專利名稱：介入式超聲硬度彩色成像法及介入超聲心肌硬度彩色成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及介入微創(chuàng)信息獲取技術(shù)，涉及人體及動(dòng)物活體心肌硬度參數(shù)獲取，彩色成像顯示方法及超聲診斷儀器。具體是一種利用導(dǎo)管介入方法，通過在人或動(dòng)物活體心肌上獲取并分析組織應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，從而得到活體組織硬度指標(biāo)或根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出心肌的楊氏模量，并據(jù)此進(jìn)行計(jì)算機(jī)彩色編碼直接顯示心肌整體硬度及硬度分布信息的方法。所獲取的信息有益于協(xié)助醫(yī)學(xué)研究和為臨床診斷提供參考。本發(fā)明同時(shí)涉及用于活體心肌硬度信息獲取及成像顯示的專門儀器—介入超聲心肌硬度彩色成像儀。
背景技術(shù)：
近年來舒張性心力衰竭(DHF)日益受到重視。據(jù)調(diào)查在左室功能不全中，舒張性心功能不全約占30％，而在高齡和女性患者則比例更高。據(jù)估計(jì)美國(guó)用于治療DHF的費(fèi)用約占全部心衰治療費(fèi)用的四分之以一，達(dá)150-400億美元；而在我國(guó)單純性DHF患者也至少400萬，與之不相適應(yīng)的是舒張性心力衰竭的診斷方法至今不夠明晰，目前多采用排除法進(jìn)行診斷。美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)認(rèn)為“DHF的精確診斷非常困難”，學(xué)界急切呼喚新的診斷方法和標(biāo)準(zhǔn)。故探討新的、更為直接的評(píng)價(jià)心臟舒張功能的方法具有十分重要的科學(xué)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。
心臟舒張功能降低是由于心室肌僵硬度增加或/和心室肌主動(dòng)松弛性能降低所致，心肌的主動(dòng)松弛障礙一般伴隨冠心病等可明確診斷的疾病，且可被順應(yīng)性良好的心肌進(jìn)行代償。因此，獲取心室肌僵硬度的變化值即心室肌被動(dòng)形變屬性在臨床學(xué)診斷及研究中有著十分重要的意義。目前評(píng)價(jià)舒張功能的方法可靠性均較不滿意。人們認(rèn)為較可靠的用心導(dǎo)管法測(cè)量舒張期時(shí)間常數(shù)等，主要從血流動(dòng)力學(xué)水平進(jìn)行研究，所反映的心室僵硬度(dP/dV，stiffness)體現(xiàn)左心室容積的變化與壓力變化的關(guān)系，但當(dāng)心臟腔室徑增加時(shí)其值降低，難以正確反映心室肌的被動(dòng)物理屬性。尚缺乏在活體直接檢測(cè)心肌硬度(hardness，反映心肌在受到應(yīng)力作用發(fā)生應(yīng)變的能力)，心肌的這一被動(dòng)彈性特征與患者癥狀直接相關(guān)。心肌細(xì)胞和間質(zhì)結(jié)構(gòu)異常是其被動(dòng)力學(xué)屬性改變的主要原因。如心肌細(xì)胞的骨架蛋白異常，細(xì)胞外基質(zhì)纖維蛋白的量和比例、以及含水量發(fā)生改變導(dǎo)致心肌彈性改變是發(fā)生DHF的主要原因。此外，如心肌梗死后瘢痕形成和肥厚梗阻型心肌病等局限性結(jié)構(gòu)異常也會(huì)使局部心肌硬度增加。目前，也缺乏評(píng)價(jià)心肌局限性的硬度異常，如室壁瘤、心室瘢痕，非對(duì)稱性肥厚的有效方法。
心臟的舒張功能主要由于硬度決定，心肌硬度表現(xiàn)為舒張期對(duì)壓力變化產(chǎn)生形變能力。為了迅速直觀并較全面地顯示心肌的硬度情況及其分布，故本發(fā)明借助觀察局部心肌對(duì)心室壓力變化引起形變的能力，或在心臟舒張中晚期某一時(shí)段通過導(dǎo)管注入生理鹽水，使其心腔內(nèi)壓力升高，檢測(cè)心肌對(duì)心室壓力上升產(chǎn)生形變的能力。發(fā)明這種新型的心臟硬度信息成像技術(shù)—介入超聲彩色心肌硬度成像。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種介入式超聲心肌硬度彩色成像法，通過借助承載微型超聲探頭及壓力傳感器的介入式導(dǎo)管，進(jìn)入心腔非接觸式獲取活體心肌硬度指標(biāo)并將及其分布通過彩色成像法直觀的顯示。
本發(fā)明的目的之二是提供一種介入超聲心肌硬度彩色成像儀。
