像序列的末尾的幀。然而，由于lv壁運(yùn)動(dòng)是周期性的，因此該方法也在后向方向上擬合該模型：從參考(第一)幀開(kāi)始，該模型被擬合到最后一幀，然后擬合到倒數(shù)第二幀，以此類推直到第二幀。最后，該前向和后向形變恢復(fù)被組合以獲得具有比單獨(dú)的前向形變恢復(fù)或單獨(dú)的后向形變恢復(fù)中的任一者更好的精度的形變恢復(fù)。

圖6是根據(jù)本公開(kāi)的方面的用于基于心肌的2d模型確定心臟參數(shù)的方法的流程圖。該方法可以通過(guò)由諸如處理器(例如圖1的系統(tǒng)100的處理器102)執(zhí)行的軟件來(lái)實(shí)施。用于實(shí)施這種方法的軟件的編碼在考慮本描述的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。該方法可以包含附加的過(guò)程或者比示出和/或描述的過(guò)程更少的過(guò)程，并且可以以不同的順序來(lái)執(zhí)行。可由至少一個(gè)控制器或處理器(諸如例如處理器102或不同的處理器)執(zhí)行以完成本方法的計(jì)算機(jī)可讀代碼可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，如在bistoquet中，心動(dòng)周期的(幀的)ed階段被用作參考幀。一旦心外膜和心內(nèi)膜輪廓被確定(602)，就在這些輪廓上選擇一組點(diǎn)(待追蹤)并且定義中間曲線(604)。幀的配準(zhǔn)在整個(gè)心動(dòng)周期中被逐階段(或逐幀)地反復(fù)進(jìn)行。當(dāng)前幀與先前幀(或參考幀)的配準(zhǔn)可以在兩個(gè)步驟中來(lái)完成：特征追蹤步驟和映射步驟。

在特征追蹤步驟中，來(lái)自先前幀的外曲線和內(nèi)曲線(心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn))的特性點(diǎn)在當(dāng)前幀鐘被識(shí)別(特征追蹤點(diǎn))(606)。在圖7中，外和心內(nèi)膜點(diǎn)被顯示為沿著心外膜和心內(nèi)膜輪廓的點(diǎn)。在圖8中，使用連接到心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)的線來(lái)顯示(在圖8中看上去像條紋)這些點(diǎn)的空間位移。

在映射步驟中，來(lái)自先前幀(或參考幀)的中間節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)移到當(dāng)前幀并且在空間上被平移(608)。對(duì)于每個(gè)空間平移，節(jié)點(diǎn)的空間配置定義來(lái)自參考幀的心內(nèi)膜點(diǎn)和心外膜點(diǎn)到當(dāng)前幀的映射(映射點(diǎn))。

針對(duì)其得到特征追蹤點(diǎn)和映射點(diǎn)之間的最佳匹配的節(jié)點(diǎn)配置定義當(dāng)前幀中的節(jié)點(diǎn)。因此，來(lái)自先前幀(或參考幀)的心外膜點(diǎn)和心內(nèi)膜點(diǎn)使用最佳匹配節(jié)點(diǎn)來(lái)映射到當(dāng)前幀，以完成當(dāng)前幀的配準(zhǔn)(610)。

在配準(zhǔn)步驟(即特征追蹤和映射步驟的組合)中使用的約束是心肌幾乎是不可壓縮的，并且局部區(qū)域被保留，即，用于切片的心肌區(qū)域(例如，心外膜和心內(nèi)膜輪廓之間的區(qū)域)在整個(gè)心動(dòng)周期中被保留。換言之，在圖8所示的周向區(qū)域在心動(dòng)周期的所有階段基本上保持恒定。

特征追蹤和映射步驟(即，幀配準(zhǔn)過(guò)程)針對(duì)(整個(gè)心動(dòng)周期的)序列中的每個(gè)階段或幀被重復(fù)以得到中間節(jié)點(diǎn)。在示例實(shí)施例中，配準(zhǔn)的迭代過(guò)程以前向和后向方向進(jìn)行，并且最終節(jié)點(diǎn)通過(guò)組合這兩個(gè)過(guò)程的節(jié)點(diǎn)結(jié)果來(lái)得到(612)。一旦確定最終節(jié)點(diǎn)，就可以計(jì)算各種動(dòng)力學(xué)量(614)，例如，心臟應(yīng)變等。對(duì)于sax周向方向，應(yīng)變(％)、應(yīng)變速度(％/t)、位移(mm)，速度(mm/t)、扭轉(zhuǎn)量(deg/cm)、扭轉(zhuǎn)速度(deg/cm/t)以及這些值的最小值、最大值和平均值可以被確定。對(duì)于sax和lax徑向方向以及l(fā)ax縱向方向，應(yīng)變(％)、應(yīng)變速度(％/t)、位移(mm)，速度(mm/t)，包括這些值的最小值、最大值和平均值可以被確定。此外，對(duì)于周向、徑向和縱向方向中的每個(gè)，峰值應(yīng)變、到峰值應(yīng)變的時(shí)間、峰值收縮應(yīng)變速率、峰值舒張應(yīng)變率、峰值位移和峰值速度也可以被確定。

