способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа

Формула изобретения

1. Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа, включающий лучевое обследование полого органа с получением развернутого во времени и пространстве набора его сечений в течение определенного периода функционирования, последующую компьютерную аппроксимацию полученного набора форм сечений полого органа с получением объемных изображений внутренней и внешней поверхностей стенки полого органа в начале и конце указанного периода функционирования этого органа, определение изменения толщины стенки полого органа за определенный промежуток функционирования этого органа в каждой из точек поверхности стенки полого органа, заданных на изображении одной из полученных поверхностей стенки полого органа, и отображение на изображении поверхности стенки полого органа степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек путем придания определенному первичному участку указанного изображения вокруг каждой из указанных точек соответствующего цветового оттенка, отражающего степень изменения толщины стенки в соответствующей точке, отличающийся тем, что аппроксимацию и получение объемных изображений поверхностей стенки полого органа осуществляют в течение фазы его наполнения, совокупность точек задают на изображении внутренней поверхности стенки полого органа в начале фазы наполнения, дополнительно формируют несколько следующих друг за другом во времени в течение фазы наполнения изображений внутренней поверхности стенки полого органа между моментами начала и конца фазы наполнения, находят положение каждой заданной точки на каждом из следующих друг за другом изображений внутренней поверхности стенки полого органа путем определения соответствия каждой точке изображения предыдущей внутренней поверхности полого органа искомой точки изображения последующей внутренней поверхности, а указанное соответствие устанавливают путем определения искомой точки, как точки изображения последующей поверхности, расположенной на нормали к касательной, причем нормаль и касательную проводят через установленную ранее точку изображения предыдущей внутренней поверхности стенки полого органа, толщину стенки полого органа в каждой заданной точке определяют как расстояние по нормали между изображениями внутренней и внешней поверхностей стенки полого органа, полученными в один момент времени, изменение толщины стенки полого органа в каждой заданной точке определяют как разность толщин стенки органа в начале и конце фазы его наполнения.

2. Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа по п.1, отличающийся тем, что компьютерную аппроксимацию соответствующего набора форм сечений полого органа для получения объемных изображений внутренней и/или внешней поверхностей стенки этого органа осуществляют с использованием сферических функций.

3. Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа по п.1 или 2, отличающийся тем, что цветовой оттенок, отражающий степень изменения толщины стенки в соответствующей заданной точке, ставят в соответствие каждому установленному диапазону значений изменения толщины стенки полого органа за фазу наполнения, причем этот цветовой оттенок, отражающий степень изменения толщины стенки в соответствующей заданной точке изображения поверхности стенки полого органа, изменение толщины которой за фазу наполнения попадает в указанный диапазон значений изменений толщины, придают каждому первичному участку изображения вокруг указанной точки и каждому вторичному участку изображения, расположенному вокруг этого первичного участка, так что края вторичных участков соседних точек изображения смыкаются между собой.

4. Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что объемное изображение поверхности стенки полого органа с отражением на нем степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек представляют в виде плоского изображения путем преобразования сферической системы координат объемного изображения в двухмерную систему координат плоского изображения, при этом значение одной из угловых координат каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на одну из осей (например, ось абсцисс) в двухмерной системе координат, а значение другой угловой координаты каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на другую ось (например, ось ординат) в двухмерной системе координат.

5. Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что на изображение поверхности полого органа с отражением на нем степени изменения толщины стенки в каждой из заданных точек наносят линии, разграничивающие определенные регионы этого органа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике полых мышечных органов, прежде всего камер сердца.

Известно, что сократимость сердечной стенки человека тесно связана с пассивными характеристиками сердечной мышцы, поэтому для оценки функционального состояния интактного левого желудочка определяют параметры, отражающие диастолическую жесткость миокарда [1]. Для этого предлагается использовать величину изменения толщины стенки во время диастолического наполнения левого желудочка [2, 3], поскольку в эту фазу сердечного цикла левый желудочек можно рассматривать как пассивную структуру, в которой растяжение стенки происходит под действием внутреннего давления со стороны приливающей из предсердия крови [4].

Состояние других полых органов человека и животных, например состояние желудка, также характеризуется толщиной стенки [5].