為實(shí)現(xiàn)上述目的一，本發(fā)明采用的技術(shù)方案一是這樣的，即一種介入式超聲硬度彩色成像法，方法包括以下步驟(1)、建立承載有壓力傳感器及高頻超聲換能器結(jié)構(gòu)的介入導(dǎo)管；(2)、上述介入導(dǎo)管的工作方式由以下方式之一或其組合a.由上述導(dǎo)管承載的壓力傳感器測(cè)量心腔內(nèi)壓力變化量；通過可在體外操控的上述介入導(dǎo)管使其延伸到被檢心腔，在檢測(cè)點(diǎn)通過導(dǎo)管頂端超聲換能器發(fā)射聲波環(huán)周接收心腔壁回聲，并顯示；根據(jù)超聲換能器接受介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化率的不同，獲取檢測(cè)點(diǎn)在某一聲束方向不同時(shí)刻測(cè)量的心腔壁厚度，并以此獲得該方向的厚度形變率；通過超聲換能器在檢測(cè)點(diǎn)獲取的沿環(huán)周切面上各點(diǎn)的心腔壁厚度；b.通過所述介入導(dǎo)管向心腔注入生理鹽水，使容積增加，同時(shí)進(jìn)行上述測(cè)量和計(jì)算獲得厚度形變率測(cè)量和壓力變化量；(3)、根據(jù)上述壓力變化量與所述切面各點(diǎn)厚度形變率之間的比值來表征該切面各點(diǎn)硬度的大小。將獲得某一切面各點(diǎn)心肌硬度值通過查表方式彩色編碼重建成二維彩色硬度圖。
(4)、以心電圖R波作為觸發(fā)指令控制步進(jìn)電機(jī)，由其帶動(dòng)超聲導(dǎo)管在被檢心腔內(nèi)等距或定距移動(dòng)，分別獲得各層面同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖，將獲得的一系列同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法建成三維彩色硬度圖形。
為實(shí)現(xiàn)上述目的一，本發(fā)明采用的技術(shù)方案二是這樣的，即一種介入式超聲硬度彩色成像法，方法包括以下步驟(1)、建立承載由壓力傳感器及超聲換能器結(jié)構(gòu)的介入導(dǎo)管；(2)、通過可在體外操控的上述介入導(dǎo)管使其延伸到被檢心腔的檢測(cè)點(diǎn)，在檢測(cè)點(diǎn)通過導(dǎo)管頂端超聲換能器發(fā)射聲波環(huán)周接收心腔壁回聲，并顯示；通過導(dǎo)管頂端的超聲換能器發(fā)射聲波并接收回聲，根據(jù)超聲換能器接受介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化的不同，自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)外壁；當(dāng)心腔內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)用局部信號(hào)追蹤技術(shù)分析某單一聲束內(nèi)各部分的位移量，從而得到壓力變化前后沿心壁深度方向各部分組織形變量，將分析環(huán)周各聲束得到的局部形變量的分布組合在一起就得到一橫切面上的形變分布圖，根據(jù)同時(shí)測(cè)得的腔內(nèi)壓力，也可計(jì)算出心臟組織局部的彈性模量，從而得到彈性圖，將局部的形變值或彈性模量值賦予彩色編碼就可以得到彩色硬度分布圖。所述局部信號(hào)追蹤技術(shù)為選自以下集合的其中之一時(shí)域互相關(guān)技術(shù)，時(shí)域自相關(guān)技術(shù)，過零點(diǎn)追蹤法，頻域相關(guān)法或它們的組合。
(3)、以心電圖R波作為觸發(fā)指令控制步進(jìn)電機(jī)，由其帶動(dòng)超聲導(dǎo)管在被檢心腔內(nèi)等距或定距移動(dòng)，按前訴方法分別獲得各層面同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖，將獲得的一系列同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法建成三維彩色硬度圖形。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，即一種介入超聲心肌硬度彩色成像儀，包括超聲心肌硬度成像導(dǎo)管和主機(jī)，超聲心肌硬度成像導(dǎo)管其中之一的特征是導(dǎo)管的頭端固定有高頻超聲換能器；所述導(dǎo)管的內(nèi)還裝有壓力傳感器，導(dǎo)管前端有側(cè)孔；所述超聲換能器電纜供電線及信號(hào)線和壓力傳感器信號(hào)線由導(dǎo)管末端穿出與主機(jī)連接。
