專利名稱：多組分脈管分割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由放射學(xué)方法如計(jì)算機(jī)斷層血管造影(CTA)采集的數(shù)字化掃描中的結(jié)構(gòu)分割。更具體地，本發(fā)明涉及將解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，如血管，分割成它們用于隨后觀察和測試的成分。
解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，如血管的分割尤其應(yīng)用于需要觀察患病脈管的心血管醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域中，以確定其由哪些組分組成(例如，內(nèi)腔、血栓、壁、鈣化、斑)并且精確地得出每個(gè)組分的參數(shù)(形狀、尺寸、直徑、面積、體積等)。雖然沒有病理發(fā)現(xiàn)的血管可以假設(shè)由內(nèi)腔(灌注部分)和健康壁(無灌注部分)組成，但病理性血管通常顯示出另外的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。以腹主動(dòng)脈為例。對于年紀(jì)較大的人，危及生命的動(dòng)脈瘤會(huì)在主動(dòng)脈的該部分發(fā)展(腹主動(dòng)脈瘤或簡稱AAA)。為使AAA可視化、特征化和量化，需要分割全部相關(guān)的組分內(nèi)腔(血液)，血栓(血液內(nèi)附在壁上的凝塊)、健康壁和患病壁(內(nèi)部具有斑和/或鈣化)。
雖然在文獻(xiàn)中報(bào)道有用于內(nèi)腔分割和跟蹤的幾種方法(例如由O.Wink等人在2000年4月的IEEE TMI，19(4)337-346上發(fā)表的“Fastdelineation and visualization of vessels in 3-D angiographicimages”；由M.Toveri等人在2003年3月的Medical Image Analysis，7(1)79-93上發(fā)表的“Reconstruction and web distribution ofmeasurable arterial models”)，但只有極少數(shù)研究解決了血栓和壁分割的更復(fù)雜問題。由于在CTA圖像中血栓、壁和周圍組織之間的低對比度，分割方法難于描繪正確的邊界?；趫D像梯度的方法通常是失敗的，這是因?yàn)閬碜韵噜徫矬w，如脊柱和內(nèi)腔的強(qiáng)反應(yīng)，使得該方法不能專注于找到正確的邊界?；陂撝档姆椒ㄒ彩莾A向于失敗，因?yàn)樵谘▋?nèi)部和在相鄰結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)現(xiàn)相同的強(qiáng)度值。
在文獻(xiàn)中報(bào)道有一些分割血栓的嘗試。在M.Subasic等人于“SPIEMedical Imaging-Image Processing”第1681-1689頁，SPIE 2002上發(fā)表的“3-D Image Analysis of Abdominal Aortic Aneurysm”一文中提出的一種方法是基于所謂的基于水平的技術(shù)。該方法從由用戶放置在腔內(nèi)的球體開始，采用圖像梯度做為圖像特征，該球體用作用于分割內(nèi)腔的可變形模型的初始設(shè)置。該結(jié)果用于對血栓和血管外部邊界的分割方法進(jìn)行初始化。所述分割方法利用從預(yù)處理步驟(閾值、形態(tài)學(xué)操作和圖像梯度)得出的特定圖像特征。然而，所報(bào)道的結(jié)果似乎不夠精確。這一方法和其它早期提出的分割內(nèi)腔以外的脈管組分方法通常由于常規(guī)分割方法不考慮脈管潛在形狀和外觀(像素強(qiáng)度)及其周圍組織的現(xiàn)有知識(shí)這一事實(shí)而導(dǎo)致失敗。上述問題還出現(xiàn)在其它解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分割中，如腦部或肝臟。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種精確分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的全部相關(guān)組分的方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，公開一種解剖學(xué)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字表示的分割方法。該方法包括-分割所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界；-在所述外部邊界的所述分割之前和在特定體積內(nèi)，對明顯偏離所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，使用表示所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的替代強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換；-一旦所述外部邊界的所述分割完成，就恢復(fù)所述明顯偏離的強(qiáng)度值。
