專利名稱：用于交互式肝臟血管和膽管系統(tǒng)評估的方法、系統(tǒng)、裝置和計算機程序產(chǎn)品的制作方法
技術領域：
本文所述的示例方面涉及醫(yī)學影像處理，并且具體地說涉及用于交互式術前評估肝臟血管和膽管系統(tǒng)的方法、系統(tǒng)、裝置和計算機程序產(chǎn)品。
背景技術：
人體肝臟接收大約30%的靜息心輸出量。人體肝臟是富含血管的器官，具有三種血管系統(tǒng)門靜脈，肝靜脈，和肝動脈系統(tǒng)。此外，人體肝臟具有膽管系統(tǒng)，在所述膽管系統(tǒng)中膽管將膽汁從肝臟和膽囊輸送入十二指腸。由于肝臟中復雜的血管解剖結構，對肝臟進行外科手術可能富有挑戰(zhàn)性。一般來說，在一次成功的手術后，患者會有足夠的由全部四種管道系統(tǒng)供給的剩余肝臟組織。實現(xiàn)該目的的一種方式是進行術前肝臟管道評估，所述評估包括適宜的分割血管和膽管并且在管道系統(tǒng)中建立可靠的量化的空間關系。不過，好的分割管道可能難以實現(xiàn)。例如，肝動脈的分支可能是非常細的一像單個像素寬度一樣小一使得分割這些分支變得困難。此外，小血管分支和周圍的解剖結構之間的成像對比度可能非常低。因此，廣泛使用的分割技術如區(qū)域生長通常不能產(chǎn)生足夠令人滿意的輸出?；趫D譜和模型的方法也不能提供希望的精確度，因為不同患者之間的肝臟血管解剖結構差異很大。因此，有效和快速分割小血管和/或具有低對比度的血管仍具有挑戰(zhàn)性。可靠評估患者的膽管系統(tǒng)也可能難以實現(xiàn)。術前評估患者的膽管具有顯著的臨床重要性，因為術后膽管并發(fā)癥是普遍遇到的問題。不過，在術前評估中，通常用不同于其它肝內(nèi)解剖結構(例如肝臟血管系統(tǒng))的造影劑和數(shù)據(jù)采集設備掃描膽管。例如，大多數(shù)的肝內(nèi)解剖結構可通過核磁共振(MR)或電腦斷層造影(CT)技術進行掃描，而膽管系統(tǒng)可通過磁共振膽胰管成像(MRCP)或CT膽管成像(CTC)技術進行掃描。在這些情況，不同肝內(nèi)系統(tǒng)的不同掃描必須配準，以便分析患者的膽管解剖結構連同其它肝內(nèi)解剖結構。準確的配準要求膽管系統(tǒng)的掃描與其它解剖結構的掃描很好地配準。不過，在肝臟的解剖結構中， 門靜脈和膽管是平行的而不是交疊的。因此，利用通過使對象之間的空間差異最小化來使兩個對象的交疊最大化的傳統(tǒng)配準算法不能產(chǎn)生完好配準的掃描。此外，患者身體姿勢的改變可能導致是軟組織器官的肝臟的顯著變形。例如，在患者膽管系統(tǒng)的掃描過程中，與在患者肝臟血管系統(tǒng)的先前掃描過程中的形狀相比，患者肝臟的形狀可能發(fā)生變形。在該示例中，膽管掃描與血管掃描的配準，被上文所述的空間錯位復雜化，同時還可能被變形影響進一步復雜化。
從上文的討論可見，已知的方法和系統(tǒng)不足以提供有效生成三維血管分割的交互式血管分割方法。已知的方法和系統(tǒng)也不足以允許血管和膽管系統(tǒng)的術前評估。并且，已知的系統(tǒng)不提供醫(yī)師所希望的量化、靈活性和易用性的結合。

發(fā)明內(nèi)容
通過用于在三維醫(yī)學影像上進行影像分割的方法和用于在影像中配準解剖結構的方法，以及根據(jù)所述方法操作的系統(tǒng)、裝置和計算機程序，可以克服與前述相關的現(xiàn)有限制和其它限制。根據(jù)一個示例性實施例，用于在三維醫(yī)學影像上進行影像分割的方法包括產(chǎn)生包括解剖結構的三維影像的投影，在所述投影上描繪對應于所述解剖結構的至少一條曲線， 根據(jù)所述至少一條曲線和投影提取感興趣曲面體，并且在所述感興趣的曲面體中提取分割的解剖結構。根據(jù)另一示例性實施例，用于在影像中配準解剖結構的方法包括在第一影像中確定膽管系統(tǒng)的一部分，在第二影像中確定肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分，在所述第一和第二影像中確定膽囊，根據(jù)與所述膽管系統(tǒng)和所述肝門靜脈和肝動脈中的一個相關的至少一個預定的空間關系確定代價函數(shù)，并且通過使所述代價函數(shù)最大化來配準所述膽管系統(tǒng)和所述肝門靜脈和肝動脈中的一個。所述至少一個預定的空間關系包括所述膽管系統(tǒng)的一部分相對于所述肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分的定向。


本文所要求保護和/或所披露的內(nèi)容將結合示例性實施例進一步進行描述。這些示例性實施例將結合附圖詳細描述。這些實施例是非限制性的示例實施例，其中同樣的附圖標記在附圖的若干視圖中表示相似的結構。圖1示出了根據(jù)本文的一個示例實施例，由用于術前和術后評估的系統(tǒng)構成的示例。圖2(a)示出了根據(jù)本文的一個示例實施例，通過血管分析單元進行血管分析的流程圖。圖2(b)示出了根據(jù)本文的一個示例實施例，用于血管分割的流程圖。圖2 (C)是CT掃描的二維切片的影像。圖2(d)是MIP圖的影像，具有包括圖2(c)中的切片的層塊厚度。圖2(e)是MIP圖的另一影像，包括圖2(c)中的切片和不同于圖2 (d)的MIP圖的
層塊厚度。圖2(f)示出了沿著MIP圖上的血管繪制的輪廓。圖2(g)示出了從圖2(f)所示的輪廓中提取的曲面感興趣區(qū)域。圖2(h)示出了顯示在MIP圖中的細血管分割結果。圖2(i)示出了顯示在最初二維切片中的細血管分割結果。圖3示出了根據(jù)本文的一個示例實施例，用于配準血管和膽管結構的流程圖。圖4(a)示出了包括分割的門靜脈的肝臟空間的三維影像。圖4(b)示出了包括膽囊的分割的膽管系統(tǒng)的三維影像。