安裝在導(dǎo)管頭端的所述超聲換能器由單晶陣壓電陶瓷構(gòu)成，或由能各自獨(dú)立工作的多晶陣壓電陶瓷，在導(dǎo)管的前端構(gòu)成環(huán)形探測(cè)面構(gòu)成。所述導(dǎo)管可以為雙層結(jié)構(gòu)，環(huán)狀超聲換能器通過其背材固定在導(dǎo)管前端的內(nèi)層上，所述超聲換能器電纜供電線及信號(hào)線和壓力傳感器光纖由導(dǎo)管夾層穿過，并由導(dǎo)管末端前段電纜及光纖分線口處穿出與主機(jī)連接。導(dǎo)管的末端連接高壓注射器，或連接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)連接端、或穿入導(dǎo)引鋼絲。
所述主機(jī)包括超聲放大器、光纖信號(hào)調(diào)理器、心電放大器、超聲信號(hào)發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制板、中央控制CPU、控制面板、顯示器。
上述裝置的工作原理是這樣的所述超聲信號(hào)發(fā)生器在中央控制CPU控制下激勵(lì)超聲換能器發(fā)射超聲信號(hào)，環(huán)狀超聲換能器接收的超聲信號(hào)與中央控制CPU數(shù)據(jù)輸入端連接，超聲換能器接收到的信號(hào)經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制CPU，光纖壓力傳感器測(cè)量的壓力信號(hào)，通過光纖信號(hào)調(diào)理器傳輸給A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制CPU，將其獲得被檢測(cè)心腔壁厚度的形變量及壓力值通過計(jì)算得出硬度值，并將該值通過計(jì)算機(jī)以查表方式彩色編碼重建成二維彩色硬度圖。通過顯示器以色彩及色彩亮度的不同直接顯示。心電放大器實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制，顯示心電圖曲線。
中央控制CPU根據(jù)心電圖R波觸發(fā)動(dòng)作指令給步進(jìn)電機(jī)控制板，步進(jìn)電機(jī)控制板發(fā)出脈沖輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)超聲導(dǎo)管后退。從而獲得一系列從心尖到心底同時(shí)相的二維心肌硬度圖形，將獲得的一系列同時(shí)相的二維心肌硬度圖形利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法疊加重建成三維心肌硬度圖。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明產(chǎn)生的積極效果是(1)、導(dǎo)管化可同時(shí)直接獲得壓力及心肌形變的準(zhǔn)確資料借助心導(dǎo)管技術(shù)平臺(tái)，按心導(dǎo)管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很容易通過血管鞘安全地進(jìn)入心腔。通過導(dǎo)管的延伸可探測(cè)不同層面心肌組織硬度(2)、可操控性有效實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層面心室心肌組織硬度的獲取步進(jìn)電機(jī)實(shí)行可操控檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同層面心肌組織硬度資料獲取，為局部心肌組織硬度檢測(cè)提供方法。
(3)、直觀顯示心肌硬度，利用本方案提供的軟件，并可直接計(jì)算出該點(diǎn)心肌的楊氏模量，將硬度值編碼并以色彩及色彩亮度的不同直觀的形式在熒屏顯示心肌硬度及硬度分布狀態(tài)。為科學(xué)研究和臨床組織硬度及硬度分析提供直接、便捷的方法。


圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖之一；圖2為導(dǎo)管頭端的剖面放大示意圖之一圖3、4、5、6分別為圖2的A-A、B-B、C-C、D-D剖面示意圖；圖7為本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)原理圖之一；圖8為網(wǎng)格平滑化的算法的示意圖。
參見附圖圖中1—導(dǎo)管頭、2—導(dǎo)管體、3—電纜及光纖分線口、4—導(dǎo)管尾、5—壓力光纖、6—超聲換能器電纜線、7—匹配層、8—壓電陶瓷、9—超聲換能器背材、10—導(dǎo)管壁、11—光纖壓力傳感器、14—導(dǎo)管壁側(cè)孔、15—壓力傳感口、16—填充層、17—導(dǎo)管腔。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1介入式超聲心肌硬度彩色成像法對(duì)超聲心肌硬度超聲導(dǎo)管的基本要求實(shí)施例中，超聲導(dǎo)管的外形尺寸類似于心室造影導(dǎo)管。導(dǎo)管外徑6-8F，借助血管鞘可經(jīng)股動(dòng)脈、橈動(dòng)脈等途徑進(jìn)入左心室，經(jīng)股靜脈可進(jìn)入右心室。