所提出的方法的優(yōu)點(diǎn)在于，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的外部邊界分割不受例如特定體積內(nèi)的病變的干擾，這是由于這些病變與健康解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相比具有極大不同的強(qiáng)度值而導(dǎo)致的。這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相對來說更易于由兩個(gè)條件的驗(yàn)證來識(shí)別。將血管看作是一個(gè)待分割的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，其具有內(nèi)腔、壁和可能的病變，如鈣化、血栓和/或斑，第一條件涉及壁外部邊界相對于內(nèi)腔外部邊界的空間關(guān)系。在其中血管壁增厚的AAA情形下，壁外部邊界包圍內(nèi)腔的外部邊界并且包含在有限的體積內(nèi)。換句話說，在距離內(nèi)腔外部邊界的一定半徑距離內(nèi)，血管壁的存在可呈現(xiàn)為具有足夠高的概率。幫助確定位于內(nèi)腔外部邊界和壁外部邊界之間血管區(qū)域內(nèi)的干擾解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的第二條件涉及遇到的強(qiáng)度值范圍。干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)在放射學(xué)方法，例如CTA的掃描中會(huì)顯示出明顯不同于健康壁的強(qiáng)度值。這兩個(gè)條件的結(jié)合對血管內(nèi)腔外部邊界周圍實(shí)際上為干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的區(qū)域產(chǎn)生可靠指示。在已識(shí)別這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)后，用對應(yīng)于健康血管壁強(qiáng)度值的強(qiáng)度值對它們的強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換，消除它們對用于壁外部邊界分割的任何方法和/或算法的強(qiáng)烈影響。從而，在壁外部邊界分割期間，將這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)看作是血管壁的一部分。當(dāng)已完成分割后，可恢復(fù)那些被置換的強(qiáng)度值以反映內(nèi)腔外部邊界和壁外部邊界之間的干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)并在這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分割。
在本發(fā)明的相關(guān)實(shí)施例中，通過確定解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的包跡來確定特定體積。該包跡可以以充分的方式確定以確保該解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的整個(gè)外部邊界都包圍在該包跡內(nèi)。
在另一實(shí)施例中，通過包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的邊界層來確定特定體積。一些解剖學(xué)結(jié)構(gòu)位于包圍前者的另一個(gè)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)。在這些情形下，由該包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)限定的邊界層也可用作該特定體積的邊界。如果包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)由于例如強(qiáng)度值的典型范圍而可以被容易地識(shí)別，則這是很有利的。
在相關(guān)實(shí)施例中，替代強(qiáng)度值是由特定體積內(nèi)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)自動(dòng)獲得的，特定體積例如在血管的具體情形中是圍繞被分割的外部內(nèi)腔邊界的殼。這可通過例如，除其它以外，確定平均像素值或更頻繁出現(xiàn)的像素值來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)確定表示健康壁的替代強(qiáng)度值減少了用戶的交互作用。該方法對于例如比較性臨床試驗(yàn)或長期分析更為快捷和更具重復(fù)性。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中，特定體積中病變在恢復(fù)之后分別進(jìn)行分割。除真正的病變以外，待分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)的不必是病理性的干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)也可以按照該方式進(jìn)行處理。在強(qiáng)度值(已事先置換)恢復(fù)后進(jìn)行該步驟確保有可能對特定體積內(nèi)病變進(jìn)行正確分割。醫(yī)師將對該區(qū)域內(nèi)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)最感興趣。因此，在血管的具體情形下，將感興趣體積(VOI)限制成由前述分割步驟可獲得的內(nèi)腔外部邊界和壁外部邊界形成的中空圓筒狀，有利于完成分割血管該區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的任務(wù)。在血管分割的具體情形下，這些解剖學(xué)結(jié)構(gòu)可以是鈣化物(calcification)。鈣化物非常嚴(yán)重地干擾血管壁外部邊界的分割。幸運(yùn)地是，鈣化物的強(qiáng)度值總是在某個(gè)、相當(dāng)有限的范圍內(nèi)(實(shí)際上是高于一定值)。從而可容易地識(shí)別它們并使用與健康壁的值更為相等的值來代替其值。盡管如此，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)還可是在血管的具體情形下的斑。對于某些放射學(xué)方法，某些類型的斑可能是干擾因素。具體地，在磁共振成像(MRI)中，某些類型的斑呈現(xiàn)出比健康壁更亮。因此，斑可用與鈣化物類似的方式進(jìn)行處理。
