專利名稱：解剖樹的自動(dòng)化分層拆分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)數(shù)據(jù)集表示的解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分的方法，該 數(shù)據(jù)集標(biāo)識(shí)了解剖樹結(jié)構(gòu)中的多個(gè)點(diǎn)。本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)以及一種計(jì) 算程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
WO 03/034337公開了一種用于對(duì)對(duì)象數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析的方法，在該對(duì) 象數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)了具有多個(gè)分支(branch)和分叉(bifiircation)的管狀結(jié)構(gòu)，其 中，所述對(duì)象數(shù)據(jù)集分配數(shù)據(jù)值給多維空間的位置，該數(shù)據(jù)值與待檢査的 對(duì)象相關(guān)，并且其中，對(duì)沿著所述管狀結(jié)構(gòu)的分支的所述管狀結(jié)構(gòu)的分叉 的位置進(jìn)行標(biāo)記，每個(gè)分支和分叉具有唯一的標(biāo)記。當(dāng)特別地為了實(shí)現(xiàn)全 自動(dòng)脈管跟蹤，特別是針對(duì)病人腦中的脈管結(jié)構(gòu)使用該方法時(shí)，為了提高 精確度，提出下列步驟在該管狀結(jié)構(gòu)的感興趣的分支或分叉中或者附近 選擇起始點(diǎn)；對(duì)在所述起始點(diǎn)周圍包含球體以及經(jīng)過該球體中心的平面的 探針進(jìn)行定向，從而使該平面經(jīng)過所述起始點(diǎn)；調(diào)整探針的方向，從而使 該平面垂直于該管狀結(jié)構(gòu)，并且使該球體的中心處于該管狀結(jié)構(gòu)的中心軸 上；從而通過使用該球體內(nèi)的表面頂點(diǎn)，根據(jù)沿著分支的分叉的最靠近位 置的標(biāo)記來標(biāo)記所述表面頂點(diǎn)，其中僅具有與感興趣分支或分叉的標(biāo)記或 沿著感興趣分支的下一個(gè)分叉或末端的標(biāo)記相等的標(biāo)記的表面頂點(diǎn)用于調(diào) 整探針的方向。
'已知的方法以作為定量脈管分析算法中的處理步驟，來提供分支和分 叉的標(biāo)記過程。

發(fā)明內(nèi)容
.本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于檢查解剖樹結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。通過提供 一種包含以下步驟的方法來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)查找表示該解剖樹結(jié)構(gòu)的主流入和/或主流出的根點(diǎn)(48);
基于所述根點(diǎn)，査找對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)主子樹進(jìn)行約束的主 要分叉點(diǎn)(64);以及
在所述主要分叉點(diǎn)處對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分。 '所述數(shù)據(jù)集可以由用于標(biāo)識(shí)解剖樹結(jié)構(gòu)中的多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集來表示。 所述多個(gè)點(diǎn)是多維空間中的點(diǎn)，通常是三維空間，因?yàn)槿梭w本質(zhì)上是三維 的。例如，如果將三維數(shù)據(jù)集投影到二維平面上，則二維空間也適用。例 如，當(dāng)包含時(shí)間維度時(shí)，四維空間也適用。
如下文所說明的，主要分叉點(diǎn)連接兩個(gè)主子樹。通過首先查找根點(diǎn)然 后查找主要分叉點(diǎn)，就可以識(shí)別出在每個(gè)分叉點(diǎn)處的相關(guān)子樹，這對(duì)確定 關(guān)于分叉點(diǎn)的重要性而言是非常重要的。這兩個(gè)主子樹很有可能具有特定 解剖含義，例如所述子樹可以供給不同的器官或同一器官的不同葉。
根點(diǎn)通常在識(shí)別主要分叉點(diǎn)中扮演重要的角色。能夠分層次地確定多 個(gè)主要分叉點(diǎn)，這時(shí)更靠近根點(diǎn)的主要分叉點(diǎn)通常在分層中比進(jìn)一步遠(yuǎn)離 根點(diǎn)的主要分叉點(diǎn)更高。
主要分叉點(diǎn)可以用作拆分點(diǎn)，用于在具有解剖含義的某個(gè)位置上對(duì)分 層樹進(jìn)行拆分。例如，可以將脈管樹拆分為多個(gè)部分，每個(gè)部分供給器官(例 如，腎或肺)的不同葉。在表示支氣管樹的樹結(jié)構(gòu)的情況下，可以使用主要 分叉點(diǎn)來識(shí)別支氣管樹的多個(gè)部分，各個(gè)部分傳遞空氣到肺的不同葉。本 發(fā)明使得臨床醫(yī)生用戶更易于區(qū)分該樹的各個(gè)重要部分，因?yàn)椴鸱贮c(diǎn)已經(jīng) 被自動(dòng)指示出。
在一個(gè)實(shí)施例中，查找根點(diǎn)的步驟包括
在樹結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇多個(gè)種子點(diǎn)(24);
'計(jì)算沿著所述樹結(jié)構(gòu)從所述多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到多個(gè)其他點(diǎn) (14)中的每一個(gè)的路徑(20)的長度；