檢測(cè)導(dǎo)管的操作與心室造影導(dǎo)管相似。通過對(duì)其被檢心室到達(dá)的不同深度而獲得其相應(yīng)層面心肌的硬度參數(shù)。
所述導(dǎo)管頂端安裝由高頻、能各直獨(dú)立工作的多晶陣壓電陶瓷構(gòu)成的環(huán)形超聲換能器，探測(cè)出心內(nèi)膜和心包并根據(jù)某一時(shí)間段壓力的變化而引起的心內(nèi)膜及心包之間距離變化獲得心肌組織形變量。也可在心臟舒張期的某一時(shí)段通過導(dǎo)管注入生理鹽水，使心室容積增加，獲得心室壁壓力變化引起心室壁厚度變化值，前述兩方法也可結(jié)合使用。
我們使用心肌組織受到的壓力變化量與厚度形變率之比來表征組織的硬度。即ΔP/ε(ΔP＝P2-P1ε＝(L2-L1)/L1)來表征組織硬度。用超聲導(dǎo)管檢測(cè)心室自身壓力變化時(shí)引起心肌組織形變量率即ΔP/ε來表示其硬度，如兩相鄰時(shí)刻的心室壓力值P1＝10mmmHg，P2＝5mmHg，該時(shí)刻所處位置的心肌厚度L1＝0.91cm，L2＝0.89cm。則相對(duì)硬度表征值為壓力變化量(10-5)/心肌組織形變率(0.89-0.91)/0.91＝227。另一種方法是在心臟舒張期的某一時(shí)段通過導(dǎo)管以某一速度(如20ml/s)注入生理鹽，同步測(cè)量心室壓力與心室壁應(yīng)變并按上述方法計(jì)算其值表征組織硬度。也可同時(shí)通過空心球體模型計(jì)算楊氏模E=(1+μ)pa·(12a1+1-2μ1+μ)·1b1Δu·(1a1-1b1)]]>
量的方法。公式計(jì)算出該組織的楊氏模量，公式中a為心內(nèi)膜腔半徑，b為心外膜腔半徑，p為心腔均布?jí)毫?，μ為泊松比，Δu為該點(diǎn)位移。如某點(diǎn)p1＝5mmHg時(shí)，a1＝2.8cm，b1＝3.8cm，通常μ取0.45；在另一時(shí)刻該點(diǎn)p2＝10mmHg時(shí)，a2＝2.85cm，b2＝3.9cm，則該點(diǎn)Δu2-Δu1＝(b2-a2)-(b1-a1)＝(3.9-2.85)-(3.8-2.8)＝0.05cm。即E＝4.752×104Pa。
實(shí)施例2介入式超聲硬度彩色成像法用于心肌硬度檢測(cè)的基本操作過程將導(dǎo)管以普通介入導(dǎo)管方式送入體內(nèi)，利用導(dǎo)管的可操控性可實(shí)現(xiàn)在體外用X線技術(shù)引導(dǎo)到達(dá)檢測(cè)部位，利用導(dǎo)管的延伸，實(shí)現(xiàn)不同層面心肌組織硬度的檢測(cè)，本方案可直接同時(shí)獲得被檢心肌組織的內(nèi)外膜及其承受的應(yīng)力和該組織產(chǎn)生的應(yīng)變，并通過軟件自動(dòng)計(jì)算出被檢心肌的硬度及楊氏模量，將硬度值編碼后以色彩及色彩亮度的不同圖象直觀地形式顯示心肌硬度。
在心肌工作的生理范圍，心肌的被動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可視作為擬彈性腔體，即可用彈性材料的方法進(jìn)行研究而有較高的準(zhǔn)確性。在舒張中晚期心肌處于被動(dòng)狀態(tài)，心臟的彈性特征自然顯露，為該技術(shù)的形成提供了先天條件。心腔內(nèi)超聲成像的質(zhì)量?jī)?yōu)異，環(huán)周掃查的距離相近，用高頻超聲技術(shù)使二維圖象分辨率提高，且心內(nèi)膜和心包的強(qiáng)回聲容易檢出，一般情況心包與心外膜相貼，可將心包檢測(cè)假設(shè)為心外膜，即自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)外壁。并通過軟件自動(dòng)計(jì)算出被檢心肌的硬度值，將其值編碼后以色彩及色彩亮度的不同直觀顯示心肌硬度。當(dāng)導(dǎo)管到達(dá)心尖部后，由同步記錄的心電圖信號(hào)R波感知后延遲發(fā)放步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，其與導(dǎo)管的連接件將導(dǎo)管逐漸等距或定距向后退，形成一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形，通過計(jì)算機(jī)利用線性插值法和網(wǎng)格平滑化的算法將一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形疊加重建成圖形，即組成了彩色心肌硬度成像圖方法。
