專(zhuān)利名稱(chēng)：身體和身體輪廓的3d重建的制作方法
身體和身體輪廓的3D重建本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像的領(lǐng)域。尤其是，本發(fā)明涉及一種用于身體和身體輪廓的3D 重建的檢查裝置、涉及一種用于身體和身體輪廓的3D重建的方法、一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、 一種程序元件和一種圖像處理設(shè)備。除了其他應(yīng)用以外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例尤其有用于導(dǎo)弓丨的活組織檢查。高對(duì)比成像特別是為醫(yī)生提供用于診斷的有價(jià)值信息的X射線(xiàn)系統(tǒng)的一種重要 的臨床應(yīng)用。為了保持施加于患者的劑量盡可能小或由于在床旁或在手術(shù)室中的機(jī)械限 制，醫(yī)生常常僅僅對(duì)從不同角度獲得的少數(shù)二維熒光透視感興趣。另一個(gè)例子來(lái)自血管樹(shù)的旋轉(zhuǎn)血管造影術(shù)。盡管測(cè)得的投影數(shù)量可以從80變化 到200，但是屬于一個(gè)心臟相位的投影明顯較小，例如大約為4-10。然而，用標(biāo)準(zhǔn)濾波反投 影技術(shù)(FBP)從有限數(shù)量的投影進(jìn)行的三維重建可能被模糊。迭代最大似然(ML)算法可 以提高信噪比，但是若沒(méi)有附加的正則化，合理重建是不可能。近年來(lái)在重建稀疏對(duì)象(例如劑團(tuán)填充(bolus filled)血管)方面有一些發(fā)展。 提出了基于多面體對(duì)象模型的另一種技術(shù)，其中衰減值是已知值。兩種技術(shù)利用先驗(yàn)知識(shí) (例如“稀疏性(sparseness)”)或?qū)ο蟮亩嗝骟w性質(zhì)以便穩(wěn)定重建。在活組織檢查的情況下，可能在實(shí)際獲取活組織檢查樣本之前使用那些高對(duì)比圖 像，即，用于對(duì)其進(jìn)行計(jì)劃。為了各種癌癥疾病的正確診斷而進(jìn)行活組織檢查。這可以經(jīng)由內(nèi)窺鏡的內(nèi)腔或經(jīng) 由針和導(dǎo)管的活組織檢查進(jìn)行。為了找到進(jìn)行活組織檢查的正確位置，使用各種成像模態(tài)， 例如X射線(xiàn)、CT、MRI和超聲。在例如前列腺癌的情況下，在多數(shù)情況下活組織檢查由超聲 引導(dǎo)。盡管是有幫助的，但是這些引導(dǎo)方法遠(yuǎn)非理想。與活組織檢查直接相關(guān)的問(wèn)題在于成像系統(tǒng)的分辨率受到限制，并且因此常常盲 目地進(jìn)行活組織檢查，針相對(duì)于目標(biāo)腫瘤的位置的反饋有限，這額外導(dǎo)致不確定針是否擊 中病變。顯然需要改善引導(dǎo)以將活組織檢查針靶向到組織中的正確位置。解決朝著可疑組織導(dǎo)航的一種方式是通過(guò)利用例如電磁導(dǎo)向?qū)Ш交罱M織檢查針 尖端。然而該方法的精度被限制到幾毫米。因此對(duì)于小尺寸可疑組織體積來(lái)說(shuō)有一定的機(jī) 會(huì)在錯(cuò)誤位置進(jìn)行活組織檢查。進(jìn)一步的限制在于即使可以將活組織檢查針引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)于 預(yù)記錄圖像的正確位置，由于組織的可壓縮性，也決不能保證這就是正確位置。由于在前進(jìn) 期間活組織檢查針作用于組織的力，組織會(huì)變形。如果獲取的樣本看上去是癌性的，在多數(shù)情況下該癌性組織將通過(guò)手術(shù)被去除 (尤其是當(dāng)腫瘤被明確定位時(shí))或者使用RF、微波或冷凍消融進(jìn)行經(jīng)皮治療。外科醫(yī)生示例性地僅僅使用他們的眼睛和手(觸診)來(lái)尋找腫瘤并且必須依賴(lài)預(yù) 記錄圖像的信息的事實(shí)使手術(shù)進(jìn)路混淆不清。這些預(yù)記錄圖像提供關(guān)于腫瘤的位置的信 息，但是并不總是清楚地顯示腫瘤邊界。有時(shí)，外科醫(yī)生在圖像引導(dǎo)下植入標(biāo)記物，在手術(shù) 操作期間為他或她提供聚焦的參考點(diǎn)。將定位絲再次引導(dǎo)到正確位置是困難的?；罱M織檢查設(shè)備也可以用作用于在身體中的某個(gè)位置施予藥物或療法(例如消 融)而不去除組織的設(shè)備，例如用于在患病身體部分的正確位置注射流體。其中難以將活組織檢查設(shè)備引導(dǎo)到正確位置的這些介入有同樣缺陷。因此，進(jìn)行獲取活組織檢查樣本的當(dāng)前方式具有缺陷，難以將活組織檢查設(shè)備優(yōu) 選地引導(dǎo)到待調(diào)查組織的中心。希望以改善對(duì)感興趣對(duì)象的身體以及身體輪廓的建模作為改善活組織檢查導(dǎo)向 的基礎(chǔ)。此外，希望擁有一種裝置，借助于該裝置可以在手術(shù)中(即，在活組織檢查樣本的 獲取期間)定位和跟蹤活組織檢查設(shè)備的位置。本發(fā)明提供了一種帶有根據(jù)各個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求的特征的檢查裝置、方法、用戶(hù)接 口、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和圖像處理設(shè)備。本發(fā)明提出了使用多面體對(duì)象模型從橫向截?cái)嗤队爸亟ɑ颊叩男螤??？赡艿呐R床 應(yīng)用出現(xiàn)在配備有平板探測(cè)器的采集系統(tǒng)上進(jìn)行導(dǎo)引的活組織檢查的領(lǐng)域中，其中在胸和 腹掃描協(xié)議中不能避免截?cái)嗤队??