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CN103957813B - 用于识别高危妊娠的系统和方法 - Google Patents

用于识别高危妊娠的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于识别高危妊娠的方法、系统和软件产品，包括如下步骤：从子宫动脉反射的超声多普勒信号生成声谱图，并确定所述声谱图的最大频率包络，并且包括定义所述最大频率包络的收缩部分和舒张部分，并计算所述收缩部分和所述舒张部分下方的面积比(AR)。该面积比涉及子宫动脉中的血容量。

Description

用于识别高危妊娠的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于识别高危妊娠的系统和方法。
背景技术
评估妊娠风险以及监测高危妊娠是孕期护理中的日常例行任务，以便帮助母亲生出健康婴儿。目前，评估胎儿健康并分类妊娠风险的方式是使用超声多普勒测量母亲和胎儿的不同血管的母胎血流。异常血管流反映妊娠风险和并发症。例如，异常子宫动脉血流可能反映高危妊娠状况，例如先兆子痫、孕妇高血压和宫内发育迟缓(IUGR)，并且可能是产前死的指示。
目前，胎儿和母亲的特定血流的超声多普勒波形分析被常规地用于检测并监测高危妊娠。产科医师和超声医师使用子宫动脉中血流的多普勒波形分析以在监测并检测像妊娠期高血压疾病(妊娠高血压综合征(PIH)和先兆子痫)和胎儿宫内发育迟(IUGR)的高风险状况中，评估子宫-胎盘循环。
阻力指数(RI)、搏动指数(PI)以及收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)是被广泛用于量化子宫动脉中的血流的参数。RI、PI以及S/D比是根据峰值或平均收缩期血流和舒张期血流计算的比(例如，参见“Useof uterine artery Doppler ultrasonography to predict pre-eclampsia andintrauterine growth restriction:a systematic review and bivariablemeta-analysis”，CMAJ，2008年3月11日)。
这些参数是优选的参数，因为它们能够根据与角度无关的测量结果被确定(即，它们不取决于超声波和血管之间的入射角)。然而，这些参数不提供血管中血量的任何直接估计。
尽管就目前临床实践而言，上述参数被认为是黄金标准，但在早期阶段，它们在检测并预测上述高危妊娠状况时仍具有低的灵敏度。此外，已经发现这些参数的灵敏度在各种研究中都是高度可变的，尽管它们在诊断高危妊娠中具有高的特异性。
就此而言，将灵敏度定义为真阳性数量与真阳性和假阴性数量总和的比。
Kara，S.等人的“Fractal Analysis of Umbilical Artery Doppler SignalsFrom Normal Pregnant Subject Using Hurst Exponent”(Frontiers in theConvergence of Bioscience and Information Technologies，2007，FBIT2007，IEEE，第582-586页)提出将分形分析方法应用于脐动脉多普勒信号，以便从分形维数曲线导出阻力指数(RI)、搏动指数(PI)和收缩舒张比(S/D)。
WO2005/004726A2公开了一种分析包含肿瘤的区域的多普勒流动图像的方法，该方法包括如下步骤：将多普勒流动图像表示为三维流动表示，并计算表征三维流动表示的速度谱的至少一个参数，从而确定肿瘤的恶性可能性；由此分析多普勒流动图像。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种在检测高危妊娠时具有提高的灵敏度的系统和方法。
根据本发明的第一方面，提出根据权利要求1所述的方法，该方法包括如下步骤：采集来自子宫动脉的超声多普勒信号；从所采集的超声多普勒信号生成声谱图并确定所述声谱图的最大频率包络；并且定义所述最大频率包络的(i)在所述最大频率包络中起始于谷值并结束于峰值的收缩部分和(ii)在所述最大频率包络中起始于所述峰值并结束于下一谷值的舒张部分，并通过由所述收缩部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC收缩 期)除以所述舒张部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC舒张期)来计算面积比(AR)。
根据本发明的第二方面，提出根据权利要求5所述的系统。
根据本发明，提出了确定曲线(该曲线表示来自所采集的超声多普勒信号的声谱图的最大频率包络)下方的面积中，收缩部分和舒张部分的面积比(AR)。该参数是子宫动脉中血容量的间接指示。