實(shí)施例3介入式超聲心肌硬度彩色成像法方法包括以下步驟a.設(shè)立由介入導(dǎo)管承載的超聲換能器及壓力傳感器結(jié)構(gòu)；b.通過可在體外操控的介入導(dǎo)管使其延伸到心腔的不同位置，導(dǎo)管頂端安裝如高頻環(huán)形多晶陣能各自獨(dú)立工作的超聲探頭，探測(cè)出心內(nèi)膜和心包并根據(jù)某一時(shí)間段壓力的變化而引起的心內(nèi)膜及心包之間距離變化獲得心肌組織形變量；也可在心臟舒張期的某一時(shí)段通過導(dǎo)管注入生理鹽水，使心室容積增加，獲得心室壁壓力變化引起心室壁厚度變化值，前述兩方法也可結(jié)合使用。
c、儀器主機(jī)CPU根據(jù)介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化的不同，即自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)外壁。并計(jì)算出心肌厚度，并根據(jù)心腔內(nèi)壓力的變化自動(dòng)計(jì)算出該部分心肌的硬度值(參見實(shí)施例1中計(jì)算硬度值的公式)。根據(jù)該值用計(jì)算機(jī)進(jìn)行彩色編碼，將正常均值設(shè)置為0，不予賦色；表征硬度的值大于該值時(shí)設(shè)置為正值(心肌組織較硬)，賦予紅色；小于該值設(shè)置為負(fù)值(心肌組織較軟)，賦予蘭色；值的絕對(duì)值越高，賦色的亮度也越高。為了更好地顯示相鄰心肌組織硬度的差異(如陳舊心肌梗塞瘢痕與正常心肌有明顯邊界)，計(jì)算機(jī)對(duì)相鄰心肌硬度進(jìn)行自動(dòng)比較，做顏色的平滑化處理，以更好地顯示硬度有差異的心肌組織邊界。將色塊填充在儀器自動(dòng)識(shí)別的心內(nèi)膜與心包之間，各晶片獲得的色塊組合在一起通過上述彩色編碼法重建成某一層面的二維平面左心室短軸的彩色心肌硬度圖。通過導(dǎo)管尾部安裝的步進(jìn)電機(jī)在R波觸發(fā)下將導(dǎo)管逐漸等距后退，如每次后退1mm，形成一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形，通過計(jì)算機(jī)利用線性插值法和網(wǎng)格平滑化的算法將獲得一系列從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形疊加重建成三維圖形，即組成了三維彩色心肌硬度成像圖方法。
在上述網(wǎng)格平滑化的算法中，通過對(duì)獲得的一系列二維彩色心肌硬度成像圖中相鄰心外壁輪廓線的網(wǎng)格化就可以構(gòu)成若干小的平面，這些小的平面加上連續(xù)二維平面心外壁輪廓線就可以構(gòu)成的心外壁輪廓面。參見附圖8，圖中S1、S2是兩個(gè)連續(xù)獲得的同時(shí)相的二維彩色心肌硬度成像圖的心外壁輪廓線所在的平面，ABCD分別是輪廓線上的四點(diǎn)，這四點(diǎn)連線就可以構(gòu)成一個(gè)平面SS1，當(dāng)|AB|、|AC|、|BC|、|CD|均較小時(shí)，就可以用SS1來近似替代S1、S2兩輪廓線中這四點(diǎn)間的曲面。如果把S1、S2輪廓線上的點(diǎn)均采取這樣的網(wǎng)格化就可以構(gòu)成S1、S2之間的曲面。按此方法，便獲得整個(gè)彩色心肌硬度成像圖。
同步監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，協(xié)助對(duì)檢測(cè)時(shí)相進(jìn)行分析，并由R波觸發(fā)門控步進(jìn)電機(jī)的活動(dòng)。
(4)介入式超聲心肌硬度彩色成像法獲取流程將導(dǎo)管以普通介入導(dǎo)管方式送入體內(nèi)，利用導(dǎo)管的可操控性可實(shí)現(xiàn)在體外用X線技術(shù)引導(dǎo)到達(dá)檢測(cè)部位，步進(jìn)電機(jī)實(shí)行可操控檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同部位心肌組織硬度的檢測(cè)。儀器主機(jī)CPU根據(jù)介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化的不同，即自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)外壁。心腔內(nèi)壓力的變化和心肌厚度的變化以及在心臟舒張期的某一時(shí)段通過導(dǎo)管注入生理鹽水，使心室容積增加，獲得心室壁壓力變化引起心室壁厚度變化值。自動(dòng)計(jì)算出該部分心肌的硬度。