使用超声波估计心脏应变和位移的系统和方法技术方案

使用超声波估测心肌应变和位移的系统及方法被公开。根据一个方面，该方法包括在一段时间内接收从受试对象获取的图像帧。该方法还包括在图像帧中确定受试对象的特征散斑。此外，该方法包括跟踪图像帧中散斑的整体运动。该方法还包括基于跟踪的整体运动确定受试对象的至少一部分的位移。

System and Method of Estimating Cardiac Strain and Displacement by Ultrasound

Systems and methods for estimating myocardial strain and displacement by ultrasound are disclosed. According to one aspect, the method includes receiving an image frame acquired from the subject for a period of time. The method also includes determining the characteristic speckle of the subject in the image frame. In addition, the method includes tracking the whole motion of speckles in the image frame. The method also includes determining at least part of the displacement of the subject based on the tracking of the overall motion.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用超声波估计心脏应变和位移的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年6月24日提交的美国临时专利申请No.62/354,432，名称为“使用高帧率超声波估测心脏应变的系统及方法”的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。本申请要求于2016年7月1日提交的丹麦专利申请No.PA201600394的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
当前公开的主题涉及成像系统及方法。更具体地，当前公开的主题涉及使用超声波估测心脏应变和移位的系统及方法。背景心脏病是40岁以上人群发病和死亡的主要原因。例如，在美国，心力衰竭很常见，在65岁以上的成年人群中发病率为6%至10%。心力衰竭可能是电异常或机械异常的结果。在心力衰竭的早期阶段，机械异常和电异常的影响难以区分，造成准确诊断和有效治疗变得困难。检测和测量快速机械现象，例如机械收缩的传播和去极化后的松弛，可能具有重大的临床意义。去极化以0.5至2m/s的速度传播，这取决于电兴奋是通过心肌组织还是浦肯野纤维。使用传统的超声扫描仪不可能检测到这些现象，传统的超声扫描仪以每秒50到110帧（fps）的速度运行。需要大于500fps的帧率来记录关于机械激活序列的信息，并将它们与通过心电图（EKG）获得的电测量相关联。如果这些机械现象在速度和持续时间上与电兴奋波通过左心室的传播相似，则它们将持续30毫秒。由于常规临床超声成像的低图像采集速率，这些快速机械现象目前无法检测到。用于使超声图像中的测量自动化的常用技术是散斑或特征跟踪。最常用的商业散斑跟踪算法，如GEHealthcare的自动函数成像软件和TomTec2D（二维）心肌功能分析软件，使用光流方法进行帧到帧心肌运动跟踪。光流具有可检测速度的下限，这取决于算法检测帧之间的子像素变化的能力。如果目标在两个连续图像之间的移动小于相邻空间样本之间的移动，并且跟踪方法不能实现子像素变化检测，则帧到帧光流方法将无法检测到移动。关于散斑跟踪的多项研究表明，使用40到110fps之间的帧率可以实现最佳的跟踪精度，因为这样可以在图像质量和帧率之间实现最佳折衷。该发现反映了当前可用的商业诊断机器的性能，其通过减少空间采样来增加帧率。从具有不充分空间采样的超声图像导出的任何测量或观察可顺带不指示实际心肌运动的伪影。目前，没有商业诊断机器能够捕获具有与组织多普勒成像（TDI大于180fps）或普通EKG采样率（大于500Hz）相同的时间分辨率的B超图像，同时保持足够的空间采样。如果要在不影响空间采样的情况下增加时间分辨率，那么临床医生将有更好的工具来研究心肌运动及其与心肌电结果的关系。一篇出版物呈现了以每秒1200个样品从TDI得到的应变率曲线。然而，由于TDI是一维（1D）技术，它不能区分心肌中不同方向的运动。但是，使用更高时间分辨率TDI评估的收缩和舒张性能提供了传统帧率B超成像所不具备的附加信息。通过使用采样率为350Hz和560Hz的TDI，一些出版物描述了具有空间起源的心室间隔膜的波传播，类似于浦肯野纤维的电兴奋的时间起始和传播速度。