心臟成像方法
【專利摘要】本發明涉及人或動物心臟的呈現，特別是心臟運動的成像，并且能夠在大范圍的研究、醫學、獸醫或工業應用中用于對功能和形態進行成像。特別地，本發明提供了用于對受試者心臟進行成像的方法和設備，該方法包括步驟：（1）記錄一個或多個區域中的受試者的肺的一個或多個活體內圖像；（2）將所述至少一個活體內圖像應用于2D或3D圖像模型；以及（3）重構受試者心臟的2D或3D圖像場。
【專利說明】心臟成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及人或動物心臟的成像、特別是心臟的運動的成像。
[0002]在一方面，本發明涉及生物醫學工程領域，特別是心臟的活體內或活體外成像。
[0003]在另一方面，本發明涉及用于大范圍的研究、醫學、獸醫和工業應用中的功能和形態的成像的技術。
[0004]在另一方面，本發明適合于用作用于對活著的心臟組織的運動進行成像的方法和設備。
[0005]在下文中相對于活體內醫學成像來描述本發明將是方便的，然而應認識到本發明不僅限于該用途，而是還能夠用于活體外應用，諸如診斷和治療之類的其他醫學應用以及研究應用、獸醫應用和工業應用。
[0006]此外，雖然在下文中相對于使用發射X射線的源、諸如被用于計算機斷層成像X射線微粒圖像測速(CTXV)的那些進行成像來描述本發明，但將認識到的是本發明擴展至使用任何方便的源來提供圖像的任何系統。
【背景技術】
[0007]應認識到的是包括本說明書中的文獻、設備、動作或知識的任何討論是為了解釋本發明的背景。此外，遍及本說明書的討論由于本發明人的認識和/或本發明人對某些相關技術問題的識別而發生。此外，包括本說明書中的文獻、設備、動作或知識之類的材料的任何討論是為了按照本發明人的知識和經驗來解釋本發明的背景，并且相應地，不應將任何此類討論視為承認任何材料在本·文中的公開和權利要求的 優先權日:或之前在澳大利亞或別的地方構成相關技術中的現有技術基礎或常見的一般知識的部分。
[0008]還將認識到的是在本文中對‘運動’的提及與‘流動’或‘速度’(是隨時間推移的運動的函數)是可互換的。
[0009]心血管疾病是全世界的主要殺手，并且諸如血栓形成之類的心血管系統疾病和諸如肺氣腫之類的肺病是發達國家中的死亡率和發病率的主要原因。相應地，存在相當大的患者人群，其需要心臟成像，使得能夠制定適當的醫學療法管理。醫療診斷顯著地基于超聲心動圖(ECG)測量，但是這些對許多醫療情況而言具有有限的診斷價值，并且質量可能是差的。
[0010]能夠獲得更有意義的測量結果并可視地研究心血管系統的機械動態方面，將促進更好地理解人體的基本操作并將是對抗功能異常和疾病的有用幫助。
[0011]識別并治療心血管系統中的疾病或功能異常的能力由我們以高分辨率對心臟和血管進行成像的能力決定。特別是，在心血管問題變得在臨床上明顯之前檢測到它們是重要的。檢測到這些問題越早，預后越好。與心血管系統的測量相關聯的最顯著問題中的一個是心臟的穩定運動使得難以將心臟和冠狀動脈可視化到足以允許全面評估。
[0012]測量活體內的三維(3D)血液流場的能力是用于研究血流性質對諸如動脈粥樣硬化之類的心血管疾病的發展、診斷和治療的影響的重要能力。為了從活體內血液流場測量獲得有用信息，要求高分辨率下的通過光學不透明組織的非侵入式測量。
[0013]在各種回顧中討論支撐人體的形態和功能的活體內測量的技術的發展。(參見例如 Fouras A、Kitchen MJ> Dubsky S、Lewis RA、Hooper SB 和 Hourigan K 的 2009Journalof Applied Physics Vol.105)。
[0014]已經開發了各種形式的成像以用于心血管系統的功能和結構的非侵入式評估。例如，心血管磁共振成像(CMR)基于與通過使用ECG門控和快速成像技術或序列而優化的磁共振成像相同的基本原理。通過將多種此類技術組合成協議，能夠評估心血管系統的關鍵功能和形態特征。
[0015]已經進行了通過將計算機斷層成像術(CT)與MRI組合來改善心血管系統的嘗試。本質上，使用CT的非常快速的獲取時間來在心臟搏動的同時捕捉其圖像。將該圖像排序以產生近實時地表示心臟搏動的電影。
[0016]與CT相比，MRI具有能夠在不需要給予造影劑材料或使患者經受輻射的情況下在任何平面中對心臟進行成像的優點。然而，像用于不透明血管中的流場測量的其他當前可用技術一樣，基于MRI的技術遭受差的空間和時間分辨率，限制了這些技術用于活體內流動分析的應用。
[0017]用諸如微粒圖像測速(PIV)之類的技術已經實現了更好的結果，其中使用微粒圖像對內的區域的統計互相關來確定跟蹤微粒的移位。存在用于容積流量分析的多個變體，包括斷層成像PIV、容積微粒跟蹤、和全息PIV。
[0018]一般地PIV成像
[0019]PIV對于瞬時速度場的準確測量而言是眾所周知的。使用可見光的PIV技術局限于光學透明樣本。然而，X射線與PIV —起的使用已經將這種方法的應用擴展至不透明組織，使得這種成像模式對于活體內血液流場測`量而言是理想的。