根據(jù)該值用計(jì)算機(jī)進(jìn)行彩色編碼，將正常均值設(shè)置為0，不與賦色；表征硬度的值大于該值設(shè)置為正值(心肌組織較硬)，賦予紅色；小于該值設(shè)置為負(fù)值(心肌組織較軟)，賦予蘭色；值的絕對(duì)值越高，賦色的亮度也越高。為了更好地顯示相鄰心肌組織硬度的差異(如陳舊心肌梗塞瘢痕與正常心肌有明顯邊界)，用計(jì)算機(jī)對(duì)相鄰心肌硬度進(jìn)行自動(dòng)比較，當(dāng)相鄰組織硬度差異小于某一經(jīng)驗(yàn)值范圍時(shí)，圖象做平滑化處理，當(dāng)硬度差異大于某一經(jīng)驗(yàn)數(shù)值時(shí)附加綠色，其差異值越大，綠色亮度越高，不同亮度的綠色與其它色塊混和時(shí)產(chǎn)生混色效應(yīng)，以更好地顯示硬度有差異的心肌組織邊界，將色塊填充在儀器自動(dòng)識(shí)別的心內(nèi)外膜之間，各晶片獲得的色塊組合在一起通過查表方式彩色編碼重建成二維平面左心室短軸的彩色心肌硬度圖。當(dāng)導(dǎo)管到達(dá)心尖部后，再通過導(dǎo)管尾部安裝的步進(jìn)電機(jī)在R波觸發(fā)下將導(dǎo)管逐漸等距后退，形成一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形，通過計(jì)算機(jī)利用線性插值法和網(wǎng)格平滑化的算法將獲得的一系列從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形疊加重建成圖形，即組成了三維彩色心肌硬度圖。
實(shí)施例4介入超聲硬度檢測(cè)儀(1)、儀器的結(jié)構(gòu)及主要部件的功能所述儀器包括超聲心肌硬度成像導(dǎo)管和主機(jī)，超聲硬度檢測(cè)導(dǎo)管其特征一，如導(dǎo)管的頭端固定有高頻環(huán)形多晶陣能各直獨(dú)立工作的超聲換能器，同時(shí)其后側(cè)方裝有壓力傳感器，如光纖型壓力傳感器，導(dǎo)管中空，頂端有側(cè)孔。導(dǎo)管壁中通過超聲換能器電纜和壓力傳感器光纖。導(dǎo)管尾部一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)心導(dǎo)管接口。所述超聲換能器的供電線及信號(hào)線和壓力傳感器光纖由導(dǎo)管的末端前電纜及光纖分線口處穿出與主機(jī)連接。
參見附圖7按上述所述超聲硬度檢測(cè)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，其主機(jī)包括超聲放大器、光纖信號(hào)調(diào)理器、心電放大器、超聲信號(hào)發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制板、中央控制CPU、控制面板、監(jiān)視器；其中所述超聲信號(hào)發(fā)生器在中央控制CPU控制下激勵(lì)超聲換能器發(fā)射超聲信號(hào)，環(huán)狀超聲換能器接收的超聲信號(hào)與中央控制CPU數(shù)據(jù)輸入端連接，換能器接收到的信號(hào)經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制CPU，光纖壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量心腔壓力，通過光纖信號(hào)調(diào)理器后再傳輸給A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制CPU，通過計(jì)算出硬度值，并以色彩及色彩亮度的不同直接顯示心肌硬度。心電放大器實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制，顯示心電圖曲線。中央控制CPU根據(jù)心電圖R波觸發(fā)動(dòng)作指令給步進(jìn)電機(jī)控制板，步進(jìn)電機(jī)控制板發(fā)出脈沖輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)超聲導(dǎo)管后退，從而獲得一系列同時(shí)相的二維心肌硬度圖形。中央控制CPU為主機(jī)核心，控制超聲發(fā)射信號(hào)、分析回聲信號(hào)并顯示心內(nèi)外膜及心肌形變量，根據(jù)獲得壓力值自動(dòng)計(jì)算出硬度值，將其值進(jìn)行編碼并以色彩及色彩亮度方式顯示，通過一系列同時(shí)相的二維心肌硬度圖形重建彩色心肌硬度圖?？刂泼姘逶谄胀ǔ曉\斷儀上改進(jìn)，與中央控制CPU相連接，用于控制儀器狀態(tài)、輸入數(shù)據(jù)及資料、進(jìn)行測(cè)量等。并同屏同步動(dòng)態(tài)顯示心電圖信號(hào)，按本方案直接以色彩及色彩亮度的不同形式顯示組織硬度等資料。