在另一實(shí)施例中，從放射學(xué)方法獲得數(shù)字表示。放射學(xué)方法能夠從患者體內(nèi)進(jìn)行無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集。此外，它們分辨率的精度足夠用于采集解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
在相關(guān)實(shí)施例中，放射學(xué)方法是計(jì)算機(jī)斷層血管造影(CTA)或磁共振成像(MRI)中的一個(gè)。每個(gè)CTA和MRI都具有使其自身更適用于某些患者的屬性。CAT具有更廣泛的可用性，更快速，并且比MRI具有更好的空間分辨率。最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于觀察鈣化物特別重要。另一方面，MRI可在無造影劑的情況下使動(dòng)脈腔可視化，雖然造影劑可同樣用于增強(qiáng)對比度。此外，MRI不采用電離輻射。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)是血管、腦部或肝臟中的一個(gè)。人體的這些部分良好地適合于根據(jù)本發(fā)明的方法的應(yīng)用。在血管的具體情形下，首先分割內(nèi)腔。一旦已確定血管的尺寸，就可例如基于指示或多或少厚度血管的內(nèi)腔直徑確定要在其中進(jìn)行強(qiáng)度值置換的特定體積。腦部也良好地適合于根據(jù)本發(fā)明的方法，因?yàn)轱B骨為特定體積提供天然的、易于檢測到的邊界。如果待分割的組織是肝臟，則可首先通過例如考慮不同的放射學(xué)方法確定肝臟周圍特定體積的邊界并將結(jié)果結(jié)合到本發(fā)明的方法中。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，實(shí)行一種用于分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字表示的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品執(zhí)行以下步驟-分割所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界；-在所述外部邊界的所述分割之前和在特定體積內(nèi)，對明顯偏離所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，使用表示所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換；-一旦所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界的所述分割完成，就恢復(fù)所述明顯偏離的強(qiáng)度值。
所提出的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)在于，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的外部邊界分割不受由特定體積描繪的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部任何病變的干擾，這是由于這些病變與解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相比具有極大不同的強(qiáng)度值而導(dǎo)致的。這些病變或干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相對來說更易于由兩個(gè)條件的驗(yàn)證來識(shí)別。在具有內(nèi)腔、壁和可能的病變，如鈣化、血栓或斑的血管分割的具體情形下，第一條件涉及壁外部邊界相對于內(nèi)腔外部邊界的空間關(guān)系。在其中血管壁增厚的AAA情形下，外部邊界包圍內(nèi)腔的外部邊界并且包含在有限的體積內(nèi)。換句話說，在距離內(nèi)腔外部邊界的一定半徑距離內(nèi)，血管壁的存在可以以足夠高的概率呈現(xiàn)。幫助確定血管壁內(nèi)干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的第二條件涉及遇到的強(qiáng)度值范圍。干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)在放射學(xué)方法，例如CTA的掃描中會(huì)顯示出明顯不同于健康壁強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。這兩個(gè)條件的結(jié)合對血管內(nèi)腔外部邊界周圍的區(qū)域產(chǎn)生可靠指示，該血管內(nèi)腔外部邊界實(shí)際上為干擾壁外部邊界有效分割的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。在已識(shí)別這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)后，用對應(yīng)于健康血管壁強(qiáng)度值的強(qiáng)度值對它們的強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換，消除它們對用于壁外部邊界分割的任何方法和/或算法的強(qiáng)烈影響。