計(jì)算從所述多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到所述多個(gè)其他點(diǎn)(14)中的每一
個(gè)的距離(26);
.基于所確定的長度(20)和距離(26)，針對(duì)每個(gè)種子點(diǎn)(24)計(jì)算表示該種 子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的度量；以及
基于與表示相應(yīng)種子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的最大度量相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)，識(shí)別所述樹結(jié)構(gòu)(12)的所述根點(diǎn)。
這種查找根點(diǎn)的方式利用了以下認(rèn)知，即，從根點(diǎn)到任何其他點(diǎn)的路 徑平均起來比任何兩個(gè)隨機(jī)點(diǎn)之間的路徑短。
在一個(gè)實(shí)施例中，識(shí)別根點(diǎn)的步驟包括
査找所述樹結(jié)構(gòu)中最靠近與表示相應(yīng)種子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的最
大度量相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)的葉子；以及 將所述葉子識(shí)別為所述根點(diǎn)。
這里，葉子是樹結(jié)構(gòu)的端點(diǎn)。最靠近該種子點(diǎn)的葉子可以被視為這樣 的葉子該葉子到該種子點(diǎn)的路徑與其到樹結(jié)構(gòu)中的任何其他葉子的路徑 相比更短或至多相等。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將根點(diǎn)識(shí)別為與用于表示相應(yīng)種子點(diǎn)是根
點(diǎn)的似然度的最大度量相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)。這在計(jì)算上更有效率。
一個(gè)實(shí)施例包括識(shí)別一組候選種子點(diǎn)，該組候選種子點(diǎn)受與根據(jù)所
述表示似然度的度量當(dāng)前最有可能是根點(diǎn)的種子點(diǎn)之間的距離所約束；
從該組候選種子點(diǎn)中選擇用以包含在所述多個(gè)種子點(diǎn)中的點(diǎn)(30);以及
'減少所述距離。
可以使用任何啟發(fā)式優(yōu)化方法來查找所述最大可能的根點(diǎn)。優(yōu)化方法 的示例是模擬退火。
在一個(gè)實(shí)施例中，查找主要分叉點(diǎn)的步驟包括 ,識(shí)別解剖樹結(jié)構(gòu)的多個(gè)分叉點(diǎn)(64);
針對(duì)每個(gè)所識(shí)別的分叉點(diǎn)(64)，計(jì)算與所述樹結(jié)構(gòu)(66)的一部分相關(guān)的 度量，其中，所述樹結(jié)構(gòu)(66)的該部分不包含所述根點(diǎn)(48)并且受到相應(yīng)分 叉點(diǎn)(64)約束；以及
將所述主要分叉點(diǎn)(64)識(shí)別為所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中具有最大相關(guān)度量 的分叉點(diǎn)。
通過對(duì)樹結(jié)構(gòu)中受到不包括根點(diǎn)在內(nèi)的主要分叉點(diǎn)約束的該部分進(jìn)行 分析來查找主要分叉點(diǎn)。分叉點(diǎn)的重要性可以相對(duì)于根點(diǎn)來確定。與樹結(jié) 構(gòu)的一部分相關(guān)的度量可以包括在樹結(jié)構(gòu)的該部分內(nèi)的脈管的體積或長 度。還可以包括其他值，例如在樹結(jié)構(gòu)的該部分內(nèi)的分叉數(shù)量。 ' 一個(gè)實(shí)施例包括，針對(duì)所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中的每個(gè)分叉點(diǎn)，
7對(duì)在該分叉點(diǎn)處連接的多個(gè)子樹(60，62)進(jìn)行區(qū)分； 計(jì)算所述多個(gè)子樹中的每一個(gè)的尺寸；
將與所述樹的該部分相關(guān)的度量計(jì)算為所述多個(gè)子樹中各個(gè)子樹的尺 寸之中的最小值。
，主要分叉點(diǎn)一般地將樹結(jié)構(gòu)分為至少兩個(gè)相對(duì)較大的子樹。包括所述 多個(gè)子樹中各個(gè)子樹的尺寸之中的最小值會(huì)避免僅將較小的子樹從較大的 子樹分離的分叉被錯(cuò)誤地識(shí)別為主要分叉。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分的步驟包括
對(duì)在所述主要分叉點(diǎn)(64)處連接的多個(gè)子樹(60,62)進(jìn)行區(qū)分；以及 繪制所述樹結(jié)構(gòu)，以便可以由人來區(qū)分出所述多個(gè)子樹中的至少一個(gè) 子樹。
例如通過把主要分叉點(diǎn)作為用于進(jìn)一步計(jì)算處理步驟的輸入，來實(shí)現(xiàn) 其他方式的拆分，所述進(jìn)一步計(jì)算處理步驟例如為諸如在主要分叉點(diǎn)處連 接的兩個(gè)子樹的體積之類的定量值的計(jì)算和顯示。
'該方法有利地適用于由主要分叉所分離的子樹的可視化。這可以包括 一次僅繪制一個(gè)子樹、或在不同繪制區(qū)域中繪制兩個(gè)子樹、和/或使用不同 顏色和/或紋理來繪制每個(gè)子樹。這使得更易于査看子樹或者對(duì)例如器官的 葉進(jìn)行可視化。在脈管分析程序包中可以應(yīng)用該方法以及處理步驟。例如， 在識(shí)別出主要分叉之后，脈管分析程序包內(nèi)的脈管分析工具可能應(yīng)用于所 識(shí)別的多個(gè)子樹中的一個(gè)。