圖4(c)示出了患者腹部的CT掃描，其中箭頭表示膽囊。圖4(d)示出了分割的膽管系統(tǒng)和圖4(c)所示的CT掃描之間的空間差異。圖4(e)示出了分割的膽管系統(tǒng)配準圖4(c)所示CT掃描上的肝臟空間。圖5 (a)示出了門靜脈系統(tǒng)和膽管系統(tǒng)。圖5(b)示出了在CT或MR掃描中可見的門靜脈和膽囊。圖5 (c)示出了在MRCP或CTC掃描中可見的膽管和膽囊。圖5(d)示出了來自不同掃描的膽囊之間的交疊。圖5 (e)示出了門靜脈和膽管之間的表面距離。圖6是根據(jù)圖2(a)的流程圖設置的功能模塊圖。圖7是根據(jù)圖2(b)的流程圖設置的功能模塊圖。圖8是根據(jù)圖3的流程圖設置的功能圖。圖9是示例性計算體系結構的示圖。
具體實施例方式本文所披露的示例方面涉及交互式和實時評估肝臟血管和膽管結構的方法、系統(tǒng)、裝置和計算機程序產(chǎn)品。這些示例性實施例可用于促進定量評估和評價解剖結構，例如肝臟、肝臟分割部分、血管結構、血管流域、膽管結構和肝病灶。所述評估和評價可包括在解剖結構之間建立空間關系，并且可用于例如術前規(guī)劃要對肝臟進行的手術和在手術后評價肝臟。
用于血管、膽管系統(tǒng)和流域分析的系統(tǒng)圖1示出了根據(jù)一個示例性實施例可用于術前和/或術后外科手術評估的系統(tǒng)的示例性構造。系統(tǒng)包括患者數(shù)據(jù)庫111，肝臟分析單元112，血管分析單元113，膽管系統(tǒng)分析單元114，血管-膽管系統(tǒng)配準單元115，和流域分析單元116。所述構成部分的每一個可通過軟件、硬件或固件實現(xiàn)，并且每一個可設置成由用戶操作。患者數(shù)據(jù)庫111可用于加載用于評估的影像。例如，影像可以指定是選定的患者并且與所述患者肝臟的血管和/或膽管評估相關。所述影像的示例包括但不限于，CT掃描、 MR掃描、磁共振膽胰管成像(MRCP)掃描、CT膽管成像(CTC)掃描和超聲波掃描。從患者數(shù)據(jù)庫111加載的掃描可包括多個掃描期，例如可以掃描CT或MR影像的多個掃描期用于綜合評價解剖結構例如肝臟、病灶和血管。一般來講，肝臟分析單元112、血管分析單元113和膽管系統(tǒng)分析單元114可用于幫助用戶定量分析肝臟的解剖結構，例如肝臟本身、肝病灶以及肝臟的血管和膽管系統(tǒng)。具體地說，肝臟分析單元112可用于肝臟分割和容積測量，血管分析單元113可用于血管分割和分析，而膽管系統(tǒng)分析單元114可用于膽管結構分析。在圖1中，從患者數(shù)據(jù)庫111加載的CT和MR影像被傳送至肝臟分析單元112和血管分析單元113，而CTC和MRCP影像被傳送至膽管系統(tǒng)分析單元114。可以使用這種結構是因為在一些情況，盡管CT或MR影像適用于例如肝臟、病灶和血管分析，但可能不適用于膽管系統(tǒng)的分析。因此，其它影像例如MRCP或CTC影像可用于膽管系統(tǒng)評價。不過，應當理解，圖1所示的任何特定的數(shù)據(jù)采集設備和目的僅用于示例而不是限制性的。例如，盡管附圖示出了用于膽管系統(tǒng)分析的MRCP或CTC影像，來自其它數(shù)據(jù)采集設備的影像(包括
7用于肝臟和血管分析的相同影像掃描)也可用于膽管系統(tǒng)分析。肝臟分析單元112、血管分析單元113和膽管系統(tǒng)分析單元114分別單獨評價肝臟結構、血管系統(tǒng)和膽管系統(tǒng)。不過，單獨評價這些解剖結構可能僅對術前規(guī)劃提供有限的幫助。例如，醫(yī)師可能希望得到患者肝臟的完整三維解剖結構，以便根據(jù)綜合考慮不同的重要解剖結構以及它們的空間關系精確地規(guī)劃外科手術。在這種情況，醫(yī)師可能希望患者的膽管和膽囊連同肝臟、病灶和血管樹一起顯示在計算機屏幕的三維空間中，即使這些解剖結構的每一個以不同的影像采集模式(例如MR掃描和MRCP掃描)獲得和增強。因此，圖 1的系統(tǒng)還被設置成以對不同的解剖結構進行配準。血管-膽管系統(tǒng)配準單元115可被設置成將在一種影像采集模式或掃描期的掃描中所增強和/或分割的膽管結構與在另一種模式或掃描期的掃描中所增強和/或分割的肝臟、病灶和血管進行配準。血管-膽管系統(tǒng)配準單元115還可被設置成將在動脈期掃描中所增強和/或分割的動脈與在靜脈期掃描中增強和/或分割的門靜脈進行配準。流域分析單元116可被設置成計算例如流域對應于門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)、動脈系統(tǒng)和膽管系統(tǒng)的供血/回流流域及每個流域的容積。流域分析單元116可接受由圖1 所示系統(tǒng)的其它單元配準的血管和膽管結構作為輸入。流域分析單元116還可被設置成計算特定血管或膽管分支的供血/回流流域。通過所述流域分析，醫(yī)師能夠定量測量例如當在切除過程中切除血管分支時受影響肝臟的體積。