從而，在壁外部邊界分割期間，將這些干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)看作是血管壁的一部分。當(dāng)已完成分割后，可恢復(fù)那些被置換的像素強(qiáng)度以反映血管壁內(nèi)干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。除了這些優(yōu)點(diǎn)外，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品適合于命令處理器執(zhí)行由該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品定義的步驟以最終在連接至處理器的存儲(chǔ)器內(nèi)獲得解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分割組分表示。
在本發(fā)明的相關(guān)實(shí)施例中，通過確定解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的包跡來確定特定體積。該包跡可以以充分的方式確定以確保該解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的整個(gè)外部邊界都包圍在該包跡內(nèi)。
在另一實(shí)施例中，通過包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的邊界層來確定特定體積。一些解剖學(xué)結(jié)構(gòu)位于包圍前者的另一個(gè)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)。在這些情形下，由該包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)限定的邊界層也可用作該特定體積的邊界。如果包圍解剖學(xué)結(jié)構(gòu)由于例如強(qiáng)度值的典型范圍而可以被容易地識(shí)別，則這是很有利的。
在相關(guān)實(shí)施例中，替代強(qiáng)度值是由特定體積內(nèi)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)自動(dòng)獲得的。這可通過例如，除別的以外，確定平均像素值或更頻繁出現(xiàn)的像素值來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)確定表示健康壁的替代強(qiáng)度值減少了用戶的交互作用。該方法對于例如比較性臨床試驗(yàn)或長期分析更為快捷和更具重復(fù)性。
在另一實(shí)施例中，分別分割特定體積中病變。在已被置換的強(qiáng)度值恢復(fù)后執(zhí)行此步驟，從而確保在特定體積內(nèi)進(jìn)行正確的病變分割成為可能。醫(yī)師將對該血管區(qū)域內(nèi)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)最感興趣。因此，在血管的具體情形下，將感興趣體積(VOI)限制成由前述分割步驟可獲得的內(nèi)腔外部邊界和壁部邊界形成的中空圓筒狀，有利于完成分割醫(yī)師感興趣的該區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的任務(wù)。在血管的具體情形下，這些解剖學(xué)結(jié)構(gòu)可以是鈣化物。鈣化物非常嚴(yán)重地干擾外部邊界的分割。幸運(yùn)地是，鈣化物的強(qiáng)度值總是在某個(gè)、相當(dāng)有限的范圍內(nèi)(實(shí)際上是高于一定值)。從而可容易地識(shí)別它們并用與血栓的值更為相等的值來代替其值。盡管如此，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)還可是在血管的具體情形下的斑。對于某些放射學(xué)方法，某些類型的斑可能是干擾因素。具體地，在磁共振成像(MRI)中，某些類型的斑呈現(xiàn)出比健康壁更亮。因此，斑可用與鈣化物類似的方式進(jìn)行處理。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，從放射學(xué)方法獲得三維數(shù)字表示。放射學(xué)方法能夠從患者體內(nèi)進(jìn)行無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集。此外，它們分辨率的精度足夠用于采集解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
在相關(guān)實(shí)施例中，放射學(xué)方法是計(jì)算機(jī)斷層血管造影(CTA)或磁共振成像(MRI)中的一個(gè)。每個(gè)CTA和MRI都具有其自身更適用于一定患者的屬性。CAT具有更廣泛的可用性，更快速，并且比MRI具有更好的空間分辨率。最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于觀察鈣化物特別重要。另一方面，MRI可在無造影劑的情況下使動(dòng)脈腔可視化。此外，MRI不采用電離射線。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)是血管、腦部或肝臟中的一個(gè)。人體的這些部分良好地適合于根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。在血管的具體情形下，首先分割內(nèi)腔。一旦已確定血管的尺寸，就可例如基于指示或多或少厚度血管的內(nèi)腔直徑確定要在其中進(jìn)行強(qiáng)度值置換的特定體積。腦部也良好地適合于根據(jù)本發(fā)明的方法，因?yàn)轱B骨為特定體積提供天然的、易于檢測到的邊界。如果待分割的組織是肝臟，則可首先通過例如考慮不同的放射學(xué)方法確定肝臟周圍特定體積的邊界并將結(jié)果結(jié)合到本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中。
