CN206209898U - 三维心脏图像重建系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种三维心脏图像重建系统，该系统包括：数据采集设备，用于从心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据，从所述心脏核磁共振成像数据采集心跳运动和呼吸运动的混合信号；信号处理设备，用于对所述心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理，得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号；图像重建设备，用于根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将所述心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，重建三维心脏图像。由于本申请是基于频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号进行重建三维心脏图像的，从而提高了三维心脏图像的时间分辨率，稳定、高效的获得三维心脏电影图像。

Description

三维心脏图像重建系统

技术领域

本实用新型涉及图像处理技术领域，特别涉及一种三维心脏图像重建系统。

背景技术

缺血性心脏病是导致心脏衰竭的主要原因，已成为严重危害人类健康的重大疾病。目前，临床上一些缺血性心脏病的诊断主要基于典型的临床症状，再结合辅助检查，如常规心电图，心电图负荷试验和超声心动图等，以及通过测定心肌损伤标志物来判定是否有心肌坏死。然而这些方法都难以直观的显示梗死区域，明确心肌梗死的区域和范围。准确的评价心肌的功能和状态，对心肌缺血疾病的早期诊断及后续治疗，有着极其重要的意义和价值。因此，研究一种无创的心肌梗死部位成像方法，直观而准确的确定心肌梗死区域及范围大小，显得尤为重要。

目前，大鼠已经成为神经科学、心脑血管疾病、影像学、自主免疫疾病、癌症等研究的模式动物。大鼠不仅具有体型和易于实验操作等优势，而且在循环系统、解剖结构等方面比小鼠与人类更接近，已成为多种心脏疾病研究和药物评价的最主要的模型。因此如何准确评价大鼠心肌的功能和状态显得尤为重要。

超声心动图是常用的无创性心功能检查方法，可以连续评价心脏结构和功能，但也存在一定的局限性：对心脏构型进行假设，测量方法以数学模型模拟为主；图像分辨率差；不能直观显示心脏结构及心血管空间位置关系。同时，因为大鼠的心脏较小、心率较快，应用超声只能获得部分心功能参数，在评价大鼠的心功能准确性上受到了限制。

与其它医学影像技术相比，核磁共振成像(MRI)的软组织对比分辨率更高，它可以清楚地区分较高的心内膜、中等信号的心肌；MRI具有任意方向获得任意切面的能力，结合不同方向的切层，可全面显示心脏的结构，无观察死角；MRI测定心功能无需假设左心室的几何形状，尤其适合于心肌梗死等病变情况。MRI对心内膜及心外膜边界的高辨识性不仅使得室壁运动的观察成为可能，更能够准确测定室壁的增厚率以评价局部心肌功能。心脏MRI的临床应用曾经因为心脏检查过程中引入的心跳及呼吸等运动伪影而受到很大限制。心电门控和呼吸门控技术的出现，使得心脏MRI技术应用到各种心脏疾病的诊断和模型研究。然而此类门控导航技术依然有自身局限性：(1)大鼠的心脏较小、心率较快，施加心电门控和呼吸门控不易操作；(2)需要外部门控装置；(3)延长了实验准备时间，增加了实验的复杂性延长了扫描时间，并且增加了脉冲序列的复杂性；(4)心电门控信号一般通过心脏导联得到，梯度的快速切换和射频脉冲会严重干扰心电门控信号，场强愈高，干扰愈甚。因此，不使用门控导航条件下，如何抑制运动伪影，保证图像质量已成为大鼠心脏MRI进一步发展和应用的关键。

虽然心脏实时电影成像方法等快速成像技术的出现促进了心脏电影成像的发展，但是这类方法依然达不到三维心脏电影成像对于时间分辨率的要求，仍需要克服技术上的难点和瓶颈。近年来，心脏MRI领域出现了一种新的自门控心脏成像技术——心脏及呼吸自门控成像技术，该方法利用采集的心脏MRI数据获取心脏和呼吸运动信号，然后根据提取的心跳呼吸信号将心脏MRI数据重新排列至不同的运动时相中，以得到心脏图像。这种自门控的成像技术，既不需要心电触发，也无需被检者屏住呼吸，极大的提高了扫描效率。然而该自门控技术基本用于人体心脏成像，若用于动物三维全心成像，仍需要克服技术上的难点和瓶颈。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种三维心脏图像重建系统，以解决现有技术中三维心脏成像方法操作复杂、时间分辨率不足的技术问题。该系统包括：数据采集设备，用于从心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据，从所述心脏核磁共振成像数据采集心跳运动和呼吸运动的混合信号；信号处理设备，用于对所述心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理，得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号；图像重建设备，用于根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将所述心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，重建三维心脏图像。