[0020]在PIV中，在以已知時間間隔分離的兩個時間點處對包含多個跟蹤微粒的流體區域(通常被可見波長的激光器照亮)進行成像并使用相關性軟件進行處理。具體地，將圖像對分配到離散詢問區域中。在各個詢問區域上的圖像對之間執行互相關，并且在統計上，互相關的最大值是詢問區域內的最可能的微粒位移。
[0021]近年來，已將PIV與X射線成像組合。X射線的穿透力允許在不透明物體內測量流動，具有用于非侵入性、高分辨率血液流場測量的應用。
[0022]2D微粒圖像測速
[0023]Kim 和 Lee (Kim GB 和 Lee SJ2006, Exp.Fluids41, 195)已使用 X 射線 PIV 以微粒和血細胞作為示蹤物來測量管內流動。該方法講授的是該研究局限于測量容積內的速度的兩個分量(在垂直于圖像平面的維度上求平均)。所使用的PIV算法屬于關于基于光學/激光測速的現有技術。這些算法采取脈沖(即時)照射和零平面外流梯度，并且因此未能將使用X射線對實際流進行成像的3D特性考慮在內。這導致流速的顯著估計不足。
[0024]3D微粒圖像測速
[0025]最近,X射線PIV分析已被擴展至3D流數據。Fouras等人(Fouras A、Dusting J、Lewis R 和 Hourigan K 等人，2009Journal of Applied Physics Vol.102:064916)教授的是相關峰表示測量容積內的速度的概率密度函數(PDF)。當與關于流場的某些假設組合時，可以將速度的此容積PDF轉換成速度分布圖。這導致從單投影X射線圖像測量3D流數據的能力。
[0026]CT是用來根據二維投影在三維空間中重構對象的技術。通常，根據X射線衰減來計算投影方向上的積分對象密度，其將與數字投影圖像上的像素強度值成比例。然后使用傅立葉反投影或代數方法根據在不同視角拍攝的投影圖像來重構對象結構。還存在用于從少數投影角度重構對象的變體，其使用迭代方法來重構樣本的結構，常常利用樣本的先驗知識，例如其由單個材料構成。
[0027]CTXV因此能夠提供用于諸如在心血管系統中發現的那些之類的復雜3D流場的三分量速度測量結果。單投影圖像不足以用于評估速度的三個分量。在單個投影角度拍攝的圖像不包含在平行于X射線束的方向上的位移信息。這使單投影X射線PIV局限于二分量速度測量。在類似于CT的方法中，CTXV通過使用多個投影角度來克服此限制。使用相襯成像和相位恢復方法來增強信噪比。
[0028]具體地，如在現有技術的單投影X射線PIV中，針對圖像對內的詢問區域來計算互相關函數。在由用于所有投影角的詢問區域的行定義的軸向切片中重構速度場。三分量、2D、矩形格柵模型表示用于各個切片的速度場。針對各個切片內的每個角和每個詢問區域生成估計互相關函數。使用測量的自相關函數與用于模型內的詢問區域的速度PDF的卷積來生成估計互相關函數。迭代地優化模型中的速度系數，同時地跨該切片內的所有投影角和詢問區域，使測量互相關函數與估計互相關函數之間的誤差最小化。使用這種迭代方法，達到準確地表示各個切片內的三分量速度場的模型。
[0029]要求數目相對小的投影且這對于使輻射劑量最小化而言是重要的。其還允許CTXV與諸如上述的CT重構的集成，提供形態和功能兩者的同時測量。
[0030]特別地，國際專利申請PCT/AU2010/001199 `(要求來自澳大利亞臨時2009904481的優先權)涉及用于活組織的運動的CTXV成像的甚高分辨率方法和設備。CTXV具有提供所有醫學成像模式的最佳分辨率和穿透力的優點，與諸如高分辨率CT之類的替換技術相比具有減少的X射線輸送。然而，病人對X射線的任何暴露都需關注，并且一直都需要每次對X射線的暴露提取盡可能多的有用數據，或者更優選地，在不降低獲得數據的質量的情況下減少X射線暴露的量。
[0031]在2011年隨著用于電阻抗斷層成像(EIT)的第一商用設備的發行而建立了另一醫學成像模式。EIT基于來自表面的電氣測量的電導率或介電常數來創建身體的相關部分的圖像。通常，將傳導電極附著于患者的皮膚，并向電極中的某些或全部施加小的交流電流。測量結果得到的電位，并使用各種施加電流來重復該過程。然而，提出的EIT的應用并未擴展超過肺功能的監視、皮膚和胸部中的癌癥的檢測和大腦中的癲癇病灶的定位。
[0032]正在開發中的另一成像模式是超極化氦MRI (HHMRI)。患者吸入超極化氣體并使用MRI來示出氣體如何在肺中流動，并檢測該區域是否正在正常地或異常地換氣。HHMRI使用基于氦氣原子的核磁矩的對準的特殊技術，使得MRI信號被增強多達六個數量級。對其中水含量低的肺或其他區域進行成像，常規MRI已被證明是不適當的。超極化效應是短暫的，該效果根據如何儲存和運輸氣體而在約80小時的時段內減少。過去，MRI成像常常在其中水含量相對低的區域、諸如肺中被證明是不適當的，然而，其應用基本上局限于能夠被氦氣滲透的身體區域。
[0033]還需要增加用于在結構、容積和運動方面測量心臟和肺附近的其他組織的形態和功能兩者的能力并提供流場的更真實的3D重構。