因?yàn)樾呐K的真正解剖功能是在3d空間中，因此在2d中計(jì)算的應(yīng)變值可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果。如果2d切片在整個(gè)心動(dòng)周期中被采集，則心肌的不同部分由于在3d空間中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)進(jìn)入和離開(kāi)平面。進(jìn)入和離開(kāi)平面的這種運(yùn)動(dòng)被稱為穿過(guò)平面運(yùn)動(dòng)，并且不能在2d成像中被捕捉，無(wú)論是在作為示例的標(biāo)簽mri還是解剖電影序列中。

圖7示出了處于末期心臟舒張階段(ed)并且具有根據(jù)本公開(kāi)的方面所識(shí)別的心內(nèi)膜輪廓704和心外膜輪廓706以及中間節(jié)點(diǎn)708的sax切片702。圖8示出了處于末期心臟收縮(es)階段并且具有根據(jù)本公開(kāi)的方面所識(shí)別的心內(nèi)膜804點(diǎn)和心外膜點(diǎn)806以及中間節(jié)點(diǎn)808的sax802切片。

一旦心內(nèi)膜和心外膜輪廓被識(shí)別，周向映射就從sax切片中得到。圖13(下面討論)示出了具有周向映射的sax切片。中間曲線(未在圖7和圖8中示出)基本上在周向映射的中心區(qū)域中被識(shí)別，并且中間節(jié)點(diǎn)(在中間曲線上的節(jié)點(diǎn)或點(diǎn))從中間曲線中推導(dǎo)。中間節(jié)點(diǎn)(708和808)在圖7和圖8中的心外膜和心內(nèi)膜輪廓之間中被識(shí)別?；趫D像處理系統(tǒng)的處理能力和效率，可以識(shí)別和處理任何數(shù)目的中間節(jié)點(diǎn)。ed階段中心肌的分段化、心外膜輪廓和心內(nèi)膜輪廓以及中間曲線的識(shí)別在a.bistoquet等人于2007年9月在ieeetransactionsofmedicalimaging,vol.26,no.9中發(fā)表的“l(fā)eftventriculardeformationrecoveryfromcinemriusinganincompressiblemodel”中進(jìn)行了詳細(xì)描述，其通過(guò)引用被全部合并于此。bistoquet進(jìn)一步描述用來(lái)識(shí)別中間曲線上的中間節(jié)點(diǎn)和用來(lái)定義lv壁的中間表面的方法。

圖9是使用醫(yī)療程式捕獲的心臟的腔室(具體地，在本實(shí)施例中顯示左垂直)的圖像的圖示。圖9示出根據(jù)本公開(kāi)的方法從在3d空間中識(shí)別的多個(gè)sax圖像和lax圖像中推導(dǎo)的多個(gè)心外膜輪廓906和心內(nèi)膜輪廓908。

在本公開(kāi)的實(shí)施例中，sax和lax圖像被配準(zhǔn)，以便補(bǔ)償空間錯(cuò)位，該空間錯(cuò)位是由于例如但不限于患者在圖像采集期間移動(dòng)(或其他因素)。在一些實(shí)施例中，圖像的配準(zhǔn)在兩個(gè)步驟中進(jìn)行：輪廓匹配步驟和強(qiáng)度匹配步驟。

在實(shí)施例中，在輪廓匹配步驟中，所有l(wèi)ax圖像在空間上固定，并且每個(gè)sax圖像被迭代地平移，以最小化來(lái)自lax和sax圖像的輪廓交點(diǎn)之間的差異。對(duì)于每次平移，該sax圖像與每個(gè)lax圖像相交成線，因?yàn)樗鼈兪遣黄叫械摹Ｐ耐饽?或心內(nèi)膜)點(diǎn)位于兩個(gè)不同的圖像(sax和lax)的相交線上，并且在sax圖像被良好對(duì)齊時(shí)在位置上應(yīng)該具有最小差異。在其他實(shí)施例中，sax圖像被固定，lax圖像被平移。

在一個(gè)實(shí)施例中，在強(qiáng)度匹配步驟中，一個(gè)lax圖像被選擇來(lái)最初固定，并且其他圖像被迭代地平移以最大化來(lái)自相交圖像的強(qiáng)度分布之間的相關(guān)性。首先，每個(gè)lax圖像與所有其他圖像(lax和sax)相交成線，并且當(dāng)圖像來(lái)自兩個(gè)圖像的相交線上的圖像像素強(qiáng)度分布應(yīng)該是相似的。相似度可以通過(guò)各種數(shù)學(xué)模型來(lái)量化，例如但不限于，光譜相干、協(xié)方差和互相關(guān)。例如，互相關(guān)方法可以被用于確定相似性。在實(shí)施例中，與其他圖像具有最高相關(guān)性的lax圖像被選擇作為最適合用作圖像對(duì)準(zhǔn)的錨的圖像。在此之后，其它(多個(gè))lax圖像被迭代地平移直至在交點(diǎn)處找到強(qiáng)度分布的最大相關(guān)性。類似于如上與關(guān)于輪廓匹配步驟相關(guān)地提及的，在一些實(shí)施例中，lax和sax圖像的作用也可以針對(duì)強(qiáng)度匹配步驟被反轉(zhuǎn)。