本發(fā)明的這些和其它目的和特征將通過下面本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述得到全面公開或呈現(xiàn)得更為明顯，下面的描述與附圖一起考慮，附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。附圖中

圖1是血管分雙叉的透視圖；圖2A-圖2E是在根據(jù)本發(fā)明方法的不同步驟期間，圖1的血管沿切面II-II的軸向切片；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明方法的步驟的流程圖。
圖1示出血管，尤其是血管分雙叉。血管12包括內(nèi)腔14和壁16。內(nèi)腔14是血管的灌注部分，例如血液在其中流動(dòng)的部分。內(nèi)腔14由內(nèi)腔外部邊界14a勾畫出輪廓。壁外部邊界16a勾畫出血管與周圍組織的分界。壁16的上半部僅顯示出部分以使內(nèi)腔14獲得更好的觀察。在方法執(zhí)行期間，計(jì)算出中心線24。在方法執(zhí)行期間，中心線24用作輔助工具并為隨后的操作提供基準(zhǔn)軸。中心線可在兩個(gè)用戶定義或自動(dòng)確定點(diǎn)，啟始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間確定。在所呈現(xiàn)的分雙叉的情形下，中心線可由兩個(gè)分支組成。應(yīng)當(dāng)注意，盡管其名稱為中心線，但中心線不一定必須位于內(nèi)腔中央或位于其內(nèi)，這是因?yàn)椴捎弥行木€作為初始設(shè)置的后續(xù)算法(例如內(nèi)腔外部邊界分割算法)是足夠穩(wěn)固的。
圖2A示出沿著切片II-II的血管12的軸向截面。除了已提到的組分內(nèi)腔和14和壁16，以及它們的內(nèi)腔外部邊界14a和壁外部邊界16a以外，不同的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在由內(nèi)腔外部邊界14a和壁外部邊界16a限定的區(qū)域內(nèi)。這些解剖學(xué)結(jié)構(gòu)是鈣化物17，血栓18和斑19。中心線24表現(xiàn)為點(diǎn)劃線形式的十字叉?？赡芗僭O(shè)其位于內(nèi)腔外部邊界14a的重心附近。該圖2A表示血管12三維表示的初始狀態(tài)。中心線24已計(jì)算出。
血管12的三維表示的下一狀態(tài)在圖2B中示出。初始管狀三維活動(dòng)物體(3DAO)26a沿中心線放置。3D活動(dòng)對象，有時(shí)也稱為3D變形模型，是將表面擬合為體積測量數(shù)據(jù)的技術(shù)。由于它們被表達(dá)成拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程形式并可形成動(dòng)態(tài)以實(shí)際模擬物理對象的行為，因而被稱為“基于物理的”。采用有限元使表面離散化，并且表面到數(shù)據(jù)的擬合是通過描述表面變形能量的能量函數(shù)的最低化實(shí)現(xiàn)的。3D變形模型已通過將封閉表面放置到待分割的區(qū)域內(nèi)和將圖像力施加到以包含在強(qiáng)度分部內(nèi)的梯度信息為基礎(chǔ)的表面上，允許該表面膨脹并符合感興趣區(qū)域而應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像體積分割。這類模型具有能夠呈現(xiàn)復(fù)雜自由形式的形狀和具有通過將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)作用戶施加在表面上的點(diǎn)力來擬合數(shù)據(jù)的直覺手段的所需特性。在圖2B中，多邊形26a表示穿過沿中心線24放置的管狀3DAO的橫截面。初始3DAO自動(dòng)變形成內(nèi)腔邊界。
圖2C示出內(nèi)腔3DAO 26b自動(dòng)變形的結(jié)果，其近似于勾畫出內(nèi)腔14與壁16、鈣化物17、血栓18和斑19的分界的內(nèi)腔外部邊界14a。為清楚起見，最終的內(nèi)腔3DAO 26b表示為僅具有八個(gè)頂點(diǎn)的多邊形。實(shí)際上，采用更少的頂點(diǎn)，從而可能精確地繪制出內(nèi)腔邊界。內(nèi)腔3ADO 26b的橫截面可具有任意的幾何形狀，特別具有更多的頂點(diǎn)以更加近似內(nèi)腔邊界。此外，內(nèi)腔3ADO 26b的橫截面無需受限于總是沿其縱軸，而是可隨內(nèi)腔邊界的變化而變化。
現(xiàn)參見圖2D，其表示內(nèi)腔周圍特定體積內(nèi)的像素強(qiáng)度置換。一旦已確定最終內(nèi)腔3DAO 26b，該方法就會(huì)假設(shè)在距離內(nèi)腔3DAO 26b一定距離內(nèi)將會(huì)遇到血管壁外部邊界的概率很高。從內(nèi)腔3DAO 26b直到由壁外部邊界分割方法假設(shè)的血管壁存在的距離在圖2D中表示為虛線顯示的橢圓。鈣化物17、血栓18和斑19包含在由內(nèi)腔3DAO 26b與標(biāo)記距分割內(nèi)腔最大距離的虛橢圓之間形成的環(huán)形內(nèi)。在該環(huán)形內(nèi)，對象被賦予等于或接近壁16強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，壁16在圖2D中以同樣的灰色陰影表示。此外，內(nèi)腔3DAO 26b用于對壁外部邊界3DAO 28進(jìn)行初始化。該壁外部邊界3DAO 28以與上述類似的方式變形。然而，如果需要，變形過程可以由不同的停止標(biāo)準(zhǔn)控制。
