CN1069515C

CN1069515C - 全方向m型心动图方法及其系统

Info

Publication number: CN1069515C
Application number: CN 98125713
Authority: CN
Inventors: 林强
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2001-08-15
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: CN1225256A

Abstract

本发明公开了全方向M型心动图方法及其系统，它是将心脏B超序列图像实时采集并存入大容量存储机构内，而后提取出任意轴向的灰阶强度～时间关系波形。从而重建出心脏B超所能反映心脏内运动结构序列图像的任意部位变化的几何尺寸(含变形)和运动信息。这是有统一标准的运动信息数据而且可以各方向互相比较；这是只在心脏B超图像上目视目测所得不到的科学信息。

Description

全方向M型心动图方法及其系统

本发明涉及一种从心脏B超(或称超声心动图)序列图像中重建出新的动态信息的方法，特别是涉及到一种反映心脏结构活动与变形的灰阶强度～时间波形图的动态信息。

现有的心脏B超显像仪能显示心脏内部结构的截面相，通过其几何形态、大小等能揭示心脏内结构的病变，B超中的M型心动图补充揭示了其运动功能，这为诊断心脏疾病提供了一种行之有效的检查方法及装置，但由于其扫查成只能沿探头发出，并多是以此为顶点在扇形区城内摆动，因而M型心动图的扫查方向及部位受到很大限制，即不是超声波束方向就无法测量，且由于波束方向无法与心脏结构绝大部分的运动方向相同，如测量左室短轴似圆截而相时，严格讲只有通过中心一个波束的M型心动图是准确的，其他的波束或者测不准，或者无法测定。为了解决这一难题，实用新型专利：B型超声仪的全方位M型成象装置(其专利号为：95245560.9)提供了一种能解决目前M型扫查局限性的装置，它是由图象板、计算机及扫描控制电路组成，它是通过对现有B超诊断仪的视频输出图像实时数字化，在计算机控制下，对(图像板)帧存中的图像象素作重新变换处理，从而从一系列连续的B型图像中得到沿某方向的M型图像，该装置通过旋转、平移M型取样线，可以实时显示B型图像上任意位置、任意方向上的M型图像，从而摆脱目前常规M型扫查的限制、达到全方位M型效果，但也存在如下不足之处：(1)由于装置对帧存中的图像素作重新变换处理，所以要想得到准确的沿某方向的M型图像，必须在该方向上的象素点不被变换，其它的象素点必须被变换，那么被变换部分的图像必然发生失真，如果同时想再找出其它方向的准确的M型图像是不可能的；(2)由于该装置使用的图像板为加拿大MATROX电子系统有限公司生产的PIP1024B型号图像采集处理系统，故其价格昂贵，且其存贮功能靠板内帧存贮器来实现，导致其存贮器容量都在2M以下，所以无法保留多帧图像，这也是该技术要变换象素点的原因；(3)由于该装置的扫描控制电路是由分频电路、可编程定时器及地址译码电路等电子元器件组成，故会导致系统不可靠；(4)因为它只有某方向的M型图，通常情况下某方向M型图只涉及心脏的某一结构及一个部位，无法同步反映B超截面相所反映的各个结构不同部位的运动信息，这样就无法比较它们的运动幅度、速度和时相关系，从而大大影响了对心脏的局部及整体的功能分析和诊断。

本发明的目的在于反映心脏结构活动与变形的灰阶强度～时间波形图的动态信息的方法及其系统，即全方向M型心动图方法及其系统。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

全方向M型心动图方法是通过如下步骤来实现的：

1．实时对B超的序列图像进行采集；

2．将所采集的图像数据实时地传输并存贮到大容量存贮器内；

3．重建全方向M型心动图，即

1)、定取样线：通过软件操作模块(58)，调出内存已存贮的帧页图像数据并显示于屏幕，而后根据鼠标选择自动方式或手动方式在图像上画出任意多特定的方向线段，若选择自动方式，则只需确定一个中心，软件操作模块(58)会自动生成均匀的12个要生成M型心动图的方向线段；若选择手动方式，则可用鼠标于图上任意位置以橡皮筋式画出任意多个方向线段；

2)、在上述取样线段上先确定其象素点的坐标，然后将该坐标翻译为存入大容量存贮器中各帧图像存贮器的地址；

3)、读出该地址的内容，该内容就是这方向线段轨迹相迂的象素点的灰阶强度值。

4)、各帧在这对应线段上的所有灰阶强度集合组成M型心动图。

本发明的系统包含输入设备、图象采集卡、监示器、微机，其特征是它还包含控制软件，图像采集卡为高速图像采集卡，它插在微机PCI总线的扩展槽内，其输入端处连接有输入设备，控制软件包含图像采集模块及全方向M型心动图重建模块，视频信息由高速图像采集卡的输入端输入后，经该卡的多路开关选择一路滤波后，由A/D变换采集，变换为数字图像信息，通过PCI总线实时地直接传输到计算机中大容量存贮器内存，控制软件分别对图象采集进行控制及进行M型心动图重建。

