鈣化血管的分割的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在圖像數(shù)據(jù)中分割鈣化的血管的方法。該方法包括步驟：提供該血管的血管樹(shù)表示，提供該血管的多個(gè)橫截面的多個(gè)初步邊界表示，提供在所述多個(gè)橫截面中的圖像數(shù)據(jù)中的多個(gè)強(qiáng)度一概圖，基于強(qiáng)度一概圖確定橫截面中的鈣化，將每個(gè)初步邊界表示校正為校正的邊界表示，其排除了來(lái)自于血管內(nèi)部的鈣化。本發(fā)明還涉及一種用于該目的的分割系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鈣化血管的分割

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于分割圖像數(shù)據(jù)中的鈣化血管的方法。本發(fā)明還涉及一種用于 該目的的分割系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)稱，冠狀動(dòng)脈疾?。–AD)是導(dǎo)致西方世界死亡的主要原因。對(duì)于 CAD的當(dāng)前診斷標(biāo)準(zhǔn)是通常的介入血管造影（ICA),其涉及相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)和成本。新型心臟 計(jì)算機(jī)斷層成像（CT)掃描儀使得能夠采集具有前所未有的質(zhì)量的冠狀動(dòng)脈CT血管造影 (CCTA)。在CCTA中可以以高的靈敏度探測(cè)到冠狀動(dòng)脈狹窄，這允許該方法被用作為諸如 ICA的介入診斷和外科過(guò)程的守衛(wèi)。
[0003] 用于在CCTA中自動(dòng)探測(cè)冠狀動(dòng)脈狹窄的方法已經(jīng)被提出用于臨床試驗(yàn)。近年來(lái)， CCTA也已經(jīng)被提出用于仿真沿著冠狀動(dòng)脈狹窄的壓力分布和用于計(jì)算所謂的冠脈血流儲(chǔ) 備分?jǐn)?shù)（FFR)，其表示了局部缺血導(dǎo)致的損害。冠狀動(dòng)脈狹窄的自動(dòng)探測(cè)以及其血液動(dòng)力學(xué) 相關(guān)度的仿真（即冠狀動(dòng)脈內(nèi)的壓力下降的基于仿真的探測(cè)）取決于在提供的圖像數(shù)據(jù)中 的冠狀動(dòng)脈腔的精確分割。這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)楣跔顒?dòng)脈比較小（在其遠(yuǎn)端 部分中僅延伸至在圖像數(shù)據(jù)中的一些體素）而CCTA圖像體積的質(zhì)量又是變化的（特別地 與噪聲、偽影、對(duì)比度均勻性等有關(guān)）。精確的分割是更復(fù)雜的，因?yàn)槊}管腔的對(duì)比度僅稍微 地高于未鈣化斑塊的對(duì)比度和低于鈣化斑塊的對(duì)比度。因此，未鈣化斑塊在視覺(jué)上看起來(lái) 與脈管的背景非常相似，特別是在對(duì)比度增強(qiáng)的圖像采集過(guò)程中。另一方面，鈣化斑塊在這 樣的對(duì)比度增強(qiáng)的圖像采集過(guò)程中看起來(lái)是脈管腔的部分，因?yàn)樗鼈冊(cè)趫D像數(shù)據(jù)中顯示了 與造影劑大約相同的外觀。因此，在鈣化斑塊和血液能夠流通的血管腔之間的區(qū)分是很難 作出的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 由此本發(fā)明的目的是提供一種提高的可能性，用于在圖像數(shù)據(jù)中分割鈣化的血 管。
[0005] 該目的通過(guò)按照本發(fā)明的方法和按照本發(fā)明的分割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0006] 按照本發(fā)明，上面提到的方法包括步驟：
[0007] -提供血管的血管樹(shù)表示。
[0008] 這樣的血管樹(shù)表示例如可以包括血管（樹(shù)）的多個(gè)走向線，諸如中線等。
[0009] -提供血管的多個(gè)橫截面的多個(gè)初步邊界表示。這樣的初步邊界表示例如可以包 括橫截面的邊界圖。
[0010] -提供在多個(gè)橫截面中在圖像數(shù)據(jù)中的多個(gè)強(qiáng)度一概圖（intensity profile)。強(qiáng) 度一概圖表示了橫截面中圖像數(shù)據(jù)的強(qiáng)度并且由此取決于用于圖像數(shù)據(jù)采集的采集方法。 例如，在CT中，強(qiáng)度一概圖基于（即對(duì)應(yīng)于）圖像數(shù)據(jù)中的豪恩斯菲爾德單位值。
[0011] -基于強(qiáng)度一概圖確定橫截面中的鈣化。強(qiáng)度一概圖現(xiàn)在被用于探測(cè)鈣化，例如鈣 化斑塊。
