TWI399195B - 動態立體血管超音波影像系統及其操作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種擷取與重建立體血管超音波影像的系統與方法，尤指一種動態顯示立體血管超音波影像的系統與方法。
超音波檢查的使用成本低廉而且屬於非侵入式的檢查，所以在醫學中廣泛地被應用。目前來說，通常使用手持式超音波探頭放置於患者身上並移動掃描。探頭中的壓電換能器產生2至13兆赫的聲波射入人體中；超音波探頭的振盪元件再接收由不同組織之間界面反射回探頭的回聲並轉換成電脈衝；電脈衝接著送至超音波主機，並處理成數字圖像。
目前被廣泛運用的超音波是2D的平面影像，所得之相關影像，若使用來診療的話，資訊顯得有些不足，其原因是因為超音波碰到鈣化的阻塞，音波的能量損失很大，所以動脈嚴重的阻塞和完全的阻塞較難區分。而動態三度空間的立體血管超音波影像，可以提供不同角度的診察，可以任意轉動觀察血管每個區位，能透析隨心臟跳動而收縮舒張的血管。如果血管收縮異常，透過一覽無遺的立體超音波影像，即可以精密查到是何處血管出現異常。
通常在作血管超音波觀察的影像都是由一連串的脈衝訊號來觸發取像時間。這一串脈衝訊號可以由心電圖、心跳、時鐘計時、或其他心臟相關資料來產生。心電圖中定義幾個波與區間，並且可以對應到心臟收縮和
舒張的狀態。像心電圖的R波可以代表心臟收縮的開始；而P波則代表的是心臟舒張的末尾。所以心電圖資訊非常適合做為血管收縮舒張的相位的參考依據。
美國專利証號US 7,302,286B2之內容如第一圖所示，主要設計要呈現會變形的器官的立體影像時，必須在相同的心跳相位下取得截面影像。最明顯的方式就是追蹤心電圖的R波。這篇專利所呈現的立體影像，可以使被觀察的器官在相同基準下做體積的計算。
美國專利証號US 6,692,438之內容如第二圖所示，使用心電圖裝置在特定幾個心跳相位時去觸發超音波裝置來取像並記錄心跳的相位，在想要撿查的區域記錄數個心跳週期，就可以產生一連串已知心跳相位器官超音波影像。
美國專利証號US 7,415,093之內容如第三圖所示的系統架構，在作電腦斷層掃描前，先用心臟超音波及心電圖來觀察計算心臟運動的週期。在作電腦斷層掃描時，同時分析心臟超音波影像及心電圖來做心跳相位的同步，並用來觸發電腦斷層取像的時機。電腦斷層掃描是利用人體組織對X光吸收的程度，來產生剖面圖片，所以用來做醫療診斷。
本發明提供一種血管超音波影像立體成像方法，其步驟包括：(a)取得一觀察對象的一心跳週期的一心跳時間；(b)取得該觀察對象的一血管的一連續位置的一系列超音波影像，其中該連續位置係由複數個單位位置組成，該複數個單位位置中的每一個單位位置之一超音波影像取像時間不小於該心跳時間，且該複數個單位位置
中的每一個單位位置均藉由一定位系統定位；(c)於步驟(b)中同時取得該觀察對象的一心電圖，其中該心電圖包含複數個心跳週期，該複數個心跳週期中的每一個心跳週期更包含複數個單位相位；(d)擷取每一個單位位置於時間上對應至該複數個心跳週期中相同單位相位之複數張超音波影像；及(e)重建步驟(d)中所擷取之該超音波影像以形成該血管在該連續位置的一立體超音波影像。
本發明更提供一種血管超音波影像立體成像裝置，其包括：一微處理器；一心電圖裝置，與該微處理器電連接，用以提供一心電圖，其中該心電圖包含複數個心跳週期，該複數個心跳週期中的每一個心跳週期更包含複數個相位；一超音波探頭，與該微處理器電連接，用以在一血管的複數個位置中的每一個位置上取得複數張超音波影像；及一定位裝置，用以定位該超音波探頭的複數個取像位置；其中，該微處理器用以擷取每一個單位位置於時間上對應至該複數個心跳週期中相同相位之複數張超音波影像，並重建該複數張超音波影像以形成一立體超音波影像。
本發明另提供一種血管超音波影像立體成像方法，其步驟包括：(a)取得一觀察對象的一心跳時間；(b)取得該觀察對象的一血管的一連續位置的一系列超音波影像，其中該連續位置係由複數個單位位置組成，該複數個單位位置中的每一個單位位置之一超音波影像取像時間不小於該心跳時間，且該複數個單位位置中的每一個單位位置均藉由一定位系統定位；(c)同時於步驟(b)中每一該超音波影像取像時間取得該觀察對象的一心電圖，其中每一該心電圖包含至少一心跳週期，每一該心跳週期更包含複數個單位相位；(d)擷取每一個單