；颊咝螤畹?D體積重建和表面網(wǎng)格重建都從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生，然后同時(shí)被可視化以便幫助醫(yī)生引導(dǎo)活組織檢查設(shè)備并判斷從患者的皮膚到重建體 積內(nèi)部的感興趣組織的距離。通常，根據(jù)本發(fā)明的用于感興趣對(duì)象的身體和身體輪廓的3D重建的檢查裝置包 括用于采集感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，適于執(zhí)行感興趣區(qū)域的重建和在感興 趣區(qū)域外部的均勻多面體的重建的步驟的計(jì)算單元，以及用于顯示所重建的感興趣區(qū)域和 所重建的多面體的組合可視化的顯示設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，均勻多面體的重建的步驟包括正向投影感興趣區(qū)域 的所重建的衰減函數(shù)，從采集的投影數(shù)據(jù)減去結(jié)果以生成目標(biāo)函數(shù)，正向投影包括身體輪 廓子模型和感興趣區(qū)域子模型的多面體模型，其中每個(gè)子模型內(nèi)部帶有恒定衰減函數(shù)。此 外，均勻多面體的重建的步驟包括優(yōu)化步驟，其中通過(guò)最小化經(jīng)正向投影的模型與目標(biāo)函 數(shù)之間的殘差來(lái)優(yōu)化均勻多面體模型。應(yīng)當(dāng)理解，基本在感興趣區(qū)域內(nèi)部執(zhí)行所重建的衰減函數(shù)的正向投影。此外，身體 輪廓以及感興趣區(qū)域可以被細(xì)分為若干子模型，使得多面體模型包括若干身體輪廓子模型 和至少一個(gè)感興趣區(qū)域子模型。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提出了一種用于身體和身體輪廓的3D重建的可視 化的用戶(hù)接口，其中，在感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)的采集之后執(zhí)行可視化和數(shù)據(jù)重建。在這方面，應(yīng)當(dāng)注意，優(yōu)選地在投影數(shù)據(jù)的采集之后執(zhí)行數(shù)據(jù)重建。然而，也有可 能在投影數(shù)據(jù)的采集期間執(zhí)行數(shù)據(jù)重建，即，當(dāng)下一個(gè)投影發(fā)生時(shí)基于第一組投影數(shù)據(jù)執(zhí) 行數(shù)據(jù)重建。在該情況下，可以在進(jìn)一步投影期間可視化中間結(jié)果，這隨后將導(dǎo)致重建的優(yōu) 化，因此導(dǎo)致可視化的優(yōu)化。使用這樣的用戶(hù)接口，有可能使用一個(gè)用戶(hù)接口用于不同的優(yōu)選基于C形臂的采 集設(shè)備。連接到這樣的設(shè)備，用戶(hù)接口提供身體的重建和身體輪廓的重建的一同可視化。因 此，用戶(hù)接口可以幫助醫(yī)生將活組織檢查設(shè)備精確地引導(dǎo)到身體內(nèi)部的感興趣位置。一種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于身體和身體輪廓的3D重建的方法包括以下步 驟重建感興趣區(qū)域，重建在感興趣區(qū)域外部的均勻多面體，和在投影數(shù)據(jù)的采集之后優(yōu)化 重建，從而得到感興趣對(duì)象的身體和身體輪廓的一同優(yōu)化可視化?？梢栽诟鶕?jù)本發(fā)明的檢查裝置上執(zhí)行該方法。進(jìn)一步地，本發(fā)明涉及一種用于身體和身體輪廓的3D重建的圖像處理設(shè)備，所述圖像處理設(shè)備適于重建感興趣區(qū)域，重建在感興趣區(qū)域外部的均勻多面體，在投影數(shù)據(jù)的 采集之后優(yōu)化重建，從而得到感興趣對(duì)象的身體和身體輪廓的一同優(yōu)化可視化。本發(fā)明也涉及一種用于圖像處理設(shè)備的計(jì)算機(jī)程序，使得可以在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)上執(zhí) 行根據(jù)本發(fā)明的方法。所述計(jì)算機(jī)程序優(yōu)選地被裝載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲(chǔ)器中。所述 數(shù)據(jù)處理器因此被配置為執(zhí)行本發(fā)明的方法。進(jìn)一步地，本發(fā)明涉及一種可以存儲(chǔ)所述計(jì) 算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如CD-Rom。然而，所述計(jì)算機(jī)程序也可以存在于諸如萬(wàn)維網(wǎng) 的網(wǎng)絡(luò)上并且可以從這樣的網(wǎng)絡(luò)被下載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲(chǔ)器中。必須注意的是，本發(fā)明的實(shí)施例是參考不同主題描述的。具體而言，一些實(shí)施例參 考方法類(lèi)型的權(quán)利要求進(jìn)行描述，而其他實(shí)施例參考裝置類(lèi)型的權(quán)利要求進(jìn)行描述。然而， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將從說(shuō)明書(shū)知曉，除非另外說(shuō)明，除了屬于一種類(lèi)型的主題的特征的任 何組合之外，屬于不同主題的特征之間的任何組合也視為被本發(fā)明公開(kāi)。本發(fā)明的上述方面和另外方面、特征和優(yōu)點(diǎn)也可以從將在下文中描述的實(shí)施例的 例子導(dǎo)出并且參考實(shí)施例的例子進(jìn)行解釋。在下文中將參考實(shí)施例的例子更詳細(xì)地描述本 發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例?