因此，增加B超图像的时间分辨率可因此允许捕获这些将不被认可的快速结果。存在若干方法来增加超声扫描仪的时间分辨率而不显著降低空间分辨率、视场（FOV）或深度。回顾性选通是一种方法，其中以高帧率和窄FOV记录的多个超声图像被重建为单个正常FOV图像。然而，延长的采集时间和运动伪像导致该方法在许多情况下失败。用于增加帧率的另一种方法是多线发射成像，其中多个聚焦波束同时发射，但是由于发射波束之间的串扰而发生伪像。通过使用未聚焦或负聚焦的发射波束来加宽发射波束允许同时采集多个接收的图像线，从而增加帧率。一篇出版物展示了实时B超图像，使用负焦距发射光束，一般应用使用高达2500fps，成人心肌图像使用1000fps。然而，对于固定量的传输能量，未聚焦或负聚焦的发射波束将在像场上具有比聚焦的发射波束更低的声压，导致所得图像中的信噪比更低。尽管在一篇出版物的研究中未发现来自高帧率B超图像（大于500fps）的导出应变曲线，但已得出来自以900fps记录的超声序列中具有强心肌信号的区域的速度曲线。该出版物的研究人员使用相干空间复合来降低速度测量中的噪声。这有效地将帧率降低到180fps。相干空间复合确实有可能以超过300fps的速度创建高质量的超声图像。用于改善图像质量的另一种方法是在超声场中产生谐波的谐波成像。可以实现图像质量的显着改善，同时具有更少的杂波和更好的血液对比度，但是它需要高声压，这对于相控阵超声系统来说可能是一个问题，并且严格地受到范围的限制。本领域尚未获得帧率高于100fps的高速心脏超声图像。这样的高速图像将允许更详细地评估心脏运动，例如心室收缩模式、收缩速度、瓣膜开口和关闭的速率以及各种壁收缩的定时间隔信息。这种改进的时间信息可以改善病理学的诊断，例如梗塞程度，诸如束支传导阻滞的传导障碍，和瓣膜僵硬。因此，期望提供能够允许来自高速2D或三维（3D）超声图像的应变和运动确定的系统及方法。
技术实现思路
本文公开了使用超声波估测心肌应变和移位的系统及方法。根据一个方面，一种方法包括在一段时间内接收从受试对象获取的图像帧。该方法还包括在图像帧中确定受试对象的特征的散斑。此外，该方法包括跟踪图像帧之间的散斑的整体运动。该方法还包括基于所跟踪的整体运动确定受试对象的至少一部分的移位。根据另一方面，一种方法包括在一段时间内接收从受试对象获取的图像帧。此外，该方法包括在图像帧中基于亮度限定受试对象的特征散斑。该方法还包括跟踪图像帧之间的合格散斑的整体运动。此外，该方法包括基于跟踪的整体运动确定受试对象的至少一部分移位。附图的简要说明当结合本文提供的附图阅读时，可以更好地理解前述
技术实现思路
以及以下各种实施例的详细描述。出于说明的目的，在附图中示出了示例性实施例；然而，目前公开的主题不限于所公开的具体方法和手段。图1是描绘根据本公开实施例的应变曲线的示例着色方案的图像。图2是根据本公开实施例的具有21个特征轨迹的示例心肌区域的图像；图3A是示出在10mm的总位移之后，作为位移增量函数的平均横向跟踪误差的曲线图；图3B是示出在10mm的总位移之后，作为位移增量函数的范围跟踪误差的曲线图；图4A和图4B是示出了用于横向位移的跟踪运动曲线图，作为离换能器的不同距离处的实际运动的函数；图4C和图4D是示出了用于范围位移的跟踪运动曲线图，作为离换能器不同距离处的实际运动的函数；图5A-5F是示出了患者应变曲线的逐搏比较的曲线图；图6示出了关于时间函数的MSW应变曲线的一个例子，以黑色曲线显示；以及同时记录的EKG信号在左心室的即刻等容收缩之前和之后的曲线图，以绿色曲线显示；图7A和图7B示出了从超声图像导出的周向应变曲线图，该超声图像使用来自具有LBBB和双心室（BiV）起搏器的71岁男性的PSAX视图；和图8A和图8B描绘了根据本公开实施例的用于估测心肌应变和移位的示例方法的流程图。具体实施方式本专利技术公开的主题满足法定要求。然而，描述本身并不旨在限制本专利的范围。相反，专利技术人已经预期所要求保护的主题还可以以其他方式表现，以包括与本文中描述的步骤或元件类似的不同步骤或元件，结合其他现有或未来技术。此外，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：接收在一段时间内从受试对象获取的图像帧；在所述图像帧中确定所述受试对象特征的散斑；跟踪所述图像帧之间的所述散斑的整体运动及平均运动；以及基于所跟踪的整体运动，确定所述受试对象的至少一部分的位移。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.01 DK PA201600394;2016.06.24 US 62/354,4321.一种方法，包括：接收在一段时间内从受试对象获取的图像帧；在所述图像帧中确定所述受试对象特征的散斑；跟踪所述图像帧之间的所述散斑的整体运动及平均运动；以及基于所跟踪的整体运动，确定所述受试对象的至少一部分的位移。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像帧是超声图像。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述受试对象是心脏。