血管分析和分割如上文所述，血管或膽管分割可能難以進行。血管分支可能非常細(例如一個像素寬度)，和/或由于分支和附近解剖結構的低對比度可能難以在影像上顯示血管分支。這些問題對于在軟組織細胞中例如肝臟的肝細胞中存在較大密度差異的有病肝臟可能更為嚴重，使得細血管分支的分割變得更為困難?；趨^(qū)域生長的技術不能產(chǎn)生足夠可靠或準確的輸出，而基于圖譜或模型方法的技術對于患者間在肝臟血管解剖結構上的變化是不精確的。圖2(a)示出了用于血管分析和分割的示例流程圖。根據(jù)一個示例性實施例，由所述流程圖示出的過程可用于利用影像數(shù)據(jù)分析一個或多個血管結構并且分割所述被分析的結構。在該圖中示出的過程的部分或全部可例如通過圖1的血管分析單元113進行實施。在步驟2-101，顯示三維對象的一個或多個最大密度投影(MIP)影像。MIP是顯示方法，其中來自不同深度的二維影像(例如多個CT切片或MR切片)被組合成層塊，即切片的層疊，并且層塊中具有最大密度的體素被投影到二維平面上。不過，在另一示例性實施例中，可以使用最小密度投影(minIP)。例如，在待分割的膽管比其它周圍的解剖結構具有更低的影像密度時可以使用minIP。此外，其它示例性實施例仍可使用適于顯示解剖結構(例如膽管和門靜脈)的任何其它類型的體投影或影像顯示。圖2 (c)到2 (e)示出了 MIP影像的顯示如何可輔助解剖結構(例如肝臟的血管系統(tǒng))的成像和分割。圖2(c)是在對患者的腹部進行CT掃描過程中獲得的二維切片的影像。 血管通常具有比肝實質更高的密度。不過，在該影像中，只示出了小部分的細血管分支，這是因為由于肝臟解剖結構，分支跟隨進入和離開CT掃描切片的平面的路徑。因此，利用該影像手工描繪血管分支既不實用又沒效率。圖2(d)和圖2(e)是具有包括圖2(c)所示切片的層塊厚度的MIP影像。利用最大密度投影(MIP)技術，細血管分支變得更為可見，如這些附圖所示。調(diào)節(jié)MIP層塊的厚度可顯示血管分支的不同視圖。圖2(d)中的MIP影像比圖2(e)中的MIP影像具有更大的層塊厚度。因此，可以在圖2(d)中對完整的血管分支進行成像，而在圖2(e)中顯示斷開。這些MIP影像示出了用戶如何可分辨二維MIP影像上的血管分支，并從而利用三維交互式血管分割使用所述影像來描繪血管分支，如下文所述。在步驟2-101顯示多個MIP影像，所述影像可包括例如三維對象(例如對肝臟的醫(yī)學研究)的三個正交MIP影像(例如，軸向、冠狀和矢狀)或任意角度多平面重組(MPR) MIP影像。此外，MIP影像能夠以二維和三維進行顯示。在二維MIP顯示中，顯示了預定義 MIP深度的MIP層塊。用戶能夠跨醫(yī)學影像空間，例如3個正交方向或沿任意角度MPR方向瀏覽每個MIP影像。在三維顯示中，可以同時顯示多個MIP影像，中心位于當前截面點。步驟2-201之后的判定框2-102確定是否存在還沒有被分割的血管結構?？梢岳缤ㄟ^用戶在用戶界面輸入手動或自動進行判定框的確定。所述確定可基于在步驟2-101 所顯示的影像。在步驟2-103，可以調(diào)節(jié)MIP層塊的深度或厚度。不同的MIP層塊可以單獨或一起調(diào)節(jié)，以便最好的顯示MIP影像中待分割的血管分支。在一些示例性實施例中，MIP層塊深度的最小值可以是1，即可以觀察和調(diào)節(jié)非MIP影像。MIP層塊的窗位也可以單獨或一起調(diào)節(jié)，以便最好的顯示血管分支。步驟2-103可以跳過，例如如果不需要或不希望調(diào)節(jié)MIP層塊時。在步驟2-105，沿著成像的血管結構繪制一條或多條曲線，以便繪出一支或多支血管的輪廓?？梢岳缤ㄟ^用戶在用戶界面進行輸入手動或自動繪制所述曲線。影像可以是 MIP影像，minIP影像，或原影像，例如，層塊深度為1的影像。繪出血管的輪廓可包括在另一 MIP視圖上的另一輪廓，包括任何其它的正交MIP影像或不同角度的MIP MI3R影像。例如，所述繪出的輪廓可用于例如進一步限定血管結構的感興趣區(qū)域(ROI)。在圖2(f)中示出了完成步驟2-105的示例，示出了沿MIP視圖上的血管繪制的輪廓2-401。該圖中的MIP 視圖與圖2(d)中所示相同的MIP視圖。在步驟2-107，輪廓點被用于進行血管分割。該步驟可部署分割算法，所述分割算法利用輸入(例如，由步驟2-105所繪制的輪廓2-401或另一輸出)來分割對應于所述輪廓的血管分支。所述分割算法的一個示例將在下文結合圖2(b)進行討論。在步驟2-109，顯示了分割的結果。顯示可包括以二維和三維顯示分割結果。在三維顯示中，可以顯示三維分割的血管對象。在二維顯示中，可將分割的血管對象覆蓋在二維影像上。顯示可涉及更新先前的分割結果，例如，血管結構被先前分割或分割結果被調(diào)整。在步驟2-111，用戶還可以進一步交互式調(diào)節(jié)分割結果。在所述調(diào)節(jié)之后，再次進入上述的判定框2-102。如果確定存在還沒有被分割的血管結構，重復所述程序的分析和分割部分。如果確定已對所有需要的血管結構進行了分割，所述程序結束。圖2(b)示出了用于血管分割的示例性流程圖。該流程圖是可用于如上所述圖 2(a)中的步驟2-107的分割算法的一個示例。在步驟2-301，提取三維感興趣區(qū)域(VOI)。VOI可用作在其它步驟可分割血管結構的參照區(qū)域。通過如現(xiàn)在將會描述的基于血管結構的輪廓建立ROI和擴展ROI來實現(xiàn) VOI的提取。首先，沿特定方向，例如在每個輪廓點處的MIP的方向，投影出一條線。沿該線位于當前MIP層塊內(nèi)部的體素可被當作在ROI內(nèi)。隨后，可以沿垂直于投影MIP影像所沿的軸線的多個，例如所有，二維方向擴展R0I。曲面三維感興趣區(qū)域(VOI)因此被提取以供分析，如圖2(g)所示。曲面VOI根據(jù)用戶輸入結合專家知識限制向前的自動血管分割。例如，醫(yī)師能夠在所顯示的MIP影像上將靶動脈與周圍靜脈區(qū)分開。因此，醫(yī)師可以只在動脈上繪制曲線并且避開靜脈。在步驟2-301的VOI的提取可包括多個VOI的組合。例如，用戶繪制的輪廓可能不精確，并且分割系統(tǒng)可能不足以強到能容忍這種不精確。因此，在輪廓繪制的步驟2-105， 用戶可能在不同的MIP視圖上繪制多于一個的輪廓。在這種情況，可以提取對應于每個所繪制輪廓的單獨的V0I。根據(jù)多個VOI的結合，可以形成進一步受限制的V0I。在步驟2-303，使用線狀濾波算法來過濾VOI內(nèi)的體素。