，F(xiàn)在將在下面參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置的示例性實(shí)施例；圖2示出了用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示例性實(shí)施例的根據(jù)本發(fā)明的圖像處 理設(shè)備的示例性實(shí)施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的流程圖；圖4示出了均勻多面體的示例性重建；圖5示出了感興趣區(qū)域和身體輪廓的示例性重建以及活組織檢查設(shè)備的示意圖；圖6示出了感興趣區(qū)域和身體輪廓的另一示例性重建；圖7示出了感興趣區(qū)域和身體輪廓的進(jìn)一步示例性重建。圖中的圖示是示意性的。在不同圖中，類(lèi)似或相同元件帶有相同附圖標(biāo)記。圖1示出了適合作為根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的C形臂掃描器的示例性旋轉(zhuǎn)式 X射線(xiàn)掃描器的示意圖。然而應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明并不限于旋轉(zhuǎn)式X射線(xiàn)掃描器。X射線(xiàn)源100和帶有大敏感區(qū)的扁平探測(cè)器101被安裝到C形臂102的末端。C 形臂102由彎曲軌道(“套筒”)103固定。C形臂可以在套筒103中滑動(dòng)，由此執(zhí)行圍繞C 形臂的軸的“滾動(dòng)移動(dòng)”。套筒103經(jīng)由旋轉(zhuǎn)接頭附連到L形臂104并且能夠執(zhí)行圍繞該接 頭的軸的“推動(dòng)移動(dòng)”。L形臂104經(jīng)由另一旋轉(zhuǎn)接頭附連到天花板并且能夠執(zhí)行圍繞該接 頭的軸的旋轉(zhuǎn)。各種旋轉(zhuǎn)移動(dòng)由伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。三個(gè)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的軸和錐束軸總是在單一固 定點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)式X射線(xiàn)掃描器的“等中心點(diǎn)” 105相遇。圍繞等中心點(diǎn)有被沿著源軌跡的所有 錐束投影的一定體積。該“投影體積(VOP) ”的形狀和尺寸取決于探測(cè)器的形狀和尺寸以及 源軌跡。在圖1中，球1 10指示適配到VOP中的最大等中心球。將待成像對(duì)象(例如患者 或行李物品)放置在掃描床臺(tái)111上使得對(duì)象的感興趣體積(VOI)填充V0P。如果對(duì)象足 夠小，它將完全填充到VOP中；否則，不完全填充到VOP中。所以VOP限制了 VOI的尺寸。各種旋轉(zhuǎn)移動(dòng)由控制單元112控制。C形臂角、套筒角和L形臂角這每三個(gè)一組限 定X射線(xiàn)源的位置。通過(guò)隨著時(shí)間改變這些角，能夠使源沿著指定源軌跡移動(dòng)。在C形臂 的另一端的探測(cè)器進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)。源軌跡將被限制到等中心球面的表面。
C形臂X射線(xiàn)掃描器適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的檢查方法。應(yīng)當(dāng)注意，C形臂X射線(xiàn)掃描器特別有用于感興趣對(duì)象的手術(shù)中掃描。圖2示出了用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示例性實(shí)施例的根據(jù)本發(fā)明的圖像處 理設(shè)備200的示例性實(shí)施例。圖2中所描繪的圖像處理設(shè)備200包括中央處理單元(CPU) 或圖像處理器201，其連接到用于存儲(chǔ)描繪出感興趣對(duì)象(例如患者或行李物品)的圖像的 存儲(chǔ)器202。圖像處理器201可以連接到多個(gè)輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)或診斷設(shè)備，例如CT設(shè)備。 圖像處理器201可以進(jìn)一步連接到用于顯示在圖像處理器201中計(jì)算或調(diào)整的信息或圖像 的顯示設(shè)備203，例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。操作者或用戶(hù)可以經(jīng)由鍵盤(pán)204和/或其他輸入設(shè)備 與圖像處理器201交互。圖像處理器201、存儲(chǔ)器202、顯示設(shè)備203以及輸入設(shè)備204可以一起基本形成 根據(jù)本發(fā)明的用戶(hù)接口。此外，經(jīng)由總線(xiàn)系統(tǒng)205，也有可能將圖像處理和控制處理器201連接到例如監(jiān)視 感興趣對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器。如果例如對(duì)患者的肺進(jìn)行成像，運(yùn)動(dòng)傳感器可以是呼氣 傳感器。如果對(duì)心臟進(jìn)行成像，運(yùn)動(dòng)傳感器可以是心電圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的流程圖。在步驟Sl中，從預(yù)記錄圖像生成感興趣區(qū)域內(nèi)部的衰減函數(shù)。這樣的預(yù)記錄圖像 優(yōu)選地可以是至少感興趣區(qū)域的高分辨率3D表示。可以從CT采集或類(lèi)似設(shè)備計(jì)算預(yù)記錄 圖像?；蛘?