Известен способ прогнозирования риска возникновения сердечной недостаточности у больных гипертонической болезнью путем эхокардиографического обследования левого желудочка сердца пациента, основанный на эхокардиографическом исследовании в М-режиме (в одной плоскости сечения желудочка) с определением толщины задней стенки левого желудочка и межжелудочковой перегородки в диастолу, конечнодиастолического размера левого желудочка и вычисления индекса риска возможного развития сердечной недостаточности [6]. Такой способ не дает картины упругих свойств стенки полого органа во всех его регионах.

Известен также способ ультразвуковой диагностики угрозы осложнений язвенной болезни желудка, основанный на чрескожном ультразвуковом исследовании желудка с наполнением его жидкостью, нахождении самого тонкого участка стенки желудка в области дна язвы и измерении его толщины в заданной плоскости сечения желудка [5]. Этот способ диагностики, как и предыдущий [6], не дает представления о картине изменения толщины стенки органа по всей его поверхности, соответственно, не позволяет получить информацию о региональных упругих свойствах стенки полого органа. Предпосылки для получения такой информации возникают при лучевой диагностике с трехмерной реконструкцией полого органа, получением его объемного изображения.

Известен способ трехмерной реконструкции эндокардиальной (внутренней) поверхности левого желудочка, то есть формирования объемного изображения левого желудочка с использованием трансэзофагиальной (чреспищеводной) эхокардиолокации и компьютерного моделирования - получения с помощью вычислительного устройства физического визуального представления (изображения) формы исследуемой сердечной стенки на соответствующем физическом носителе информации, в частности на экране дисплея [7]. Для трехмерной реконструкции полого органа (левого желудочка) здесь используются полученные сечения желудочка в плоскостях, параллельных короткой оси желудочка, повернутых друг относительно друга на заданный угол вокруг оси, размещенной вне желудочка. Полное описание поверхности было выполнено с помощью аппроксимации исходного набора сечений методом треугольников. Такой способ трехмерной реконструкции позволяет оценить форму левого желудочка и определить региональную фракцию изгнания, но не позволяет оценить региональную жесткость миокарда.

Известен также другой способ трехмерной эхокардиографической реконструкции внутренней поверхности полого органа (левого желудочка сердца), основанный на ультразвуковом трансторакальном обследовании, и компьютерной аппроксимации полученного набора форм сечений желудочка кубическими сплайнами [8]. Данный способ реконструкции позволяет провести количественную оценку объема и региональной фракции изгнания левого желудочка, но не предоставляет возможности оценки региональной жесткости миокарда (состояния стенки полого органа).

Наиболее близким к предложенному является способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа, а именно левого желудочка [9], основанный на лучевом обследовании методом магнитного резонанса с получением развернутого во времени и пространстве набора сечений этого полого органа за время функционирования желудочка и последующей компьютерной аппроксимации полученного набора форм сечений желудочка с получением объемных изображений эндокардиальной и эпикардиальной поверхностей стенки желудочка в конечно-систолическом и конечно-диастолическом состояниях желудочка. Способ включает определение изменения толщины стенки желудочка за определенный период (промежуток) функционирования желудочка (а именно, за фазу систолы желудочка, то есть за фазу опорожнения этого полого органа) в каждой из точек поверхности стенки желудочка, заданных на изображении полученных поверхностей стенки желудочка. Для этого на полученном изображении эндокардиальной (внутренней) и эпикардиальной (внешней) поверхностях желудочка отображают совокупность точек, расположенных в винтовой системе координат, то есть, на спиральной линии, с началом витков спирали на вершине желудочка и с одинаковым числом точек на каждом витке, равномерно распределенных по каждому витку. Толщину и изменение толщины (утолщение) стенки желудочка за фазу систолы вычисляют по параметрам выделяемых объемных элементов стенки желудочка, расположенных между соответствующими участками спиральных линий для эндо- и эпикардиальных поверхностей желудочка. Затем осуществляют отражение на изображении поверхности стенки желудочка степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек путем придания определенному первичному участку указанного изображения вокруг каждой из указанных точек соответствующего цветового оттенка, отражающего степень изменения толщины стенки в соответствующей точке. При этом на изображении отмечается только наличие или отсутствие утолщения стенки в каждой из точек за время систолы путем использования только двух цветов черного (для наличия утолщения стенки) и белого (в случае отсутствия утолщения). Объемное изображение поверхности желудочка, как полого органа, в прототипе представляют плоским, производя преобразование трехмерной системы координат в двухмерную путем получения проекции вышеуказанной спирали, описывающей объемную поверхность желудочка, на плоскость, перпендикулярную оси спирали.

