CN101529273A - 用于3d医学成像中高速图像采集速率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了用于医学成像中高速图像采集速率的方法和装置。一实施例包括扫描R－θ扇形切片，其中R表示扇形的半径，θ表示扇形的角度；改变φ和θ中每一个的值，从而使得φ表示R－θ切片的仰角位置，且θ是φ的函数；以及，重复该扫描，从而通过这一方法以与使用恒定θ值的扫描方法的采集速率相比提高的采集速率来采集至少一个图像。

Description

用于3D医学成像中高速图像采集速率的方法和装置
本申请的技术领域是用于3D医学成像的高速图像采集速率的方法和装置。
超声是用于医学成像和诊断的无创性、便于携带且相对廉价的工具。由换能器发射的超声波在组织边界处被反射并被探头记录，从而允许用户通过不同的声阻来探测解剖结构的边界。Bonneau等人(2003)的AdaptiveVolume Construction from Ultrasound Images of a Human Heart，JointEUROGRAPHICS-IEEE TCVG Symposium on Visualization，以引用的方式合并于此。超声的成本、无创性和便携性已经导致大范围地采用对各种器官的超声成像。特别地，超声经常被用于探测运动，例如胎儿或心脏等器官的运动，以便探测潜在的病理。心脏的这种成像(被称为超声心动图)面临特别的挑战，因为一些心脏问题(如二尖瓣脱垂)的诊断涉及到分析心脏的运动，这种运动是隐蔽的且只有当成像设备可以快速采集图像时才能被探测到。
在常规3D体积扫描中，典型模式是扫描一系列R-θ扇形切片，其中R表示扇形的半径，且θ表示扇形的角度。每个扇形切片位于不同的仰角位置处。这一仰角位置将被称为“φ”位置。在这一常规的3D体积中，每个切片的θ值是恒定的。当扫描视角在φ-θ平面上时所得到的模式是矩形的。(这一模式将被称为“矩形扫描模式”。)对于心脏左心室从顶点位置起的心脏扫描，使用矩形扫描模式是低效率的，因为在φ-θ平面内左心室是椭圆形的(在很多情况下近似圆形)。图1中图示说明了超声心动图中常规3D体积扫描模式的低效率方面。低效率的图像采集导致比期望的图像采集速率更低的图像采集速率。
因此，在此提供的本发明的实施例是一种扫描对象中的感兴趣医学体积的方法，该方法包括扫描R-θ扇形切片。R表示扇形的半径，而θ表示扇形的角度。θ是φ的函数，而φ表示R-θ切片的仰角位置。以第一φ和θ值执行该扫描。该方法还包括使φ和θ改变到至少第二φ和θ值。该方法还包括以改变的值重复扫描，从而以与使用恒定θ值的扫描方法的采集速率相比提高的速率来采集至少一个图像。
在进一步的实施例中，该函数是分段、步进或“针对每种情况的”函数。在另一实施例中，该函数是不连续函数。
在另一实施例中，该函数产生θ值，从而使得当从φ-θ平面观察时，扫描模式是圆锥截面，诸如椭圆形。在另一实施例中，该函数产生θ值，从而使得当从φ-θ平面观察时，扫描模式是多边形。
本发明的另一实施例提供一种用于扫描对象中的感兴趣体积的医学成像设备。该设备被设计为扫描R-θ扇形切片，其中R表示扇形的半径，θ是φ的函数并表示扇形的角度，而φ表示R-θ切片的仰角位置。该设备被进一步设计为在多个φ和θ值上改变φ和θ，并以改变得到的多个φ和θ值重复扫描，其中该设备以与使用恒定θ值的扫描方法的采集速率相比提高的采集速率来采集至少一个图像。
在进一步的实施例中，从多个函数中选择至少一个函数以生成用于扫描感兴趣体积的期望模式。在另一实施例中，要扫描的感兴趣体积由用户来选择。在进一步的实施例中，用户选择适用于期望的感兴趣体积的函数。在另一实施例中，该设备探测正被扫描的感兴趣体积并选择得到针对期望的感兴趣体积的高图像采集速率的函数。在另一实施例中，该设备探测被扫描体积的边界并产生包括体积边界的扫描模式。