施加于外部邊界3DAO 28的變形的最終結(jié)果在圖2E中示出。壁外部邊界3DAO 28，為清楚起見沿其輪廓孵出，現(xiàn)在緊隨壁16的外部邊界16a的輪廓。此外，鈣化物17、血栓18和斑19已恢復(fù)它們的原始像素強(qiáng)度，由與圖2A-2C中對應(yīng)的不同灰度陰影表示。它們的分割現(xiàn)在可以通過對感興趣體積應(yīng)用分割算法來實(shí)現(xiàn)，該感興趣體積由內(nèi)腔3DAO26b和壁外部邊界3DAO 28限定。可選擇用于內(nèi)腔3DAO 26b和外部邊界3DAO之間血管區(qū)域內(nèi)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分割算法并確定其參數(shù)，從而進(jìn)行更仔細(xì)、或更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆指?。由于評(píng)價(jià)體積是有限的，因此這些是可能的。此外，有限的感興趣體積內(nèi)的像素強(qiáng)度對一定的解剖結(jié)構(gòu)是獨(dú)特的，如健康壁16、鈣化物17、血栓18和斑19。因此，在強(qiáng)度直方圖內(nèi)可期望出現(xiàn)幾群強(qiáng)度值，每一群強(qiáng)度值與由某一解剖學(xué)結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)度值有關(guān)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。菱形表示為方法的輸入或者中間結(jié)果的數(shù)據(jù)。矩形表示在數(shù)據(jù)上進(jìn)行的操作。方法輸入之一是包含部分身體例如腹部的三維表示的數(shù)據(jù)集30(SCAN)。該數(shù)據(jù)集可從合適的采集設(shè)備如計(jì)算機(jī)斷層造影直接獲得，或者從數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備重現(xiàn)。在任何情況下，該數(shù)據(jù)集包含腹部強(qiáng)度的三維空間分布，例如，其中這些強(qiáng)度反映體內(nèi)一定位置的一定物理特性。共同的物理特性是所謂的Hounsfield值，其描述了身體在一定位置處相對于X線范圍內(nèi)的電磁射線的吸收系數(shù)。其它物理特性可由磁共振成像(MRI)檢測。該方法的另一輸入是血管上的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)31(SP/EP)，其確定考慮進(jìn)行分割的區(qū)域。這些開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)可以是用戶選擇或者自動(dòng)確定的。這些輸入，即，三維數(shù)據(jù)集30和開始點(diǎn)/結(jié)束點(diǎn)選擇31由定義感興趣體積(VOI)33的大塊圖像生成器(CI)32處理。感興趣體積33通常是三維數(shù)據(jù)集30的子集，從而避免了對不感興趣或極少感興趣的數(shù)據(jù)集部分進(jìn)行不需要的操作。感興趣體積作為幾個(gè)評(píng)價(jià)算法的輸入?yún)?shù)。這些評(píng)價(jià)算法中的一個(gè)評(píng)價(jià)算法是確定34開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)31之間的中心線(CNTLN)。中心線確定是基于，例如，穿過內(nèi)腔的連續(xù)橫截面的重心。連接重心則產(chǎn)生中心線。還可將中心線確定為從開始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的最低成本路徑。一旦確定中心線，就將其用作初始表面35(IS)的初始假設(shè)，從該初始表面通過變形可發(fā)展成3D活動(dòng)對象。實(shí)驗(yàn)表明，具有恒定半徑r＝5mm的圓形橫截面的管狀初始表面35產(chǎn)生良好的結(jié)果。該初始表面的變形37由內(nèi)腔表面變形算法36(LSDEF)實(shí)行。這種算法可以是，例如，基于閾值的，這意味著只要頂點(diǎn)處的強(qiáng)度值指示該頂點(diǎn)仍然位于內(nèi)腔內(nèi)，則就將3DAO的頂點(diǎn)向外推出(即，按照所考慮頂點(diǎn)的位置處的3DAO的法向向量)。這可通過應(yīng)用上、下限閾值限定內(nèi)腔內(nèi)典型脈管的強(qiáng)度區(qū)間來實(shí)現(xiàn)。一旦在頂點(diǎn)處遇到的強(qiáng)度值是位于該強(qiáng)度區(qū)間外部，就將該頂點(diǎn)再次向內(nèi)推進(jìn)。該算法還執(zhí)行停止標(biāo)準(zhǔn)以指示變形表面何時(shí)充分與血管的實(shí)際內(nèi)腔相似。最終保留為內(nèi)腔表示的3DAO被稱為內(nèi)腔表面37(LS)。在該方法的下一步驟中，修改所確定內(nèi)腔表面37周圍區(qū)域，原因在于將與健康血管壁最可能無關(guān)的強(qiáng)度值置換成對應(yīng)于健康血管壁的強(qiáng)度值。該置換步驟38(REPL)是在內(nèi)腔表面37周圍具有沿中心線的近似中空圓筒形狀的區(qū)域內(nèi)實(shí)行的。