，可以使用例如濾波反投影技術(shù)從用C形臂掃描器進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)采集重建感興趣 區(qū)域。在步驟S2中，少數(shù)X射線(xiàn)束從輻射源朝著探測(cè)器發(fā)射，由此生成少數(shù)投影。通過(guò) 這些投影，采集代表相對(duì)于感興趣對(duì)象的不同角的投影數(shù)據(jù)。在所述采集期間，關(guān)于輻射源 和探測(cè)器相對(duì)于感興趣對(duì)象的位置的信息被記錄并且分別被分配給相應(yīng)投影。或者，可以 從步驟Sl的數(shù)據(jù)采集收集X射線(xiàn)投影的子集。在步驟S3、S4、S5和S6中，重建在感興趣區(qū)域外部的均勻多面體。詳細(xì)地，所述步 驟包括以下方面?；诓襟ESl的結(jié)果，在步驟S3中將所重建的感興趣區(qū)域(即，可變衰減函數(shù))正 向投影到步驟S2的采集幾何形狀中。在步驟S4中，確定步驟S3的計(jì)算數(shù)據(jù)與步驟S2的測(cè)得數(shù)據(jù)的殘差。在步驟S5中，計(jì)算由均勻多面體描述的身體輪廓與感興趣區(qū)域之間的區(qū)域?qū)ν?影數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)。為此感興趣區(qū)域內(nèi)部的恒定衰減函數(shù)被正向投影到步驟S2的探測(cè)器幾何 形狀中。然后從均勻多面體的正向投影減去結(jié)果，這建模身體的輪廓。也就是說(shuō)，首先選擇從輻射源朝著探測(cè)器發(fā)射的X射線(xiàn)束并且計(jì)算射束與多面體 模型之間的交點(diǎn)。該計(jì)算得到入口點(diǎn)和出口點(diǎn)(分別以所述點(diǎn)射束進(jìn)入或離開(kāi)模型)，其 中，入口點(diǎn)和出口點(diǎn)的數(shù)量是偶數(shù)，以防射束未擊中邊緣或任何類(lèi)似物。進(jìn)一步地，計(jì)算射 束穿過(guò)對(duì)象(即，模型)的距離。應(yīng)當(dāng)注意的是，進(jìn)入感興趣對(duì)象的一個(gè)以上入口點(diǎn)和從對(duì) 象離開(kāi)的一個(gè)以上出口點(diǎn)是可能的。最后，計(jì)算沿著X射線(xiàn)束通過(guò)對(duì)象的線(xiàn)積分作為X射 線(xiàn)穿過(guò)對(duì)象的距離之和。以同樣方式，可以計(jì)算沿著X射線(xiàn)束通過(guò)感興趣區(qū)域的線(xiàn)積分。通過(guò)從通過(guò)對(duì)象 (即，模型)的線(xiàn)積分減去計(jì)算得到的通過(guò)感興趣區(qū)域的線(xiàn)積分，可以計(jì)算沿著X射線(xiàn)通過(guò)外部身體輪廓模型與感興趣區(qū)域之間的區(qū)域的線(xiàn)積分。最后，在步驟S6中，例如基于梯度下降方案，最小化步驟S4和步驟S5的結(jié)果之間 的殘差，其中也可以使用其他最小化方案。在數(shù)學(xué)上，步驟S3-S6包括用于均勻多面體的重建的以下方法和計(jì)算?？梢岳缃惶娴鼗蛲ㄟ^(guò)優(yōu)化一個(gè)未知參數(shù)χ = (V1, . . . , νΝ, μ)執(zhí)行對(duì)多面體模 型的坐標(biāo)的優(yōu)化，所述參數(shù)包括表面模型的頂點(diǎn)或坐標(biāo)V1, ...，νΝ以及衰減值μ。此外，應(yīng)當(dāng)注意，多面體模型可以包括若干子模型，每個(gè)子模型被賦予它自身的頂 點(diǎn)和衰減值。在該情況下受制于優(yōu)化過(guò)程的未知矢量可以被寫(xiě)作χ = (X1, ...，ΧΜ)，其中 Xi = (V1，…，從)。在這種意義上，術(shù)語(yǔ)“多面體模型”包括復(fù)合模型并且術(shù)語(yǔ)“衰減值”包 括描述復(fù)合多面體模型的子模型中的衰減系數(shù)的相應(yīng)衰減矢量。作為用于重建均勻多面體的示例性實(shí)施例，模型可以包括兩個(gè)子模型，一個(gè)模型 X1 = (VpiVvA)描述身體輪廓并且另一模型X2 = (V1^VyA)描述感興趣區(qū)域。為了建模 身體輪廓與感興趣區(qū)域之間的區(qū)域，通過(guò)P1 =-μ2關(guān)聯(lián)衰減值。來(lái)自少量投影的3D重建是活躍的研究領(lǐng)域并且迄今為止僅僅部分結(jié)果是已知 的。本發(fā)明并不限于重建身體輪廓，而是也可以應(yīng)用于重建劑團(tuán)填充的心室。提出了通過(guò) 正向投影模型并最小化經(jīng)正向投影的模型與測(cè)得線(xiàn)積分之間的殘差來(lái)優(yōu)化表面模型。在重 建身體輪廓的情況下，通過(guò)如在步驟S6中計(jì)算的最小化殘差來(lái)優(yōu)化模型。由于提出的方法 完全基于衰減X射線(xiàn)的物理模型，因此與基于使模型適合于投影中的邊緣輪廓的其他方法 相比可以容易地重建非凸面。而且，提出的建模方案同時(shí)重建均勻障礙物的多面體形狀和 衰減。與基于體素的迭代重建方案相比，多面體重建是基于輪廓的，由于減少了一維這導(dǎo)致 數(shù)量更少的未知量。因此，基于輪廓的重建可以比常規(guī)的基于體素的迭代算法更快。用三角形表面網(wǎng)格建模未知對(duì)象，其中粗初估值初始化重建過(guò)程。模型的拓?fù)浔?須是先驗(yàn)已知的或假定的并且常常與良好初始網(wǎng)格一起由特定應(yīng)用(例如心臟、血管或骨 成像)給出。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了重建身體和身體輪廓以進(jìn)行導(dǎo)引的活組織檢查，可以從步 驟Sl (即，從感興趣體積的3D重建)生成初始網(wǎng)格。然后，在重建方案中優(yōu)化頂點(diǎn)的坐標(biāo)。 另外，對(duì)象的恒定衰減是交替用頂點(diǎn)優(yōu)化的另一未知量。