在另一实施例中，该医学成像设备是超声成像设备。在进一步的实施例中，该医学成像设备是三维超声扫描器。在另一实施例中，该医学成像设备是三维心脏超声扫描器。
图1是示出利用常规的矩形扫描模式对心脏进行扫描的示图；
图2是三维扫描参数的表示法；
图3示出利用超声元件阵列的扇形扫描的实现方式；
图4是示出通过使用元件阵列形成和操纵波束的一组示图；
图5是示出椭圆形扫描模式的示图。
此处的方法和装置应用于超声扫描应用，诸如心脏扫描，但是其他医学成像设备和其他目标器官也在本发明的范围内。
超声成像系统包括起到发射器和接收器作用的换能器。该换能器由单一元件或多个元件阵列组成。超声元件可以由若干材料制成，这些材料包括但不限于：压电晶体、锆钛酸铅(PZT)、压电材料和压电复合材料。在发射模式下，换能器将电信号转换成机械振动，该机械振动作为超声波被发射到身体内。在接收模式下，超声波的回波(反向散射)被转换成电信号，然后被处理。
常规的超声扫描方法已经使用矩形扫描模式。如图1所示，常规的矩形扫描模式对于超声心动图来说是低效率的，因为心脏不是矩形的，而当对期望的器官进行成像时，身体的不想要的区域被包括在内。这些不想要的区域的示例在图1中由用交叉排线画出阴影的三角形示意性表示。
图2是三维扫描参数的表示法。3D体积扫描的过程涉及以不同的φ(在图中用希腊字母Φ指示)值进行的采集和组合多个扇形扫描。修改参数φ(Φ)、θ(θ)和R以调节3D图像的尺寸、形状、位置和取向。在常规的矩形扫描模式中，θ是作为φ的函数的常数。在此处提供的本发明的实施例中，在扫描期间θ值作为φ的函数进行变化，以产生具有各种形状(诸如椭圆形)的模式以及在φ-θ平面中观察的具有各种尺寸的模式。可以修改帧表(frame table)以便说明每个切片取决于φ位置的θ范围。
在图3中示出通过超声元件阵列进行扇形扫描的实现方式。用一排矩形表示元件阵列，而用阴影矩形表示激励的元件。激励一个或多个元件以形成波束。也有可能通过机械地操纵单一元件进行扇形扫描，从而使得元件的焦点在期望方向上。这一波束(例如超声波束)在特定方向上行进通过身体，且由换能器接收回波。重复这一过程以创建感兴趣体积的图像。
通过相长干涉和对不同元件的定相(即叠加波中的相对相移)的控制来形成和操纵波束。当两个波的相加或组合导致波的幅值大于独立波的幅值时，发生相长干涉。图4中，画面A示出通过控制激励元件的定时来聚焦波束，这在相控超声阵列的实践中是众所周知的。首先激励元件1和5，接着激励元件2和4，然后激励元件3。图4中，画面B示出通过激励元件5、然后元件4、然后元件3、然后元件2且最终元件1来操纵波束到一侧(例如左侧)。Webb，Introduction to Biomedical Imaging 126-28(2003)。
在3D体积扫描中，典型模式是扫描一系列R-θ扇形切片，其中每个切片位于不同的φ位置。在此前执行的常规扫描中，每个切片的θ范围是恒定的。当在φ-θ平面中观察时，由以恒定θ值进行的扫描引起的模式是矩形。对于左心室从顶点位置起的心脏扫描，矩形扫描是低效率的，因为在φ-θ平面内左心室是椭圆形的(在很多情况下为近似圆形)。图1中图示说明了超声心动图中常规3D体积扫描模式的低效率方面。图1中用交叉排线画出阴影的三角形代表在感兴趣体积(即心脏)之外本来不必扫描的体积。扫描感兴趣体积之外的结果是增加了扫描所需的时间并降低了扫描的效率。因此，低效率的图像采集导致比期望的图像采集速率更低的图像采集速率。
为了提高效率，此处提供本发明的各种实施例采用椭圆形3D扫描。因此例如当在顶点视角上扫描左心室时，增加了3D扫描的体积速率，并且很少损失或不损失诊断效用。