【發明內容】
[0034]本發明的目的是提供改善的心臟圖像，其是更真實、更準確的多維(亦即2D、3D和4D)重構。
[0035]本發明的目的是提供與肺組合的心臟的改進圖像，其是更真實的多維重構。
[0036]本發明的另一目的是提供獲得心臟或心臟/肺組合的2D、3D和4D重構的改進方法。
[0037]本發明的另一目的是獲得從圖像導出的增加的數據量。
[0038]本文所述實施例的目的是克服或緩解現有技術系統的至少一個缺點或至少為現有技術系統提供有用替換。
[0039]在本文所述的實施例的第一方面，提供了一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟:
[0040]1.記錄一個或多個區域中的受試者的肺的至少一個活體內圖像；
[0041]2.將所述至少一個活體內圖像應用于多維心臟模型；以及
[0042]3.重構受試者心臟的多維圖像場。
[0043]當在本文中使用時，對術語‘多維’的參考意圖包括二維(2D)、三維(3D)或四維(4D)。將認識到的是能夠通過在·多個時間點處獲取3D數據來將本文公開的方法擴展至4D數據。
[0044]在本文所述的實施例的第二方面中，提供了一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟:
[0045]1.記錄受試者的肺的一個或多個區域中的一組活體內成像數據；
[0046]2.由所述一組活體內成像數據來創建多維心臟模型；
[0047]3.重構多維成像數據集以產生受試者心臟的計算機圖像；以及
[0048]4.從活體內成像數據導出速度數據并將該速度數據應用于模型。
[0049]通常通過以下步驟導出步驟4的速度數據:(i)執行圖像對互相關分析，其在空間坐標方面對用于被成像區域的速度數據進行編碼；以及(ii)根據來自分析的圖像對互相關直接重構多維速度場，其中，在并未首先重構多維圖像的情況下執行重構。先前在共同待決申請PCT/AU2010/001199中已描述了以這種方式來導出數據。
[0050]在步驟I中提及的活體內圖像通常是從至少一個投影角度、優選從多個投影角度記錄的。可從各個投影角度記錄一個或多個圖像。其后面可以是執行對用于在步驟I中成像的區域的速度數據進行編碼的圖像對分析。
[0051]可通過任何方便的手段來執行多維圖像的重構，諸如通過使用非線性反演法。通常，步驟3另外包括重構肺的至少一部分的多維圖像場。
[0052]在特別優選實施例中，使用本發明的方法來獲得除心臟之外還有至少受試者的肺的多維圖像場。
[0053]肺包住心臟的一大部分，且在兩個器官之間沒有間隔或間隙。在其中兩個器官相鄰的表面處，垂直于接觸面的任何運動都要求兩個器官平等地移動。此外，心臟的某些特性能夠對未鄰近于心臟的肺的區域具有相應的可測量影響。例如，心搏能夠影響在肺的末端處的區域。因此，所以可以通過肺的詳細成像來間接地實現心臟的功能性測量，通過應用適當心臟模型以推斷并未直接鄰近于肺組織的那些心臟區域中的運動。
[0054]心臟模型
[0055]心臟的模型是結合了來自相關肺圖像的數據的、基于物理的計算上可行的模型。基于模型的圖像分析從圖像導出對象形狀——嚴格地對形狀進行建模，然后使用圖像模型來推斷。(相反，諸如圖案或對象識別之類的現有技術方法通常涉及到根據通過‘處理’圖像提取的特征來構建圖案或對象)。在基于模型的圖像分析中，通過將描述形狀變化的現有模型與數據似然組合(即，描述形狀的觀察結果的概率模型)來推斷形狀。使用數據似然來結合成像系統的物理學。
[0056]特別地，心臟的模型部分地基于參數的列表，其描述:
[0057]a)對心臟的性質和行為的限制；以及
[0058]b)對心臟和肺的相互作用的限制。
[0059]對心臟的性質和行為的限制(即上述第I點)很可能涉及到關于心臟的顯而易見且眾所周知的約束。對心臟和肺的相互作用的主要限制(即上述第2點)是在胸的大部分區域上，心臟和肺直接鄰近。因此，心臟的移動直接地引起肺的移動。甚至并未鄰近于心臟的肺的部分也受到心臟運動的影響，并且能夠間接地提供信息。觀察到的肺的移動能夠提供關于心臟運動的信息。
[0060]以這種方式，可以創建心臟和肺的圖集(atlas)，其能夠被縮減成心臟和肺的參數化模型。該參數幫助表征物理特征，諸如心臟和肺的形狀和尺寸及其之間的界面。參數模型可以是一般的(基于多項式或樣條函數)或幾何的(預定義形狀的組合或基于標準幾何形狀)。模型的參數能夠用來定義·心臟的尺寸、位置和定向，其與成像數據匹配。
[0061]能夠通過定義并應用以下參數來創建簡單模型的示例:
[0062]⑴心臟的運動等于肺在垂直于它們的接觸表面的方向上的運動；
[0063](ii)在心室周圍和心房底部的前視圖和后視圖中，心臟被肺束縛；
[0064](iii)將使用已知心臟幾何結構來進行心臟結構的當前位置處的近似，(B卩，心室、心房等);
[0065](iv)心臟運動將導致在鄰近于心臟和遍及肺兩者的位置上可檢測的肺組織運動；