4.根据权利要求3所述的方法，其中确定特征的散斑包括确定所述心脏的心肌壁的散斑，其中确定位移包括基于所跟踪的整体运动确定所述心肌壁的位移。5.根据权利要求1所述的方法，其中确定特征的散斑包括在B超图像中确定所述受试对象特征的散斑。6.根据权利要求1所述的方法，其中每个散斑由所述图像帧之一的像素的强度和所述像素的坐标限定。7.根据权利要求6所述的方法，其中每个散斑的所述强度高于所述帧中感兴趣区域的预定阈值。8.根据权利要求1所述的方法，其中确定位移包括：确定可疑散斑的所确定的位移是否超过另一时间段内的预定距离；以及响应于确定所确定的位移在其他时间段内超过所述预定距离，将作为异常值的所述可疑散斑移除。9.根据权利要求1所述的方法，其中确定位移包括对两个或更多个帧的感兴趣区域内的散斑位置进行平均，其中所确定的位移是所述平均位置的位移。10.根据权利要求1所述的方法，其中确定位移包括：在运动周期期间确定所述受试对象的漂移；以及根据所确定的漂移调整所确定的位移。11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述漂移包括在心动周期期间确定心脏的漂移。12.根据权利要求1所述的方法，其中所确定的位移表示心肌应变。13.根据权利要求1所述的方法，还包括在时间域和空间域中对所述图像应用图像滤波。14.根据权利要求1所述的方法，还包括使用超声图像采集系统来采集所述图像帧。15.根据权利要求1所述的方法，其中所述受试对象的至少一部分是所述受试对象的至少第一部分，以及其中，所述方法还包括：基于所跟踪的整体运动确定所述受试对象的至少第二部分的位移；以及确定所述受试对象的至少第一部分和所述受试对象的至少第二部分的位移时间排序；以及显示可指示时间排序的图像。16.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述时间段内的所述位移，确定所述受试对象的所述至少一部分的速度。17.根据权利要求1所述的方法，还包括以高帧率获取所述图像帧。18.根据权利要求1所述的方法，还包括使用宽波束传输过程来获取所述图像帧。19.一种系统，包括：计算设备，包括至少一个处理器和存储器，处理器和存储器被配置为：接收在一段时间内从受试对象采集的图像帧；在所述图像帧中，确定所述受试对象的特征散斑；跟踪图像帧之间散斑的整体运动；以及根据所跟踪的整体运动，确定所述受试对象的至少一部分的位移。20.根据权利要求19所述的系统，其中所述图像帧是超声图像。21.根据权利要求19所述的系统，其中所述受试对象是心脏。22.根据权利要求21所述的系统，其中所述计算设备被配置为：确定特征的散斑包括确定心脏的心肌壁的散斑；以及基于所跟踪的整体运动，确定所述心肌壁的位移。23.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为在B超图像中确定所述受试对象特征的散斑。24.根据权利要求19所述的系统，其中每个散斑由所述图像帧之一的像素的强度和所述像素的坐标限定。25.根据权利要求24所述的系统，其中每个散斑的所述强度高于所述帧中感兴趣区域的预定阈值。26.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为：确定的可疑散斑的所确定位移是否超过另一时间段内的预定距离；以及响应于确定所确定的位移在其他时间段内超过所述预定距离，将作为异常值的所述可疑散斑移除。27.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为对两个或更多个帧的感兴趣区域内的散斑位置进行平均，其中所确定的位移是所述平均位置的位移。28.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为：在运动周期期间确定所述受试对象的漂移；以及根据所确定的漂移调整所确定的位移。29.根据权利要求28所述的系统，其中所述计算设备被配置为在心动周期期间确定心脏的漂移。30.根据权利要求19所述的系统，其中所确定的位移代表心肌应变。31.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为在时间域和空间域中对所述图像应用图像滤波。32.根据权利要求19所述的系统，其中所述计算设备被配置为使用超声图像采集系统来采集所述图像帧。33.根据权利要求19所述的系统，其中所述受试对象的所述至少一部分是所述受试对象的至少第一部分，并且其中所述计算设备被配置为：基于所跟踪的整体运动来确定所述受试对象的至少第二部分的位移；以及确定所述受试对象的至少第一部分和所述受试对象的至少第二部分的位移时间排序；以及显示可指示时间排序的图像。34.根据权利要求19所述的系统，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧拉夫·冯·兰姆，约瑟夫·基斯洛，库珀·摩尔，马丁·冯德伯格·安徒生，塞穆尔·埃米尔施密特，皮特·瑟高，拉斯·里斯·厄斯特高，
申请(专利权)人：杜克大学，奥尔堡大学，
类型：发明
国别省市：美国,US