在實(shí)施例中，閾值可以被設(shè)置以確定最大相關(guān)性是否是足夠高以便平移是有效的。在這樣的實(shí)施例中，如果未達(dá)到閾值，則平移將被取消。一旦所有l(wèi)ax圖像已經(jīng)被配準(zhǔn)，它們?nèi)缓笤诳臻g上就被固定為錨，使得每個(gè)sax圖像也可以通過(guò)評(píng)估強(qiáng)度分布相關(guān)性來(lái)對(duì)準(zhǔn)。

與圖9的描述相關(guān)聯(lián)的這些步驟是作為如下描述的3d方法的前導(dǎo)進(jìn)行的。

3d模型

將在本文中描述用于產(chǎn)生3d心肌模型的方法的兩個(gè)不同的基本實(shí)施例。這兩個(gè)基本模型都可以利用相同的3d可形變模型。然而，這兩個(gè)基本的實(shí)施例不同在使用哪些2d追蹤結(jié)果來(lái)確定未知系數(shù)上不相同?？紤]到不同的2d追蹤結(jié)果由這些實(shí)施例中的每個(gè)使用，實(shí)施例中的每一個(gè)在方法的細(xì)節(jié)上也不相同。

這些實(shí)施例中的第一個(gè)實(shí)施例將被稱為“基于位移的3d模型方法”，它使用切片內(nèi)2d位移(來(lái)自上述2d方法)作為輸入來(lái)確定系數(shù)。這些實(shí)施例中的第二個(gè)實(shí)施例將被稱為“基于表面的3d模型方法”，它使用切片內(nèi)追蹤的心內(nèi)膜和心外膜邊界(來(lái)自上述2d方法)作為輸入來(lái)確定系數(shù)。關(guān)于這些輸入如何被使用的另外的細(xì)節(jié)將在下面更詳細(xì)地討論。

3d方法試圖通過(guò)模擬心肌的幾乎不可壓縮性來(lái)確定心肌壁動(dòng)力學(xué)。如上提及的，在一些實(shí)施例中，這兩種方法都可以利用相同的3d模型。該3d模型現(xiàn)在將被簡(jiǎn)要討論。

參考幀中的位置r處的心肌點(diǎn)將在位置t(r)處被映射到另一幀。差值u(r)＝t(r)-r表示位移場(chǎng)。

可以由本文公開(kāi)的一些實(shí)施例使用的心肌的3d可形變模型的示例可以通過(guò)以下方式來(lái)定義：

首先，在參考幀中選擇待模擬的區(qū)域(其可以是例如但不限于lv壁)上的一組m個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)被識(shí)別為節(jié)點(diǎn)。他們的位置時(shí)任意的但是被稱為rj，j＝1,…,m。

其次，假設(shè)位移場(chǎng)可以被擴(kuò)展為以參考幀中的節(jié)點(diǎn)位置rj為中心的m個(gè)標(biāo)量基函數(shù)的組合，其中每個(gè)函數(shù)被賦予有待確定的系數(shù)cj的權(quán)重。對(duì)于標(biāo)量基函數(shù)，我們使用以節(jié)點(diǎn)rj為中心的徑向基函數(shù)其中j＝1,…,m，其中α控制功能衰減得多快。因此，該模型變換由下列公式給出：

t(r)＝r+u(r)其中

標(biāo)量徑向函數(shù)描述任意心肌點(diǎn)相對(duì)于參考幀中的節(jié)點(diǎn)的位置。系數(shù)是幀決定的，與該幀中的節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)聯(lián)。針對(duì)每一幀確定這些系數(shù)確定該模型內(nèi)的心肌動(dòng)力學(xué)。

注意，如果一個(gè)幀中的系數(shù)是已知的，則節(jié)點(diǎn)位置也利用(7)已知。相反情況也是如此。因此，如果幀中的節(jié)點(diǎn)位置是已知的，那么它們的位移是已知的，并且(7)變?yōu)橄禂?shù)cj的3m個(gè)方程和3m個(gè)未知數(shù)的線性方程組。如上所提及的，基于位移的方法和基于表面的方法兩者都可用于確定節(jié)點(diǎn)。這些方法中的每一種將依次在下面更詳細(xì)地討論。

基于位移的方法

在基于位移的方法中，系數(shù)通過(guò)匹配利用2d方法得到的切片內(nèi)位移與投影到該切片上的3d位移場(chǎng)來(lái)尋找。術(shù)語(yǔ)“匹配”，如上述句子中所使用得，指示當(dāng)被投影到切片上時(shí)，該再生3d位移場(chǎng)接近(并且一些實(shí)施例中盡可能接近)對(duì)應(yīng)的切片內(nèi)位移。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，針對(duì)每一幀解決投影的位移場(chǎng)和點(diǎn)切片內(nèi)位移之間的平方平面內(nèi)距離的總和的最小化問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題具有封閉解，因?yàn)樗?jiǎn)化為通過(guò)求解具有3m個(gè)方程和3m個(gè)未知數(shù)的線性方程組來(lái)確定系數(shù)。數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)討論如下。