[0066](V)將心搏的時間頻率處的鄰近于心臟的區域中的肺容積的任何擴張說成是等效于同一時間頻率處的相鄰區域中的心臟的收縮。
[0067]可輸入其他另外可用信息以提供用于模型的參數(即，成像期間的ECG軌跡、成像期間的每搏的心輸出量測量等)。因此，創建模型可包括將成像系統特性公式化、將大致形狀公式化、將微結構公式化并結合成像系統特性、大致形狀和微結構以形成圖像模型。
[0068]除上述參數之外，還可使用諸如頻率濾波之類的過程對模型進行進一步細化。這將確定并非由于心臟功能而引起的任何肺運動，使噪聲最小化，并突出由心臟活動引起的肺運動。這將允許呼吸期間以及屏住呼吸時的心臟功能的成像。
[0069]使用此類建模，能夠隨時間推移從心臟捕捉信息和/或在一個或多個周期內求平均。能夠用例如使用非線性反演法的任何方便手段來設計成像期間的心臟活動的近似。
[0070]在本文所述實施例的第三方面，提供了一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟:
[0071]1.記錄用于受試者的肺的至少一個區域的至少一組活體內成像數據；
[0072]2.根據所述至少一組活體內成像數據來創建多維心臟模型；以及
[0073]3.重構多維成像數據集以產生受試者心臟的計算機圖像；
[0074]其中，所述心臟模型是通過包括以下的步驟創建的基于物理上的模型，
[0075]a)形成成像系統特性，
[0076]b)形成形狀，以及
[0077]c)創建物理模型的表示。
[0078]成像數據集包括從至少一個圖像、優選地多個圖像導出的數據。
[0079]在本文所述的第四方面，提供了一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟:
[0080]1.獲取用于受試者的肺的第一區域中的第一活體內圖像的數據，并且由該數據能夠推斷心臟或肺的運動或動態；
[0081]2.隨后獲取用于受試者的肺的上述第一區域中的第二活體內圖像的數據；
[0082]3.由所述第一活體內圖像來創建第一多維心臟模型；
[0083]4.由所述第二活體內圖像來創建第二多維心臟模型
[0084]5.作為數據獲取之間的時間的函數來評估第一模型與第二模型之間的變化，并且根據這些評估推斷心臟的以下特性:
[0085]⑴收縮頻率，
[0086](ii)血流，
[0087](iii)收縮力，
[0088](iv)組織彈性，或者
[0089](V)組織加厚。
[0090]在本發明的第五方面，提供了一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟:
[0091]1.捕捉受試者的肺的第一區域中的一個或多個活體內圖像，其中，該一個或多個圖像包括關于心臟或肺的運動或動態的數據；
[0092]2.由從活體內圖像導出的數據來創建多維心臟模型；以及
[0093]3.基于該多維心臟模型，推斷一個或多個心臟功能參數，其選自，
[0094]⑴收縮頻率，
[0095](ii)血流，
[0096](iii)收縮力，
[0097](iv)組織彈性，或者
[0098](V)組織加厚；
[0099]并且其中，從其導出數據的活體內圖像是用具有能量源的成像方法捕捉的，該能量源可選自包括X射線、可見光、紅外輻射、紫外線輻射、超聲波、電阻抗以及磁共振的組，但是不限于這些源。
[0100]將認識到的是能夠通過獲取圖像(在有或沒有門控的情況下，如下面所討論的)、然后執行在坐標方面對速度數據進行編碼的圖像對互相關分析(測速)、然后將測速結果擬合到模型來執行本發明的方法。
[0101]替換地，使獲取的圖像經受在坐標方面對速度數據進行編碼的圖像對互相關分析(測速)，然后直接由來自該分析的圖像對互相關來重構速度場，并將其擬合到模型。
[0102]與現有技術的成像方法相反，本發明的方法使用一個器官(肺)的直接測量或成像來間接地測量另一器官(心臟)或對其進行成像。模型的使用導致比單獨的直接心臟成像更多的信息的記錄。例如，能夠將使用關于心臟腔室的一部分的模型信息外推至整個腔室，能夠將2D信息轉換成3D信息或4D信息，并且能夠減少背景噪聲以增加成像結果的完整性。
[0103]兩個器官的組合的直接和間接成像一起提供比先前可獲得的更大的測量范圍。本發明的方法特別適合于測量心臟與肺之間的許多機械相互作用，諸如肺內的氣體的心源性混合。
[0104]例如，使用上述方法，能夠從肺的相襯X射線圖像來測量心臟功能。提取的典型測量結果將包括例如:
[0105]a)心率，
[0106]b)心搏的階段，
[0107]c)心搏強度的定量度量，
[0108]d)心源性混合的程度，
[0109]e)每搏的心輸出量，
[0110]f)心臟狀況(例如A·-V塊)，
[0111]g)肺對心臟的影響(例如引起心率下降并影響每搏的心輸出量的屏住呼吸)，以及
[0112]h)心臟對肺的影響(例如來自血管的背壓潛在地是相關的)。
[0113]提供關于心臟的信息的任何源都能夠與本發明的方法一起使用。這包括發射以下類型的能量的源:
[0114]X 射線，
[0115]?包括可見激光的可見光，
[0116]?包括紅外激光的紅外輻射，
[0117]?包括紫外線激光的紫外線輻射，
[0118]?超聲波，
[0119]?電阻抗，以及
[0120]?磁共振。
[0121]* ECG (更準確地描述為感測而不是成像)
[0122]在優選實施例中，將CTXV用于對患者心臟和/或肺進行成像。在特別優選實施例中，本發明結合了在PCT AU2010/001199中公開并講授的成像方法，其利用2個或優選地3個空間坐標(X，y, z)上的運動的三個分量(U，V, w)加上時間(t)，并且在實踐中測量比現有技術的3D成像更多的分量。對于本領域的技術人員而言將顯而易見的是，可以使用任何方便的坐標系，并且可以將數據從一個坐標系轉換到另一個。例如，可以使用笛卡爾坐標、柱坐標或極坐標，或者定向到相關解剖結構的局部坐標。
[0123]基于該方法的設備或系統可以是非常有用的，例如作為臨床掃描儀。此類掃描系統可以用來提供早期檢測并幫助監視疾病或異常。此類系統還將增加生理知識，并提供用于進一步且更大的科學和研究的平臺。[0124]在本發明的實施例的另一方面，提供了被用于本發明的方法時的一種設備，該設備包括:
[0125](i) 一個或多個能量源；
[0126](ii) 一個或多個檢測器，用于記錄由來自一個或多個能量源的通過樣本的能量創建的圖像；以及
[0127](iii)軌跡，用于將受試者定位于所述一個或多個能量源與所述一個或多個檢測器之間；
[0128]當在使用中時，受試者或一個或多個能量源被移動通過一個或多個能量投影角度，并且在各個投影角度記錄至少一個圖像。
[0129]除至少一個能量源和檢測器之外，供與本發明的方法一起使用的設備可包括許多其他部件，諸如，例如(i)用于調制并對準受試者和/或檢測器的系統，(ii)用于圖像捕捉、處理和分析的系統，以及(iii)便利的用戶接口。
[0130]在本發明的實施例的另一方面，提供了被用于本發明的方法時的一種設備，該設備包括:
[0131](a)醫學成像系統，具有:
[0132](i) 一個或多個能量源，
[0133](ii) 一個或多個檢測器，用于記錄由來自一個或多個能量源的通過樣本的能量創建的圖像；以及
·[0134](iii)軌跡，用于將受試者定位于所述一個或多個能量源與所述一個或多個檢測器之間；
[0135]使得受試者或所述一個或多個能量源移動通過一個或多個能量投影角度，并且在各個投影角度記錄至少一個圖像，
[0136](b)處理裝置，用于:
[0137](i)將所述圖像應用于2D或3D心臟模型，以及
[0138](ii)重構受試者心臟的2D或3D圖像場，
[0139](c)顯示裝置，用于顯示受試者心臟的2D或3D圖像場或由其導出的圖像。
[0140]門控
[0141]能夠將用于心臟成像的本發明與用于提供更清楚的圖像的已知成像方法組合。獲得更清楚且更準確的肺的圖像附帶地改善了心臟的間接測量的質量。用于提供肺的更清楚圖像的優選方法是‘門控’，包括呼吸門控、心臟門控或雙門控的方法。雙門控對于與在本說明書中描述的本發明一起使用而言是特別優選的。
[0142]呼吸門控
[0143]在呼吸門控中，在記錄關于呼吸周期的信息的同時遍及多個呼吸周期針對肺的各個部分記錄超過一個活體內圖像，諸如CT掃描。能夠分析此信息(通常以圖形跡線的形式)以在記錄圖像時識別呼吸周期內的階段。這樣，能夠將各個活體內圖像分配給呼吸周期內的該階段的精確時刻。本發明的方法通常使用后門控技術。另外，可使用活(live)門控，其中僅在滿足門控要求時獲取圖像。
[0144]心臟門控
[0145]在心臟門控中，在記錄信號(諸如ECG跡線)的同時記錄圖像。然后使用ECG來使得圖像與心動周期的階段期間的相應時刻相關。這樣，能夠將各個圖像分配給心動周期內的該階段的精確時刻。這種方法涉及后門控技術。另外，可使用活門控方法，其中僅在滿足門控要求時獲取圖像。
[0146]雙門控
[0147]在雙門控中，能夠在正常呼吸期間獲取對應于呼吸信號和心臟信號兩者的數據并允許呼吸或心動周期的任何階段處的圖像重構。例如，能夠在舒張階段期間重構呼吸的4DCT圖像重構。替換地，可以遍及心動周期在峰吸入處重構心臟和/或肺(以用于間接心臟測量)的4D CT圖像。
[0148]對于本領域的技術人員而言將顯而易見的是門控能夠服從預設標準。在本發明中，這將包括例如在周期的某個階段或區間期間，或在心臟的舒張期間，或者當心臟處于最大容積的大于80%時收集圖像。
[0149]關于根據本發明的方法來對受試者心臟進行成像，用于門控的附加步驟將包括以下:
[0150](i)記錄從第一生理測量和第二生理測量導出的數據；
[0151](ii)在所述第一生理測量指示所選事件的發生與由所述第二生理測量指示的所選事件一致時的時間點，收集根據本發明的步驟I記錄的圖像；
[0152](iii)僅使用在該時間點來自不同投影角度的圖像根據本發明的步驟2和3進行
重構。