在一个实施例中，所述信号处理设备是带通滤波器。

在一个实施例中，所述信号处理设备是现场可编程门阵列。

在一个实施例中，所述心肌缺血模型为大鼠心肌缺血模型。

在一个实施例中，所述数据采集设备是西门子核磁共振数据扫描仪。

在一个实施例中，所述图像重建设备是现场可编程门阵列。

在本实用新型实施例中，从大鼠心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据和心跳运动和呼吸运动的混合信号后，对心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，最后，根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，实现重建三维心脏图像。由于本申请是基于频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号进行重建三维心脏图像的，从而提高了三维心脏图像的时间分辨率，稳定、高效的获得三维心脏电影图像，使得有利于确定心肌梗死的区域和范围，有利于评价心肌的功能和状态，为临床诊断和治疗提供参考。此外，本申请的三维心脏图像重建系统无需外部心电门控及呼吸门控装置，有利于缩短实验准备时间，操作便捷。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种三维心脏图像重建系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种三维心脏图像重建系统的工作流程示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种采集心脏核磁共振成像数据的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种心跳运动信号和呼吸运动信号的示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种梗死心肌面积占大鼠心肌面积的比例的线性回归示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型实施例中，提供了一种三维心脏图像重建系统，如图1所示，该系统包括：

数据采集设备101，用于从心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据，从所述心脏核磁共振成像数据采集心跳运动和呼吸运动的混合信号；

信号处理设备102，用于对所述心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理，得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号；

图像重建设备103，用于根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将所述心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，重建三维心脏图像。

由图1所示可知，在本实用新型实施例中，从大鼠心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据和心跳运动和呼吸运动的混合信号后，对心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，最后，根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，实现重建三维心脏图像。由于本申请是基于频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号进行重建三维心脏图像的，从而提高了三维心脏图像的时间分辨率，稳定、高效的获得三维心脏电影图像，使得有利于确定心肌梗死的区域和范围，有利于评价心肌的功能和状态，为临床诊断和治疗提供参考。此外，本申请的三维心脏图像重建系统(即大鼠心肌缺血模型的自门控T1成像系统)无需外部心电门控及呼吸门控装置，有利于缩短实验准备时间，操作便捷。

具体实施时，上述信号处理设备102可以是带通滤波器。此外，上述信号处理设备102还可以是现场可编程门阵列(FPGA)器件，其通过运行主成分分析法PCA等方法来获取呼吸运动信号及心跳运动信号。

具体实施时，上述数据采集设备101可以是西门子核磁共振数据扫描仪(Tim TrioSiemens Erlangen Germany)，图像重建设备103可以是现场可编程门阵列(FPGA)器件，FPGA是一种半导体器件。

具体实施时，如图2所示，上述三维心脏图像重建系统的工作方法包括如下步骤：

(1)利用bSSFP序列，采用多回波的三维径向混合采集方式得到心脏电影成像数据(即上述心脏核磁共振成像数据)。具体表现为：层面选择方向采用笛卡尔采样方式，相位及频率编码平面采用径向采样。如图3所示(其中，DFT代表一维傅里叶逆变换)，沿层面选择方向编码完毕，旋转角度(112.2o)至下一个方向，继续按照笛卡尔采样填充，依次交替类推，直至获得全部的心脏电影成像数据。

(2)在心脏电影成像数据中，取每一层径向采样线的中间值(理论上的信号最大值，如图3中的标记(·)所示作为导航信号，经傅里叶逆变换至图像域(ZIP)，加权得到心跳运动及呼吸运动的混合信号S。假设层选方向像素个数为N_z，所对应的数值为I_z(z＝1，2……N_z)，则混合运动信号若每一层采样线数为N_r，则其中|·|为去绝对值函数。