為了穩(wěn)定重建和避免自交叉以及 退化三角形，各種不同懲罰項(xiàng)可以被加入數(shù)據(jù)不匹配誤差項(xiàng)。為了加速建模方案，可以提供 從粗表面網(wǎng)格和向下采樣投影開(kāi)始的細(xì)化方案。當(dāng)懲罰項(xiàng)的減小減慢時(shí)，可以細(xì)化表面網(wǎng) 格，并且必要時(shí)，再采樣投影。也可以自適應(yīng)地控制正則化參數(shù)。下文提供了根據(jù)本發(fā)明的用于重建均勻多面體的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述除了高對(duì)比對(duì)象的輪廓重建之外，也重建衰減系數(shù)。為此通過(guò)帶有頂點(diǎn)V= {vi: i = 1, ... ,N}和頂點(diǎn)索引表F= {FJk:j = 1，...，M;k= 1，2，3}的三角形表面網(wǎng)格來(lái)建
模未知對(duì)象，所述索引表限定M個(gè)三角面[=vF/iV VF/3 ,所述三角面被排序使得對(duì)于j =
1，. . .，M相應(yīng)面法線(xiàn) 指向?qū)ο蟮耐獠?。這些參數(shù)與常系數(shù)μ —起構(gòu)成模型(μ，V，F(xiàn))。在這里，衰減μ和頂點(diǎn)位置ν是未知的，而面的排序F是事先已知的。為了對(duì)象模型的重建，交替用頂 點(diǎn)Vi優(yōu)化衰減μ。為此與附加懲罰項(xiàng)Rt (V，F(xiàn)) 一起計(jì)算測(cè)量投影值j = 1，. . .，M與模型 的正向投影值Q1 = AJy，V，F(xiàn))之間的殘差 可以通過(guò)下列計(jì)算模型的正向投影 其中通過(guò)增加到源位置的距離排序第1條射線(xiàn)與多面體的表面三角
的I1個(gè)交點(diǎn)
在交點(diǎn)I1為奇數(shù)的情況下，第1條射線(xiàn)由原始 射線(xiàn)附近的平行射線(xiàn)代替。如果射線(xiàn)準(zhǔn)確地在頂點(diǎn)擊中對(duì)象或與三角面的邊緣交叉，則可 能發(fā)生該情況。對(duì)于固定頂點(diǎn)位置，懲罰項(xiàng)是恒定的并且(1)的最小化等于確定下列拋物線(xiàn)的最 小值 其中奶‘=Xll W12i-W12l., Il在該情況下，函數(shù)(1)的唯一極小值(minimizer)由拋
物線(xiàn)(3)的極小值給出 在另一方面，對(duì)于固定衰減系數(shù)μ，可以使用以下梯度下降方案最小化函數(shù)(1)1.關(guān)于頂點(diǎn)V數(shù)值地計(jì)算(1)的梯度 2.通過(guò)替代(surrogate)函數(shù)
限定一維優(yōu)化問(wèn)題。3.通過(guò)拋物線(xiàn)聲⑷逼近7(力使得 4.更新V = V-sG，其中s是拋物線(xiàn)P的唯一極小值。根據(jù)本發(fā)明的一方面，多面體模型包括具有坐標(biāo)的頂點(diǎn)，其中，多面體模型包括將 至少一個(gè)頂點(diǎn)連接到多面體模型的表面的面的拓?fù)?。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置包 括計(jì)算單元，所述計(jì)算單元適于在數(shù)據(jù)重建期間執(zhí)行優(yōu)化(例如交替地)多面體模型的坐 標(biāo)和多面體模型的衰減函數(shù)的步驟，從而得到優(yōu)化的衰減值以及感興趣對(duì)象的表面模型。應(yīng)當(dāng)注意的是，拓?fù)淇梢赃B接每一個(gè)頂點(diǎn)與模型的相應(yīng)表面。然而，為了執(zhí)行多面 體模型的建模，并非所有的頂點(diǎn)必須連接到各自表面。
應(yīng)當(dāng)注意的是，可以例如交替地或通過(guò)優(yōu)化一個(gè)未知參數(shù)χ = (V1, . . .，νΝ，μ )執(zhí) 行多面體模型的坐標(biāo)的優(yōu)化，所述參數(shù)包括表面模型的頂點(diǎn)或坐標(biāo)V1, ...，Vn以及衰減值 μ 。
此外，應(yīng)當(dāng)注意的是，多面體模型可以包括若干子模型，每個(gè)子模型被賦予它自身 的頂點(diǎn)和衰減值。在該情況下受制于優(yōu)化過(guò)程的未知矢量可以被寫(xiě)作X= (Xl，...，XM)，其
中X=(v1，……vNi，μ1 )。在這種意義上，術(shù)語(yǔ)“多面體模型”包括復(fù)合模型并且術(shù)語(yǔ)“衰減值”包
括描述復(fù)合多面體模型的子模型中的衰減系數(shù)的相應(yīng)衰減矢量。為了防止退化或簡(jiǎn)并，可以執(zhí)行少的步驟和/或可以實(shí)現(xiàn)合適的正則化項(xiàng)。為了穩(wěn)定迭代重建過(guò)程，可以選擇以下懲罰項(xiàng)1.頂點(diǎn)從鄰域(有利的平表面)的重心的偏差 其中網(wǎng)格(V，F(xiàn))中的頂點(diǎn)Vj的Kj個(gè)鄰域vk, j的重心 2.面區(qū)從網(wǎng)格中的平均三角區(qū)域的偏差 3.用于吻接(kissing)三角形的懲罰項(xiàng)

規(guī)定njk+1,k=n1,k，其中Jk是在頂點(diǎn)Vk的相鄰面的數(shù)量。4.從正三角形的偏差 其中α k，β k，γ k是三角形Tk的三個(gè)角。在迭代期間控制相應(yīng)的正則化參數(shù)λ1, ...，λ4以引導(dǎo)優(yōu)化過(guò)程。為此，進(jìn)行 正則化參數(shù)的第一選擇使得所有懲罰項(xiàng)之和在殘差的10% -15%之間而沒(méi)有任何附加懲 罰項(xiàng)。在固定數(shù)量的迭代之后，核查并調(diào)整懲罰項(xiàng)和唯一殘差的比率，確定它是否超出 10% -50%的范圍。類(lèi)似地，如果相應(yīng)的懲罰項(xiàng)明顯大于/小于平均懲罰項(xiàng)，則更新正則化 參數(shù)。使用該參數(shù)選擇，可以避免多面體對(duì)象模型的自交叉或退化。為了最小化投影數(shù)據(jù) 中的不匹配，無(wú)論何時(shí)細(xì)化網(wǎng)格，連續(xù)減小懲罰項(xiàng)與投影不匹配之間的比率。為了包括M個(gè)子模型X=(v1，……vNi，μ1 )。i = 1，...，M的復(fù)合多面體模型的重建，