本发明能实现在心脏B超序列截面图像所显示心脏各结构的任意部位，能同时保存多帧图像，且由于采用不变换象素的重建M图方法，故不会使B超截面图像发生失真，并能同时显示出所有方向的M型心动图，故能同步反映B超截面相所反映的各个结构的不同部位的运动状态，这样就能准确地测量和比较它们的运动幅度、速度和时相关系，从而大大提高了对心脏局部及整体的功能诊断水平；此外由于本发明采用控制软件，故大大增加了系统的可靠性，而且本系统造价低廉，易于普及推广使用。

下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为原心脏B超内设置的监示式M型心动图探测的波束方向和其结构各部位的运动方向比较图。

图2为任定OF运动路径方向线段的象素点确定图。

图3是本发明全方向M型心动图系统结构方框图。

图4是本发明高速采集、传输到大容量存贮器单元方框图。

图5是本发明主要控制软件的结构图。

图6是全方向M型心动图重建流程图。

图7是本发明自动操作的实际结果图例。

图8是本发明手动操作的实际结果图例。

在心脏B超中原设置的监示式M型心动图是被限制重重的，它是依据来自从体外的探头向内一个选择超声波束(固定的方向)所探及的心内结构的位置，这位置超声反射波调辉形成的灰度亮点被监示这段时间拉开成灰度～时间波形。图1表示相控阵或一般扇超的心脏B超比较常见截面相的左室短轴图像(a)和长轴方向图像(b)，图中虚线表示原B超中M型心动图被限制的允许选择的波束方向；实线箭头表示心脏内各结构各部位腔壁的实际运动方向。由图可知，这两图仅有OA[5]，O′A′[8]两束的灰度(亮点)～时间波形图(即监示式M型心动图)基本可以反映这两个结构四个位置的运动情况，其他波束基本上都无法反映被探及该位置的运动，因为其运动方向和波束方向差异很大，所以该波束每帧所探及是该结构的位置是不同的，这样的探测波形是没什么意义的。甚至最常用的O′B，[12]束(即左房、主动脉、肺动脉四线M型心动图)，它所提供的腔径还具有不小的误差。即使国外最新型心脏B超引用多普勒频移去作粗略的室壁运动估计，由于收发都是通过探测波束，所以它也只能较好地发现探测方向的一些运动情况，因此和上面一样地也受探测束方向限制。

为了解决这问题，本发明采用先确定运动路径即图1中的实线方向线段，而后从由所有超声波束生成的心脏B超序列截面像的每帧图像数据中去重建出这运动路径方向线段上的灰度亮点(它反映了结构轮廓)，这些灰度亮点被序列图像这段时间的每帧展开也形成了相似M型心动图的波形，但由于这时的方向是可以任意的(按照运动的趋势人为来确定)；并且由于同帧上的灰度亮点可看成同时刻，这样所有被选择的方向线段上的灰度亮点波形可看成是同步、可相互比较的波形，所以发明人把本发明称为全方向M型心动图(在我们实现的系统中，运动路径方向线段是采用鼠标画白线段的方法来实现)，其特色在于“全方向”。

由于全方向M型心动图的检测方向就是心脏结构被探测位置的运动方向，因此每帧跟踪的位置基本上是同一位置，所以它真正反映了心内结构某处(位置)的运动状态，而且可以多方向同步、比较各结构、各不同位置的运动状态。为此，这样的动态信息，对心脏各结构不同部位的形变、运动等的机能分析具有了极为重要的意义。