VOI內(nèi)的每個體素可應用線狀濾波。合適的線狀濾波的一個示例披露于Yoshinobu Sato等人所著的 ”Three-dimensional multi-scale line filter for segmentation and visualization of curvilinear structure in medical images，，(2Med. Image Analysis 101， 143(1998))，該文獻如同在文本完全陳述一樣被結合入本文作為引用。在一個示例性實施例中，根據(jù)三維多尺度線狀濾波來實施線狀濾波算法。在步驟2-305，線狀濾波響應的輸出被選擇作為VOI內(nèi)的初始分割。選擇可以基于閾值進行，隨后由線狀濾波算法應用以便限制線狀濾波響應。例如，步驟2-303的過濾結果可以是具有帶線狀濾波響應的體素的相連區(qū)域。該過濾結果可應用于閾值以產(chǎn)生具有高于閾值的線狀濾波響應的體素。這些體素可被選作VOI內(nèi)血管結構的最初分割?？梢栽诓襟E 2-305或其它步驟調(diào)節(jié)和選擇所述閾值。例如，用戶可以在圖2(a)的流程圖的步驟2-111 調(diào)節(jié)線狀濾波響應閾值。在步驟2-307，將線狀濾波分割的輸出用于適應性分割。適應性分割可包括基于體素灰度值的適應性區(qū)域生長的步驟。區(qū)域生長可以根據(jù)閾值(例如，低于過濾器響應閾值的閾值)，并且在適應性分割過程中可以調(diào)節(jié)閾值。例如，可以適應性調(diào)節(jié)區(qū)域生長閾值，同時系統(tǒng)自動檢查已分割對象的形狀以確保它保持管狀結構。由于細血管結構的低對比度， 由線狀濾波分割獲得的結果可產(chǎn)生多個碎片。不過，在區(qū)域生長過程中，用戶或系統(tǒng)可通過分析它們的形狀和空間關系連接斷開的血管分支。在其它步驟包括例如圖2(a)的流程圖的步驟2-111可以調(diào)節(jié)和選擇區(qū)域生長閾值。血管分割的一個示例結果在圖2(h)和2(i)中示出。具體地說，圖2(h)示出了疊加在MIP影像上的血管分割結果2-501，而圖2(i)示出了在二維影像切片中的血管分割結果 2-601。血管分割不限于通過線狀濾波響應算法進行的分割。而是，血管分割可通過與結合圖2(b)所述的示例程序之外的程序進行。例如，可以執(zhí)行其它優(yōu)化程度，以便根據(jù)用戶在MIP影像上所繪制的輪廓提取血管結構。在另一個示例性實施例中，可以使用動態(tài)編程程序來找到VOI內(nèi)的三維路徑。如本領域的技術人員所知的，動態(tài)編程是用于將復雜問題分解成簡單遞歸搜索的算法。動態(tài)編程的示例披露于S. Dasgupta等人的論文中 (Algorithms (2006))。由動態(tài)編程方法找到的最佳路徑可表示具有線性過濾器響應和/或灰度值的最大和的曲面VOI內(nèi)的路徑。所得到的三維路徑可相對于管狀模型匹配以模擬已被分割的血管結構。
上文結合圖2 (a)到2 (i)所述的血管分析和分割程序還可用于膽管系統(tǒng)分析和分割。在這里，膽管結構分析單元114可執(zhí)行與血管分析單元113所執(zhí)行的程序相似的程序。 不過，膽管結構分析單元114可執(zhí)行不同的分割程序。例如，可利用不同的程序對作為膽管系統(tǒng)構成部分的膽囊進行分割。所述程序的示例包括通過區(qū)域生長播種(自動或手動)，適應性定閾值，和形狀保持。在該示例中，閾值的值和范圍與血管分割中的那些不同。計算待分割區(qū)域的形狀(例如，每個切片上的環(huán)狀)并且所述形狀用作閾值選擇的條件。
血管-膽管系統(tǒng)配準在相同的三維空間中顯示不同的解剖部分(例如肝臟、病灶、門靜脈、肝靜脈、肝動脈、膽管、和膽囊)可以大大增強醫(yī)師辨別和區(qū)分這些解剖部分之間的空間關系的能力。 如上文所述，例如在血管分析單元113和/或膽管結構分析單元114上進行的血管和膽管系統(tǒng)分割程序可用于分割和量化單獨的血管和膽管系統(tǒng)。不過，這些已分割的系統(tǒng)可能不易于被結合入單個三維空間，因為所述解剖結構的分割通常在相同影像采集模式的不同掃描期的掃描上或來自多個數(shù)據(jù)采集設備的掃描上進行。例如，動脈通常在CT或MR掃描的動脈期中是增強和可視的，而靜脈通常在靜脈期中是增強和可視的。此外，通常可利用MRCP 或CTC掃描使膽管系統(tǒng)成像。由于使用了不同掃描期和/或影像采集模式，在這些不同的掃描中患者的姿勢可能不同。如果只是將膽管系統(tǒng)顯示在肝臟三維空間中，很可能產(chǎn)生較大的空間差異。反而，膽管系統(tǒng)的掃描和/或分割必須與其它解剖結構例如血管系統(tǒng)的掃描和/或分割配準。圖4(d)示出了由一個掃描分割的膽管系統(tǒng)與其它肝內(nèi)結構的另一掃描組合而得到的空間差異。在該圖中，膽囊和膽管系統(tǒng)的其余部分(由CTC掃描分割)顯示在二維CT 影像中。不過，由于例如患者姿勢的不同，膽管系統(tǒng)從其它肝臟解剖結構明顯偏移。如該圖所表明，配準由多個掃描分割的解剖結構對于術前和術后評估是重要的。不過，將一個掃描中的解剖結構與另一掃描中的解剖結構配準可能由于這些結構的成像特征而變得復雜。例如，由MRCP或CTC數(shù)據(jù)分割的膽管可能不易于與CT或MR數(shù)據(jù)配準，因為膽管通常不通過CT或MR技術成像，而很多其它的肝內(nèi)解剖結構包括肝動脈、門靜脈和肝靜脈通過這些技術成像。因此，可能沒有可配準的已分割膽管的解剖結構顯示在 CT或MR掃描中。在圖4(c)中示出了這個問題的示例，示出了患者腹部的CT掃描，其中沒有對膽管成像。