一個(gè)實(shí)施例包括使用戶能夠選擇解剖樹結(jié)構(gòu)的子樹；以及
僅考慮所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中位于所選擇的子樹內(nèi)的分叉點(diǎn)，將另一主 要分叉點(diǎn)識(shí)別為所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中具有最大相關(guān)度量的分叉點(diǎn)。 .這是一種用于快速識(shí)別出解剖樹結(jié)構(gòu)中的特定部分的簡便方法。
在一些實(shí)施例中，所述樹結(jié)構(gòu)表示人體和/或動(dòng)物體的脈管樹和/或支氣 管樹。
本發(fā)明適用于在人體解剖中出現(xiàn)的任何類型的解剖樹結(jié)構(gòu)。本發(fā)明同 樣適用于在動(dòng)物或植物中出現(xiàn)的任何類型解剖樹結(jié)構(gòu)。
'在一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)集與三維圖像體數(shù)據(jù)集相關(guān)，所述體數(shù)據(jù) 集是借助于計(jì)算機(jī)斷層成像、磁共振成像、3D-X-射線和減超聲成像所得到的。
一個(gè)實(shí)施例包括根點(diǎn)查找裝置，其用于查找表示所述解剖樹結(jié)構(gòu)的 主流入和/或主流出的根點(diǎn)；
主要分叉點(diǎn)查找裝置，其用于基于所述根點(diǎn)，查找對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu) 中的兩個(gè)主子樹進(jìn)行約束的主要分叉點(diǎn)；以及
拆分裝置，其用于在所述主要分叉點(diǎn)處對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分。
一個(gè)實(shí)施例包括用于使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行上述方法的指令。


將參考附圖進(jìn)一步闡明和說明本發(fā)明的這些和其他方面，其中
圖1和2說明了在查找根點(diǎn)時(shí)所涉及的幾個(gè)方面；
圖3說明了一些候選根點(diǎn)；
圖4-7說明了在分叉點(diǎn)處連接的一些子樹；
圖8示出了圖示出根據(jù)本發(fā)明的方法的幾個(gè)步驟的流程圖；以及 圖9是本發(fā)明實(shí)施例的圖。
具體實(shí)施例方式
脈管應(yīng)當(dāng)理解為用于傳導(dǎo)身體流體的管狀結(jié)構(gòu)，換句話說，是在身體 內(nèi)運(yùn)載流體，特別是運(yùn)載血液或淋巴液的輸送管。在這種意義上，脈管的 具體示例是動(dòng)脈、靜脈、和支氣管。
在各個(gè)實(shí)施例的解釋中，所提到的一些技術(shù)和短語為3D圖像分析領(lǐng)域
的技術(shù)人員所熟知。例如，樹結(jié)構(gòu)典型地包括分支(branch)。所述分支在交 叉點(diǎn)(biforcation point)處連接起來。分支的不在交叉點(diǎn)處連接的端點(diǎn)可以被 稱為葉子。樹中的一個(gè)點(diǎn)定義為根點(diǎn)。在表示例如管狀結(jié)構(gòu)的解剖樹的情 況下，所述根點(diǎn)表示該結(jié)構(gòu)的主流入和/或主流出。 一種用于識(shí)別這樣的根 點(diǎn)的方法是對(duì)在該結(jié)構(gòu)中的多個(gè)不同點(diǎn)處的管直徑進(jìn)行比較；主流入和/或 主流出通常具有最大直徑。下面公開了一種用于識(shí)別根點(diǎn)更可靠的方法。 子樹是作為一個(gè)更大樹結(jié)構(gòu)中一部分的樹結(jié)構(gòu)。用于表示解剖樹結(jié)構(gòu)中的 多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集可以以幾種方式來提供。 一種表示這樣的數(shù)據(jù)集的方法是 借助于為體元素(體素)分配數(shù)值的體數(shù)據(jù)集。典型地，對(duì)用于表示脈管的部分的體素和表示其他組織的體素分配不同(范圍)的值。用于表示解剖樹結(jié)
構(gòu)的另一方法是借助于由位于脈管和其他組織之間的邊界上的多個(gè)離散3D 點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)列表。這已知是一種脈管的表面表示方法。其他表示方法還 可以結(jié)合本發(fā)明來使用，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。
區(qū)域增長或體素增長一般是在分割和圖像分析中使用的己知技術(shù)。其 還可用于創(chuàng)建體素或3D點(diǎn)的排序。該技術(shù)還可用于根據(jù)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)來識(shí)別 體素的一個(gè)子集。體素增長算法典型地以包含一個(gè)或多個(gè)種子體素的集合 開始。以連續(xù)的順序?qū)⒏囿w素添加到該集合里。僅添加符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的 體素。通常，主要的標(biāo)準(zhǔn)是待添加的體素是己在該集合中的體素的鄰居， 并且待添加的體素是脈管的一部分。體素K的鄰居定義為在體素V,的k-鄰域中的體素V2。體素V,的26-鄰域定義為在面上或邊緣上與Vi連接的 26個(gè)體素構(gòu)成的集合。可以使用例如8-鄰域來代替26-鄰域，8-鄰域包含在 面上與Vi連接的8個(gè)體素。在具有優(yōu)先級(jí)排列的體素增長中，按照特定順 序添加符合標(biāo)準(zhǔn)的體素。在使用最小步行距離(walking distance)優(yōu)先級(jí)的體 素增長中，添加體素的順序是由從種子體素經(jīng)由在子集中已經(jīng)被面和/或邊 緣連接的體素到待添加的體素之間的最短路徑的長度定義的。