(3)设计带通滤波器(大鼠心跳频率范围5HZ～9HZ，呼吸频率为1.1HZ～1.9HZ)，混合信号S经带通滤波器重复滤波，直至得到频率恒定的心跳运动信号Secg及呼吸运动信号Sresp。

(4)基于得到的频率恒定的心跳运动信号Secg及呼吸运动信号Sresp，将心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，重建得到三维心脏图像。

具体实施时，上述心肌缺血模型可以是动物的心肌缺血模型，例如，大鼠心肌缺血模型。

以下结合具体示例说明上述三维心脏图像重建系统的可行性。以大鼠心肌缺血模型为例，如图4所示，a表示基于小动物呼吸机(Consun Pharmaceutical Group Limited,GuangZhou，China)提取的大鼠心肌缺血后的心跳运动信号，b表示上述三维心脏图像重建系统提取的大鼠心肌缺血后的心跳运动信号，c表示上述三维心脏图像重建系统提取的大鼠心肌缺血后的呼吸运动信号。可见，上述三维心脏图像重建系统提取的心跳运动信号和呼吸运动信号频率更稳定，突破现有技术的瓶颈。

通过基于上述三维心脏图像重建系统提取的心跳运动信号和呼吸运动信号进行三维心脏图像重建，将重建的三维心脏图像与大鼠心肌切片相比较，如图5所示的梗死心肌面积占大鼠心肌面积比例的线性回归图，图5的横坐标代表利于本申请得到的心肌梗死面积占全部心肌面积的比例结果，纵坐标表示实验后利用病理解剖学得到的大鼠心脏切片心梗面积占全部心肌面积的比例；图5中方块代表利用本申请检测得到的心肌梗死面积占全部心肌面积的比例，一个方块代表一只大鼠的检测结果，即图5展示了5只实验大鼠的检测结果，直线表示利用线性回归分析得到的回归直线，该回归分析结果说明，本申请可以有助于准确确定心肌梗死的区域和范围，本申请重建的三维心脏图像中梗死心肌面积占大鼠心肌面积的比例与大鼠心肌切片中梗死心肌面积占大鼠心肌面积的比例较好的吻合。

在本实用新型实施例中，从大鼠心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据和心跳运动和呼吸运动的混合信号后，对心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，最后，根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，实现重建三维心脏图像。由于本申请是基于频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号进行重建三维心脏图像的，从而提高了三维心脏图像的时间分辨率，稳定、高效的获得三维心脏电影图像，使得有利于确定心肌梗死的区域和范围，有利于评价心肌的功能和状态，为临床诊断和治疗提供参考。此外，本申请的三维心脏图像重建系统无需外部心电门控及呼吸门控装置，有利于缩短实验准备时间，操作便捷。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维心脏图像重建系统，其特征在于，包括：

数据采集设备，用于从心肌缺血模型采集心脏核磁共振成像数据，从所述心脏核磁共振成像数据采集心跳运动和呼吸运动的混合信号；

信号处理设备，用于对所述心跳运动和呼吸运动的混合信号进行处理，得到频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号；

图像重建设备，用于根据频率恒定的心跳运动信号和呼吸运动信号，将所述心脏核磁共振成像数据重新排列至心脏的各个运动状态图像中，重建三维心脏图像。

2.如权利要求1所述的三维心脏图像重建系统，其特征在于，所述信号处理设备是带通滤波器。

3.如权利要求1所述的三维心脏图像重建系统，其特征在于，所述信号处理设备是现场可编程门阵列。

4.如权利要求1所述的三维心脏图像重建系统，其特征在于，所述心肌缺血模型为大鼠心肌缺血模型。

5.如权利要求1至4中任一项所述的三维心脏图像重建系统，其特征在于，所述数据采集设备是西门子核磁共振数据扫描仪。

6.如权利要求1至4中任一项所述的三维心脏图像重建系统，其特征在于，所述图像重建设备是现场可编程门阵列。