Недостаток способа-прототипа обусловлен тем, что для анализа упругих свойств желудочка используется систолическая часть сердечного цикла (фаза систолы или изгнания), когда миокард левого желудочка не является пассивной структурой. В эту фазу сердечного цикла внутри стенки (из-за сложной пространственной ориентации волокон) возникают активные напряжения, обуславливающие разнонаправленные смещения участков стенки, которые не учитываются в рассматриваемом способе. Кроме того, использование только начального и конечного кадров систолы не позволяет провести анализ траекторий движения участков стенки на протяжении всей фазы и определить величины их деформаций и смещений. В соответствии с указанным, полученные значения изменения толщины стенки в регионах в данном случае характеризуют активность сердечной стенки, но не отражают ее региональные упругие свойства. Такие недостатки имеют место и в случае исследования рассмотренным способом других полых органов, например желудка или мочевого пузыря.

Задачей изобретения является получение более полной информации о движении участков стенки полого органа, повышение точности локализации участков стенки, повышение точности региональной диагностики состояния полого органа.

Для решения поставленной задачи способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа, основанный на лучевом обследовании с получением развернутого во времени и пространстве набора сечений этого органа в течение определенного периода функционирования полого органа и последующей компьютерной аппроксимации полученного набора форм сечений полого органа с получением объемных изображений внутренней и внешней поверхностей стенки полого органа в начале и конце указанного периода функционирования этого органа, включающий определение изменения толщины стенки полого органа за определенный промежуток функционирования этого органа в каждой из точек поверхности стенки полого органа, заданных на изображении одной из полученных поверхностей стенки полого органа, и отражение на изображении поверхности стенки полого органа степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек путем придания определенному первичному участку указанного изображения вокруг каждой из указанных точек соответствующего цветового оттенка, отражающего степень изменения толщины стенки в соответствующей точке, отличается тем, что аппроксимацию и получение объемных изображений поверхностей стенки полого органа осуществляют по данным лучевого обследования в течение фазы наполнения этого органа, совокупность точек задают на изображении внутренней поверхности стенки полого органа в начале фазы наполнения, дополнительно формируют несколько следующих друг за другом во времени в течение фазы наполнения изображений внутренней поверхности стенки полого органа между моментами начала и конца фазы наполнения этого органа, находят положение каждой заданной точки на каждом из следующих друг за другом изображений внутренней поверхности стенки полого органа путем определения соответствия каждой точке изображения предыдущей внутренней поверхности полого органа искомой точки изображения последующей внутренней поверхности, а указанное соответствие устанавливают путем определения искомой точки как точки изображения последующей поверхности, расположенной на нормали к касательной, причем нормаль и касательная проведены через установленную ранее точку изображения предыдущей внутренней поверхности стенки полого органа, толщину стенки полого органа в каждой заданной точке определяют как расстояние по нормали между изображениями внутренней и внешней поверхностей стенки полого органа, полученными в один и тот же момент времени, изменение толщины стенки полого органа в каждой заданной точке определяют как разность толщин стенки органа в начале и конце фазы наполнения этого органа.

Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа отличается также тем, что компьютерную аппроксимацию соответствующего набора форм сечений полого органа для получения объемных изображений внутренней и/или внешней поверхностей стенки этого органа осуществляют с использованием сферических функций.

Кроме того, способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа отличается тем, что цветовой оттенок, отражающий степень изменения толщины стенки в соответствующей заданной точке, ставят в соответствие каждому установленному диапазону значений изменения толщины стенки полого органа за фазу наполнения, причем этот цветовой оттенок, отражающий степень изменения толщины стенки в соответствующей заданной точке изображения поверхности стенки полого органа, изменение толщины которой за фазу наполнения попадает в указанный диапазон значений изменений толщины, придают каждому первичному участку изображения вокруг указанной точки и каждому вторичному участку изображения, расположенному вокруг этого первичного участка, так что края вторичных участков соседних точек изображения смыкаются между собой.

Еще способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа отличается тем, что объемное изображение поверхности стенки полого органа с отражением на нем степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек представляют в виде плоского изображения путем преобразования сферической системы координат объемного изображения в двухмерную систему координат плоского изображения, при этом значение одной из угловых координат каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на одну из осей (например, ось абсцисс) в двухмерной системе координат, а значение другой угловой координаты каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на другую ось (например, ось ординат) в двухмерной системе координат.