[0012] -將每個(gè)初步邊界表示校正為校正的邊界表示，其排除了來(lái)自于血管內(nèi)部的鈣化。
[0013] 在該上下文中，可以注意到，圖像數(shù)據(jù)可以是虛擬的任何醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，特別是斷 層成像圖像數(shù)據(jù)。它們可以包括二維和/或三維和/或四維圖像數(shù)據(jù)（在此其一個(gè)維度可 以是時(shí)間的維度，其提示了圖像數(shù)據(jù)包括隨時(shí)間移動(dòng)的圖像）。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，上面提到的分割系統(tǒng)包括以下單元：
[0015] -用于圖像數(shù)據(jù)的輸入接口。經(jīng)由該接口將圖像數(shù)據(jù)饋入到分割系統(tǒng)，例如從 PACS或從成像設(shè)備。
[0016] _第一供應(yīng)（p：rovision)單元，實(shí)現(xiàn)為用于提供血管的血管樹(shù)表示。這樣的供應(yīng) 單元可以實(shí)現(xiàn)為從圖像數(shù)據(jù)中導(dǎo)出血管樹(shù)表示的計(jì)算單元，但是也可以僅僅包括輸入接 口-其也可以與第一輸入接口組合，例如作為一個(gè)公用的接口。
[0017] -第二供應(yīng)單元（也是輸入接口），其實(shí)現(xiàn)為用于提供血管的多個(gè)橫截面的多個(gè)初 步邊界表示。該第二供應(yīng)單元可以與第一供應(yīng)單元組合或單獨(dú)存在。同樣，其可以實(shí)現(xiàn)為 從圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出初步邊界表示的計(jì)算單元或其可以包括輸入接口，該輸入接口又可以與任 意上述其他輸入接口以相應(yīng)方式自由組合。
[0018] -第三供應(yīng)單元，其實(shí)現(xiàn)為用于提供在多個(gè)橫截面中在圖像數(shù)據(jù)中的多個(gè)強(qiáng)度一 概圖。該第三供應(yīng)單元優(yōu)選實(shí)現(xiàn)為基于圖像數(shù)據(jù)提供強(qiáng)度一概圖的計(jì)算單元。
[0019] -確定單元，其在操作中基于強(qiáng)度一概圖確定橫截面中的鈣化。該確定單元又優(yōu)選 實(shí)現(xiàn)為基于強(qiáng)度一概圖確定鈣化的計(jì)算單元。
[0020] -校正單元，其在操作中將每個(gè)初步邊界表示校正為校正的邊界表示，其排除了來(lái) 自于血管的內(nèi)部的鈣化。
[0021] 此外，本發(fā)明還涉及一種具有采集單元和按照本發(fā)明的分割系統(tǒng)的成像設(shè)備。
[0022] 按照本發(fā)明的分割系統(tǒng)，特別是其第一和/或第二和/或第三供應(yīng)單元、確定單 元、和校正單元（以及以下提到的分割系統(tǒng)的其他組件）可以部分地或全部地通過(guò)硬件組 件實(shí)現(xiàn)，例如使用半導(dǎo)體芯片，諸如ASIC(專(zhuān)用集成電路）、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)控陣列）， 或PLA(可編程邏輯陣列）。然而它們也可以由軟件組件或硬件和軟件組件的組合來(lái)組成。 因此，本發(fā)明也涉及一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以直接加載到可編程分割系 統(tǒng)的處理器中，包括當(dāng)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在分割系統(tǒng)上被執(zhí)行時(shí)用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法 的所有步驟的程序代碼資源。
[0023] 本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式和特征通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求如在以下說(shuō)明書(shū)中解釋 地那樣給出。不同的權(quán)利要求類(lèi)別的特征可以被組合為適合于給出在此沒(méi)有描述的其他實(shí) 施方式。
[0024]按照一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述多個(gè)強(qiáng)度一概圖在多個(gè)橫截面中、沿著從在每個(gè)橫 截面中位于血管內(nèi)部的一個(gè)種子點(diǎn)出發(fā)向著和可能超出初步邊界表示的多個(gè)一概圖射線 被確定。