发明人发现，测量子宫动脉中的血容量(或经由一些间接参数的容量的良好指示)最适于充分评估妊娠期间发生的血管生理变化。滋养层细胞缺陷性渗入子宫螺旋动脉是先兆子痫和IUGR中的一致发现。于是，螺旋动脉保持在生理学上不变，从而导致对子宫动脉血流的阻抗增大。这样影响了胎盘的血液供应，从而导致胎盘功能不全，将母亲或胎儿或两者都置于妊娠结果不良的高风险中。在正常妊娠中，子宫动脉中存在着逐渐减小的下游阻抗和逐渐增大的血容量。另一方面，高危妊娠具有增大的下游阻抗和子宫动脉中减小的血容量。因此，接着或替代子宫动脉中的血流速度的多普勒波形分析，子宫动脉中的血容量的多普勒波形分析将带来高危妊娠状况的改进检测。
通过所提出的声谱图的最大频率包络的收缩部分和舒张部分下方的面积比(AR)获得子宫动脉中的血容量具有如下优点：能够使用用于采集所述声谱图的已知技术确定这种参数，且能够从与角度无关测量结果确定像阻力指数(RI)和搏动指数(PI)的这种参数(即，它们不依赖于超声波和血管之间的入射角)。
应注意，获得子宫动脉中血容量的直接度量会涉及到有创流程。
在根据本发明的方法的优选实施例中，定义所述最大频率包络的收缩部分和舒张部分的步骤包括如下子步骤：在所述最大频率包络中确定至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)，所述峰值(S)对应于心脏周期中的收缩期峰值流速，并且所述谷值(D)对应于所述心脏周期中的舒张末期流速。
根据所述最大频率包络中确定的(一个或多个)峰值和(一个或多个)谷值，能够容易地识别(一个或多个)收缩部分和(一个或多个)舒张部分。
例如，可以在用户接口上向用户，例如医生，呈现所确定的收缩部分和舒张部分下方的面积比(AR)。用户之后根据该呈现的值对妊娠风险进行分类。
在所述面积比(AR)大于预定阈值时，所采集的超声多普勒信号可以被分类为异常。当应用在用于日常例行监测妊娠的需要最小用户交互的装置(例如，2010年12月22日的美国专利申请61/425866中描述的装置)中时，这可以尤其有利。
可以通过临床研究确定预定阈值。提出0.60的阈值。这个值是由发明人研究确定的。
另一种方法包括如下步骤：
i)采集来自子宫动脉的超声多普勒信号；
ii)从所采集的超声多普勒信号生成声谱图并确定所述声谱图的最大频率包络；
iii)在所述最大频率包络中确定至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)，所述峰值(S)对应于心脏周期中的收缩期峰值流速，并且所述谷值(D)对应于所述心脏周期中的舒张末期流速；
iv)确定阻力指数(RI)、搏动指数(PI)和收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)中的至少一个；
v)基于所确定的阻力指数(RI)、搏动指数(PI)或收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)中的所述至少一个，将所采集的超声多普勒信号分类为正常或异常；
并且，在将所采集的超声多普勒信号分类为正常时，
vi)定义所述最大频率包络的收缩部分和舒张部分，并计算所述收缩部分和所述舒张部分下方的面积比(AR)；并且
vii)在所述面积比(AR)大于预定阈值时，将所采集的超声多普勒信号分类为异常。
步骤i)是使用正规超声机器采集超声多普勒信号的标准流程。这种正规超声机器可以是用于产生超声多普勒图像的成像设备或自身不能产生超声图像的超声妊娠监测设备。
步骤ii)和iii)是公知的步骤，其例如是用于识别异常妊娠的产科特有超声多普勒速度测量计的决策支持程序包的一部分。在步骤iv)中，确定了当前临床实践中使用的与血液速度相关的参数中的一个或多个，以便分类出正常和异常妊娠(在步骤v)中)。应注意，在上述2010年12月22日的美国专利申请61/425866中，描述了一种设备，其用于利用两个参数PI和RI评估血流的正常性。
如果从这些速度相关的参数看起来妊娠是正常的，则执行进一步的分析步骤，以便改善灵敏度并识别那些在步骤v)中由于像RI和PI的当前临床参数的较低灵敏度而错过的有风险的妊娠。确定了与血容量相关的参数AR(收缩部分和舒张部分下方的面积比)(步骤vi))，并将其确定的值与预定阈值进行比较(步骤vii))。可以通过临床研究或从临床经验确定预定阈值。提出0.60的阈值。这个值是由发明人研究确定的。
应注意，或者可以始终执行步骤vi)和viii)，在其中，确定了与血容量相关的参数AR。通过这种方式，接着与血流速度相关的参数，与血容量相关的参数AR始终可用，以获得妊娠的风险。
依照根据本发明的所述系统，该系统包括用于执行上述方法的器件。
根据本发明的这种系统可以是较大系统的一部分，该较大系统例如是能够产生超声图像的诊断超声装置、妊娠监测装置或自动化临床决策支持系统。