Наконец, способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа отличается тем, что на изображение поверхности полого органа с отражением на нем степени изменения толщины стенки в каждой из заданных точек наносят линии, разграничивающие определенные регионы этого органа.

Использование в предложенном способе оценки региональных упругих свойств стенки полого органа результатов лучевого обследования за фазу наполнения полого органа, отслеживание перемещения каждой обследуемой заданной точки внутренней поверхности полого органа в течение этой фазы от ее начала до конца с помощью предложенного построения нормалей к касательным к поверхности и определение изменений толщины стенки полого органа по указанным нормалям в каждой заданной точке за время от начала до конца фазы наполнения полого органа обеспечивают, в совокупности с остальными признаками независимого пункта формулы изобретения, получение более полной информации о движении участков стенки полого органа, повышение точности локализации участков стенки, повышение точности региональной диагностики состояния полого органа. Для врача появляется возможность ранней диагностики заболевания полого органа, например, при исследовании желудочка сердца человека - диагностирование ранней стадии ишемической болезни сердца путем выявления патологического процесса в ветви коронарной артерии на основе полученной картины распределения жесткости миокарда желудочка.

Осуществление компьютерной аппроксимации набора форм сечений полого органа для получения объемных изображений внутренней и/или внешней поверхностей стенки этого органа путем использования сферических функций повышает точность выявления истинной формы полого органа.

Отображение диапазонов изменения жесткости стенки полого органа на изображении его поверхности с помощью цветовых оттенков, отражающих степень изменения толщины стенки в соответствующей заданной точке, путем придания указанных цветовых оттенков каждому первичному участку изображения вокруг указанной точки и каждому вторичному участку изображения, расположенному вокруг этого первичного участка, так что края вторичных участков соседних точек изображения смыкаются между собой, повышает наглядность картины распределения жесткости стенки полого органа, в частности жесткости миокарда сердца, и повышает информативность способа.

Формирование из объемного изображения поверхности стенки полого органа с отражением на нем степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек плоского изображения путем преобразования сферической системы координат объемного изображения в двухмерную систему координат плоского изображения вышеуказанным способом повышает удобство рассмотрения специалистом полученной картины распределения жесткости стенки полого органа.

Наконец, отображение на изображении поверхности стенки полого органа линий, разграничивающих определенные регионы этого органа, повышает точность локализации изменений упругих свойств (жесткости) стенки полого органа по его регионам.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - схема лучевого обследования желудочка;

фиг. 2 - изображение сечения желудочка с выделением эндо- и эпикардиальных контуров сечения;

фиг. 3 - кривая зависимости точности аппроксимации для сферических функций различных порядков;

фиг. 4 - вид трехмерной реконструкции поверхности желудочка на основе контуров сечений желудочка;

фиг.5 - трехмерное представление региональной жесткости миокарда пациента до ангиопластики;

фиг.6 - то же самое после ангиопластики;

фиг.7 - карта региональной жесткости миокарда желудочка пациента без ишемической болезни сердца;

фиг. 8 - карта региональной жесткости миокарда желудочка пациента с ишемической болезнью сердца;

фиг.9 - карта региональной жесткости миокарда желудочка пациента до ангиопластики;

фиг. 10 - карта региональной жесткости миокарда желудочка пациента после ангиопластики.

Способ оценки региональных упругих свойств стенки полого органа на примере исследования желудочка сердца человека осуществляют следующим образом.

Проводят лучевое обследование, например, левого желудочка 1 (фиг.1) с использованием, в частности, метода трансэзофагиальной (чреспищеводной) эхолокации, на эхокардиографе "Powervision-380" фирмы "Toschiba". Набор развернутых во времени и пространстве изображений двухмерных сечений 2, 3 желудочка 1 во время его функционирования получают путем вращения плоскости сканирования ультразвукового датчика 4 аппарата вокруг оси Z с определенным шагом (в данном случае на угол 15^o). Одновременно снимается электрокардиограмма 5 (фиг.2).