位位置於時間上所對應的該心跳週期中相同單位相位之一超音波影像；及(e)重建步驟(d)中所擷取之該超音波影像以形成該血管在該連續位置的一立體超音波影像。
請參閱第四(A)圖，其為本發明實施例的擷取超音波影像之流程圖。在開始拍攝超音波影像(步驟11)前，先由心電圖資料計算被觀察者一個心跳週期的時間(步驟12)。接著，藉由一定位系統將一超音波探頭置放在欲觀察區域之一起始單位位置的皮膚上(步驟13)，而通常該定位系統為一馬達控制系統，且此時紀錄該超音波探頭所在之位置(步驟14)。隨後，開始紀錄該超音波探頭的在該起始位置上的一取像時間(步驟15)，同時透過該超音波探頭在該起始位置上開始連續攝影超音波影像約一秒鐘，也就是約略超過一個心跳週期的時間，此外，在同一取像時間內，也記錄此段取像時間內的心電圖資料(步驟16)。
請先參閱第四(B)圖，其為第四(A)圖步驟16所取得之心電圖及複數張平面超音波影像之例示圖。在第四(B)圖中，為方便說明，心電圖161包含複數個心跳週期，超音波影像162則是顯示在心電圖161所代表的取像時間內，在被觀察者之血管的同一位置上，所連續攝得之複數張平面超音波影像。換句話說，待該超音波探頭在不同位置進行步驟16後，將有複數組類似第四(B)圖之資料供後續成像程序使用。
請再參閱第四(A)圖，該超音波探頭在該起始位置之取像時間須確認是否超過一個心跳週期的時間(步驟
17)。若步驟17確認為「否171」，則該超音波探頭繼續在該起始位置取像；若步驟17確認為「是172」，則繼續確認該超音波探頭否已取得欲觀察區域內足夠的影像(步驟18)。若步驟18之確認結果為「否181」，則藉由該定位系統控制該超音波探頭移動至欲觀察區域內下一個單位位置(步驟19)，以再為進行步驟14至步驟18，如此不斷的重複移動該超音波探頭，在欲觀察區域內不同位置拍攝並儲存一系列超音波影像及心電圖資料，以獲得複數組類似第四(B)圖之資料，並同時記錄各不同位置之取像時間及位置，直到拍攝完欲觀察區域、也就是步驟18確認為「是182」後，結束該超音波探頭在欲觀察區域內的取像程序(步驟20)。其中，步驟14所紀錄之位置，包括該超音波探頭在各不同位置之位置，及該超音波探頭在各不同位置所取得之超音波影像之立體位置。這些位置資訊將可以提高後續立體血管超音波影像的精確度。
另外，將超音波探頭在同一位置連續取像超過一個心跳週期，乃因本發明在之後重建平面超音波影像時，以心電圖中的心跳週期作為時間軸，藉由擷取分屬於複數個心跳週期之相同相位所對應之超音波影像後加以重建，以形成屬於該相同相位之立體超音波影像。
在作動態立體血管超音波影像重建時，先依據如第四(A)圖中步驟16所紀錄的時間資訊，來同步所拍攝的超音波影像和心電圖資料，再取各位置上心電圖資料相同相位的超音波影像來做立體重建。
請參閱第五圖，其為本發明實施例之動態立體血管超音波影像重建的流程圖。在開始動態立體血管超音波影像重建(步驟30)時，首先初始一個在心電圖資料上所
欲追蹤的心跳相位(步驟31)。接著，分析在欲觀察區域中該起始位置上所紀錄的心電圖資料及所取得的平面超音波影像(步驟32)。隨後，在該起始位置所紀錄的心電圖資料中，追蹤步驟31已設定之欲追蹤的心跳相位，並藉由所紀錄的時間，取得在該起始位置上，欲追蹤的心跳相位所對應之平面超音波影像(步驟33)。
在取得在該起始位置上，欲追蹤的心跳相位所對應之平面超音波影像後，接著再確認是否尚有下一個超音波影像取像位置的資料須分析(步驟34)；若步驟34確認的結果為「是341」，則繼續分析下一個超音波影像取像位置所紀錄的心電圖資料及所取得的平面超音波影像(步驟35)，並繼續進行步驟33，以取得該取像位置上所對應至步驟31已設定欲追蹤的相同心跳相位之平面超音波影像。若步驟34確認的結果為「否342」，則表示在欲觀察區域中所有取像位置，對應於步驟31已設定欲追蹤的心跳相位之平面超音波影像已擷取完畢。接著，將在步驟33至步驟35所擷取、分屬於不同取像位置但對應於相同心跳相位之複數張超音波影像，作影像處理及立體重建(步驟36)。