例如，可以由加载有适当软件的通用处理器或由实施所述方法的功能的专用硬件(例如一个或多个集成电路)来实施根据本发明的系统。
附图说明
结合附图考虑以下详细描述，本发明的上述以及其他目的和特征将变得更明显，在附图中：
图1A和1B是示出了来自所采集的超声多普勒信号的声谱图的最大频率包络的图；
图2是示出了被分为收缩部分和舒张部分的声谱图的最大频率包络的图；
图3和4示出了依照根据本发明的方法的实施例的步骤的流程图。
在所有附图中使用相同的附图标记表示类似部分。
具体实施方式
图1A和1B示出了来自所采集的超声多普勒信号的声谱图的最大频率包络。图1A示出了对应于心脏周期的峰值收缩期期间的血流速度的峰值(S)和对应于心脏周期的舒张末期期间的血流速度的谷值(D)。图1B示出了两个连续谷值之间的时间距离A。该距离A对应于单个心脏周期的持续时间。应注意，或者能够在两个连续峰值之间确定时间距离A。能够从峰值(S)、谷值(d)和时间距离A确定与血流速度相关的参数。
收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)能够根据以下计算：
S/D比＝S/D；
搏动指数(PI)能够根据以下计算：
PI＝(S-D)/A；
并且，阻力指数(RI)能够根据以下计算：
RI＝(S-D)/S。
图2示出了来自所采集的超声多普勒信号的声谱图的类似最大频率包络。在根据本发明的方法的实施例中，通过使用此图中的(一个或多个)峰值和(一个或多个)谷值定义收缩部分和舒张部分，来确定最大频率包络的收缩部分和舒张部分以下的面积比(AR)。
将图中对应于谷值(即最低流速)的时间t0作为收缩部分的起始点，而将对应于峰值(即最高流速)的时间tS作为收缩部分的结束点。对于该收缩部分，通过计算从时间t0到时间tS的最大频率包络以下的面积来确定曲线下面积AUC收缩期。将图中对应于下一个谷值的时间tD作为舒张部分的结束点，而将时间tS作为舒张部分的起始点。对于舒张部分，通过计算从时间tS到时间tD的最大频率包络以下的面积来确定曲线下面积AUC舒张期。现在面积比(AR)根据以下确定：
面积比(AR)＝AUC收缩期/AUC舒张期。
图3中示出了依照根据本发明的方法的实施例的步骤的流程图。
在步骤S1中，采集从子宫动脉所得的超声多普勒信号。
在诊断超声装置中，通过手动放置超声探头并以常规方式扫描子宫动脉来采集这些超声多普勒信号。可以如由上述2010年12月22日的美国专利申请61/425866中描述的妊娠监测装置所进行的那样，以半自动方式进行这种扫描。在临床决策支持系统中，可以从存储装置，例如从计算机存储器、硬盘驱动器、网络医院信息系统等，采集这些超声多普勒信号。之后超声多普勒信号由常规诊断超声装置预采集，并由临床决策支持系统存储在存储设备中以供检索。
从这些采集的超声多普勒信号，在步骤S2中使用常规的并且众所周知的技术生成声谱图和所述声谱图的最大频率包络。
接下来在步骤S3中确定该最大频率包络中的至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)。峰值(S)对应于心脏周期中收缩期期间的最大血液速度，并且谷值(D)对应于心脏周期中舒张期期间的最小血液速度。
在步骤S4中，参考图1如上所述确定阻力指数(RI)和搏动指数(PI)。应注意，收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)，或任何其他流速相关的参数，可以被添加至或替换参数RI和PI中的任何参数。
在步骤S5中，基于步骤S4中确定的参数值，确定所采集的超声多普勒信号以及由此的子宫-胎盘循环是否将被分类为异常(D-A)。根据参数RI和PI的值对所采集的超声多普勒信号分类的方式是完善的临床实践。
在所采集的超声多普勒信号在步骤S5中未被分类为异常时，方法继续到步骤S6，其中，确定最大频率包络的收缩部分和舒张部分，并且参考图2，如上所述计算所述收缩部分和所述舒张部分以下的面积比(AR)。
在步骤S7中，基于步骤S6中计算的面积比，确定所采集的超声多普勒信号以及由此的子宫-胎盘循环将被分类为异常(D-A)还是正常(D-N)。根据该方法的实施例，在面积比(AR)大于预定阈值时，所采集的超声多普勒信号被分类为异常。
可以由临床研究确定预定阈值。提出0.6的阈值。该值由发明人在研究中确定。下表中示出了该研究的结果：
阈值 准确度 灵敏度 特异性
0.4 57.1％ 100％ 13.3％
0.5 85.7％ 100％ 71.4％
0.6 92.9％ 100％ 85.7％
0.7 92.9％ 85.7％ 100％
0.8 85.7％ 71.4％ 100％
0.9 78.6％ 57.1％ 100％
1.0 57.1％ 14.3％ 100％