Полученное в каждый момент времени (с интервалом 40 мс) двумерное видеоизображение (кадр) 6 сечения желудочка 1 (фиг.2) обрабатывают, например, на дигитальном комплексе "Дикор" лаборатории биофизики Уральского госуниверситета. В частности, вручную выполняют покадровую обводку эндокардиального (внутреннего) 7 и эпикардиального (внешнего) 8 контуров сечений желудочка 1. Строят кривую изменения площади контуров, по которой, с учетом электрокардиограммы 5, определяют начало и конец фазы диастолического наполнения желудочка 1. Для последующей работы используют последовательные во времени изображения контуров сечений желудочка (кадры), полученные в фазу диастолического наполнения желудочка.

Трехмерное, объемное изображение желудочка 1 для одного из моментов фазы диастолического наполнения желудочка формируют путем комплектования набора развернутых вокруг одной оси на соответствующие углы (в данном случае кратные 15^o) двухмерных изображений (кадров) контуров сечений желудочка 1, соответствующих этому моменту фазы диастолического наполнения, и последующей аппроксимации такого набора контуров сечений с использованием некоторых математических преобразований. Эта операция осуществляется для каждого из зафиксированных при лучевом обследовании моментов фазы диастолического наполнения.

Необходимую информацию для получения объемного изображения содержит каждый контур сечения желудочка, но для простоты будем считать синонимами понятия "контур сечения" и "сечение". С датчиком 4 и исследуемым желудочком 1 связана глобальная система координат (фиг.1), ось Х которой направлена вдоль оси зонда 9 с датчиком 4. Ось Z направлена вдоль длинной оси желудочка 1 и является осью вращения плоскости сканирования датчика 4. Ось Y дополняет пространственную трехмерную глобальную систему координат до правой тройки. В плоскости каждого полученного изображения двухмерного сечения (2, 3, 6) желудочка 1 расположена двухмерная локальная система координат (x, y), связанная с плоскостью сканирования датчика 4. Ось у направлена вдоль оси поворота Z плоскости сканирования датчика 4, а ось x ортогональна к от y.

Разворот полученных контуров сечений выполняют в глобальной декартовой системе координат. Перевод координат каждой i-й точки контура сечения из локальной (x_i, y_i) системы координат в глобальную (X_i, Y_i, Z_i,) осуществляют для каждого контура путем поворота плоскости сечения на угол вокруг оси Y:



Чтобы учесть механическое смещение сердца и, соответственно, желудочка 1 в пространстве, для каждого момента времени выполняют совмещение сечений желудочка по их центрам тяжести. Для этого определяют координаты центра тяжести (x_с, y_с) каждого эндокардиального контура сечения, используя соотношения вида:



где (x,y) = 1, то есть плотность распределения массы точек на контуре сечения считается равномерной. Полная масса контура определяется как:



Аппроксимацию поверхности желудочка 1 осуществляют, например, с использованием сферических функций. Назначение процедуры заключается в обеспечении "наилучшего" приближения аппроксимируемой поверхности желудочка 1 к экспериментальным данным. Вводят функцию F(,), позволяющую по известным угловым координатам и (в сферической системе координат) определить положение произвольной точки на поверхности. Функцию F(,) задают через набор сферических гармоник f^k_n(,) следующим соотношением:



где неизвестными являются только коэффициенты А_nk и В_nk, число которых равно (m+1)², P⁽ⁱ⁾_n(cos) - присоединенные полиномы Лежандра.

Для достижения наилучшего приближения аппроксимированной поверхности к реальной геометрии желудочка 1 неизвестные коэффициенты A_nk и B_nk разложения функции F(,) подобраны так, чтобы ошибка аппроксимации (²_m) была минимальна:



Коэффициенты A_nk и B_nk вычисляются с использованием соотношений вида:



где n=0,1,2,3,...,m, k=0,1,2,3,...,n; _k = 1 при k>0; _k = 2 при k=0.

Необходимый порядок аппроксимации выбирают таким образом, чтобы величина ошибки аппроксимации ²_m при дальнейшем увеличении порядка сферических функций изменялась незначительно. В результате вычислений погрешности аппроксимации была построена кривая зависимости ²_m от порядка сферических функций m (фиг. 3). Видно, что, начиная примерно с m=4, значение ошибки аппроксимации изменяется незначительно. Более высокие порядки сферических функций необходимы для аппроксимации поверхности с резкими изменениями кривизны. В данном случае заведомо известно, что поверхность желудочка 1 не имеет резких изломов. Поэтому для аппроксимации поверхности желудочка 1 можно ограничиться четвертым порядком сферических функций. Изображение поверхности желудочка 1 для одного из моментов фазы диастолического наполнения, полученное после аппроксимации контуров сечений набором сферических функций четвертого порядка, представлено на фиг.4. Указанное изображение достаточно точно представляет реальную геометрию желудочка.

