阅读说明：本技术 用于心脏的同时4d超快血流和组织多普勒成像并获得量化参数的方法和装置 (Method and apparatus for simultaneous 4D ultrafast blood flow and tissue Doppler imaging of the heart and obtaining quantitative parameters ) 是由 M·佩诺特 C·帕帕达西 M·坦特 于 2019-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及心脏的超声成像领域。进行心脏的4D超快超声成像,并可用于在非常短的时间内(例如在一次心跳内)并且以可复制的方式(与操作者的经验无关)通过单次采集来计算主要的心脏回声流和组织多普勒指数,例如E/E’、E/A、E’/A’。(The present invention relates to the field of ultrasound imaging of the heart. 4D ultrafast ultrasound imaging of the heart is performed and can be used to calculate the main cardiac echo flow and tissue Doppler index, e.g. E/E ', E/A, E '/A ', by a single acquisition in a very short time (e.g. within one heart beat) and in a reproducible way (independent of the experience of the operator).)

用于心脏的同时4D超快血流和组织多普勒成像并获得量化参 数的方法和装置

技术领域

本公开涉及用于心脏的同时4D超快血流和组织多普勒成像并获得定量参数的方法和装置。

背景技术

超声波超声成像是一种便携、快速且低成本的技术，由于其能够对心脏进行实时成像，因此常规用于心脏病学。可以分别测量二维空间(2D)和一维空间(1D)的形态学参数(例如腔室积)和动态功能检测(例如左心室流出道)以进行诊断。在一维或二维中实时常规测量用于表征心脏状态的更多指标。1D和2D成像之间的选择取决于测量生理现象所需的帧速率。例如，为测量腔室积，2D成像更适合，因为捕获心脏的整体运动所需的帧速率不超过实时。但是，为了量化快速生理现象，例如小组织运动(E'/A'因子)、血流速度(E/A因子)或同时量化两者(E/E')，进行1D成像以减少发射的超声波数量，以提高帧速率。由于需要手动选择目标区域，因此此类常规检查花费大量时间。而且，这种手动选择引起操作员的变化。

超声成像的一种先进类型，即超快超声成像，已被广泛研究[M.Tanter andM.Fink,“Ultrafast imaging in biomedical ultrasound,”IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,in press,Jan.2014]。它可以将帧速率增加到每秒几千张图像。所述方法依靠未聚焦波的发射以使所有介质在数次传输中声化。近来，超快成像被扩展到4D超声成像，即动画3D超声成像。特别地，在心动周期中进行4D超声超快成像以成像人心脏左心室中的血流以及在心动周期中颈动脉的血流和组织运动[J.Provost et al.,“3Dultrafast ultrasound imaging in vivo,”Phys.Med.Biol.,vol.59,no.19,p.L1,Oct.2014.]。

发明概述

本文描述的实施方案提供了用于心脏的超声成像的增强的方法和装置。

为此，提供一种用于对生物的心脏进行4D成像的方法，所述方法至少包括以下步骤：

(a)采集步骤，其中通过2D阵列超声探针在心脏中传输未聚焦的超声波，并且通过所述2D阵列超声探针获取来自反向散射超声波的原始数据；

(b)成像步骤，其中从所述原始数据生成3D图像序列，所述3D图像序列形成动画，显示包括所述心脏的至少一部分的成像体积的运动；

(c)速度计算步骤，其中基于所述3D图像序列，在所述成像体积中自动计算与血液速度和组织速度有关的至少一个参数的3D制图；

(d)定位步骤，其中在所述3D图像序列中自动定位至少一个具有预定性质的关注点；

(e)量化步骤，其中在所述至少一个关注点自动测定在血液速度和组织速度之间选择的至少一个速度，并自动计算涉及所述至少一个速度的预定量化参数，

其中所述量化参数包括：

-某个解剖区域中的峰值血液速度，并且所述定位步骤(d)包括将所述关注点(13)自动定位为所述解剖区域中以及至少部分所述3D图像序列中的最大血液速度的点；

-或某个解剖区域中的峰值组织速度，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为所述3D图像序列中的所述解剖区域中的最大组织速度的点。