如上所提及的，當(dāng)被投影射點(diǎn)pi的切片上時(shí)，再生3d位移場(chǎng)(7)應(yīng)該盡可能接近對(duì)應(yīng)的切片內(nèi)位移ui。讓和表示兩個(gè)單位向量，其與一起表示正交基。注意，向量和在與點(diǎn)i相同的切片中，并且其表示圖像切片的2d空間的正交基。由此，投影的位移場(chǎng)和點(diǎn)切片內(nèi)位移之間的平方平面內(nèi)距離的總和為：

其中

di＝u(pi)-ui(9)

通過(guò)定義fij＝f(pi-rj)，并且通過(guò)組合(7)、(8)和(9)，其遵循：

通過(guò)最小化ematch，即通過(guò)尋找最小化ematch的向量系數(shù)cj，最大限度地減少，人們得到其投影密切匹配切片內(nèi)位移的位移場(chǎng)，但是這通常不平滑。為了保證所產(chǎn)生的位移場(chǎng)是平滑的，我們最小化下列公式：

e＝ematch+λ1esmooth1+λ2esmooth2

其中esmooth1和esmooth2是位移場(chǎng)的平滑性的測(cè)量值，并且λ1和λ2是分別控制兩個(gè)項(xiàng)的相對(duì)重要性的參數(shù)。在心肌上以l均勻地間隔開(kāi)的點(diǎn)sl的平滑項(xiàng)被評(píng)估。對(duì)于第一平滑項(xiàng)，使用下列表達(dá)式：

esmooth1＝fx+fy+fz

其中:

對(duì)于第二平滑項(xiàng)，使用下列表達(dá)式：

esmooth2＝sx+sy+sz

其中:

目標(biāo)是最小化e，這可以通過(guò)要求下列公式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

對(duì)于

由于下面我們討論匹配和平滑項(xiàng)的導(dǎo)函數(shù)。

根據(jù)

其遵循

可以顯示該矩陣可以從直接計(jì)算，因?yàn)?imgfile="gda0001289997620000209.gif"wi="584"he="85"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>其中i是恒等矩陣。矩陣被稱為投影矩陣，因?yàn)?imgfile="gda00012899976200002011.gif"wi="139"he="62"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>表示向量v到由其單位法線向量所定義的平面的投影。因此，(15)可以被改寫(xiě)為

根據(jù)(11)，它遵循：

其中

并且類似關(guān)系用于fy和fz。讓然后，

根據(jù)(19)，它遵循：

根據(jù)(12)，它遵循：

其中

并且類似關(guān)系用于sy和sz。

讓然后，

根據(jù)(23)，其遵循

組合(13)、(16)、(17)和(20)、(21)和(24)得到的結(jié)果：

針對(duì)m＝1,…,m(25)

公式(25)表示3m個(gè)方程和3m個(gè)未知數(shù)(向量系數(shù)cj)的方程組。一旦cj被確定，就可以使用(7)計(jì)算在任何點(diǎn)處的位移場(chǎng)。

現(xiàn)在參考圖10，它是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的基于位移的方法的流程圖。該方法可以通過(guò)由諸如處理器(例如圖1的系統(tǒng)100的處理器102)執(zhí)行的軟件來(lái)實(shí)施。用于實(shí)施這種方法的軟件的編碼在考慮本描述的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。該方法可以包含附加的過(guò)程或者比示出和/或描述的過(guò)程更少的過(guò)程，并且可以以不同的順序來(lái)執(zhí)行?？捎芍辽僖粋€(gè)控制器或處理器(諸如例如處理器102或不同的處理器)執(zhí)行以完成本方法的計(jì)算機(jī)可讀代碼可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

該方法包括，在參考幀處，基于用戶劃分的輪廓來(lái)生成表示心肌壁的表面(1002)。該方法還包括從該表面中選擇一組控制點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)(1004)。

參考幀中的一組心肌點(diǎn)被選擇以用作2d采樣點(diǎn)(片內(nèi)，例如，以圖像像素為中心的、在參考幀中的、切片內(nèi)的所有的心肌點(diǎn))(1006)。根據(jù)所計(jì)算的2d模型，得到所有2d采樣點(diǎn)的2d位移(1008)。定義用于測(cè)量采樣點(diǎn)的切片的內(nèi)2d位移與由3d模型給出的3d位移的2d投影之間的總距離的距離函數(shù)(1010)。定義成本函數(shù)，其包括定義的距離函數(shù)以及用于3d位移場(chǎng)的平滑項(xiàng)(1012)。該方法還包括通過(guò)求解最小化所定義的成本函數(shù)的線性方程組來(lái)確定節(jié)點(diǎn)系數(shù)的值(1014)。確定該節(jié)點(diǎn)系數(shù)允許確定該模型?；诠?jié)點(diǎn)系數(shù)(即，基于所確定的模型)，任何點(diǎn)(在任何其它幀處)的3d位移可以基于所確定的節(jié)點(diǎn)系數(shù)或其它可以確定的心肌參數(shù)來(lái)推導(dǎo)(1016)。