用于將一個(gè)給定的樹拆分成兩個(gè)主要分支的一種方法的實(shí)施例包括兩 個(gè)主要部分查找樹的根，以及相對(duì)于該根來查找樹的主要分叉。
第一步，查找樹的根按下列進(jìn)行?？梢酝ㄟ^隨機(jī)過程或基于用戶輸入 來選擇多個(gè)種子點(diǎn)。可替換地，將樹結(jié)構(gòu)中的所有體素都包括在所述多個(gè) 種子點(diǎn)中。如果有一些關(guān)于樹結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)可用，則可以基于關(guān)于根點(diǎn) 位置的假設(shè)來選擇所述種子點(diǎn)。優(yōu)選地，要選擇靠近根點(diǎn)的種子點(diǎn)。針對(duì) 所述多個(gè)種子點(diǎn)中的每一個(gè)種子點(diǎn)，計(jì)算表示該點(diǎn)是樹根的似然度的代價(jià) 函數(shù)。從該種子點(diǎn)開始，開始進(jìn)行體素增長直到整個(gè)結(jié)構(gòu)的所有體素都已 經(jīng)被訪問為止。優(yōu)選地，將具有優(yōu)先級(jí)排列的、使用最低步行距離優(yōu)先級(jí) 的體素增長用來應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的可能循環(huán)。這定義了沿著樹結(jié)構(gòu)從樹結(jié) 構(gòu)中的種子點(diǎn)到其他多個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)點(diǎn)的路徑長度。用于計(jì)算沿著樹結(jié) 構(gòu)從種子點(diǎn)到其他多個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)點(diǎn)的路徑長度的其他方法為本領(lǐng)域的 技術(shù)人員所熟知。對(duì)于多個(gè)體素，將步行距離與更短或相等的飛程(flight distance)(歐幾里得距離)做比較，并計(jì)算該種子點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)如下COSt =X(dwalk_dflight)
該代價(jià)函數(shù)與該種子點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，作為表示該種子點(diǎn)是根點(diǎn)的似然度的 度量。特別是當(dāng)多個(gè)分支幾乎呈放射狀散開時(shí)，對(duì)于解剖樹的根而言，代 價(jià)函數(shù)變?yōu)樽钚?，而?duì)于遠(yuǎn)離該樹的分支的種子點(diǎn)而言，該代價(jià)函數(shù)變得 很大，這是因?yàn)橐褂孟鄬?duì)于飛程路線的很強(qiáng)的偏離才能達(dá)到該樹中的許 多點(diǎn)。因此，將根點(diǎn)識(shí)別為在所述多個(gè)種子點(diǎn)之中與最大度量相關(guān)聯(lián)的種 子點(diǎn)。
原則上，可以通過針對(duì)樹結(jié)構(gòu)的每個(gè)體素來計(jì)算代價(jià)函數(shù)并且查找具 有最小代價(jià)函數(shù)的點(diǎn)，來確定樹的根。這相當(dāng)于將所有體素都包含在所述 多個(gè)種子點(diǎn)中。優(yōu)選實(shí)施例使用下列方案來減少所需要的計(jì)算次數(shù)。該實(shí) 施例使用了一種類似模擬退火的方法。將起始點(diǎn)(可能是隨機(jī)的)作為種子點(diǎn) 包含在所述多個(gè)種子點(diǎn)中，并且計(jì)算該起始點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)。然后，選擇與 當(dāng)前最佳點(diǎn)相距(最多)為步行距離h的一個(gè)隨機(jī)點(diǎn)。將所選擇的點(diǎn)作為種子 點(diǎn)包含在所述多個(gè)種子點(diǎn)中，并且計(jì)算該點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)。如果該代價(jià)函數(shù)
的值更小，則將該新點(diǎn)采納為新的當(dāng)前最佳點(diǎn)。對(duì)于在距離h處的隨機(jī)點(diǎn) 的這種測試重復(fù)一定次數(shù)。然后逐步降低距離h，并且重復(fù)嘗試隨機(jī)點(diǎn)的 過程。整個(gè)過程以較高的距離h開始，例如，該距離為樹尺寸的一半，然 后當(dāng)h小于所期望的空間精確度時(shí)停止。因此，在該過程期間逐步確定了 所述多個(gè)種子點(diǎn)，而不是從一開始就確定。與模擬退火相關(guān)的幾個(gè)方案變 體以及在該過程中可以用來替代模擬退火的其他非線性優(yōu)化方法為本領(lǐng)域 的技術(shù)人員所熟知。
第二步，在第一步之后查找樹的主要分叉。以作為種子點(diǎn)的根點(diǎn)開始， 開始進(jìn)行(優(yōu)選地具有優(yōu)先級(jí)排列的、采用最低步行距離優(yōu)先級(jí)的)體素增 長，'直到己經(jīng)訪問了該樹結(jié)構(gòu)的所有脈管體素為止。在優(yōu)選實(shí)施例中，第 一步中的體素增長的結(jié)果用于避免不必要的計(jì)算。
以一個(gè)空的集合開始，以在體素增長過程中所計(jì)算的步行距離遞減的 順序，逐個(gè)添加體素(見圖4-6)。這可以通過形成體素的箱式排序(bin-sorted)