由于这些布置，量化参数可以即时准确地以重复方式计算，而不会由于操作员的经验而造成任何变化。

所述方法可以进一步包括以下特征中的一个和/或另一个：

-在所述采集步骤(a)期间，在几个系列的连续的未聚焦超声波中传输所述未聚焦的超声波，每个系列的连续的未聚焦超声波具有各自不同的传播方向，并且所述成像步骤(b)包括通过来自对应于每个系列的所述连续的未聚焦超声波的各自原始数据的超声合成成像合成3D图像；

-每个系列的连续的未聚焦超声波包括1-100个连续的未聚焦超声波，例如1-20个连续的未聚焦超声波；

-在所述采集步骤(a)期间传输的所述未聚焦超声波是发散的；

-在所述采集步骤(a)期间，所述发散的超声波在2D阵列探针后面(即，与波的传输方向相反)具有虚拟源；

-在所述采集步骤中，所述未聚焦超声波以每秒超过10000个未聚焦超声波的速率传输；

-量化参数包括某个解剖区域中的峰值血液速度，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括时间变化，诸如在某个解剖区域中血液速度的加速时间或减速时间或时间积分，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括通过某个解剖区域中血液速度的时间和空间积分获得的血液速率或心输出量(CO)(例如，根据心动周期中的时间进入或离开心脏的总血流速率)，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括某个解剖区域中的峰值组织速度，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为所述3D图像序列中的所述解剖区域中的最大组织速度的点；

-量化参数包括心脏中某个解剖位置处的组织速度，并且所述定位步骤(d)包括在3D图像序列中自动定位所述解剖位置；

-在所述量化步骤测定的量化参数选自E、A、E’、A’、S、D、Vp、S’、E/A、E/E’、E/E’、E’/A’、S、S/D、Q、Qsystolic、Qdiastolic、DT、IVRT、PVAT、VTI、Gmean和Gmax，其中：

-E是舒张早期经二尖瓣血流速度；

-E’是舒张早期二尖瓣环速度；

-A是舒张末期经二尖瓣血流速度；

-A’是舒张末期二尖瓣环速度；

-S是肺静脉收缩期峰值速度；

-D是肺静脉舒张早期峰值速度；

-Vp是流动进展速度；

-Q是流速或心输出量；Qsystolic是总输出经主动脉流速，Qdiastolic是总输入经二尖瓣流速；

-DT是e波减速时间；

-PVAT是肺加速时间；

-IVRT是等容松弛时间的长度；

-Gmean和Gmax是平均和最大跨瓣压力梯度；

-VTI是速度时间积分；

-S’是收缩期峰值环速度；

-在所述采集步骤中，所述未聚焦超声波以每秒超过10000个未聚焦超声波的速率传输；

-在所述采集步骤(a)期间，所述未聚焦超声波在心脏中传输持续一个心动周期的至少一部分并且小于10个心动周期，例如小于5个心动周期；

-在所述采集步骤(a)期间，所述未聚焦超声波在心脏中传输持续1s-10s，例如1s-5s；

-在步骤(d)，仅基于所述3D制图及其时间特征自动定位所述至少一个关注点，并且在步骤(e)，仅基于所述3D制图及其时间特征在所述至少一个关注点自动测定所述至少一个速度。

此外，本公开提出了一种用于对生物的心脏进行4D成像的装置，所述装置至少包括2D阵列超声探针和设置为以下的控制系统：

(a)通过所述2D阵列超声探针在心脏中传输未聚焦的超声波，并且通过所述2D阵列超声探针获取来自反向散射超声波的原始数据；

(b)从所述原始数据生成3D图像序列，所述3D图像序列形成动画，显示包括所述心脏的至少一部分的成像体积的运动；

(c)基于所述3D图像序列，在所述成像体积中自动计算与血液速度和组织速度有关的至少一个参数的3D制图；

(d)在所述3D图像序列中自动定位至少一个具有预定性质的关注点；

(e)在所述至少一个关注点自动测定在血液速度和组织速度之间选择的至少一个速度，并自动计算涉及所述至少一个速度的预定量化参数，

其中所述量化参数包括：

-某个解剖区域中的峰值血液速度，并且所述控制系统(3,4)设置为将所述关注点(13)自动定位为所述解剖区域中以及至少部分所述3D图像序列中的最大血液速度的点；

-或某个解剖区域中的峰值组织速度，并且所述控制系统(3,4)设置为在3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为所述3D图像序列中的所述解剖区域中的最大组织速度的点。