此外，MRCP掃描可能只明顯顯示膽管結構；掃描可能顯示肝臟的解剖結構的最少信息。結果，可能有很少的解剖結構標志(如果有的話)可用于跨空間或跨模式配準。因此，利用檢測到的標志進行配準的傳統(tǒng)配準方法在這種情況可能不適用。在一些示例性實施例中，可以部分基于膽囊的配準進行膽管系統(tǒng)和其它解剖結構的配準?？赏ㄟ^MRCP或CTC技術以及CT或MR技術對膽管所連接的膽囊進行成像。不過， 盡管在MRCP/CTC掃描和CT/MR掃描中膽囊均是可見的，它的大小可能例如由于注入的造影劑的作用而明顯不同。例如，在MRCP/CTC掃描上成像的膽囊可能在尺寸上遠大于在CT/MR 掃描上成像的膽囊。這由圖4(b)到4(d)示出。圖4(b)示出了已分割膽管系統(tǒng)的三維顯示，包括從CTC掃描獲得的膽囊，而圖4(c)中的箭頭指向膽囊在CT掃描中的成像。如上所述的圖4(d)示出了兩個掃描之間的空間配準的不匹配，還示出了膽囊在CTC掃描和CT掃描之間的尺寸上的差異。因此，可能有很少的“真相”信息，例如，在膽囊的配準過程中可以依賴的不同掃描期或影像采集模式的掃描之間的信息一致性。
因此，在配準是部分基于膽囊的配準的示例性實施例中，還可以根據(jù)肝臟解剖結構尤其是膽管的特征進行配準。膽管沿著門靜脈和動脈分布，但這些結構不交疊。圖5(a) 示出了門靜脈系統(tǒng)和膽管系統(tǒng)。如在該圖所示，門靜脈5-102和膽管5-104彼此平行，但它們不交疊。因此，使兩個對象的交疊最大化的傳統(tǒng)配準算法不適用于配準。根據(jù)這些示例性實施例，用于在多期掃描或多模式掃描中配準增強和分割的膽管或血管結構的程序將相同解剖結構的配準與不同解剖結構的配準組合成一個程序。具體地說，配準程序找到使兩個掃描中膽囊之間的交疊和/或兩個掃描中膽囊之間的特征(例如， 方向、質心等等)的一致性最大化并且使門靜脈和膽管之間的交疊最小化的配準，同時使門靜脈和膽管的表面點之間的距離最小化。在圖5(b)和5(c)中示出了適用于配準程序的掃描的示例。圖5(b)示出了在一個掃描例如CT掃描中分割的門靜脈和膽囊，而圖5(c)示出了由另一掃描例如CTC掃描分割的膽管和膽囊。在一個示例性實施例中，配準程序包括確定代價函數(shù)。一個示例代價函數(shù)如下 價值(Cost) =W1 交疊(膽囊_1，膽囊_2) (overlap (gallbladder_l, gallbladder_2) -W2 ·交疊(門靜脈，膽管)(overlap (portal_vein, bile_duct)
-W3 · ^Migi^ ( Π^Ε,ΙΙ^ ) (surface_distance (portal_vein, bile_duct)胃巾， 交疊(對象1，對象2)是測量對象1和對象2之間的交疊和/或對象1和對象2之間的特征(例如，方向、質心)的一致性的函數(shù)，表面距離(對象1，對象2)是測量兩個表面之間的距離的函數(shù)，而Wl，W2和W3是平衡上述三個構成部分之間的重要性的權重因數(shù)。配準程序找到可以使代價函數(shù)最大化的一組配準參數(shù)。圖5(d)示出了從一個掃描分割的膽囊和從另一掃描分割的膽囊之間的交疊，而圖5(e)示出了門靜脈和膽管之間的表面距離?，F(xiàn)在將進一步詳細描述配準程序。圖3示出了所述程序的示例性流程圖。該圖所示的程序可以是通過例如血管_膽管結構配準單元115執(zhí)行的程序。例如，所述程序可用于將基于MRCP或CTC掃描分割的膽管結構與基于CT或MR掃描分割的血管結構配準。盡管結合CT和MRCP掃描描述程序，但僅作為易于理解的非限制性示例。其它影像采集模式， 包括CT、MR、MRCP和CTC之外的影像采集模式可用于在程序的說明中所提及的任何一個掃描。在步驟3-101，分割CT模式中的門靜脈和肝動脈以及MRCP模式中的膽管。還可分割CT和MRCP模式中的膽囊?？梢酝ㄟ^交互式或自動方式單獨進行CT中的門靜脈、動脈和膽囊以及MR中的膽管和膽囊的分割。例如，用戶可以點擊感興趣的對象例如膽囊，以便開始交互式分割過程。隨后，由已分割的對象可以根據(jù)其幾何形狀和位置屬性自動或交互式識別CT和MRCP中的膽囊。例如，在沒有分割的情況下，可以例如通過二維或三維邊框表示的位置、定向和尺寸在二維影像上識別膽囊。在步驟3-103，可以配準CT和MRCP中的已分割或識別的膽囊，以便配準相應的CT 和MRCP坐標系。初始配準可被理解為初步配準，因為膽囊的形狀被拉長并且有時不能對兩個坐標系的定向配準提供適當?shù)募s束。在步驟3-105，根據(jù)步驟3-103的配準識別對膽囊配準的約束。一個示例是對隨后配準步驟中的膽囊的位置和/或定向的可容許的調(diào)節(jié)進行約束。例如，可將配準的中心識別為配準后在CT和MRCP中的膽囊的平均中心。該中心可被視為在隨后的配準步驟中保持不變的旋轉中心。作為另一個示例，可定義邊框，使邊框表示在隨后的配準步驟中對膽囊位置的調(diào)整范圍的限制。在步驟3-107，指定即識別門靜脈(或動脈)和膽管之間對應的分支和/或分叉點。指定可包括識別門靜脈和膽管中的哪些分支和/或分叉點應當彼此平行。該指定是基于在肝臟解剖結構中，門靜脈、動脈和膽管被捆綁在一起并且彼此平行的事實?？梢宰詣幼R別對應的分支或分叉點。例如，如果使用樹狀結構表示已分割的門靜脈(或動脈)和膽管， 系統(tǒng)能夠根據(jù)儲存或預定的解剖知識自動標記分支。在一些示例性實施例中，不是整個血管和膽管樹中的所有分支都需要配對，而可以僅將那些大的分支進行配對。例如，門靜脈(或肝動脈)和膽管的第一和/或第二代可用于配對，而較低級的較小分支會相應與大的分支配準。在步驟3-109，將門靜脈(或動脈)和膽管的對應分支和/或分叉配準。在步驟 3-105識別的膽囊的配準約束內(nèi)進行分支的配準。