基于表面的方法

在基于表面的方法中，對(duì)于每一幀，使用偽薄板內(nèi)插(pseudo-thin-plateinterpolation)來(lái)內(nèi)插來(lái)自所有切片的被追蹤的心內(nèi)膜和心外膜輪廓以定義心內(nèi)膜和心外膜表面(插值方法在下面標(biāo)題為附錄平滑表面模型中更詳細(xì)地描述)?？蛇x地，如果圖像中的2d追蹤輪廓不是“令人滿意的”，則人們?cè)谄浞胖脮r(shí)可以使用用戶定義(例如，用戶呈現(xiàn))的輪廓。

上面定義的心內(nèi)膜和心外膜表面被認(rèn)為是“標(biāo)準(zhǔn)”表面。這種方法的基本思想是確定系數(shù)cj，針對(duì)該系數(shù)，來(lái)自參考幀的使用(7)被映射到當(dāng)前幀的心內(nèi)膜和心外膜表面是盡可能接近存在于該幀中的“標(biāo)準(zhǔn)”表面。匹配映射的標(biāo)準(zhǔn)表面基于映射的表面點(diǎn)和它們?cè)凇皹?biāo)準(zhǔn)”表面上的徑向投影之間的距離的平方和的最小化準(zhǔn)則。所陳述的最小化問(wèn)題不具有封閉解(如以上所討論的“基于位移”的方法的情況)，我們經(jīng)由迭代過(guò)程在數(shù)值上對(duì)它進(jìn)行求解。

該方法在時(shí)間和空間兩者上迭代。其在時(shí)間上迭代是由于為了確定在當(dāng)前幀中的系數(shù)，在先前幀中的系數(shù)被用來(lái)產(chǎn)生在當(dāng)前幀中的系數(shù)的初始估計(jì)。更精確地說(shuō)，節(jié)點(diǎn)的初始估計(jì)被設(shè)置為從先前幀徑向投影到當(dāng)前幀的“標(biāo)準(zhǔn)”表面上的節(jié)點(diǎn)。該方法在空間上迭代是因?yàn)?在該方法的實(shí)施例中)保持幀固定(當(dāng)前幀)，該方法從該初始估計(jì)開(kāi)始并(迭代地)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整直至匹配達(dá)到期望的公差。下面的討論將集中于在空間上的迭代過(guò)程。

為了調(diào)整參數(shù)，該方法使用點(diǎn)集配準(zhǔn)(也稱為點(diǎn)匹配)。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別中，點(diǎn)集配準(zhǔn)(或點(diǎn)匹配)是尋找對(duì)齊兩個(gè)點(diǎn)集的空間變換的過(guò)程。

點(diǎn)集中的一個(gè)被認(rèn)為是“移動(dòng)的”模型點(diǎn)集，而另一個(gè)是“靜態(tài)的”場(chǎng)景。在該背景中，術(shù)語(yǔ)“移動(dòng)的”意味著由于逐迭代地調(diào)節(jié)變換參數(shù)而迭代地改變模型點(diǎn)集。不要求模型點(diǎn)集和靜態(tài)場(chǎng)景具有相同數(shù)量的點(diǎn)。

在本文中所描述的方法的情況下，“移動(dòng)的”模型由當(dāng)前幀中的被映射的心內(nèi)膜和心外膜表面的點(diǎn)表示，而靜態(tài)場(chǎng)景由當(dāng)前幀的“標(biāo)準(zhǔn)”表面的點(diǎn)表示。3d映射公式(7)提供用于對(duì)齊這兩個(gè)集合的變換。

為了解決該點(diǎn)匹配方法內(nèi)的最小化問(wèn)題，實(shí)施例采用levenberg-marquardt方法。這是被用來(lái)解決非線性最小平方問(wèn)題的方法。它通常用于最小二乘曲線擬合問(wèn)題：給定一組自變量和因變量的n個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)(xi,yi)，優(yōu)化模型曲線f(x,c)的參數(shù)c，使得殘留的平方的總和(成本函數(shù))被最小化。

在本情況下，這個(gè)問(wèn)題可以被表述如下：給定心內(nèi)膜參考幀表面pi^endo上的一組點(diǎn)n^endo和心外膜參考幀表面上的一組點(diǎn)n^epi，優(yōu)化模型函數(shù)(7)的參數(shù)c，使得被追蹤的點(diǎn)t(pi^endo,c)和t(pi^epi,c)與其在標(biāo)準(zhǔn)表面s^goldendot(pi^endo,c)和s^goldepit(pi^epi,c)上的投影之間的差值的平方和被最小化：

待確定的參數(shù)的數(shù)量為3m。在實(shí)施例中，由于每個(gè)參考表面上的節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)是數(shù)量級(jí)100(其他實(shí)施例可以使用其它量)，并且存在2個(gè)參考表面(一個(gè)用于內(nèi)和而一個(gè)用于外)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3坐標(biāo)，總共將存在約600參數(shù)待確定。這在計(jì)算上是昂貴的。