在完成一個心跳相位的超音波影像立體重建、即完成步驟30至步驟36後，事實上，本發明即已完成該欲觀察區域、也就是一血管在某一時間點之精確的立體超音波影像。
請再參閱第五圖，當完成步驟36後，則再確認是否尚有需分析的心跳相位(步驟37)。若步驟37確認的結果為「是371」，則進行下一個要追蹤之心跳相位的設定(步驟38)。接著，於步驟38設定完成欲追蹤的心跳相位後，則進入步驟32至步驟36，進行對應於下一
個欲追蹤心跳相位的立體超音波影像，直至所有預設之對應於欲追蹤心跳相位的立體超音波影像均重建完成為止。此時，步驟37確認的結果將為「否372」。
關於前述欲追蹤心跳相位、擷取相對應的平面超音波影像並重建的過程，具體舉例而言，即如將同樣對應在心電圖P波上、但分屬於欲觀察區域內各不同位置的平面超音波影像取出，作立體超音波影像重建，並重複所述過程，重建對應在心電圖R波、T波等的立體超音波影像。
另外，由於在欲觀察區域內各不同位置拍攝超音波影像時，各取像時間均控制在約略超過一個心跳週期，所以在各不同位置上，將都能取出對應到心電圖周期各特定相位的血管平面超音波影像。
請仍參閱第五圖。最後，在分屬於不同心跳相位的立體血管超音波影像重建好之後，再依照心電圖週期的順序加以播放，就可以產生一組隨心跳而脈動的動態立體血管超音波影像(步驟40)。
請參閱第六(A)－六(C)圖，其為第五圖所述步驟之結果例示圖。第六(A)圖為步驟32及步驟33之結果，其可見已取得一平面超音波影像；第六(B)圖為步驟34→「是341」→步驟35→步驟33之結果，其顯示已取得對應於相同相位、但分屬於不同位置的複數張平面超音波影像；第六(C)圖則為為步驟36之結果，在經過分離出血管並畫出血管表面後，其已顯示該血管在某一心跳相位的時間點上所對應之立體超音波影像。
請參閱第七圖，其為本發明之一種血管超音波影像立體成像裝置50之示意圖，其中裝置50更包含一心電圖裝置51、一超音波探頭52、一定位裝置53、一微處
理器54及一顯示裝置55，其中微處理器54更包含一記憶體541，而心電圖裝置51、超音波探頭52、定位裝置53及顯示裝置55則均與微處理器54電連接。而藉由本發明之超音波影像立體成像裝置50，當可以執行第四圖及第五圖所述之步驟，而獲得一立體超音波影像及/或一動態立體超音波影像。
本發明之超音波探頭52可以依據欲觀察血管的位置，替換適宜的超音波探頭。此外超音波探頭52亦可執行B mode、M mode、direct color mode、power color mode、direct power color mode、spectral Doppler mode等的超音波拍攝模式。超音波探頭52所產生的超音波頻率可控制為2至5萬赫茲，拍攝時每秒張數依觀察血管離皮膚深淺而異，每秒約為20－30張。
在本發明實施例中，超音波探頭52的取像位置主要是由定位裝置53所控制，而定位裝置53可包含兩個馬達，一個馬達控制超音波探頭52沿著皮膚表面作直線的移動，另一個馬達可以控制超音波探頭52以探頭與皮膚接觸處為軸來旋轉。兩個馬達都有定位的方式可以定出超音波探頭52所在的位置。藉由超音波探頭52的位置以及旋轉的角度，可以精確的計算所拍攝之平面超音波影像上，每一個點所在的立體空間相對座標位置。另外，超音波探頭52可以搭配一懸吊系統，用以調整超音波探頭52之高度，而使得超音波探頭52適宜地貼在觀察對象的皮膚上。
另外，透過動態立體超音波影像之呈現，可以用來進行血管密度計算。詳細地說，在腫瘤裡面，血管的血液流動訊息可藉由Doppler頻移轉成影像，因此透過影像的血管密度即可進行量化。不過腫瘤的血管在灌流時
並非同時性，因此會造成在某一個時間點取像時，而有血管密度低估的情形。簡單說，即使在心臟出達最大時期(收縮期)，可以看到腫瘤血管最多時，仍有低估達30%以上的情形發生。因此必需根據心電圖時間軸，記錄不同時間點的腫瘤血管分佈。每次進行影像分析之前，所有影像會根據彼此之間的前後相似性進行位置偏移調整。影像偏移修正則採用連續影像的像素位置與其亮度進行捲積(Convolution)，尋找最大的相關係數來作為修正的依據。最後的選取血管分佈在數個週期之下的聯集。為了減少影像雜點誤判，可以採取心跳次數作為判別門檻。更清楚地說，一序列影像的相同區域出現血管訊號不超過心跳次數，應予以剔除。