列表來以有效的方式實(shí)現(xiàn)。添加到該集合中的每個(gè)體素與一個(gè)類相關(guān)聯(lián)。 如果要添加的體素在該集合中至少一個(gè)體素的鄰域中，則與其相關(guān)聯(lián)的類 與那個(gè)體素相同，否則就創(chuàng)建一個(gè)新的類。只要新添加的體素在與不同類相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)體素的鄰域中，就可以說該體素合并了兩個(gè)之前分離的 類，并且將該體素識(shí)別為分叉點(diǎn)。這兩個(gè)合并的類形成了該樹結(jié)構(gòu)中的不 包括根點(diǎn)并受相應(yīng)分叉點(diǎn)約束的部分。樹結(jié)構(gòu)的該部分不包括根點(diǎn)，這是 因?yàn)檫@些體素是按照在體素增長過程中所計(jì)算的它們到根點(diǎn)的距離從最高 距離開始來進(jìn)行選擇的。樹結(jié)構(gòu)的該部分受到分叉點(diǎn)的約束，這是因?yàn)樵?部分僅包含與根點(diǎn)的距離比分叉點(diǎn)自身與根點(diǎn)的距離更大的體素。
將一個(gè)度量與分叉點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，該度量與樹結(jié)構(gòu)中的不包含根點(diǎn)并受到 相應(yīng)分叉點(diǎn)約束的部分相關(guān)。
因?yàn)榉植纥c(diǎn)所合并的每個(gè)類表示不同的子樹，因此就可以對(duì)在該分叉 點(diǎn)處連接的多個(gè)子樹進(jìn)行區(qū)分。計(jì)算與多個(gè)子樹中的每個(gè)子樹相關(guān)聯(lián)的尺 寸。主子樹可以例如具有相對(duì)較大的尺寸。例如，可以使用子樹中的體素 數(shù)量來作為該子樹中的尺寸，或者可以使用子樹中分叉的數(shù)量。然后將與 該分叉點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的度量計(jì)算為多個(gè)子樹中各個(gè)子樹的尺寸之中的最小值。 換句話說，將這兩個(gè)合并的類之中較小的一個(gè)的尺寸與該分叉點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，
m=MIN(vl，v2)，并且形成新的合并類。
當(dāng)已經(jīng)將所有體素合并為單個(gè)類時(shí)，將主要合并者(即主要分叉點(diǎn))確定 為具有最大相關(guān)度量m-MIN(vl，v2)的那一個(gè)。該最大-最小-原理確保了不 會(huì)將合并到較大分支的較小分支作為主要分叉。
將參考附圖1-7和圖8的流程圖(以步驟100開始并以步驟114結(jié)束)進(jìn) 一步解釋這些和其他實(shí)施例。當(dāng)一個(gè)對(duì)象在多個(gè)附圖中出現(xiàn)時(shí)，使用了同 一參考數(shù)字來標(biāo)識(shí)它。圖1和2說明了在該算法中用于查找根點(diǎn)的幾個(gè)步 驟。解剖樹結(jié)構(gòu)(12)通常表示人體器官或人體中的管狀結(jié)構(gòu)。這樣的管狀結(jié) 構(gòu)以幾種形式(包括動(dòng)脈、靜脈、支氣管、和淋巴管)出現(xiàn)在人和動(dòng)物體中。 所述管狀結(jié)構(gòu)用于向器官和從器官傳輸流體(包括液體和氣體)以及在器官 內(nèi)分布流體。解剖樹結(jié)構(gòu)通常可以拆分成幾個(gè)子樹結(jié)構(gòu)。在許多情況下， 通過單個(gè)子樹或較少數(shù)量的子樹來為器官或器官的葉服務(wù)。在這種和其他 情況下，為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷和治療計(jì)劃的目的，對(duì)這些子樹單獨(dú)地進(jìn)行可 視化具有醫(yī)學(xué)實(shí)用性。為了提高臨床工作流程，有利的是自動(dòng)識(shí)別子樹， 而不需要用戶交互或使用最少的用戶交互。為此，識(shí)別樹的根，并且相對(duì) 于該根點(diǎn)來確定拆分點(diǎn)。所述拆分點(diǎn)標(biāo)識(shí)了解剖樹結(jié)構(gòu)中(潛在)重要的子樹的根點(diǎn)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，通過迭代地計(jì)算與種子點(diǎn)(io)相關(guān)聯(lián)的代價(jià)函數(shù)值來
確定根點(diǎn)(24)。例如，可以采用下列方式中的一種(或者其組合)來確定種子
點(diǎn)(步驟102):
每個(gè)體素都是種子點(diǎn)。
多個(gè)種子點(diǎn)沿著管狀結(jié)構(gòu)(12)均勻分布。
所有分叉點(diǎn)(18)都是種子點(diǎn)。
所有端點(diǎn)(19)都是種子點(diǎn)(優(yōu)選地)。
可以作為體素增長算法(還已知為區(qū)域增長或前端傳播(front propagation)),來確定分叉點(diǎn)和端點(diǎn)。只要前端拆分為兩個(gè)前端(不是連接的 體素)，就檢測到了分叉。只要前端不能再增長，就檢測到了端點(diǎn)。分叉點(diǎn) 和端點(diǎn)檢測的幾個(gè)精細(xì)化方法己為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。在不是由體 素而是由另外一個(gè)表示方法來表示管狀結(jié)構(gòu)的情況下，仍可以選擇種子點(diǎn)， 例如，可分析地采用上述的多種方法中的一種。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所說明的，基于所計(jì)算的先前種子點(diǎn)的 代價(jià)函數(shù)值，來迭代地選擇(步驟106和102)種子點(diǎn)(30,32)。優(yōu)選地，將新 的種子點(diǎn)選擇為靠近這樣的先前種子點(diǎn)該先前種子點(diǎn)的相關(guān)代價(jià)函數(shù)表 示該點(diǎn)是合適的根點(diǎn)的高似然度。例如可以使用模擬退火算法。