[0153]本領域的技術人員將認識到可將單門控或雙門控用于本發明的方法，因此，可單獨地或一起使用肺測量或心臟測量。例如，第一生理測量可以是基于心臟的，并且第二生理測量可以是基于心臟或基于肺的。替換地，第一生理測量可以是基于肺的，且第二生理測量可以是基于心臟或基于肺的。
[0154]在優選實施例中，在基于心臟的生理測量指示心動周期的所選事件的發生與由基于肺的生理測量所指示的肺的所選事件一致時的時間點，執行根據本發明的步驟2的圖像收集。
[0155]在另一步驟中，能夠在呼吸周期中的相同時間點針對心動周期中的各個時間點經由重構來獲得4D數據集。
[0156]通常，基于心臟的生理測量將是ECG。基于肺的生理測量可選自包括壓力、容積、氣流和胸位移測量或在這里未說明的其他度量的組。
[0157]出于收集圖像的目的，將心動周期劃分成數個‘區間’或象征性數據范圍可能是有利的。能夠在記錄時或者通過從先前紀錄的圖像中選擇來收集圖像。
[0158]圖像的收集可以例如在基于心臟的生理測量指示Q波的通過與由基于肺的生理測量所指示的呼吸的結束一致時的時間點發生。
[0159]在本說明書中公開了和/或在所附權利要求中定義了其他方面和優選形式，其構成本發明的描述的一部分。
[0160]本質上，本發明的實施例源自于這樣的認識，即肺包圍心臟的一大部分，在兩個器官之間沒有任何間隔或間隙，并且在它們的表面接觸處，垂直于接觸面的任何運動要求兩個器官相等地移動。因此可以通過肺的詳細成像來實現心臟的功能性測量。
[0161]由本發明提供的優點包括以下各項:[0162].能夠以組合方式對心臟和肺進行成像，特別是針對影響兩個器官的異常，諸如先天性心力衰竭；
[0163].不要求通常被用于心血管測量的造影劑；
[0164].允許每個器官(心臟/肺)對另一個的相應影響的非侵入測量；
[0165].允許氣流和血流進入和離開心血管和肺系統的同時測量；
[0166].促進從常規成像方法提取更多的數據和信息；以及
[0167].能夠更容易地檢測心臟心律不齊和不對稱(例如由于電損傷)。
[0168]當結合諸如門控之類的技術以便在本發明的方法中使用時，提供包括以下各項的其他優點:
[0169].更清楚的心臟圖像；
[0170].能夠與經由間接方法的心臟成像一起使用，諸如肺的PCXI ；
[0171].使心臟邊界的圖像的模糊最小化，并且因此對3D或4D掃描特別有用；
[0172].能夠用于門控關閉多種數據類型，諸如從ECG、壓力跟蹤、氣道流、容積曲線等導出的那些；
[0173].如果記錄了大的連續數據集，則能夠應用后門控；
[0174].能夠實時地執行，基于兩·個數據類型的圖像是對準的；
[0175].能夠應用于測速措施，諸如CTXV、CT、MR1、SPECT、PET等；以及
[0176].能夠以與非門控信息收集相比以較低的輻射劑量改善所收集信息的質量。
[0177]根據下面給出的詳細描述，本發明的實施例的進一步適用范圍將變得顯而易見。然而，應理解的是詳細描述和特定示例雖然指示本發明的優選實施例，但僅僅是以舉例說明的方式給出的，因為根據此詳細描述，在本文中的公開的精神和范圍內的各種變更和修改對于本領域的技術人員而言將是顯而易見的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0178]通過參考結合僅以示例性的方式給出且因此不限制本文中的公開的附圖進行的實施例的以下詳細描述，本領域的技術人員可更好地理解本申請的優選及其他實施例的其他公開、目的、優點和方面，并且在所述附圖中:
[0179]圖1是將具有在呼氣屏住呼吸期間的壓力振蕩(cm(H20))與在時間上同步的心電圖(ECG)跡線(mV)相比較的圖；
[0180]圖2是將患者心臟的水平運動(使用X射線測速計測量)與在時間上同步的心電圖(ECG)跡線相比較的圖；
[0181]圖3是將X射線測速矢量散度與在時間上同步的ECG跡線相比較的圖；
[0182]圖4圖示出用肺運動測量的健康受試者體內的心臟活動的空間度量；
[0183]圖5圖示出用肺運動測量的不健康受試者體內的心臟活動的空間度量；
[0184]圖6圖示出用于圖像收集的時間點及其與氣壓和血流跡線上的特定位置的關系；以及
[0185]圖7圖示出在心動周期中的不同時間點、但在呼吸周期中的相同點處生成的圖像。【具體實施方式】
[0186]圖1是將在呼氣屏住呼吸期間的壓力振蕩(cm(H20))與在時間上同步的心電圖(ECG)跡線(mV) (3)相比較的圖。其圖示出心率、心臟功能和心臟對肺的影響的典型現有技術測量。
[0187]ECG是心率和心臟功能的常用現有技術度量。其為心臟的電活動的度量而不是心動周期的完整分析。
[0188]氣道開口處的壓力和氣體含量的測量是全局度量且并不告知空間信息。具體地，此類全局度量指示肺中的活動，但其并不是穩健的度量。全局度量僅僅是肺中的所有區域的活動的總和，而不考慮相消干擾。
[0189]在由Lichtwarck_Aschoff(2003)進行的研究中，使用氣道處的壓力跡線上的心源性振蕩來示出呼吸系統的順應性與氣道開口處的壓力波動的大小之間的關系。總而言之，即使當受試者屏住呼吸時，其肺壓也由于心臟的搏動而改變。