Часть предложенного способа (лучевое обследование и компьютерная аппроксимация соответствующего набора форм сечений желудочка для получения объемных изображений эндокардиальной и эпикардиальной поверхностей стенки желудочка) может быть осуществлена с использованием других методов, дающих достаточную для определенных целей степень приближения к истинной форме поверхности желудочка. Например, могут быть использованы ультразвуковое трансторакальное обследование и компьютерная аппроксимация полученного набора форм сечений желудочка кубическими сплайнами.

На полученное объемное изображение эндокардиальной начально-диастолической поверхности стенки желудочка 1 наносят совокупность заданных точек, положение каждой из которых определяют затем на каждом последующем во времени изображении эндокардиальной поверхности желудочка вплоть до изображения конечно-диастолической поверхности. Совокупность точек может быть нанесена, например, в виде сетки, узлы которой являются заданными точками. Формирование сетки производят путем разбиения изображения эндокардиальной поверхности по углам и в сферической системе координат на равные угловые элементы размером примерно 44 мм.

Направление перемещения каждой заданной точки от предыдущего по времени изображения поверхности желудочка к последующему изображению определяют по нормали к касательной, проведенной к поверхности предыдущего изображения в этой точке. Уравнение нормали к заданной точке поверхности представляют в виде:



где - вектора, касательные к поверхности в заданной точке.

Вектора, касательные к поверхности в заданной точке с угловыми координатами (,), вычисляют с использованием следующих соотношений:



Таким образом, слежение за движением каждой заданной в начале фазы точки изображения поверхности стенки во время растяжения желудочка в фазу диастолического наполнения позволяет установить местоположение каждой точки в конце этой фазы.

Затем для каждой из заданных точек определяют толщину стенки желудочка в начале и в конце фазы диастолического наполнения. Толщину стенки определяют как величину расстояния между полученными в один и тот же момент времени эндои эпикардиальными поверхностями по нормали к касательной, построенной в данной точке к эндокардиальной поверхности стенки. Для каждой из заданных точек определяют также изменение толщины стенки желудочка за фазу диастолического наполнения, отражающее диастолическую жесткость миокарда, то есть упругие свойства этого полого органа.

В качестве параметра, характеризующего диастолическую жесткость миокарда в заданной точке, используют, например, относительное изменение толщины:



где H₁, H₂ - толщина стенки желудочка в начале и конце диастолы соответственно.

Для отражения распределения жесткости миокарда на полученном объемном изображении поверхности стенки желудочка (фиг.5, 6), например, на изображении эндокардиальной поверхности желудочка в конце фазы диастолического наполнения, каждому установленному диапазону значений изменения толщины стенки желудочка за эту фазу ставят в соответствие определенный цветовой оттенок. Для отражения степени изменения толщины используют различные оттенки серого цвета. Например (фиг.5, 6), регионы, имеющие нормальную жесткость миокарда, окрашены белым цветом, максимальную - черным цветом. Регионы с промежуточными значениями жесткости окрашены различным по интенсивности серым цветом с шагом 5%, причем увеличение интенсивности цвета соответствует увеличению жесткости миокарда. Указанный цветовой оттенок, характеризующий изменение толщины стенки желудочка в каждой заданной точке, придают участку изображения в этой точке и вокруг нее, так что края указанных участков соседних точек изображения смыкаются между собой. Полученное объемное изображение поверхности желудочка с отражением на нем распределения степени жесткости стенки рассматривают на экране дисплея компьютера с разных сторон, используя соответствующее графическое программное обеспечение. Можно получить распечатки изображений разных сторон объемной поверхности.

Более наглядное представление о распределении жесткости миокарда можно получить при использовании других различных цветов и оттенков (на фигурах не показано). Например, нормальную жесткость отражают светло-сиреневым цветом, повышенную на 5-10% - светло-серым, на 10-15% - зеленым, на 15-20% - красным, на 20-25% - синим, на 25-30% - темно-серым, повышенную больше 30% - черным цветом.

Для отражения распределения жесткости миокарда на полученном объемном изображении желудочка может быть использовано также сочетание разных оттенков серого цвета или различные виды штриховки для каждого диапазона значений жесткости.