就此而言，将准确度定义为真阳性数量和真阴性数量与样本总数的比，将灵敏度定义为真阳性数量与真阳性和假阴性数量总和的比，并且将特异性定义为真阴性数量与真阴性和假阳性数量总和的比。对于所提出的阈值0.6，准确度和灵敏度都是它们的最大值。在期望准确度和特异性都是它们的最大值时(以降低灵敏度为代价)，可以替代地选择阈值0.7。
在参考图3如上所述的根据本发明的方法的实施例中，当在步骤S5中确定所采集的超声多普勒信号以及由此的子宫-胎盘循环将被分类为异常(D-A)时，终止方法步骤。仅在所采集的超声多普勒信号在步骤S5中未被分类为异常时，方法继续确定面积比(AR)以便通过降低假阴性的数量提高用于识别高危妊娠的方法的灵敏度。图4中示出了根据备选实施例的步骤的流程图。在此实施例中，接着在步骤S4中确定的参数，总是在步骤S6中确定面积比(AR)。在步骤S47中，现在基于步骤S4中确定的参数以及步骤S6中计算的面积比(AR)，确定所采集的超声多普勒信号以及由此的子宫-胎盘循环将被分类为异常(D-A)还是正常(D-N)。这具有的优点是：该分类基于从对子宫动脉中的血流速度和血容量两者的多普勒波形分析所获得的信息。

Claims (10)

1.一种用于确定适于作为用于识别高危妊娠的基础的至少一个参数的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
a)采集从子宫动脉反射的超声多普勒信号；
b)从所采集的超声多普勒信号生成声谱图并确定所述声谱图的最大频率包络；
c)定义所述最大频率包络的(i)在所述最大频率包络中起始于谷值并结束于峰值的收缩部分和(ii)在所述最大频率包络中起始于所述峰值并结束于下一谷值的舒张部分，并通过由所述收缩部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC收缩期)除以所述舒张部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC舒张期)来计算面积比(AR)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c)包括在所述最大频率包络中确定至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)，所述峰值(S)对应于心脏周期中的收缩期峰值流速，并且所述谷值(D)对应于所述心脏周期中的舒张末期流速。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括如下步骤：
向用户呈现所述面积比(AR)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤c)还包括基于所确定的至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)来确定阻力指数(RI)、搏动指数(PI)和收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)中的至少一个。
5.一种用于识别高危妊娠的系统，其中，所述系统包括：
诊断超声装置，其用于采集从子宫动脉反射的超声多普勒信号；以及
处理器，其被配置为执行以下步骤：
-从所采集的超声多普勒信号生成声谱图；
-确定所述声谱图的最大频率包络；
-定义(i)在所述最大频率包络中起始于谷值并结束于峰值的收缩部分，和(ii)在所述最大频率包络中起始于所述峰值并结束于下一谷值的舒张部分；并且
-通过由所述收缩部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC收 缩期)除以所述舒张部分中的所述最大频率包络下方的面积(AUC舒张期)来计算面积比(AR)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述处理器还被配置为确定所述最大频率包络中的至少一个峰值(S)和至少一个谷值(D)，所述峰值(S)对应于心脏周期中的收缩期峰值流速，并且所述谷值(D)对应于所述心脏周期中的舒张末期流速。
7.根据权利要求5或6所述的系统，还包括用于向用户呈现所述面积比(AR)的器件。
8.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述处理器还被配置为在所述面积比(AR)大于预定阈值时将所采集的超声多普勒信号分类为异常。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述预定阈值为0.60。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器还被配置为确定阻力指数(RI)、搏动指数(PI)和收缩期峰值流速/舒张末期流速比(S/D比)中的至少一个。
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