[0190]圖2是將使用X射線測速(7)測量的患者心臟的水平運動與在時間上同步的心電圖(ECG)跡線(5)相比較的圖。這圖示出作為心率和功能的指示器的肺的運動。
[0191]圖3是將X射線測速矢量散度(11)與在時間上同步的ECG跡線(9)相比較的圖。其說明肺測量結果能夠等同于心臟功能，并且能夠提供高度準確的測量結果。
[0192]圖4圖示出由其中可獲得信息的周界處的肺運動測量的健康受試者體內的心臟活動的空間度量。不同的陰影指示不同的運動速率。使用這種方法能夠獨立地研究心室和心房。這向心動周期事件的定時和心臟負荷中提供信息。
[0193]圖5圖示出使用表現出房顫的受試者體內的肺運動的心臟活動的空間度量。陰影與圖4中所示的相當不同，并且指·示在心室周圍不存在運動且顫動主要位于心臟(15)的一側中。本發明的方法因此能夠用來檢測此類心臟疾病、顫動的位置和動作的大小。
[0194]能夠將用于心臟成像的本發明與已知成像方法組合以便提供更清楚的圖像，諸如門控或優選地雙門控。門控將要求記錄從基于心臟的生理測量和/或基于肺的生理測量導出的數據，取決于正在應用單門控還是雙門控。在基于心臟或基于肺的生理測量指示心臟或肺周期的所選事件的發生與由基于肺或基于心臟的生理測量所指示的肺或心臟的所選事件一致時的時間點，將執行根據本發明的步驟I的圖像的收集。
[0195]圖6將用于圖像收集的時間點(23a、23b、23c)示為對準的肺氣壓(21)和心臟ECG
(19)跡線上的特定位置。時間點(23a、23b、23c)對應于肺吸氣的結束，并且在心臟Q波之后。
[0196]圖7圖示出在心動周期的不同時間點處但在呼吸周期中的相同點處生成的肺(27、29)的圖像。(還指示了骨(25))。具體地，圖7圖示出使用在各時間點來自不同投影角度的圖像的、根據本發明的步驟2和3實現的重構的輪廓。對于在心動周期中具有兩個不同時間點的情況下的用于呼吸中的相同時間點(在呼氣結束時)，具有重構的兩個輪廓(27和29)。因此通過查看肺組織的變化來確定心臟的運動，其是在此特定情況下被成像的器官。這說明以用于肺的相同條件但在心動周期中的不同時間點處執行的兩次重構。
[0197]已結合本發明的具體實施例描述了本發明，但將理解的是其能夠實現其他修改。本申請意圖覆蓋本發明的任何變體使用或適應，其一般地遵循本發明的原理并包括與本公開的此類偏離，該類偏離落在本發明所屬領域的已知或習慣做法內且可應用于上文所闡述的本質特征。
[0198]由于在不脫離本發明的本質特性的精神的情況下可以多個形式來體現本發明，所以應理解的是上述實施例不限制本發明，除非另外指定，而是應在如所附權利要求中定義的本發明的精神和范圍內廣泛地理解。所描述實施例在所有方面僅僅被視為說明性而非限制性的。
[0199]各種修改和等效布置意圖被包括在本發明和所附權利要求的精神和范圍內。因此，應將特定實施例理解成說明可用以實施本發明的原理的許多方式。在以下權利要求中，裝置加功能條款意圖覆蓋執行限定功能的結構，并且不僅覆蓋結構等效物還有等效結構。
[0200]當在本說明書中使用時，將“包括/包含”理解成指定所述特征、整數、步驟或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數、步驟、部件或其組的存在或添加。因此，除非上下文清楚地另外要求，遍及本說明書和權利要求，應與排他性或專有意義相反地在包括性意義上，亦即在“包括 但不限于”的意義上，理解詞語‘包括’、‘包含’等。
【權利要求】
1.一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟: 1.記錄一個或多個區域中的受試者的肺的至少一個活體內圖像；
2.將所述至少一個活體內圖像應用于多維心臟模型；以及
3.重構所述受試者心臟的多維圖像場。 2.根據權利要求1所述的方法，其中，心臟模型選自2D、3D或4D心臟模型。 3.根據權利要求1所述的方法，其中，圖像場選自2D、3D或4D圖像場重構。
4.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括門控，所述門控包括步驟: (i)記錄從第一生理測量和第二生理測量導出的數據； (ii)在所述第一生理測量指示所選事件的發生與由所述第二生理測量指示的所選事件一致時的時間點，收集根據步驟I記錄的圖像； (iii)僅使用在所述時間點來自不同投影角度的圖像根據步驟2和3進行應用和重構。