由于CT和MRCP數(shù)據(jù)之間在定向上的差異，在步驟3-109的配準可產(chǎn)生可能不完全對應于肝臟的實際解剖結構的膽管和門靜脈 (或動脈)的交疊分支。換句話說，膽囊約束內(nèi)的配準可能導致例如在門靜脈和膽管的配準中存在這些解剖結構的交疊。不過，在肝臟解剖結構中，膽管和門靜脈平行并且不交疊。因此，程序的其它步驟例如步驟3-111可考慮在定向上的這種差異并且可通過例如減少交疊來獲得解剖結構優(yōu)化的配準結果。在步驟3-111，調(diào)節(jié)在步驟3-109獲得的配準參數(shù)，以便使膽管和門靜脈和/或動脈的交疊最小化，同時使膽管和/或門靜脈和動脈之間的總體距離最小化。調(diào)節(jié)可包括一個或兩個坐標系的旋轉，并且可根據(jù)約束的最優(yōu)化方法進行。鑒于本文示例性實施例的說明，合適的約束最優(yōu)化方法對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。一個示例是拉格朗日乘子(Lagrange multipliers)的方法。此外，在該步驟可繼續(xù)應用關于膽囊的配準約束。盡管在圖3中未示出，在執(zhí)行了上述配準程序后，可以進行進一步的手動調(diào)節(jié)以微調(diào)配準結果。具體地說，可以進行一個坐標系的平移和/或旋轉，以便視覺配準來自兩個坐標系的感興趣對象。例如，用戶可以通過平移或旋轉三維顯示的膽管系統(tǒng)交互式調(diào)節(jié)膽管系統(tǒng)的位置和定向。圖4(e)示出了在肝臟三維空間中顯示并且覆蓋在原CT 二維影像切片上的配準的膽管系統(tǒng)的一個示例。圖3所示的流程圖還可應用于配準在動脈期中分割的動脈和在靜脈期中分割的門靜脈。此外，由于可以在一個掃描期中看到動脈和門靜脈，在一個示例性實施例中，三維和二維上的標志可由用戶交互式或配準系統(tǒng)自動交叉引用。圖6-8示出了根據(jù)不同示例性實施例設置的功能模塊圖。在這些附圖中所示的模塊(不管是單獨還是設置在一起)可包括圖1所示系統(tǒng)的任何構成部分。根據(jù)圖2(a)的流程圖設置圖6的模塊。所述模塊包括顯示模塊601，投影生成模塊602，影像調(diào)節(jié)模塊603，描繪模塊604，和提取模塊605。每個模塊與其它模塊通信連接。 顯示模塊601可被設置成執(zhí)行與步驟2-101和2-109相關的任務，以及顯示與其它模塊執(zhí)行的任務相關的輸出。投影生成模塊602可被設置成執(zhí)行與步驟2-101相關的任務。影像調(diào)節(jié)模塊603可被設置成執(zhí)行與步驟2-103和2-111相關的任務。描繪模塊604可被設置成執(zhí)行與步驟2-105相關的任務。提取模塊605可被設置成執(zhí)行與步驟2-107相關的任務。根據(jù)圖2 (b)的流程圖設置圖7的模塊。所述模塊包括顯示模塊701，VOI提取模塊702，過濾模塊703，和分割模塊704。每個模塊與其它模塊通信連接。顯示模塊701可被設置成顯示與其它模塊執(zhí)行的任務相關的輸出。VOI提取模塊702可被設置成執(zhí)行與步驟2-301相關的任務。過濾模塊703可被設置成執(zhí)行與步驟3-303相關的任務。分割模塊 704可被設置成執(zhí)行與步驟2-305和2-307相關的任務。根據(jù)圖3的流程圖設置圖8的模塊。所述模塊包括顯示模塊801，分割模塊802， 配準模塊803，和調(diào)節(jié)模塊804。每個模塊與其它模塊通信連接。顯示模塊801可被設置成顯示與其它模塊執(zhí)行的任務相關的輸出。分割模塊802可被設置成執(zhí)行與步驟3-101相關的任務。配準模塊803可被設置成執(zhí)行與步驟3-103，3-105，3-107和3-109相關的任務。 調(diào)節(jié)模塊804可被設置成執(zhí)行與步驟3-111相關的任務。圖6-8的模塊各自可包括軟件、硬件或其組合，并且這些模塊中的至少一些可被結合入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其一個示例將在下文結合圖9進行討論。作為一個示例，模塊至少部分可通過儲存在存儲設備中的計算機程序指令體現(xiàn)，或可由位于處理器中或與處理器相連的硬件部分構成。圖9是示例數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的示圖。圖9的系統(tǒng)包括處理器902、存儲器903、存儲設備904、通信設備905和用戶界面906，所有上述部件均連接至總線901。處理器902可通過總線901與體系結構的其它部件進行通信。存儲設備904包括一個或多個機器可讀介質。存儲設備904可被設置成讀/寫包括程序指令的數(shù)據(jù)，所述程序指令可由處理器902和允許處理器902控制其它部件的工作的操作系統(tǒng)(例如，Microsoft Windows,UNIX)執(zhí)行。通信設備905可被設置成允許處理器902與例如網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)通信。 用戶界面906可包括輸入設備(例如，鍵盤、鼠標、操縱桿、觸控板、手寫輸入板、麥克風和攝像頭)和輸出設備(例如，視頻顯示器、打印機、揚聲器)。用戶界面906至少部分可包括本文所討論的界面或顯示器中的任意一種。處理器902可被設置成執(zhí)行本文所述的程序中的任意一種。例如，可以通過機器可讀程序指令的形式將程序儲存在存儲設備上。隨后為了執(zhí)行程序，處理器將存在存儲設備904上的適當指令加載入存儲器903，并隨后執(zhí)行加載的指令。另外，本文所述的一些示例方面提供了根據(jù)解剖結構的掃描生成三維血管分割的血管分割程序。