該置換產(chǎn)生作用的有效距離取決于血管的尺寸和健康狀態(tài)。已發(fā)現(xiàn)，5cm的半徑對于可能受動(dòng)脈瘤影響的腹主動(dòng)脈產(chǎn)生良好的結(jié)果。進(jìn)行下一步驟以找出血管壁外部邊界的表面。因此，其被稱為壁表面變形步驟39(WSDEF)。壁表面3DAO由在步驟37中找出的內(nèi)腔表面3DAO初始化。然而，壁分割是一個(gè)復(fù)雜的問題，且基于圖像強(qiáng)度閾值的簡單力變形模型不能提供充分較佳的結(jié)果。作為替代，采用圖案分類方法進(jìn)行灰度值模擬，即k最近鄰域(KNN)算法。在該監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)中，通過將特征空間分成可變化尺寸的單元來估計(jì)每一類的任意隨機(jī)密度函數(shù)。一個(gè)單元對應(yīng)于給定特征點(diǎn)的k“鄰域”(或最接近訓(xùn)練點(diǎn))。屬于給定分類的特征點(diǎn)的后驗(yàn)概率由該單元內(nèi)訓(xùn)練點(diǎn)的密度確定P(Ωj|y)=kjk.]]>在該公式中，kj是屬于在給定特征點(diǎn)y的k(空間的)最近鄰域中Ωj分類的點(diǎn)數(shù)量。而后將該點(diǎn)賦予具有最高概率的分類?？赡艿姆诸惁竕包括“對象內(nèi)部”(即在壁外部邊界內(nèi))、“對象外部”和在“對象邊界處”。根據(jù)k最近鄰域分類的結(jié)果，頂點(diǎn)在分類為“對象內(nèi)部”的情形下向外推出，或者是在分類為“對象外部”的情形下向內(nèi)推進(jìn)，或者是在分類為“對象邊界”的情形下保持在其當(dāng)前位置。在該算法中，如果全部或者至少大多數(shù)頂點(diǎn)位于對象邊界上，則滿足停止標(biāo)準(zhǔn)。先前的置換步驟38向步驟39報(bào)告壁表面變形，原因在于沒有干擾性解剖學(xué)結(jié)構(gòu)影響頂點(diǎn)的分類。壁表面變形步驟39的最終結(jié)果寫入壁表面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)40(WS)，其為3D活動(dòng)物體。在后續(xù)的恢復(fù)步驟41(RSTR)中，取消已在置換步驟38期間進(jìn)行的強(qiáng)度置換。這恢復(fù)原始強(qiáng)度值，從而可進(jìn)行血管壁和包含在其中的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分割。
除了用于分割血管的所述方法應(yīng)用和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品外，還可考慮醫(yī)療成像中的其它應(yīng)用。
本發(fā)明可應(yīng)用于3D掃描中的腦組織分割以分離腦部中的病變，如腫瘤。健康的腦組織通常具有更均勻的像素強(qiáng)度/Hounsfield值。然而，病變可具有不同值。當(dāng)病變不由類似于健康腦組織的強(qiáng)度進(jìn)行臨時(shí)置換時(shí)，健康腦組織的分割(如采用3D活動(dòng)對象和/或變形模型)可能不是最佳的。在腦部，置換的邊界可以是顱骨(其具有極高的強(qiáng)度，從而易于檢測到)。
肝臟分割是本發(fā)明的另一種應(yīng)用。在從3D腹部CT中進(jìn)行完全肝臟分割前，在肝臟的假定病變(腫瘤)上進(jìn)行強(qiáng)度值置換。由于肝臟組織在CT表示中是較為均勻的，病變可具有不同的強(qiáng)度和/或Hounsfield值。然而，定義強(qiáng)度置換的邊界對于肝臟而言可能會(huì)更困難些。
根據(jù)本發(fā)明的方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還可應(yīng)用于體內(nèi)若干較小器官。此外，還可想到在分割包括內(nèi)部血管的器官的CT造影掃描方法中采用本發(fā)明。在第一步驟中，可能分割血管自身的內(nèi)腔，其通過設(shè)定閾值會(huì)更容易完成。而后可用例如周圍組織的平均值代替所檢測到的內(nèi)腔，并且可用如3D活動(dòng)對象這樣的更先進(jìn)的技術(shù)分割整個(gè)器官。
雖然本發(fā)明已參照優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但其不限于所公開的和/附圖中所示出的具體的結(jié)構(gòu)，而是還可包括在權(quán)利要求書范圍內(nèi)的任何修改或等同替代。
如本領(lǐng)域所公知的，可采用工作站實(shí)行本方法，該工作站設(shè)置成從醫(yī)學(xué)成像接收圖像數(shù)據(jù)并設(shè)置成實(shí)行該方法。本發(fā)明工作所采用的更有利方式包括將計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品安裝在工作站上以實(shí)行該方法。
權(quán)利要求