代價(jià)函數(shù)可以計(jì)算如下(步驟104)。確定沿著解剖樹結(jié)構(gòu)(12)從種子點(diǎn) (10)到另一個(gè)點(diǎn)(14)的(最短)路銜16)。將該最短路徑(16)的長度與從種子點(diǎn) (10)到所述另一個(gè)點(diǎn)(14)的距離(11)做比較。例如可以以這兩個(gè)值的差或商 來實(shí)現(xiàn)該比較。針對(duì)多個(gè)其他點(diǎn)(14)重復(fù)該過程。所述"其他點(diǎn)"可從解 剖樹結(jié)構(gòu)中選擇并在算法運(yùn)行期間保持不變。例如，可以使用每個(gè)體素來 作為"其他點(diǎn)"，或者所述其他點(diǎn)可以按照與種子點(diǎn)的選擇相類似的方式進(jìn) 行選擇。
對(duì)該比較的結(jié)果進(jìn)行組合(例如通過加法或乘法)，來確定表示該種子點(diǎn) 是根點(diǎn)的似然度的度量。針對(duì)多個(gè)種子點(diǎn)確定該度量，從而可以將最終的 根點(diǎn)識(shí)別為(在步驟107中)與表示相應(yīng)種子點(diǎn)是根點(diǎn)的似然度的最大度量 相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)。
在識(shí)別出根點(diǎn)之后，下一步驟是確定主要分叉(拆分點(diǎn))。在相對(duì)簡單的實(shí)施例中，將根點(diǎn)(24)確定為主要分叉點(diǎn)。在附圖4-7中說明了一個(gè)更高級(jí) 的實(shí)施例。通過對(duì)分叉點(diǎn)下面的子樹(66)進(jìn)行分析來確定分叉點(diǎn)(64)是否是 主要分叉點(diǎn)。相對(duì)于樹結(jié)構(gòu)(66)中的不包含根點(diǎn)(48)并受到分叉點(diǎn)(64)約束 的部分來確定該子樹(66)。這就得到了與分叉點(diǎn)是主要分叉點(diǎn)的似然度相關(guān) 的度量。針對(duì)多個(gè)分叉點(diǎn)(在步驟108中選擇的)計(jì)算該度量(在步驟110中)， 并且將與最大度量相關(guān)聯(lián)的分叉識(shí)別為主要分叉點(diǎn)。例如，可以基于子樹 中的分叉數(shù)量或基于子樹的復(fù)雜性度量，來計(jì)算該度量。
在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)在分叉點(diǎn)(64)處連接的多個(gè)子樹(60,62)進(jìn)行區(qū)分。 僅評(píng)估不包含種子點(diǎn)的子樹。這種意義上的子樹可以定義為例如該樹的受 到該樹的分叉點(diǎn)(64)和端點(diǎn)(也稱為"葉子")約束的部分。與尺寸相關(guān)的值 與每個(gè)子樹相關(guān)聯(lián)?？梢詫⒍鄠€(gè)與尺寸相關(guān)的值中最小的一個(gè)作為與分叉 點(diǎn)(步驟110)相關(guān)聯(lián)的度量。針對(duì)所有相關(guān)的分叉點(diǎn)(步驟112和108)重復(fù)該 過程。例如，在與分叉45相關(guān)聯(lián)的度量的計(jì)算中涉及子樹44和46。在與 分叉55相關(guān)聯(lián)的度量的計(jì)算中涉及子樹50和52。在與分叉64相關(guān)聯(lián)的度 量的計(jì)算中涉及子樹60和62。最后，在與分叉75相關(guān)聯(lián)的度量的計(jì)算中 涉及子樹70和72。
在步驟113中，具有最大相關(guān)度量的分叉點(diǎn)識(shí)別為主要分叉點(diǎn) 附(5 )= max max [min(^7ze(^w6/^(萬)),j/ze(57^/^2(萬)))],
這里，Bp是主要分叉點(diǎn)，m(B)是與分叉點(diǎn)B相關(guān)聯(lián)的度量，并且subtn(B) 和subt&(B)是受到分叉B約束的至少兩個(gè)子樹。該最大-最小公式確保了僅 從主樹70分離出較小的側(cè)分支72的分叉點(diǎn)75不會(huì)被選擇為主要分叉點(diǎn)。 而是將分離出兩個(gè)大的子樹60和62的分叉點(diǎn)64選擇為主要分叉點(diǎn)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，繪制裝置用于繪制解剖樹結(jié)構(gòu)，例如用于醫(yī)療 工作站以便由醫(yī)師進(jìn)行進(jìn)一步分析。有利的是，執(zhí)行繪制以使得一個(gè)人能 夠區(qū)分出多個(gè)子樹中的至少一個(gè)子樹。然后，用戶可以提供輸入，以識(shí)別 在先前所檢測的主要分叉點(diǎn)之一處連接的多個(gè)子樹之一中的第二主要分叉 點(diǎn)。不必再次計(jì)算種子點(diǎn)，因?yàn)槠鋵?duì)于任何第二主要分叉點(diǎn)來說還是有效 的。還有，如果在計(jì)算了m(B)之后已經(jīng)將其存儲(chǔ)，就不必再次計(jì)算?？梢?將與用戶所選擇的子樹中的分叉相關(guān)聯(lián)的度量做比較，并且可以在具有最 大相關(guān)度量的分叉點(diǎn)處拆分子樹。圖9說明了包含在本發(fā)明實(shí)施例中的硬件元件。通信端口 95用于從 PACS系統(tǒng)或從醫(yī)療成像模態(tài)，例如CT或MRI接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)由 處理器92處理并且將所處理的和/或原始的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器91中。 顯示器93用于繪制數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)具有解剖樹結(jié)構(gòu)，則通過使得處理器92 應(yīng)用合適的指令可能應(yīng)用所述的方法。在顯示器93上繪制解剖樹，并且例 如醫(yī)師可以借助于用戶輸入94指示需要進(jìn)一步檢查的部分。用戶可以例如 使用鼠標(biāo)設(shè)備來點(diǎn)擊解剖樹結(jié)構(gòu)中的可用部分，或者用戶可以選擇許多預(yù) 先計(jì)算的主子樹中的一個(gè)。處理器通過突出顯示解剖樹結(jié)構(gòu)的可用部分和/ 或移除解剖樹結(jié)構(gòu)的不可用部分，來應(yīng)用合適的拆分。處理器還可以被設(shè) 置為用于査找所述的根點(diǎn)和/或主要分叉點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明還延伸到計(jì)算機(jī)程序，特別是載體上或載體內(nèi)的計(jì)