本文所述的其它示例方面提供了允許評估患者的血管和膽管系統(tǒng)的配準程序。通過這些程序，可以作出改進的患者解剖結構的術前評估。在上文的描述中，參照特定的示例性實施例描述了本發(fā)明的示例方面。說明書和附圖因此被視為是說明性的而非限制性的。不過，顯而易見，可以通過計算機程序產(chǎn)品或軟件、硬件、或其任意組合對其進行不同的修改和改變，而不偏離本發(fā)明的更寬泛的精神和范圍。本文所述的示例方面的軟件實施例可被設置為計算機程序產(chǎn)品或軟件，所述產(chǎn)品或軟件可包括在機器可訪問或機器可讀介質(存儲器)上具有指令的制造品。機器可訪問或機器可讀介質上的指令可用于為計算機系統(tǒng)或其它電子設備進行編程。機器可讀介質可包括但不限于軟盤、光盤、CD-ROM、和磁光盤或適于儲存或傳送電子指令的其它類型的介質 /機器可讀介質。本文所述的技術并不限于任何具體的軟件配置?？砂l(fā)現(xiàn)它們可應用于任何計算或處理環(huán)境。本文所用的術語“機器可讀介質”或“存儲器”應當包括能夠儲存、編碼或傳輸由機器執(zhí)行并且使機器執(zhí)行本文所述方法中任意一個的指令序列的任何介質。此外，在本領域中將一種形式或另一形式(例如，計算機程序、程序、進程、應用、模塊、單元、 邏輯等等)的軟件說成采取行動或產(chǎn)生結果是常見的。所述表達僅是表明由處理系統(tǒng)執(zhí)行軟件使得處理器執(zhí)行動作以產(chǎn)生結果的一種縮寫方式。在其它實施例中，軟件執(zhí)行的功能可替換地可由硬編碼模塊執(zhí)行，因此本發(fā)明不僅限于使用存儲的軟件程序。此外，應當理解突出本發(fā)明的功能性和優(yōu)勢的所附的附圖僅用于示例目的。本發(fā)明的示例方面的體系結構是足夠靈活和可設置的，以便它可通過附圖所示之外的方式進行利用(和操縱)。此外，不需要通過計算機進行由分析者執(zhí)行的程序，而是可由人工操作者進行。盡管在某些特定實施例中已描述了本發(fā)明的示例方面，但很多其它的改動和變化對于本領域技術人員來說是顯而易見的。因此應當理解，本發(fā)明可通過具體所述之外的方式進行實施。因此，再次重申本發(fā)明的示例性實施例在所有方面都應當被視為是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種用于在三維醫(yī)學影像上進行影像分割的方法，包括 產(chǎn)生包括解剖結構的三維影像的投影；在所述投影上描繪對應于所述解剖結構的至少一條曲線； 根據(jù)所述至少一條曲線和投影提取曲面三維感興趣區(qū)域；和在所述曲面三維感興趣區(qū)域提取解剖結構的分割。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中提取所述分割包括 對所述感興趣區(qū)域應用一算法；為所述算法的輸出選擇一閾值； 對所述算法的輸出進行分割；和根據(jù)所述曲線的方向對所述輸出進行插值以連接斷開的分段。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述算法是線狀濾波算法，并且其中對所述算法的輸出進行分割包括基于所述感興趣區(qū)域中的至少一個體素的適應性區(qū)域生長。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述解剖結構包括膽管系統(tǒng)、肝血管系統(tǒng)和肝動脈系統(tǒng)中的一個的至少一部分。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述投影是最大密度投影和最小密度投影中的一個。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，還包括在投影上進行描繪之前調(diào)節(jié)所述投影的層塊厚度。
7.一種用于影像分割的系統(tǒng)，包括投影生成模塊，所述投影生成模塊被設置成產(chǎn)生包括解剖結構的三維影像的投影； 描繪模塊，所述描繪模塊被設置成在所述投影上描繪對應于所述解剖結構的至少一條曲線；提取模塊，所述提取模塊被設置成根據(jù)所述至少一條曲線和投影提取曲線的三維感興趣區(qū)域，并且在所述曲線的三維感興趣區(qū)域中提取所述解剖結構的分割。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述提取模塊還被設置成對所述三維感興趣區(qū)域應用一算法，為所述算法的輸出選擇一閾值，對所述算法的輸出進行分割，和根據(jù)所述曲線的定向對所述輸出進行插值以連接斷開的分段。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述算法是線狀濾波算法，并且其中當對所述算法的輸出進行分割時，所述提取模塊基于在所述三維感興趣區(qū)域中的至少一個體素應用適應性區(qū)域生長。
10.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述解剖結構包括膽管系統(tǒng)、肝血管系統(tǒng)和肝動脈系統(tǒng)中的一個的至少一部分。
11.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，還包括連接至分析模塊的數(shù)據(jù)庫，其中所述投影生成模塊從所述數(shù)據(jù)庫接收三維影像，并且其中所述投影是最大密度投影和最小密度投影中的一個。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，還包括被設置成調(diào)節(jié)所述投影的層塊厚度的調(diào)節(jié)模塊。