根据上面叙述的全方向M型心动图的方法，实现本发明的专用系统设置应主要解决以下二个问题：其一，它应有一个能将一定时间段心脏B超序列运动图像实时采集并传输到大容量存贮器的硬件设备，才能保证重建的全方向M型心动图的真实性，可信性和科学性；其二是序列图像某一帧图像上运动路径方向线段的象素点灰阶强度值的取得，这是重建全方向M型心动图的最关键技术。依据上述要求，如图3所示本发明的专用系统是由输入设备[20]，高速图像采集卡[24]、监示器[28]、微机[35]含显示器及激光打印机[48]及控制软件组成，微机选择在奔腾586-166以上，PCI总线，内存为64MB，这样若传输图像的时间段掌握在二个呼吸周期(约6秒)，按PAL制(即25帧/秒)计算共有150帧序列图像，一帧黑白图像约0.3MB，若需45MB容量的存贮器；高速图像采集卡采用大恒公司生产的Video-PCI-SM黑白高速图像采集卡，它的A/D的采样频达到14.75MHZ图像采集最大分辩率PAL制式达到768×576×8bits；通过PCI总线传到VGA卡实时显示或传到计算机内存、实时存贮，其传输速度达到40MB/秒，所以可以用微机内存为图像大容量存贮器。因此，这样配置足以达到图像的实时采集并传输到大容量存贮器的要求，而且大大简化了全系统的设置。整个全方向M型心动图系统硬件部分最重要的是高速采集和传输单元，它完成了序列图像数据的实时采集和实时存贮进内存、保证了M型心动图真实和可信。如图4所示，这里的输入设备允许直接从心脏B超的视频输出端或录放像机的视频输出端接进Video-PCI-SM图像卡的二个输入端口，由多路开关选择一路滤波后进行A/D变换(即进行采集变成数字序列图像)，通过PCI总线[40]存入微机内存。高速采集传输单元的工作是微机通过控制软件[30]进行操作的，如图5所示。控制软件[30]是由图像、图形一般操作函数模块[50]、序列图像实时采集存入内存模块[53]、鼠标操作函数模块[56]，全方向M型心图重建模块[58]、心动图测量与数据表格形成模块[60]及打印和显示控制模块[64]组成，控制软件分别对图像采集进行控制及进行M型心动图重建，输入设备输出的视频心脏B超序列图像通过高速图像采集卡[24]，在微机控制下直通VGA卡[46]后在计算机显示器显示输入设备的图像。当操作者选定要做全方向M型心图的序列图像时，按下采集操作键、控制软件[30]命令PCI高速图像采集卡[24]对n(其取值范围是150～200)帧图像进行了实时采集，并通过PCI总线[40]实时存入微机系统的内存[38]。由于该图像卡在采集时无法同时向VGA卡[46]传递图像，所以系统中设置监示器[28]以监示此刻被实时采集的序列图像，若操作者满意就保存这序列图像数据150～200帧于内存[38]；若不满意则重新采集。采集到内存[38]的是从采集键按下算起5-8秒时间段内的数学序列的图像数据(如果要继续采集新的序列图像时则将这数据形成文件存入硬盘，待到要形成全方面M型心动图时再通过PCI总线[40]传输到内存来)；要生成全方向M型心动功能键按下时，由控制软件[30]根据鼠标操作[56]的方向线段，生成其轨迹于各帧页的坐标位置集转为帧序和内存[38]地址并提取其灰阶强度值。重建的全方向M型心动图通过VGA卡[46]直接显示在微机显示器上，并可被激光打印机打印；结合鼠标操作[56]对显示的M型超声心动图作一些参数测量，并形成表格可被激光打印机[48]打印。

图6为全方向M型心图重建单元的软件流程图，(1)定取样线：当软件控制进行重建全方向M型心动图操作时，它将序列图像调到显示屏上根据操作者对心脏结构和运动的判断作出手动或自动的选择(只有在左室短轴截面相关较均匀离、向心运动的情况才好选择自动，一般则选择手动)。自动主要是用鼠标选择中心，和从所有序列图像连续显示的检验中确定是否要纠正中心位置。当确定好中心后，软件会自动生成均匀的12个要生成M型心动图的方向线段及其全方面M型心图如图7所示，它们显示出左室短轴截面序列图像以中心为参考自动形成12个方向的6～7个周期的同步心动波形，波形图上方为中心；当选择手动时，这时应用鼠标以橡皮筋式画出方向线段，同时可以利用序列图像运动来提示方向线段的修改。