算機(jī)程序，其用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。程序可以是以源代碼、目標(biāo)代碼、諸如部 分編譯形式的代碼中間源和目標(biāo)代碼的形式、或者在根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí) 現(xiàn)中使用的任何其他適合的形式。載體可以是能攜帶該程序的任何實(shí)體或 設(shè)備。例如，載體可以包括存儲(chǔ)介質(zhì)，諸如ROM，例如CDROM或半導(dǎo)體 ROM，或者磁記錄介質(zhì)，例如軟盤或硬盤。此外，載體還可以是可傳輸?shù)?載體，例如電或光信號(hào)，其可以通過電纜或光纜或無線電或其他手段來傳 送。當(dāng)程序以這樣的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)時(shí)，載體可能由這樣的纜線或其他設(shè)備或 手段組成?？商鎿Q地，載體可以是嵌入有程序的集成電路，該集成電路用 于執(zhí)行相關(guān)的方法或者在相關(guān)方法的執(zhí)行中使用。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例說明了而不是限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人 員能設(shè)計(jì)許多可替換的實(shí)施例而不偏離所附權(quán)利要求的范圍。在權(quán)利要求 中，位于括號(hào)內(nèi)的任何引用符號(hào)不應(yīng)該理解為限制本權(quán)利要求。使用動(dòng)詞 "包括"以及其變化形式并不排除除了權(quán)利要求所陳述的元件或步驟之外 還存在其他元件或步驟。在元件之前的冠詞"一"并不排除存在多個(gè)這樣 的元件。借助于包括幾個(gè)不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)， 可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在列舉出的幾個(gè)裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的 幾個(gè)可以通過同一個(gè)硬件來實(shí)現(xiàn)。僅有的事實(shí)是，在相互不同的相關(guān)權(quán)利 要求中引用的措施并不表示這些措施的組合不能用來獲得便利。
權(quán)利要求
1、一種用于對(duì)數(shù)據(jù)集表示的解剖樹結(jié)構(gòu)(42)進(jìn)行拆分的方法，該數(shù)據(jù)集標(biāo)識(shí)了所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的多個(gè)點(diǎn)，該方法包括查找表示所述解剖樹結(jié)構(gòu)的主流入和/或主流出的根點(diǎn)(48)；基于所述根點(diǎn)，查找對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)主子樹進(jìn)行約束的主要分叉點(diǎn)(64)；以及在所述主要分叉點(diǎn)(64)處對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述査找根點(diǎn)的步驟包括 在所述樹結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇多個(gè)種子點(diǎn)(24);計(jì)算沿著所述樹結(jié)構(gòu)從所述多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到多個(gè)其他點(diǎn)(14)中的每一個(gè)的路徑(20)的長度；計(jì)算從所述多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到所述多個(gè)其他點(diǎn)(14)中的每一個(gè)的距離(26);基于所確定的長度(20)和距離(26)，針對(duì)每個(gè)種子點(diǎn)(24)計(jì)算表示該種 子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的度量；以及基于與表示相應(yīng)種子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的最大度量相關(guān)聯(lián)的種子 點(diǎn)(24)，識(shí)別所述樹結(jié)構(gòu)(12)的所述根點(diǎn)。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述識(shí)別所述根點(diǎn)的步驟包括査找所述樹結(jié)構(gòu)中最靠近與表示相應(yīng)種子點(diǎn)是所述根點(diǎn)的似然度的最 大度量相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)的葉子；以及將所述葉子識(shí)別為所述根點(diǎn)。
4、 如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括-識(shí)別一組候選種子點(diǎn)，該組候選種子點(diǎn)受與根據(jù)所述表示似然度的度 量、當(dāng)前最有可能是根點(diǎn)的種子點(diǎn)之間的距離所約束；從該組候選種子點(diǎn)中選擇用以包含在所述多個(gè)種子點(diǎn)中的點(diǎn)(30);以及減少所述距離。