13.一種用于在影像中使解剖結構配準的方法，包括 在第一影像中確定膽管系統(tǒng)的一部分；在第二影像中確定肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分； 在所述第一和第二影像中確定膽囊；根據(jù)與所述膽管系統(tǒng)及所述肝門靜脈和肝動脈中的一個相關的至少一個預定的空間關系確定代價函數(shù)；和通過使所述代價函數(shù)最大化使所述膽管系統(tǒng)及所述肝門靜脈和肝動脈中的一個配準， 其中所述至少一個預定的空間關系包括膽管系統(tǒng)的所述一部分相對于所述肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分的定向。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中使所述代價函數(shù)最大化包括使兩個影像中膽囊的特征的一致性最大化，使所述膽管系統(tǒng)及肝門靜脈和肝動脈中的一個之間的交疊最小化，和使所述膽管系統(tǒng)及肝門靜脈和肝動脈中的一個之間的表面距離最小化。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述膽囊的特征包括膽囊的尺寸、形狀、定向和質心中的一個。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述第一影像由在電腦斷層造影(CT)膽管造影掃描和磁共振(MR)胰膽管造影掃描中的一種中獲得的數(shù)據(jù)而生成，并且其中所述第二影像由在CT掃描和MR掃描中的一種中獲得的數(shù)據(jù)而生成。
17.一種用于使解剖結構配準的系統(tǒng)，包括分析模塊，所述分析模塊被設置成 在第一影像中確定膽管系統(tǒng)的一部分；在第二影像中確定肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分； 在所述第一和第二影像中確定膽囊；根據(jù)與所述膽管系統(tǒng)及所述肝門靜脈和肝動脈中的一個相關的至少一個預定的空間關系確定代價函數(shù)；和通過使所述代價函數(shù)最大化使所述膽管系統(tǒng)及所述肝門靜脈和肝動脈中的一個配準， 其中所述至少一個預定的空間關系包括所述膽管系統(tǒng)的一部分相對于所述肝門靜脈和肝動脈中的一個的一部分的定向。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中使所述代價函數(shù)最大化包括使兩個影像中膽囊的特征的一致性最大化，使膽管系統(tǒng)及肝門靜脈和肝動脈中的一個之間的交疊最小化，和使膽管系統(tǒng)及肝門靜脈和肝動脈中的一個之間的表面距離最小化。
19.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述膽囊的特征包括膽囊的尺寸、形狀、定向和質心中的一個。
20.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述第一影像由在電腦斷層造影(CT)膽管造影掃描和磁共振(MR)胰膽管造影掃描中的一種中獲得的數(shù)據(jù)而生成，并且其中所述第二影像由在CT掃描和MR掃描中的一種中獲得的數(shù)據(jù)而生成。
21.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，還包括連接至所述分析模塊的數(shù)據(jù)庫，其中所述分析模塊從所述數(shù)據(jù)庫接收所述第一和第二影像。
22.一種用于評估患者肝臟的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫被設置成儲存肝內(nèi)解剖結構的至少一個最大密度投影(MIP)影像；和分割模塊，所述分割模塊被設置成從所述數(shù)據(jù)庫接收至少一個MIP影像，在所述至少一個MIP影像上產(chǎn)生曲線，和根據(jù)所述曲線對肝內(nèi)解剖結構進行分割。
23.根據(jù)權利要求22所述的系統(tǒng)，還包括配準模塊，所述配準模塊被設置成 從所述分割模塊接收肝內(nèi)解剖結構的分割， 從所述數(shù)據(jù)庫接收第一和第二影像， 確定肝內(nèi)解剖結構在所述第一影像上的位置， 確定另一肝內(nèi)解剖結構在所述第二影像上的位置，和使所述第一和第二影像配準。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種在三維醫(yī)學影像上進行影像分割的程序，以及根據(jù)所述程序工作的系統(tǒng)、裝置和計算機程序。所述程序包括產(chǎn)生包括解剖結構的投影，描繪對應于所述解剖結構的曲線，基于所述曲線和投影提取曲面三維感興趣區(qū)域，和提取所述解剖結構的分割。本發(fā)明還提供了一種用于配準影像中解剖結構的程序，以及根據(jù)所述程序工作的系統(tǒng)、裝置和計算機程序。所述程序包括在第一影像中確定膽管系統(tǒng)的一部分，在第二影像中確定肝門靜脈或肝動脈的一部分，在所述影像中確定膽囊，確定代價函數(shù)，和通過使所述代價函數(shù)最大化配準所述膽管系統(tǒng)和所述肝門靜脈或肝動脈。
文檔編號G06K9/34GK102422307SQ201080020205
公開日2012年4月18日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2009年5月8日
發(fā)明者曾小蘭, 楊長波, 梁正中, 范黎, 錢建中, 馬峰, 魏國慶 申請人:美國醫(yī)軟科技公司