在實(shí)施例中所述超聲放大器、超聲信號(hào)發(fā)生器、光纖信號(hào)調(diào)理器、心電放大器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制板可以分別采用型號(hào)為FTI-10，ISO.ECG-1mV全隔離心電放大器，42BYG250B，SH-20403，6030板卡。其中超聲換能器、放大器及超聲信號(hào)發(fā)生器由汕頭超聲研究所購(gòu)買。光纖信號(hào)調(diào)理器(FTI-10)由加拿大FISO公司提供。心電放大器實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入中央控制，顯示心電圖曲線，心電放大器由北京市海淀祥云計(jì)算機(jī)技術(shù)公司提供。步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制板由北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司提供。
當(dāng)儀器工作時(shí)，超聲心肌硬度成像導(dǎo)管按心血管介入要求進(jìn)入心臟、導(dǎo)管頭在醫(yī)學(xué)圖象監(jiān)測(cè)引導(dǎo)下被操控調(diào)節(jié)到需要測(cè)量的部位，超聲換能器和光纖壓力傳感器同步工作，同時(shí)檢測(cè)組織在不同心腔壓力時(shí)，組織壁厚的變化。各晶陣超聲換能器沿導(dǎo)管四周方向發(fā)射并接收單聲束高頻超聲(如10MHz)；壓力傳感器同步取樣，檢測(cè)心肌組織承受的壓力變化。超聲心肌硬度成像導(dǎo)管將壓力和組織厚度變化的信息同時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)供分析研究之用。
主機(jī)將超聲信號(hào)處理后自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)膜及心外膜和心肌組織厚度變化值，將心肌組織厚度變化值和壓力值由公式進(jìn)行計(jì)算出被檢測(cè)組織硬度，將其值進(jìn)行編碼并以色彩及色彩亮度方式在心內(nèi)膜及心外膜之間顯示，通過查表方式彩色編碼重建成獲得二維平面左心室短軸的彩色心肌硬度圖。當(dāng)導(dǎo)管到達(dá)心尖部后，再通過導(dǎo)管尾部安裝的步進(jìn)電機(jī)在R波觸發(fā)下將導(dǎo)管逐逐漸等距后退，形成一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形，通過計(jì)算機(jī)利用插值法和網(wǎng)格平滑化的算法將一系列的從心尖到心底不同層面的同時(shí)相的二維圖形疊加重建成三維圖形。直觀以方式顯示心肌硬度。
權(quán)利要求
1.一種介入式超聲硬度彩色成像法，其特征是方法包括以下步驟(1)、建立承載有壓力傳感器及高頻超聲換能器結(jié)構(gòu)的介入導(dǎo)管；(2)、上述介入導(dǎo)管的工作方式由以下方式之一或其組合a.由上述導(dǎo)管承載的壓力傳感器測(cè)量心腔內(nèi)壓力變化量；通過可在體外操控的上述介入導(dǎo)管使其延伸到被檢心腔，在檢測(cè)點(diǎn)通過導(dǎo)管頂端超聲換能器發(fā)射聲波，并環(huán)周接收心腔壁回聲；根據(jù)超聲換能器接受介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化率的不同，獲取檢測(cè)點(diǎn)在某一聲束方向不同時(shí)刻測(cè)量的心腔壁厚度，并以此獲得該方向的厚度形變率；通過超聲換能器在檢測(cè)點(diǎn)獲取的沿環(huán)周切面上各點(diǎn)的心腔壁厚度；b.通過所述介入導(dǎo)管向心腔注入生理鹽水，使容積增加，同時(shí)進(jìn)行上述測(cè)量和計(jì)算獲得厚度形變率測(cè)量和壓力變化量；(3)、根據(jù)上述壓力變化量與所述切面各點(diǎn)厚度形變率之間的比值來表征該切面各點(diǎn)硬度的大小；將獲得某一切面各點(diǎn)心肌硬度值通過查表方式彩色編碼重建成二維彩色硬度圖；(4)、以心電圖R波作為觸發(fā)指令控制步進(jìn)電機(jī)，由其帶動(dòng)超聲導(dǎo)管在被檢心腔內(nèi)等距或定距移動(dòng)，分別獲得各層面同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖，將獲得的一系列同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法建成三維彩色硬度圖形。