可以將正向投影細(xì)化為
即，細(xì)化為來(lái)自每個(gè)子模型的貢獻(xiàn)之和，并且由此
細(xì)化目標(biāo)函數(shù)(1)。在該情況下通過(guò)例如用Cholesky分解解出線(xiàn)性方程組代替衰減值μ ,, 可以用一個(gè)或多個(gè)正則化項(xiàng)(5)_(8)(比照上文)懲罰每個(gè)子模型。而且，可以引 入附加懲罰項(xiàng)以便控制子模型的對(duì)象內(nèi)行為。應(yīng)當(dāng)注意的是，模型可以包括兩個(gè)子模型，一個(gè)模型X1 = Cv1，…，ViV約)描述身
體輪廓并且其他模型X2 =Kv1，…，V ，)"2)描述感興趣區(qū)域。為了建模身體輪廓與感興趣區(qū)
域之間的區(qū)域，可以通過(guò)P1 = -P2關(guān)聯(lián)衰減值。此外，方程(1)中的測(cè)得投影值？1可以 由在步驟S6中計(jì)算得到的殘差給出，所述殘差被計(jì)算作為步驟S2的測(cè)得線(xiàn)積分?jǐn)?shù)據(jù)減去 步驟S3的經(jīng)正向投影的衰減函數(shù)。換句話(huà)說(shuō)，提供了一種可以在其中建模例如身體輪廓的多面體模型的檢查裝置。 可以以迭代方式執(zhí)行建模，其中多面體模型的頂點(diǎn)的坐標(biāo)和模型的衰減函數(shù)或衰減值被優(yōu) 化。因此，不必事先已知衰減函數(shù)或值。對(duì)數(shù)據(jù)采集的幾何設(shè)置不會(huì)有明顯限制，甚至建模能夠重建嚴(yán)重非凸對(duì)象和身體 輪廓。除了應(yīng)用于導(dǎo)引活組織檢查之外，可能的臨床應(yīng)用包括在旋轉(zhuǎn)血管造影術(shù)中的冠狀 靜脈和心室的高對(duì)比成像、骨和關(guān)節(jié)的矯形成像以及可變形醫(yī)療設(shè)備的重建。此外，根據(jù)本 發(fā)明的方法的該方面可以容易地應(yīng)用于數(shù)字減影血管造影術(shù)的領(lǐng)域中。由于底層重建算法 是迭代性質(zhì)的，因此本發(fā)明可以適合于各種采集幾何形狀，例如旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、雙軸移動(dòng)和在幾 何形狀上被限制以?xún)H僅收集幾個(gè)投影的采集。感興趣對(duì)象可以用三角形表面網(wǎng)格建模為多面體。盡管模型的拓?fù)湓诘陂g并 不變化，但是該方法甚至可以容易地重建非凸形狀。通常應(yīng)用特異性模型(例如身體模型、 心臟、血管或骨模型)可用于初始化迭代過(guò)程和改善算法的收斂性。然而，該方法也能夠通 過(guò)用合適的正則化項(xiàng)穩(wěn)定重建從簡(jiǎn)單球形初始網(wǎng)格重建任意多面體。該算法利用梯度下降方案以便最小化目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)包括數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)和 附加懲罰項(xiàng)以穩(wěn)定重建過(guò)程。在該算法期間多面體對(duì)象的頂點(diǎn)及其衰減值都被優(yōu)化。結(jié)果可以是衰減值以及用X射線(xiàn)成像的物理結(jié)構(gòu)的3D表面模型。與基于體素的 重建技術(shù)相比，進(jìn)一步的分割是不必要的。因此，重建模型可以立即用于可視化和進(jìn)一步計(jì) 算(心臟容量、骨厚度、血管直徑)而沒(méi)有任何附加圖像處理。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，多面體模型包括三角形表面網(wǎng)格。應(yīng)當(dāng)注意的 是，本發(fā)明并不限于三角形表面網(wǎng)格。然而，這樣的三角形表面網(wǎng)格可以提供快速和高效的 建模。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，計(jì)算單元進(jìn)一步適于通過(guò)將至少一個(gè)懲罰項(xiàng)加 入數(shù)據(jù)不匹配誤差項(xiàng)來(lái)執(zhí)行穩(wěn)定重建的步驟。應(yīng)當(dāng)注意的是，如果開(kāi)始模型的質(zhì)量足夠，則不需要正則化或穩(wěn)定。此外，其他懲 罰項(xiàng)可以用于穩(wěn)定或正則化。
這樣的穩(wěn)定可以防止模型的簡(jiǎn)并。例如，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，所述至少一個(gè)懲罰項(xiàng)選自包括下列的群 組頂點(diǎn)從鄰域的重心的偏差，面區(qū)從網(wǎng)格中的平均三角區(qū)的偏差，用于吻接三角形的懲罰 項(xiàng)，和從正三角形的偏差。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，在多面體模型的坐標(biāo)的優(yōu)化期間衰減值 是固定的，在此期間執(zhí)行測(cè)得投影值與正向投影計(jì)算值之間的殘差的最小化。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，最小化包括梯度下降方案。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，在衰減值的優(yōu)化期間多面體模型的坐標(biāo)是固定 的，在此期間確定以下函數(shù)的最小值 其中吼ζ =