5.一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟: 1.記錄受試者的肺的一個或多個區域中的一組活體內成像數據； 2.由所述一組活體內成像數據來創建多維心臟模型； 3.重構多維成像數據集以產生所述受試者心臟的計算機圖像；以及` 4.從所述活體內成像數據導出速度`數據并將該速度數據應用于模型。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，心臟模型選自2D、3D或4D心臟模型。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，成像數據集選自2D、3D或4D成像數據集。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，通過以下步驟來導出步驟4的速度數據: (i)執行在空間坐標方面對用于成像的速度數據進行編碼的圖像對互相關分析；以及(?)根據來自該分析的圖像對互相關來直接重構多維速度場，其中，在沒有首先重構多維2D或3D圖像的情況下執行重構。
9.根據權利要求5或權利要求8所述的方法，其進一步包括門控，所述門控包括步驟: (i)記錄從第一生理測量和第二生理測量導出的數據； (?)在所述第一生理測量指示所選事件的發生與由所述第二生理測量所指示的所選事件一致時的時間點，收集根據步驟I記錄的圖像；以及 (iii)使用在所述時間點來自不同投影角度的圖像根據步驟2和3進行應用和重構。
10.一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟: 1.記錄受試者的肺的至少一個區域中的至少一組活體內成像數據； 2.根據所述至少一組活體內成像數據來創建多維心臟模型；以及 3.重構多維成像數據集以產生所述受試者心臟的計算機圖像，其中，所述心臟模型是通過包括以下的步驟創建的基于物理上的模型， a)形成成像系統特性， b)形成形狀，以及 c)創建物理模型的表示。
11.根據權利要求10所述的方法，其另外包括單門控。
12.根據權利要求10所述的方法，其另外包括雙門控。
13.一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟: ` 1.獲取用于受試者的肺的第一區域中的第一活體內圖像的數據，并且由該數據能夠推斷心臟或肺的運動或動態； . 2.隨后獲取用于受試者的肺的上述第一區域中的第二活體內圖像的數據； .3.根據所述第一活體內圖像來創建第一多維心臟模型； .4.根據所述第二活體內圖像來創建第二多維心臟模型； .5.作為數據獲取之間的時間的函數來評估第一模型與第二模型之間的變化，并且由這些評估推斷心臟的以下特性: (i)收縮頻率， (ii)血流， (iii)收縮力， (iv)組織彈性,或者 (V)組織加厚。
14.根據權利要求13所述的方法，其進一步包括門控，所述門控包括步驟: (i)記錄從基于心臟的生理測量和基于肺的生理測量導出的數據； (?)在所述基于心臟的生理測量指示心動周期的所選事件的發生與由所述基于肺的生理測量指示的肺的所選事件一致時的時間點收集根據步驟I記錄的圖像；以及 (iii)僅使用在所述時間點來自不同投影角度的圖像根據步驟2和3進行應用和重構。
15.一種用于對受試者心臟進行成像的方法，該方法包括步驟: . 1.捕捉受試者的肺的第一區域中的一個或多個活體內圖像，其中，所述一個或多個圖像包括關于心臟或肺的運動或動態的數據； . 2.根據從活體內圖像導出的數據來創建多維心臟模型；以及 .3.基于所述多維心臟模型，推斷選自下列參數的一個或多個心臟功能參數， (i)收縮頻率， (ii)血流， (iii)收縮力， (iv)組織彈性,或者 (V)組織加厚； 并且其中，從其導出數據的活體內圖像是用具有能量源的成像方法捕捉的，該能量源選自包括X射線、可見光、紅外輻射、紫外線輻射、超聲波、電阻抗以及磁共振的組。
16.一種被用于根據權利要求1至15中的任何一項所述的方法時的設備，該設備包括: (i)一個或多個能量源； (ii) 一個或多個檢測器，用于記錄由來自一個或多個能量源的通過樣本的能量創建的圖像；以及 (iii)定位器，用于將受試者定位于所述一個或多個能量源與所述一個或多個檢測器之間； 當在使用中時，所述受試者或所述一個或多個能量源被移動通過一個或多個能量投影角度，并且在各個投影角度處記錄至少一個圖像。
17.—種被用于本發明的方法時的設備,該設備包括: (a)醫學成像系統，具有:(i)一個或多個能量源、 (ii)一個或多個檢測器，用于記錄由來自所述一個或多個能量源的通過樣本的能量創建的圖像；以及 (iii)定位器，用于將受試者定位于所述一個或多個能量源與所述一個或多個檢測器之間； 使得受試者移動通過一個或多個能量投影角度，并且在各個投影角度處記錄至少一個圖像； (b)處理裝置，用于: (i)將所述圖像應用于多維心臟模型，以及 (ii)重構受試者心臟的多維圖像場， (C)顯示裝置，用于 顯示受試者心臟的多維圖像場或由其導出的圖像。
【文檔編號】A61B5/026GK103857340SQ201280049804
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年10月10日 優先權日:2011年10月10日
【發明者】安德烈亞斯·富拉斯, 斯蒂芬·杜布斯基, 喬丹·瑟古德 申請人:莫納什大學