(2)在确定各帧各选择方向的线段后，确定出线段的各象素点的坐标，并补上需要的最邻近平均插补点，然后将该坐标翻译为存贮器的地址。图2为任定OF运动路径的方向线段的象素占确定图。如图2民示，OF[5]是我们确定的方向线段，对于数字化后图像，它不可能正好通过X、Y轴都为整数的交叉点处(此处才有灰阶强度值)，所以只能用最邻近点如S₁、S₂、S₃…，S₇来作为象素点坐标位置，再通过它们转换为存储器地址的内容(即灰阶强度值)。这里我们采用4舍5入近似算法确定象素点位置，这样的误差在0.5象素点间距左右，假如轴向用500点代表20cm心脏内容距离，则象素点间距约为0.4mm，所以这样的误差相当心脏内0.2mm长度，这数据小于超声检测灵敏度，所以不会影响检测结果的；从图2还可得出，OF[15]通常在于X轴的“7”或Y轴的“4”(因为它是直角三角形的斜边)。但作为全方向M型心动图OF[15]就是(和XY轴一样)轴向，如图2实例它应恢复为8.06(4舍5入后取8)象素点间距长度，包括原点O，它应有9个象素点，按图上的象素点只有0,S1,…,S7共八个，所以必需补一个象素点，我们用最邻近(灰阶强度值)平均插补法补上这点，以达到9点。当通过鼠标确定手动或自动选向选择后得到的方向线段被修改最后确定后，由鼠标操作函数[56]自动将该方向线段相遇最邻近素象素点坐标集提取出来，并转换为大容量存贮器[38]的存贮地址，以致得到他们相应单元内容，即象素点的灰阶强度，再根据象素点序和方向线段OF[15]比较确定插补点序，并以最邻近象素点灰阶强度平均值补为该点的灰阶强度。

(3)读出该地址的内容，该内容就是这方向线段轨迹相遇的象素点的灰阶强度集。

(4)将象素点灰阶强度集按帧序集合，由于各帧时间间隔是相同的，即为1/25秒，从而构成各方向线段所对应的相互同步的多列全方向M型心动图。得到全方向M型心动图后，再借助鼠标通过控制软件的参数测量、制表单元[60]可以得到医学所需的参数，如腔径、移动量、速度等测量参数并形成有关的各种科学数据表。本发明是在序列图像中重建出按人定任意方向的灰度(轮、廓、边界)～时间波形，所以这种方法可同样适用于医学其他动态序列图像(不仅仅是超声图像)的视频输出，同样可以形成基于轮廓的灰阶强度一时间波形，从而获得人体内部脏器结构的运动信息和有关参数。

Claims

1、一种全方向M型心动图方法，其特征在于它包括下列步骤：

(1)、实时对B超的序列图像进行采集，即：

1)、确定连续采集图像帧数n；

2)、采集启动；

3)、操作图像卡；

4)、将n帧图像进行采集并传输到内存；

5)、回放被采集的图像；

6)、确定采集图像是否合格，若合格则将n帧图转存硬盘，若不合格则重新采集；

(2)、将硬盘的图像数据传输到大容量存贮器内；

(3)、重建全方向M型心动图，即：

1)、定取样线：通过软件操作模块(58)，调出内存已存贮的n帧原图像数据并显示于屏幕，而后根据鼠标选择自动方式或手动方式在图像上画出任意多特定的方向线段，若选择自动方式，则只需确定一个中心，软件操作模块(58)会自动生成均匀的12个要生成M型心动图的方向线段；若选择手动方式，则可用鼠标于图上任意位置以橡皮筋式画出任意多个方向线段；

2)、在上述取样线段上确定其象素点的坐标，然后将该坐标翻译为存入大容量存贮器中各帧图像存贮器的地址；

2、根据权1所述的全方向M型心动图方法，其特征是所述的连续采集图像帧数n的取值范围是150～200帧。

3、根据权利要求1所述的全方向M型心动图方法，其特征是所述的确定象素点的坐标包含如下步骤：

(1)、操作软件[58]将确定的方向线段由鼠标操作函数[56]自动将该方向线段的最邻近象素点O、S1、S2…S7的坐标确定下来，并在存贮器中读出该内容即灰阶强度值；

(2)、操作软件[58]判断方向线段的实际长度若比最邻近象素点数长时则确定插补点数和插补点序(即位置)，其内容即灰阶强度用上、下最邻近象素点灰阶强度的平均值代替。

4、一种全方向M型心动图系统，它包含输入设备[20]、图像采集卡[24]、监示器[28]、微机[35]含显示器及激光打印机[48]，其特征是它还包含控制软件[30]，图像采集卡为高速图像采集卡，它插在微机PCI总线的扩展槽内，其输入端处连接有输入设备[20]，该输入设备[20]是一心脏B超视频信息源，或是一录放相机视频信息源，控制软件[30]是由图像、一般操作函数模块[50]，序列图像实时采集模块[53]、鼠标操作函数模块[56]、全方向M型心动图重建模块[58]、心动图参数测量与数据表格形成模块[60]及打印和显示控制模块[64]组成，视频信息由高速图像采集卡的输入端输入后，经该卡的多路开关选择一路滤波后，由A/D变换采集，变换为数字图像信息，通过PCI总线实时地直接传输到计算机中大容量存贮器内存，控制软件分别对图像采集进行控制及进行M型心动图重建。