或者在復(fù)合多面體模型的情況下，計(jì)算以下線(xiàn)性系統(tǒng)的 根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，檢查裝置適于作為三維計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置、 三維旋轉(zhuǎn)式X射線(xiàn)裝置和矯形X射線(xiàn)成像裝置中的一種。例如，檢查裝置是C形臂系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，檢查裝置適于應(yīng)用于數(shù)字減影血管造影術(shù)的領(lǐng) 域中。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，衰減函數(shù)是分段恒定的。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，在感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)的采集期間或之后執(zhí) 行數(shù)據(jù)重建，其中，在采集期間或之后顯示重建的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，可視化的結(jié)果包括中間圖像和中間衰減函數(shù)中 的至少一種。例如，在迭代重建期間可以在每個(gè)或預(yù)定數(shù)量的優(yōu)化步驟之后可視化或以另外方 式分析中間表面模型。此外，或備選地，可以獨(dú)立于中間表面模型可視化或以另外方式分析 衰減函數(shù)或僅僅衰減值。所以，可以在迭代重建期間評(píng)估中間結(jié)果，因此允許在分析結(jié)果之后校正重建?？?以通過(guò)中間結(jié)果與投影的比較執(zhí)行這樣的分析，因此提供模型的質(zhì)量的反饋。換句話(huà)說(shuō)，可 以跟蹤迭代重建的收斂質(zhì)量，例如視覺(jué)地跟蹤迭代重建的收斂質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，可以提供用戶(hù)接口以用于可視化例如感興趣對(duì) 象的上述多面體模型的數(shù)據(jù)重建的中間結(jié)果，其中，在感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)的采集期間 執(zhí)行可視化和數(shù)據(jù)重建。這樣的用戶(hù)接口可以包括用于可視化中間結(jié)果的顯示器或監(jiān)視器。在每個(gè)迭代之 后顯示模型的表面使得可以由用戶(hù)圖形地(視覺(jué)地)跟蹤迭代重建的收斂。通過(guò)在每個(gè)迭代步驟中或之后將中間模型投影到單一投影上，可以提供與模型的質(zhì)量相關(guān)的視覺(jué)反饋。因此，與圖像分割相反，不僅可以生成最佳適合(于感興趣對(duì)象)的表面模型，而 且生成相應(yīng)(中間)吸收系數(shù)或衰減函數(shù)，使得屬于投影的通過(guò)對(duì)象的所有線(xiàn)積分具有與 測(cè)得數(shù)據(jù)的最小差值。這樣的系數(shù)或函數(shù)可以不由法向分割方法提供。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，可視化的中間結(jié)果包括中間圖像和中間衰減函 數(shù)中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，數(shù)據(jù)重建是迭代數(shù)據(jù)重建。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，可以提供一種用于建模感興趣對(duì)象的多面體模 型的方法，其中，所述多面體模型包括具有坐標(biāo)的頂點(diǎn)，其中，所述多面體模型包括將至少 一個(gè)頂點(diǎn)連接到所述多面體模型的表面的面的拓?fù)?，并且其中，所述方法包括以下步驟在 數(shù)據(jù)重建期間交替地優(yōu)化所述多面體模型的坐標(biāo)和優(yōu)化所述多面體模型的衰減函數(shù)，從而 得到優(yōu)化的衰減值以及感興趣對(duì)象的表面模型。最后，在步驟S7中通過(guò)由于均勻多面體的重建而重建的表面網(wǎng)格組合可視化在 感興趣區(qū)域的重建上來(lái)完成根據(jù)本發(fā)明的方法。在圖4中，描繪出均勻多面體400的例子。應(yīng)當(dāng)注意的是，所述多面體的表面也可 以被顯示為至少部分透明或半透明，從而提供可以可視化在平面410、420和430上的身體 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和身體的外部輪廓的更好相關(guān)。在圖5、6和7中，示出了一起圖示出內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部輪廓的另一種方式的例子。在圖5中，示出了代表軸視圖的平面410。在所述平面上，描繪出感興趣區(qū)域411 的重建，由截?cái)嗤队爱a(chǎn)生的感興趣區(qū)域與身體輪廓之間的區(qū)域，以及代表身體的外部輪廓 的線(xiàn)413。另外，在圖5中示意性地引入了活組織檢查設(shè)備500。只要知道在活組織檢查設(shè)備 在哪個(gè)點(diǎn)414被引入身體中，活組織檢查設(shè)備成什么角度向前移動(dòng)，以及活組織檢查設(shè)備 被引入多少長(zhǎng)度，就有可能很好估計(jì)活組織檢查設(shè)備的尖端在感興趣區(qū)域內(nèi)部相對(duì)于身體 的外部輪廓的當(dāng)前位置。此外，由于有可能在手術(shù)中生成新掃描，因此除了機(jī)械信息(長(zhǎng)度、角度、位置)之 外醫(yī)生可以進(jìn)一步得到若干新重建支持，其中這些重建也可以顯示身體內(nèi)部的活組織檢查 設(shè)備。