此外，透過動態立體超音波影像之呈現，亦可以用來進行小動脈密度的計算。根據過去的臨床資料，小動脈對於腫瘤良惡性的判別有更顯著的差異。不過小動脈並不容易在Doppler頻移之下被分離。此外，血流是隨著心跳脈動式前進，因此更難以定義血流的平均流速。通常醫用超音波儀器為了濾除低頻的干擾，例如呼吸、血管壁的搏動等誤判為血流的訊息，而設計雜波高通濾波器(wall filter)。雜波高通濾波器是以流速約為2cm/sec為流速的門檻。本發明採取此雜波高通濾波器門檻進行小動脈的量化。由於血管是一直存在的，但是超音波能夠讓血管成像是基於流速超過雜波高通濾波器。因此，在收縮期的流速與流量較大的前提下，Doppler測得的血管體積為V(收縮)。而在舒張期測得的血管體積為V(舒張)。我們認為這中間的差異體積Vd＝V(收縮)－V(舒張)，為平均流速就在雜波高通濾波器約為2cm/sec為流速的門檻的動脈。本發明以人體腎臟為模型，進行驗證後如第八圖所示，確實能夠標定腎
臟周邊小動脈。若是取Vd計算的血管密度確實更能反映在腫瘤的良惡性上(n＝65,P<0.004)。
必須強調的是，上述實施例僅用以說明本發明之較佳實施方式，然而本發明之範圍當不受限於該上述之各項具體實施方式；且本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然不脫如附申請範圍所欲保護者。
11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39及40‧‧‧步驟
161‧‧‧心電圖
162‧‧‧超音波影像
171、181、342及372‧‧‧確認結果為否
172、182、341及371‧‧‧確認結果為是
50‧‧‧超音波影像立體成像裝置
51‧‧‧心電圖裝置
52‧‧‧超音波探頭
53‧‧‧定位裝置
54‧‧‧微處理器
541‧‧‧記憶體
55‧‧‧顯示裝置
第一圖為美國專利証號US 7,302,286 B2之代表圖；第二圖為美國專利証號US 6,692,438 B2之代表圖；第三圖為美國專利証號US 7,415,093之第二圖；第四(A)圖為本發明擷取超音波影像之流程圖；第四(B)圖為第四(A)圖步驟16所取得之心電圖及複數張平面超音波影像之例示圖；第五圖為本發明動態立體血管超音波影像重建的流程圖；第六(A)－六(C)圖為第五圖所述步驟之結果例示圖；第七圖為本發明之一種血管超音波影像立體成像裝置之示意圖；及第八圖為透過本發明標定腎臟周邊小動脈之結果圖。
30、31、32、33、34、35、36、37、38、39及40‧‧‧步驟
341及371‧‧‧確認結果為是
342及372‧‧‧確認結果為否
Claims (21)
- 一種血管超音波影像立體成像方法，其步驟包括：(a)取得一觀察對象的一心跳週期的一心跳時間；(b)取得該觀察對象的一血管的一連續位置的一系列超音波影像，其中該連續位置係由複數個單位位置組成，該複數個單位位置中的每一個單位位置之一超音波影像取像時間不小於該心跳時間，且該複數個單位位置中的每一個單位位置均藉由一定位系統定位；(c)於步驟(b)中同時取得該觀察對象的一心電圖，其中該心電圖包含複數個心跳週期，該複數個心跳週期中的每一個心跳週期更包含複數個單位相位；(d)擷取每一個單位位置於時間上對應至該複數個心跳週期中相同單位相位之複數張超音波影像；及(e)重建步驟(d)中所擷取之該超音波影像以形成該血管在該連續位置的一立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(f)重複步驟(d)及(e)以形成該血管在該連續位置的一動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該步驟(b)所述的該定位系統定位該複數個單位位置中的每一個單位位置之一立體位置，且該定位系統包含至少一馬達。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該步驟(b)所 述的該定位系統更將該複數個單位位置中的每一個單位位置之一定位資訊傳送至一微處理器運算及紀錄。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(f1)顯示該動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(e1)顯示該立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該步驟(b)在該複數個單位位置中的每一個單位位置上，取像20至30張超音波影像。