2.一種介入式超聲硬度彩色成像法，其特征是方法包括以下步驟(1)、建立承載由壓力傳感器及單晶陣旋轉(zhuǎn)超聲換能器或環(huán)狀多晶陣超聲換能器結(jié)構(gòu)的介入導(dǎo)管；(2)、通過可在體外操控的上述介入導(dǎo)管使其延伸到被檢心腔的底部，通過導(dǎo)管頂端的一個(gè)或多個(gè)高頻超聲換能器發(fā)射聲波并接收回聲，根據(jù)超聲換能器接受介質(zhì)的回聲強(qiáng)度變化的不同，自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)外壁；當(dāng)心腔內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)用局部信號(hào)追蹤技術(shù)分析某單一聲束內(nèi)各部分的位移量，從而得到壓力變化前后沿心壁深度方向各部分組織形變量，將分析環(huán)周各聲束得到的局部形變量的分布組合在一起就得到一橫切面上的形變分布圖，根據(jù)同時(shí)測(cè)得的腔內(nèi)壓力，也可計(jì)算出心臟組織局部的彈性模量，從而得到彈性圖，將局部的形變值或彈性模量值賦予彩色編碼就可以得到彩色硬度分布圖。所述局部信號(hào)追蹤技術(shù)為選自以下集合的其中之一時(shí)域互相關(guān)技術(shù)，時(shí)域自相關(guān)技術(shù)，過零點(diǎn)追蹤法，頻域相關(guān)法或它們的組合；(2)、以心電圖R波作為觸發(fā)指令控制步進(jìn)電機(jī)，由其帶動(dòng)超聲導(dǎo)管在被檢心腔內(nèi)等距或定距后退，按前訴方法分別獲得各層面的二維平面彩色硬度圖，將獲得的一系列二維平面彩色硬度圖利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法建成三維彩色硬度圖形。
3.一種介入超聲心肌硬度彩色成像儀，包括超聲心肌硬度成像導(dǎo)管(2)和主機(jī)，其特征是導(dǎo)管的頭端固定有高頻超聲換能器；所述導(dǎo)管內(nèi)還裝有壓力傳感器(11)，導(dǎo)管前端有側(cè)孔；所述超聲換能器電纜供電線及信號(hào)線(6)和壓力傳感器信號(hào)線(5)由導(dǎo)管末端穿出與主機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是安裝在導(dǎo)管頭端的所述超聲換能器由可以各自獨(dú)立工作的多晶陣壓電陶瓷(8)構(gòu)成或單晶陣壓電陶瓷構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是所述可以各自獨(dú)立工作的多晶陣壓電陶瓷在導(dǎo)管的前端構(gòu)成環(huán)形探測(cè)面。
6，根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是所述超聲換能器電纜供電線及信號(hào)線和壓力傳感器光纖由導(dǎo)管夾層穿過，并由導(dǎo)管末端前段的電纜及光纖分線口處穿出與主機(jī)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是導(dǎo)管的末端連接高壓注射器。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是導(dǎo)管的末端連接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)連接端。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介入超聲心肌硬度彩色成像儀，其特征是導(dǎo)管的末端穿入導(dǎo)引鋼絲。
全文摘要
本發(fā)明涉及介入式超聲硬度彩色成像法，方法步驟1.建立由介入導(dǎo)管承載的壓力傳感器結(jié)構(gòu)和超聲換能器；2.測(cè)量壓力值并同時(shí)檢測(cè)厚度，以各檢測(cè)點(diǎn)壓力變化量及厚度形變率之間的比值來表征硬度的大??；將獲得某一切面各點(diǎn)心肌硬度值通過查表方式彩色編碼重建成二維彩色硬度圖；3.將獲得的一系列同時(shí)相的二維平面彩色硬度圖利用線性插補(bǔ)法和網(wǎng)格平滑化的算法建成三維彩色硬度圖形。本發(fā)明還涉及介入超聲心肌硬度彩色成像儀。本發(fā)明可獲得被檢心肌組織硬度值，將其值編碼后以色彩及色彩亮度的不同圖象直觀以三維形式顯示心肌硬度。
文檔編號(hào)A61B8/00GK1666716SQ20051005700
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者黃晶, 鄭永平, 雷寒, 鄧輝勝, 鄧昌明, 曾令秋, 凌智瑜, 江永紅, 劉地川 申請(qǐng)人:黃晶