5、如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述查找主要分叉點(diǎn)的步驟包括 識(shí)別所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的多個(gè)分叉點(diǎn)(64);針對(duì)每個(gè)所識(shí)別的分叉點(diǎn)(64)，計(jì)算與所述樹結(jié)構(gòu)(66)的一部分相關(guān)的 度量，其中，所述樹結(jié)構(gòu)(66)的該部分不包含所述根點(diǎn)(48)并且受到相應(yīng)分 叉點(diǎn)(64)約束；以及將所述主要分叉點(diǎn)(64)識(shí)別為所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中具有最大相關(guān)度量 的分叉點(diǎn)。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括針對(duì)所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中的 每個(gè)分叉點(diǎn)對(duì)在該分叉點(diǎn)處連接的多個(gè)子樹(60,62)進(jìn)行區(qū)分； 計(jì)算所述多個(gè)子樹中的每一個(gè)的尺寸；將與所述樹的該部分相關(guān)的度量計(jì)算為所述多個(gè)子樹中各個(gè)子樹的尺 寸之中的最小值。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分 的步驟包括對(duì)在所述主要分叉點(diǎn)(64)處連接的多個(gè)子樹(60，62)進(jìn)行區(qū)分；以及 繪制所述樹結(jié)構(gòu)，以便可以由人來區(qū)分出所述多個(gè)子樹中的至少一個(gè) 子樹。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括 使用戶能夠選擇所述解剖樹結(jié)構(gòu)的子樹；以及.僅考慮所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中位于所選擇的子樹內(nèi)的分叉點(diǎn)，將另一主 要分叉點(diǎn)識(shí)別為所述多個(gè)分叉點(diǎn)之中具有最大相關(guān)度量的分叉點(diǎn)。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述樹結(jié)構(gòu)表示人體或動(dòng)物體的 脈管樹。
10、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所樹結(jié)構(gòu)表示人體或動(dòng)物體的支氣管樹。
11、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)集與三維圖像體數(shù)據(jù)集相關(guān)，所述體數(shù)據(jù)集是借助于計(jì)算機(jī)斷層成像、磁共振成像、3D-X-射線和/或超聲成像所得到的。
12、 一種用于對(duì)數(shù)據(jù)集表示的解剖樹結(jié)構(gòu)(42)進(jìn)行拆分的系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)集標(biāo)識(shí)了所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的多個(gè)點(diǎn)，該系統(tǒng)包括■根點(diǎn)査找裝置，其用于査找表示所述解剖樹結(jié)構(gòu)的主流入和/或主流出的根點(diǎn)(48);主要分叉點(diǎn)查找裝置，其用于基于所述根點(diǎn)，查找對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)主子樹進(jìn)行約束的主要分叉點(diǎn)(64);以及拆分裝置，其用于在所述主要分叉點(diǎn)(64)處對(duì)所述解剖樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分。
13、 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行如權(quán)利要求1所 述方法的指令。
全文摘要
一種用于對(duì)與解剖樹結(jié)構(gòu)(12)有關(guān)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行拆分的方法包括在樹結(jié)構(gòu)內(nèi)確定多個(gè)種子點(diǎn)(24)；確定沿著該樹結(jié)構(gòu)從多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到多個(gè)其他點(diǎn)(14)中的每一個(gè)的路徑(20)的長度；確定從多個(gè)種子點(diǎn)(24)中的每一個(gè)到多個(gè)其他點(diǎn)(14)中的每一個(gè)的歐幾里得距離(26)；基于所確定的長度(20)和距離(26)，將種子點(diǎn)(24)與表示該種子點(diǎn)是根點(diǎn)的似然度的度量相關(guān)聯(lián)；將樹結(jié)構(gòu)(12)的根點(diǎn)識(shí)別為與用于表示相應(yīng)種子點(diǎn)是根點(diǎn)的似然度的最大度量相關(guān)聯(lián)的種子點(diǎn)(24)；以及基于根點(diǎn)來確定主要分叉點(diǎn)(64)。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101548296SQ200780022386
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
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