為了減少計(jì)算時(shí)間，在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)施了以下措施：

-代替查找系數(shù)c作為待確定的參數(shù)，該方法相反地將當(dāng)前幀中的節(jié)點(diǎn)位置作為未知量。回想一下，節(jié)點(diǎn)位置和系數(shù)可以根據(jù)彼此直接得到。

-在迭代過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)被限制到在標(biāo)準(zhǔn)面內(nèi)。對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該自由度從3減小到2。

-最小化問(wèn)題被分解成2個(gè)：一個(gè)用于心內(nèi)膜節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，一個(gè)用于心外膜節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。

換句話說(shuō)，下列和被單獨(dú)地最小化：

其中c^endo和c^epi當(dāng)前幀中分別對(duì)應(yīng)于心內(nèi)膜節(jié)點(diǎn)和心外膜節(jié)點(diǎn)的系數(shù)的集合。

這些僅是示例。存在用于成本函數(shù)的其他選項(xiàng)。例如，代替使用差值：映射的點(diǎn)-其在標(biāo)準(zhǔn)表面上的投影，人們可以使用相對(duì)距離。

以這種方式，測(cè)量映射表面和標(biāo)準(zhǔn)表面的匹配的容差水平可以(例如，以百分比)被設(shè)置。

現(xiàn)在參考圖11，它是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的基于表面的方法的流程圖。該方法可以通過(guò)由諸如處理器(例如圖1的系統(tǒng)100的處理器102)執(zhí)行的軟件來(lái)實(shí)施。用于實(shí)施這種方法的軟件的編碼在考慮本描述的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。該方法可以包含附加的過(guò)程或者比示出和/或描述的過(guò)程更少的過(guò)程，并且可以以不同的順序來(lái)執(zhí)行?？捎芍辽僖粋€(gè)控制器或處理器(諸如例如處理器102或不同的處理器)執(zhí)行以完成本方法的計(jì)算機(jī)可讀代碼可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

該方法包括，在參考幀處，基于用戶劃分的輪廓來(lái)生成表示心肌壁的表面(1102)。該方法還包括從該表面中選擇一組控制點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))來(lái)設(shè)置表面模型的節(jié)點(diǎn)系數(shù)(1104)。

該方法還包括使用心內(nèi)膜輪廓和心外膜輪廓來(lái)定義“標(biāo)準(zhǔn)”表面(1106)。輪廓可以是被追蹤的輪廓或用戶定義的輪廓。然后，對(duì)于每個(gè)幀(除參考幀以外)，先前幀的節(jié)點(diǎn)被徑向投影到當(dāng)前幀的“標(biāo)準(zhǔn)”表面上(1108)。投影節(jié)點(diǎn)被用作當(dāng)前幀的追蹤節(jié)點(diǎn)的初始估計(jì)(1110)。成本函數(shù)被定義以測(cè)量被追蹤的表面點(diǎn)及其在“標(biāo)準(zhǔn)”表面上的徑向投影之間的距離(1112)。

然后該成本函數(shù)被最小化或被帶入在某些規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的值(1114)。在一個(gè)實(shí)施例中，這通過(guò)使用levemberg-marquardt方法來(lái)迭代地移動(dòng)“標(biāo)準(zhǔn)”表面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)直到該成本函數(shù)被最小化或符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。這提供了該模型的系數(shù)，并且該模型隨后被確定。這隨后可以被用來(lái)確定心肌的3d應(yīng)變參數(shù)，以確定心肌壁動(dòng)力學(xué)(1116)。

替代最小化問(wèn)題

代替使用上述的levemberg-marquardt方法，一些實(shí)施例使用例如在確定2d模型中使用的適合用于3d的powell方法的變體。這意味著，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在正和負(fù)徑向/周向/縱向方向上移動(dòng)(到它所屬于的表面)，并且最小化成本函數(shù)的節(jié)點(diǎn)位置被保持。節(jié)點(diǎn)在徑向/周向/縱向方向上移動(dòng)的距離由一些參數(shù)“德?tīng)査敝付?。在一個(gè)實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)被一次又一次移動(dòng)直至cost不能再減少。然后德?tīng)査幌麥p一半，并且重復(fù)該優(yōu)化直到cost不能再減少。德?tīng)査牟煌捣Q為縮放級(jí)別(或細(xì)化級(jí)別)?？s放級(jí)別的數(shù)量由參數(shù)控制。

心肌應(yīng)變計(jì)算

心肌應(yīng)變被計(jì)算為相對(duì)于參考幀的拉格朗日有限應(yīng)變。讓f表示形變梯度張量。然后拉格朗日張量為：

其中i是恒等矩陣。在單位方向上拉格朗日應(yīng)變?yōu)?/p>

2d應(yīng)變

在2d情況下，如果在笛卡爾坐標(biāo)中從參考幀當(dāng)前幀的映射由函數(shù)x(x,y)和y(x,y)給出，則形變梯度張量為

在模型的任何給定處，徑向方向由單位法向量定義。垂直于徑向方向的方向被稱為交叉徑向方向(在短軸切片的情況下，交叉徑向方向是圓周方向。在長(zhǎng)軸切片的情況下，交徑徑向方向?yàn)榭v向方向)。使用來(lái)自描述2d方法的部分的模型公式，可以表明徑向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中