所述装置可以进一步包括以下特征中的一个和/或另一个：

-量化参数包括某个解剖区域中的峰值血液速度，并且所述控制系统设置为在3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括某个解剖区域中的峰值组织速度，并且所述控制系统设置为在3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为所述3D图像序列中的所述解剖区域中的最大组织速度的点；

-量化参数包括时间变化，诸如在某个解剖区域中血液速度的加速时间或减速时间或时间积分，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括通过某个解剖区域中血液速度的时间和空间积分获得的血液速率(例如，根据心动周期中的时间进入或离开心脏的总血流速率)，并且所述定位步骤(d)包括在所述3D图像序列中自动定位所述解剖区域，并将所述关注点自动定位为3D图像序列中最大血液速度的点；

-量化参数包括心脏中某个解剖位置处的组织速度，并且所述控制系统设置为在3D图像序列中自动定位所述解剖位置处的所述关注点；

-在所述量化步骤测定的量化参数选自E、A、E’、A’、S、D、Vp、S’、E/A、E/E’、E/E’、E’/A’、S、S/D、Q、Qsystolic、Qdiastolic、DT、IVRT、PVAT、VTI、Gmean和Gmax，其中：

-E是舒张早期经二尖瓣血流速度；

-E’是舒张早期二尖瓣环速度；

-A是舒张末期经二尖瓣血流速度；

-A’是舒张末期二尖瓣环速度；

-S是肺静脉收缩期峰值速度；

-D是肺静脉舒张早期峰值速度；

-Vp是流动进展速度；

-Q是流速或心输出量；

-Qsystolic是总输出经主动脉流速；

-Qdiastolic是总输入经二尖瓣流速；

-DT是e波减速时间；

-PVAT是肺加速时间；

-IVRT是等容松弛时间的长度；

-Gmean和Gmax是平均和最大跨瓣压力梯度；

-VTI是速度时间积分；

-S’是收缩期峰值环速度；

-所述控制系统设置为在几个系列的连续的未聚焦超声波中传输所述未聚焦的超声波，每个系列的连续的未聚焦超声波具有各自不同的传播方向，并且所述控制系统设置为通过来自对应于每个系列的所述连续的未聚焦超声波的各自原始数据的超声合成成像合成3D图像；

-每个系列的连续的未聚焦超声波包括1-100个连续的未聚焦超声波，例如1-20个连续的未聚焦超声波；

-所述控制系统(3,4)设置为将所述未聚焦超声波作为发散的超声波传输；

-所述发散的超声波在2D阵列探针后面(即，与波的传输方向相反)具有虚拟源；

-所述控制系统设置为以每秒超过10000个未聚焦超声波的速率传输所述未聚焦超声波；

-所述控制系统设置为将所述未聚焦超声波在心脏中传输持续一个心动周期的至少一部分并且小于10个心动周期，例如小于5个心动周期；

-所述控制系统设置为将所述未聚焦超声波在心脏中传输持续1s-10s，例如1s-5s；

-所述控制系统设置为：

–(d)仅基于所述3D制图及其时间特征自动定位所述至少一个关注点；

–(e)仅基于所述3D制图及其时间特征在所述至少一个关注点自动测定所述至少一个速度。

具体实施方式

实施例

对健康的人志愿者和年轻的肥厚型心肌病患者的左心室进行成像(分别见图6和图8)，并自动计算两种情况的指数E/E'。

然后，由心脏病专家使用经典的临床超声系统在心尖四腔视图上扫描健康的人志愿者和年轻患者(图7和9)。使用脉冲多普勒和组织多普勒模式评估多普勒频谱和组织速度，并自动计算两种情况的指数E/E'。这些手动测量证实了自动测量的准确性，而自动测量快得多(一次心跳即可完成)，并且不需要对操作员进行专门培训。