在圖6中，示出了代表冠狀視圖的平面420。在這里同樣一起示出了身體內(nèi)部的感 興趣區(qū)域421、在感興趣區(qū)域外部和身體輪廓內(nèi)部的區(qū)域422以及代表身體的外部輪廓的 線(xiàn) 423。在圖7中，示出了代表矢狀視圖的平面430。感興趣區(qū)域由附圖標(biāo)記431表示。圍 繞區(qū)域431沒(méi)有足夠的投影信息的區(qū)域由附圖標(biāo)記432表示。作為所重建的均勻多面體的 輪廓線(xiàn)生成的身體的輪廓由附圖標(biāo)記433表示。應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語(yǔ)“包括”并不排除其他元件或步驟并且“一”或“一個(gè)”并不排 除多個(gè)。與不同實(shí)施例關(guān)聯(lián)描述的所有要素可以組合。應(yīng)當(dāng)注意的是，權(quán)利要求中的不同附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被理解為限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
一種用于感興趣對(duì)象的身體和身體輪廓的3D重建的檢查裝置(100)，其中，所述檢查裝置包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備(101)，其用于采集所述感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)，計(jì)算單元(112)，其適于生成感興趣區(qū)域(411，421，431)的重建和在所述感興趣區(qū)域外部的均勻多面體(400，413，423，433)的重建，以及顯示設(shè)備，其用于顯示所重建的感興趣區(qū)域和所重建的多面體的組合可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢查裝置(100)，其中，所述均勻多面體(400，413，423，433) 的所述重建包括正向投影所述感興趣區(qū)域的所重建的衰減函數(shù)，從采集的投影數(shù)據(jù)減去結(jié) 果以生成目標(biāo)函數(shù)，正向投影包括身體輪廓子模型和感興趣區(qū)域子模型的多面體模型，以 及通過(guò)最小化經(jīng)正向投影的模型與所述目標(biāo)函數(shù)之間的殘差來(lái)優(yōu)化所述均勻多面體模型， 其中所述子模型中的每個(gè)內(nèi)部帶有恒定衰減函數(shù)。
3.一種用于身體和身體輪廓的3D重建的可視化的用戶(hù)接口(200)，其中，在所述感興趣對(duì)象的投影數(shù)據(jù)的采集之后執(zhí)行所述可視化和所述數(shù)據(jù)重建。
4.一種用于身體和身體輪廓的3D重建的方法，其中，所述方法包括以下步驟 重建感興趣區(qū)域，重建在所述感興趣區(qū)域外部的均勻多面體， 在投影數(shù)據(jù)的采集之后優(yōu)化所述重建，以及 一同可視化所述感興趣對(duì)象的所述身體和所述身體輪廓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，重建均勻多面體的步驟包括以下步驟 正向投影所述感興趣區(qū)域的所重建的衰減函數(shù)， 從采集的投影數(shù)據(jù)減去結(jié)果以生成目標(biāo)函數(shù)，正向投影包括身體輪廓子模型和感興趣區(qū)域子模型的多面體模型，其中所述子模型中 的每個(gè)內(nèi)部帶有恒定衰減函數(shù)，并且其中，在投影數(shù)據(jù)的采集之后優(yōu)化所述重建的步驟包括通過(guò)最小化經(jīng)正向投影的模型 與所述目標(biāo)函數(shù)之間的殘差來(lái)優(yōu)化所述多面體模型。
6.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中存儲(chǔ)有用于身體和身體輪廓的3D重建的計(jì)算機(jī)程序； 其中，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)令所述處理器執(zhí)行以下步驟重建感興趣區(qū)域，重建在所述感興趣區(qū)域外部的均勻多面體，在投影數(shù)據(jù)的采集之后優(yōu)化所述重建，從而得到所述感興趣對(duì)象的所述身體和所述身 體輪廓的一同優(yōu)化可視化。
7.一種用于身體和身體輪廓的3D重建的圖像處理設(shè)備，所述圖像處理設(shè)備適于 重建感興趣區(qū)域，重建在所述感興趣區(qū)域外部的均勻多面體，在投影數(shù)據(jù)的采集之后優(yōu)化所述重建，從而得到所述感興趣對(duì)象的所述身體和所述身 體輪廓的一同優(yōu)化可視化。
全文摘要
本發(fā)明提出了使用多面體對(duì)象模型從橫向截?cái)嗤队斑M(jìn)行身體和身體輪廓的3D重建?？赡艿呐R床應(yīng)用出現(xiàn)在配備有平板探測(cè)器的采集系統(tǒng)上進(jìn)行導(dǎo)引的活組織檢查的領(lǐng)域中，其中在胸和腹掃描協(xié)議中不能避免截?cái)嗤队??；颊叩男螤畹?D體積重建和表面網(wǎng)格重建例如從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生并且然后同時(shí)被可視化以便幫助醫(yī)生引導(dǎo)活組織檢查設(shè)備和判斷從患者的皮膚到重建體積內(nèi)部的感興趣組織的距離。
文檔編號(hào)G06T11/00GK101903911SQ200880121376
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者D·舍費(fèi)爾, K·埃哈德, M·格拉斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司