此处提供的本发明的各种实施例通过修改扫描模式来提高图像采集速率，从而使θ成为φ的函数。相应地，如图5所示，椭圆形扫描模式便于更有效地对心脏进行成像，因为该成像模式的边界比常规的矩形扫描模式更紧密地逼近心脏的形状。除了椭圆形扫描模式，可以实现其他几何函数以便对具有不同形状的器官进行成像，例如产生包括但不限于圆锥截面和多边形的模式的函数。
针对需要维持感兴趣体积内多个子体积中的每一个的扫描时间一致性的应用，每个子体积的相同数目的扫描线可能是有用的。由于子体积在θ-φ平面内不再是矩形，因此需要针对每个子体积的更复杂的形状。更复杂的形状允许子体积分界线处的模式具有减少有时沿分界线观察到的暂时且不想要的伪影的作用。
此处提供的本发明的另外的实施例包括在用于心脏或其他器官的三维超声扫描器中实施上述方法的医学成像设备。这种设备的一些实施例允许用户从多个函数中选择一函数以生成用于扫描感兴趣体积的期望模式。这些设备的相关实施例选择适当的函数来有效地扫描期望的感兴趣体积和/或探测感兴趣体积的边界并设计出产生感兴趣体积的有效扫描函数的函数。
此外，很明显的是，可以想到本发明的其他和进一步的形式以及不同于上面描述的特定的示例性实施例的实施例，而不背离所附权利要求及其等价物的精神和范围，并且因此意欲使本发明的范围包含这些等价物，且说明书和权利要求意欲是示例性的而不应被解释为进一步的限制。

Claims (15)

1、一种以提高的采集速率扫描对象中的感兴趣体积的方法，所述方法包括：
扫描R-θ扇形切片，其中，R表示所述扇形的半径，θ表示所述扇形的角度并且是φ的函数，而φ表示所述R-θ切片的仰角位置，其中，以第一φ和θ值执行所述扫描；
使φ和θ改变到至少第二φ和θ值，其中，以所改变的值重复所述扫描，从而以与使用恒定θ值的扫描方法的采集速率相比提高的采集速率来采集至少一个图像。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述函数是分段函数。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述函数是不连续函数。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述函数产生θ值，从而使得当从φ-θ平面观察时，扫描模式是圆锥截面。
5、如权利要求4所述的方法，其中，所述圆锥截面是椭圆形。
6、如权利要求1所述的方法，其中，所述函数产生θ值，从而使得当从φ-θ平面观察时，扫描模式是多边形。
7、一种用于扫描对象中的感兴趣体积的医学成像设备，所述设备被设计为扫描R-θ扇形切片，其中，R表示所述扇形的半径，θ是φ的函数并且表示所述扇形的角度，而φ表示所述R-θ切片的仰角位置；并且所述设备还被进一步设计为在多个φ和θ值上改变φ和θ，并以改变得到的多个φ和θ值重复所述扫描，其中，所述设备以与使用恒定θ值的扫描方法的采集速率相比提高的采集速率来采集至少一个图像。
8、如权利要求7所述的设备，其中，从所述多个函数中选择至少一个函数以生成用于扫描所述感兴趣体积的期望模式。
9、如权利要求7所述的设备，其中，由用户选择要扫描的所述感兴趣体积。
10、如权利要求9所述的设备，其中，所述用户选择得到针对期望的感兴趣体积的最高图像采集速率的函数。
11、如权利要求7所述的设备，其中，所述设备探测正被扫描的感兴趣体积并选择得到针对期望的感兴趣体积的高图像采集速率的函数。
12、如权利要求7所述的设备，其中，所述设备探测被扫描体积的边界并产生包括所述体积的所述边界的扫描模式。
13、如权利要求7所述的医学成像设备，其中，所述设备是超声成像设备。
14、如权利要求13所述的医学成像设备，其中，所述设备是三维超声扫描器。
15、如权利要求13所述的医学成像设备，其中，所述设备是三维心脏超声扫描器。
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