Изображение поверхности стенки желудочка с отражением на нем степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек может быть представлено в виде плоского изображения (фиг.7 10) путем преобразования сферической системы координат объемного изображения в двухмерную систему координат плоского изображения, при этом значение одной из угловых координат каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на одну из осей (например, ось ординат) в двухмерной системе координат, а значение другой угловой координаты каждой точки изображения в сферической системе координат переносят на другую ось (абсцисс) в двухмерной системе координат.

Для облегчения зрительного восприятия степени изменений жесткости миокарда в различных регионах сердца на изображение поверхности стенки желудочка с отражением на нем степени изменения толщины этой стенки в каждой из заданных точек наносят линии, разграничивающие регионы сердца (фиг.7-10): межжелудочковая перегородка - 10, передняя стенка - 11, свободная стенка - 12, задняя стенка - 13, верхушка - 14.

Полученное в результате осуществления предложенного способа объемное или плоское изображение поверхности желудочка с отраженным на изображении распределением жесткости миокарда используют для диагностики состояния сердца обследованного пациента.

На фиг.7, 8 в качестве примера показаны полученные предложенным способом карты жесткости для двух пациентов: фиг.7 - для пациента, страдающего приступами параксизмальной тахикардии, обследованного в межприступный период; фиг. 8 - для пациента с протяженным стенозом передней межжелудочковой ветви левой коронарной артерии и крупноочаговым постинфарктным рубцом в области верхушки 14 левого желудочка. Поверхности желудочка представлены на плоскости в виде равномерной сетки квадратных элементов (размером примерно 44 мм), каждому элементу которой в сферических координатах (ось ординат) и (ось абсцисс) различными оттенками серого поставлено в соответствие значение его диастолической жесткости. Изменение оттенков серого от белого вплоть до черного соответствует увеличению жесткости миокарда от нормального значения до максимума.

Видно, что с точки зрения упругих характеристик в регионах сердечной стенки две вышеупомянутые карты принципиально отличаются друг от друга. На карте (фиг.7) отсутствуют зоны с увеличенной жесткостью. В отличие от этого, на карте (фиг. 8) в области верхушки 14 наблюдается обширная зона с повышенной жесткостью, соответствующая зоне постинфарктной верхушечной аневризмы. Наличие указанной аневризмы верифицировано инструментальными клиническими методиками.

Тестирование предложенного способа проведено также при анализе результатов реваскуляризации миокарда пациента при выполнении баллонной транслюминальной ангиопластики со стентированием коронарных артерий На фиг.9, 10 представлены карты региональной диастолической жесткости этого пациента, соответственно, до и через сутки после хирургической процедуры. Данный пациент поступил в стационар для проведения повторной транслюминальной баллонной ангиопластики в связи с рестенозом интракоронарного стента, имплантированного в проксимальный сегмент передней межжелудочковой ветви левой коронарной артерии полгода назад. По данным киновентрикулографии, трансторакальной и чреспищеводной эхокардиографии зон с аномальной кинематикой выявлено не было.

Карта региональной жесткости миокарда левого желудочка рассматриваемого пациента до ангиопластики (фиг. 9) показывает наличие зон с повышенной жесткостью в сегментах, являющихся бассейном передней межжелудочковой ветви левой коронарной артерии, что соответствует базальному, папиллярному и апикальному отделам межжелудочковой перегородки 10 и прилежащему к ней отделу передней стенки 11. Кроме того, область с повышенной жесткостью обнаружена на границе свободной 12 и задней 13 стенок левого желудочка, а также на верхушке 14.

Реваскуляризация прошла без осложнений с положительным ангиографическим эффектом. Приступов стенокардии в послеоперационном периоде не было. Толерантность к физической нагрузке по данным велоэргометрии до и через месяц после ангиопластики составила 75 и 125 Вт соответственно, причем во втором случае без ишемических изменений на ЭКГ. Приведенный на карте (фиг.10) результат ангиопластики демонстрирует уменьшение жесткости не только межжелудочковой перегородки 10 и верхушки 14, являющихся бассейном реканализированной артерии, но и базальных отделов свободной 12 и задней 13 стенок левого желудочка сердца.

Представленное на фиг.9, 10 распределение жесткости миокарда в зоне межжелудочковой перегородки до и после ангиопластики совпадает с данными, представленными на фиг.5, 6 для этого региона стенки желудочка.