交叉徑向應(yīng)變可以被顯示成

3d應(yīng)變

在3d情況下，如果在笛卡爾坐標(biāo)中從參考幀當(dāng)前幀的映射由映射函數(shù)x(x,y,z)、y(x,y,z)和z(x,y,z)給出，則形變梯度張量為

以向量形式書(shū)寫(xiě)的該映射函數(shù)可以在由(7)給定的位移函數(shù)u(r)的方面來(lái)表示

其中，r＝(x,y,z)。一旦公式(32)被求值，它就可以被用來(lái)對(duì)公式(22)進(jìn)行求值，并且隨后徑向、周向和縱向應(yīng)變使用相應(yīng)的方向由公式(29)來(lái)計(jì)算。

圖12示出了說(shuō)明各種3d應(yīng)變方向的左心室的簡(jiǎn)化模型1200。具體地，圖12示出了縱向應(yīng)變方向1202、周向應(yīng)變方向1204和徑向應(yīng)變方向1206。圖12還示出了基部切片1208(模型的頂部部分)以及頂端切片1210(模型的底部部分)的位置。

方法的后處理和獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在2d/3d模型被完成之后，可以在心肌的每個(gè)點(diǎn)處計(jì)算應(yīng)變和位移。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以被得到：

1.在心肌/下方心內(nèi)膜/下方心外膜/給定roi上的平均徑向/周向/長(zhǎng)應(yīng)變和位移(圖示)

2.峰值應(yīng)變，峰值位移(以極化圖)

3.扭矩

4.可以針對(duì)內(nèi)插的心內(nèi)膜/心外膜表面計(jì)算體積(心內(nèi)膜/心外膜/心肌)。心肌體積是這兩者的差值。

現(xiàn)在參考圖13、14、15、和16，其示出可以基于本文所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)生成的不同類型的顯示。圖13示出sax切片1302，其具有通過(guò)心動(dòng)周期部分得到的周向映射1310并且被相對(duì)于應(yīng)變值被彩色編碼。雖然任何階段可以作為參考幀或配置，lv壁的配置常規(guī)地被選擇作為參考幀。術(shù)語(yǔ)幀和階段在整個(gè)本公開(kāi)中可互換地使用。

圖14和15分別示出了顯示各種應(yīng)變曲線的圖形1400和1500。圖14示出曲線1402，它表示全部心肌的平均周向應(yīng)變。圖15示出了兩條曲線。曲線1502表示心外膜邊界的平均周向應(yīng)變，而曲線1504表示心內(nèi)膜邊界的平均周向應(yīng)變。

圖16顯示了圖形1600、lax切片1610和sax切片1620。圖形1600示出表示感興趣的區(qū)域(roi)1630的平均周向應(yīng)變的曲線1602。rio1630是心肌的三維部分，并且它的位置在lax切片1610和sax切片1620中的每個(gè)中示出。

現(xiàn)在參考圖17，其示出可以被顯示在諸如系統(tǒng)10的顯示器110上的屏幕1700。屏幕1700提供一旦模型被確定就可以被顯示的信息類型的另一示例。

截屏1700包括心臟的一部分的3d視圖，它在圖示的示例中是心臟的左心室。視圖1702提供心臟的心肌的一部分上的應(yīng)變的3d視圖。截屏1700還包括圖表1704，其提供關(guān)于峰值徑向、周向和縱向應(yīng)變的信息。截屏1700還包括心肌的橫截面(sax切片)視圖1706，其示出在橫截面中的應(yīng)變。截屏1700還包括圖形1708，其說(shuō)明各種應(yīng)變曲線。在屏幕1700的各個(gè)部分所使用的信息基于該模型和后續(xù)的應(yīng)變計(jì)算來(lái)生成。

如上所提及的，本文公開(kāi)的模型和方法可以被用來(lái)識(shí)別機(jī)械延遲、心肌機(jī)能不全和不同步的區(qū)域，以及感興趣的類型的組織(例如，纖維化(包括彌漫性纖維化)、相關(guān)的病理以及如疤痕組織、水腫或其它組織或組織特性)的位置。組織特性可以是急性或慢性的。該信息可以被用于醫(yī)療干預(yù)和外科手術(shù)的準(zhǔn)備或執(zhí)行。例如，但不限于，上述顯示對(duì)規(guī)劃電生理學(xué)手術(shù)可以是有用的。

2d/3d方法的其它用途

上述方法可以被用作用于心內(nèi)膜/心外膜的輪廓檢測(cè)器。

這可以直接從利用2d方法追蹤的心內(nèi)膜/心外膜點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，利用2d方法追蹤的來(lái)自所有切片的心內(nèi)膜/心外膜點(diǎn)可以被內(nèi)插以定義或生成表面。這些表面然后可以與圖像平面相交。這些交叉可以用作被檢測(cè)的心內(nèi)膜/心外膜輪廓。