- 一種血管超音波影像立體成像裝置，其包括：一微處理器；一心電圖裝置，與該微處理器電連接，用以提供一心電圖，其中該心電圖包含複數個心跳週期，該複數個心跳週期中的每一個心跳週期更包含複數個相位；一超音波探頭，與該微處理器電連接，用以在一血管的複數個位置中的每一個位置上取得複數張超音波影像；及一定位裝置，用以定位該超音波探頭的複數個取像位置；其中，該微處理器用以擷取每一個單位位置於時間上對應至該複數個心跳週期中相同相位之複數張超音波影像，並重建該複數張超音波影像以形成一立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該微處理器 更重建分屬於不同相位之複數立體超音波影像以形成一動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第8或9項所述之裝置，其中該定位裝置更與該微處理器電連接，並將該複數個取像位置提供給該微處理器，用以計算該超音波探頭所取得的複數張超音波影像各自的立體空間位置。
- 如申請專利範圍第8或9項所述之裝置，其中該複數個位置為一連續位置。
- 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該裝置更包含一顯示裝置，用以顯示該動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該裝置更包含一顯示裝置，用以顯示該立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該超音波探頭在該複數個單位位置中的每一個單位位置上，取像20至30張超音波影像。
- 一種血管超音波影像立體成像方法，其步驟包括：(a)取得一觀察對象的一心跳時間；(b)取得該觀察對象的一血管的一連續位置的一系列超音波影像，其中該連續位置係由複數個單位位置組成，該複數個單位位置中的每一個單位位置之一超音波影像取像時間不小於該心跳時間，且該複數個單位位置中的每一個單位位置均藉由一定位系統定位；(c)同時於步驟(b)中每一該超音波影像取像時間取得該觀察對象的一心電圖，其中每一該心電圖包含至少一心跳週期，每一該心跳週期更包含複數個單位相位； (d)擷取每一個單位位置於時間上所對應的該心跳週期中相同單位相位之一超音波影像；及(e)重建步驟(d)中所擷取之該超音波影像以形成該血管在該連續位置的一立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(f)重複步驟(d)及(e)以形成該血管在該連續位置的一動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第15或16項所述之方法，其中該步驟(b)所述的該定位系統定位該複數個單位位置中的每一個單位位置之一立體位置，且該定位系統包含至少一馬達。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該步驟(b)所述的該定位系統更將該複數個單位位置中的每一個單位位置之一定位資訊傳送至一微處理器運算及紀錄。
- 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(f1)顯示該動態立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(e1)顯示該立體超音波影像。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該步驟(b)在該複數個單位位置中的每一個單位位置上，取像20至30張超音波影像。
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