Результаты тестирования подтверждают правомерность использования предложенного способа для диагностики ишемических заболеваний сердца.

Предложенный способ может быть применен для оценки упругих свойств других полых органов, например, желудка. При этом желудок наполняют водой порциями (по 100 мл). Через 1 минуту после каждого приема жидкости проводят ультразвуковое обследование с получением полного набора сечений желудка. Процедура наполнения желудка и его ультразвукового обследования продолжается до тех пор, пока объем содержимого желудка не увеличится до максимального физиологического объема. В результате обследования получают полный набор сечений желудка после каждого приема воды. По полученным данным проводят формирование трехмерных поверхностей исследуемого органа и их аппроксимацию. Для выявления упругих свойств стенки желудка проводят разбиение поверхности на участки, расположенные вокруг каждой заданной точки. Движение участков отслеживается в процессе наполнения желудка с помощью вышеописанного построения нормали к внутренней поверхности для заданной точки каждого участка. Толщина регионов стенки в начальный и конечный моменты наполнения определяется по длине нормали, построенной от внутренней поверхности желудка к внешней. Значения изменения толщины стенки в различных участках поверхности желудка могут быть представлены в виде плоских карт, где каждому диапазону значений будет соответствовать определенный цвет.

Таким образом, анализ движения регионов стенки полых мышечных органов позволяет провести точную диагностику изменения региональных упругих свойств стенки полого органа, выявить зоны с патологически измененными свойствами. Отслеживание истинного перемещения участков стенки обеспечивает выявление мелкоочаговых поражений (например, миокарда), которые еще не вызвали крупномасштабных нарушений функции всего полого органа в целом, что позволяет провести раннюю диагностику возникающего заболевания.

Источники информации

1. Dunesnil J., Shoucri R. Quantitative relationships between left ventricle ejection and wall thickening and geometry (Количественные соотношения между выбросом, утолщением стенки и геометрией левого желудочка). Journal Appi Physiol., 1991, Vol.70(1) pp. 48-54.

2. Guccione J.M., McCulloch A.D., Waldam L.K. Passive material properties of intact ventricular myocardium determined from a cylindrical model (Пассивные свойства материала миокарда интактного желудочка, определенные на цилиндрической модели). Journal Biomech. Engineering, 1991, Vol. 113(1), pp. 42-55.

3. Sys S. U. , Brutsaert D.L. Is stiffness increased during ischemia? (Увеличивается ли жесткость во время ишемии?). Am. Journal Cardiology, 1989, Vol.63(10), pp. 83E-86E.

4. Колчанова С.Г., Яковенко О.В., Гринько А.А. Анализ сферической модели левого желудочка для определения упругих свойств регионов сердечной стенки. Уральская конференция молодых ученых "Физика в биологии и медицине" (2-4 марта 1999 г.), сб. науч. работ, Екатеринбург, 1999, стр.51-52.

5. Патент Российской Федерации 2168943, А 61 В 8/08, 8/12, оп. 20.06.01 г.

6. Патент Российской Федерации 2166281, А 61 В 8/00, оп. l0.05.01 г.

7. Martin R. , Bashein G., Nessly M. Methodology for three-dimensional reconstruction оf the left ventricle from transesophageal echocardiograms (Методология трехмерной реконструкции левого желудочка с использованием трансэзофагиальной эхокардиолокации). Ultrasound in Med. & Biol., 1993, Vol.19, No.l, pp. 27-38.

8. Mele D. , Маеhlе J., Pedini I., Alboni P., Levine R.A. Three-dimensional echocardiografic reconstruction: description and applications of a simplified technique for quantitative assessment of left ventricular size and function (Трехмерная эхокардиографическая реконструкция: описание и применения упрощенной методики для количественной оценки размера и функции левого желудочка). The American journal of cardiology, 1998, v.81 (12A), june 18, pp. l07G-110G.

9. Azhari H. , Sideman S., Weiss J.L., Shapiro E.P., Weisfeldt M.L., Graves W. L., Rogers W.J., Beyar R. Three-dimensional mapping of acute ischemic regions using MRI: wall thickening versus motion analysis (Трехмерное картирование регионов острой ишемии методом ядерно-магнитного резонанса: противопоставление методики утолщения стенки анализу движения). American journal of physiology, 1990, Nov., 259(5Pt2), pp. H1492-H1503.