1.分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字表示的方法，該方法包括-分割所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界；其特征在于還包括-在所述外部邊界的所述分割之前和在特定體積內(nèi)，對明顯偏離所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，使用表示所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的替代強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換；-一旦所述外部邊界的所述分割完成，就恢復(fù)所述明顯偏離的強(qiáng)度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過確定所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的包跡來確定所述特定體積的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一個(gè)所述的方法，其中所述特定體積由包圍所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的邊界層確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一個(gè)所述的方法，其中所述替代強(qiáng)度值是通過所述特定體積內(nèi)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)自動(dòng)獲得的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一個(gè)所述的方法，其中在所述恢復(fù)之后，分別分割特定體積內(nèi)的病變。
6.用于分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字表示的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，執(zhí)行以下步驟-分割所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界；其特征在于還包括-在所述外部邊界的所述分割之前和在特定體積內(nèi)，對明顯偏離所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，使用表示所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的替代強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換；-一旦所述外部邊界的所述分割完成，就恢復(fù)所述明顯偏離的強(qiáng)度值。
7.根據(jù)權(quán)利要求9所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括通過確定所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的包跡來確定所述特定體積的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7中任一個(gè)所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述特定體積由包圍所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的邊界層確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一個(gè)所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述替代強(qiáng)度值是通過所述特定體積內(nèi)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)自動(dòng)獲得的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9中任一個(gè)所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中在所述恢復(fù)之后，分別分割特定體積內(nèi)的病變。
11.設(shè)置成提供解剖學(xué)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字表示的分割的工作站，其設(shè)置成執(zhí)行以下步驟-分割所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)外部邊界；其特征在于還包括-在所述外部邊界的所述分割之前和在特定體積內(nèi)，對明顯偏離所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值的強(qiáng)度值，使用表示所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的替代強(qiáng)度值進(jìn)行臨時(shí)置換；-一旦所述外部邊界的所述分割完成，就恢復(fù)所述明顯偏離的強(qiáng)度值。
全文摘要
用于分割解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字表示的方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中在特定體積內(nèi)使用對應(yīng)于健康解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的替代強(qiáng)度值進(jìn)行強(qiáng)度值的臨時(shí)置換。在恢復(fù)原始強(qiáng)度值之前進(jìn)行血管外部邊界分割。在原始強(qiáng)度值恢復(fù)之后，進(jìn)行特定體積和其中所含任何病變的完全分割。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101065776SQ200580040831
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者M·布利尤沃, S·德爾加多奧拉巴里亞加 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司