此外，3d追蹤的表面與圖像平面相交并定義輪廓。

上述方法也可以被用作用于到心肌上的rv插入點(diǎn)和laxlvextent或任何其它點(diǎn)集的輪廓檢測(cè)器。

基于3d模型的2d結(jié)果的調(diào)整

一旦3d模型完成，其就可以被用于調(diào)整2d結(jié)果。為了完成這一點(diǎn)，切片內(nèi)心內(nèi)膜/心外膜/心肌點(diǎn)被從參考幀轉(zhuǎn)換為3d坐標(biāo)，并且被用來(lái)計(jì)算2d應(yīng)變的方向(垂直/相切于參考幀中的中間曲線)被轉(zhuǎn)換成3d向量方向。該點(diǎn)由3d方法追蹤并且應(yīng)變被求值。被用于診斷的圖示/極化圖/覆蓋圖然后可以通過(guò)該調(diào)整的結(jié)果來(lái)更新。

附錄：平滑表面模型

我們用定義在球面上的偽薄板樣條模擬表面(例如，參見(jiàn)wahbag.1981年的“splineinterpolationandsmoothingonthesphere”，其通過(guò)引用全部合并于此并且下文中稱為wahba)。用于球面上的任意位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的最平滑的內(nèi)插器的閉合形式表示不存在(wahba)。最平滑的內(nèi)插器的近似被稱為偽薄板樣條。wahba提出一類球面上的偽薄板樣條并提供相應(yīng)的封閉形式表示，它具有以下形式：

在公式(27)中，表示單位向量(即，函數(shù)需要在該方向上被求值)，表示一組n個(gè)單位向量，α0,…,αn為模型系數(shù)并且函數(shù)定義偽薄板樣條的類型。對(duì)于wahba中m＝2的情況，我們使用ψ，即

其中

并且

雖然wahba提出使用由公式(27)給出的模型作為內(nèi)插器，但是本文中將其用作逼近器。為了使用該模型作為逼近器，通過(guò)n＝1000個(gè)單位向量對(duì)球面進(jìn)行均勻采樣。讓表示有待通過(guò)表面模型來(lái)逼近的邊界點(diǎn)。目標(biāo)是確定由等式(27)給出的模型的系數(shù)，該系數(shù)產(chǎn)生盡可能逼近邊界點(diǎn)的平滑表面。上述要求導(dǎo)致以下優(yōu)化問(wèn)題：找到最小化下列的系數(shù)α0,…,αn

第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于匹配邊界點(diǎn)而第二項(xiàng)控制該表面的平滑性。參數(shù)λ控制平滑(第二)項(xiàng)相對(duì)于點(diǎn)匹配(第一)項(xiàng)的重要性。注意，這兩個(gè)項(xiàng)都被標(biāo)準(zhǔn)化(除以相應(yīng)的總和中項(xiàng)的數(shù)目)，這意味著λ并不需要僅由于情況具有不同數(shù)量的邊界點(diǎn)而被逐情況地。為了最小化s，相對(duì)于模型系數(shù)采用導(dǎo)函數(shù)并且該導(dǎo)函數(shù)被設(shè)置為零，即

這導(dǎo)致：

針對(duì)i＝1,…,n

這n+1個(gè)公式(31)形成用于n+1個(gè)未知數(shù)α0,…,αn的線性方程組。

在上述方程組中，在方向上的表面點(diǎn)是

在上述描述中，出于說(shuō)明的目的，闡述許多細(xì)節(jié)以便提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明顯的是不要求這些具體細(xì)節(jié)。根據(jù)情況，相對(duì)于一個(gè)示例實(shí)施例描述的特征可以在另一示例實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。在其它情況下，公知的電結(jié)構(gòu)和電路以框圖的形式示出以便不模糊理解。例如，沒(méi)有提供關(guān)于本文描述的實(shí)施例是被實(shí)施為軟件例程、硬件電路、固件還是或其組合的具體細(xì)節(jié)。

本公開(kāi)的實(shí)施例可以被表示為存儲(chǔ)在機(jī)器可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品(也被稱為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、處理器可讀介質(zhì)或具有包含在其上的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼的計(jì)算機(jī)可用介質(zhì))。機(jī)器可讀介質(zhì)可以是任何合適的有形的、非臨時(shí)性介質(zhì)，包括磁、光、或電存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)包括軟磁盤(pán)、緊湊型磁盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(cd-rom)、存儲(chǔ)器設(shè)備(易失性或非易失性的)或類似的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。該機(jī)器可讀介質(zhì)可以包含各種指令集、代碼序列、配置信息或其它數(shù)據(jù)，其在被執(zhí)行時(shí)，使得處理器執(zhí)行根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方式的方法中的步驟。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，實(shí)現(xiàn)所描述的實(shí)施方式所必需的其他指令和操作也可以存儲(chǔ)在機(jī)器可讀介質(zhì)上。存儲(chǔ)在機(jī)器可讀介質(zhì)上的指令可以由處理器或其他適當(dāng)?shù)奶幚碓O(shè)備來(lái)執(zhí)行，并且可以與電路接合，以執(zhí)行所描述的任務(wù)。

上述實(shí)施例僅意在是示例。在不脫離完全由所附的權(quán)利要求所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)特定實(shí)施例執(zhí)行改變，修改和變化。