[0025]也優(yōu)選的是，鈣化在其強(qiáng)度高于預(yù)定的閾值水平的區(qū)域中被確定。由此，優(yōu)選地， 圖像數(shù)據(jù)是基于X射線采集（例如像在CT情況下那樣）的并且閾值水平高于576HU，也就 是鈣化的典型UV水平。
[0026] 更優(yōu)選的是，將來(lái)自于鈣化確定的結(jié)果與初步邊界表示的延伸進(jìn)行比較，以驗(yàn)證 該結(jié)果。這提供分割結(jié)果的更高精度并且構(gòu)建了一種結(jié)果的交叉檢驗(yàn)。
[0027] 優(yōu)選地，如上所述，血管樹(shù)表示包括走向線，特別是血管的中線。由此更優(yōu)選地是， 中線至少一次，優(yōu)選在校正初步邊界表示之后至少一次被再中心化。這有助于提高在迭代 處理中中線的精度。
[0028] 此外，優(yōu)選的是，圖像數(shù)據(jù)被變形（warped)，從而血管樹(shù)表示沿著直線被對(duì)齊并且 所述多個(gè)初步的和/或校正的邊界表示互相平行地對(duì)齊。這使得處理的其他步驟更容易處 理并且降低計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。
[0029] 優(yōu)選地，初步邊界表示的數(shù)量通過(guò)相應(yīng)的橫截面中的候選點(diǎn)的導(dǎo)出似然性值來(lái)產(chǎn) 生。這隱含了，初步邊界表示并不固定地代表血管的邊界而是包括對(duì)于按照概率來(lái)說(shuō)血管 邊界位于何處的似然性指示。因此，似然性值優(yōu)選通過(guò)使用諸如概率推進(jìn)樹(shù)或隨機(jī)森林算 法等訓(xùn)練過(guò)的分類(lèi)器算法來(lái)得到。
[0030] 一般地，按照本發(fā)明的方法可以是分割步驟的任何較大數(shù)學(xué)框架的部分。然而優(yōu) 選的是，其被包括在特別優(yōu)選的較大分割方法中，該方法包括步驟：
[0031] a)提供鈣化的血管的圖像表示，
[0032] b)提供初始表面模型，其包括具有通過(guò)邊、特別是無(wú)向邊連接的多個(gè)頂點(diǎn)的網(wǎng)格，
[0033] c)對(duì)于多個(gè)頂點(diǎn)的每個(gè)頂點(diǎn)定義在（相對(duì)應(yīng)的）頂點(diǎn)的位置處與表面模型正交的 一條射線。
[0034] d)將多于兩個(gè)（例如五個(gè)）標(biāo)簽分配給每個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)簽表示該頂點(diǎn)在射線上 的候選位置。
[0035] e)基于在校正的邊界表示中，提供對(duì)于每個(gè)候選位置的似然性的表示，該似然性 是指候選位置是否與器官的、即在圖像表示中的血管的表面點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。
[0036] f)定義具有離散的多元隨機(jī)變量的一階馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)，所述隨機(jī)變量包括候選 位置的標(biāo)簽和似然性的表示。
[0037] g)通過(guò)使用在該馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)中的最大后驗(yàn)估計(jì)來(lái)找到，S卩，搜索和/或識(shí)別 血管的最優(yōu)分割（諸如分割模型和/或網(wǎng)格）。因此，最優(yōu)的分割的特征在于如下事實(shí)，即， 分割顯示了分割模型表示血管腔的真實(shí)表面的最優(yōu)似然性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038] 本發(fā)明的其他目的和特征從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將變得明顯。但是應(yīng)當(dāng)理 解，附圖僅為了解釋的目的而設(shè)計(jì)并且不是對(duì)本發(fā)明的限制。它們也沒(méi)有必要按比例畫(huà)出。 [0039] 圖1示出了按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式的分割過(guò)程的示意性框圖，
[0040] 圖2示出了在按照?qǐng)D1的處理步驟對(duì)走向線的校正過(guò)程中，血管結(jié)構(gòu)的剖面圖及 其該走向線，
[0041] 圖3示意性示出了圖1的處理的變形步驟的不同步驟，
[0042] 圖4示出了可以在圖1的處理的上下文中被使用的管狀坐標(biāo)系，
[0043] 圖5示出了圖4的坐標(biāo)系內(nèi)部的層的示意性表示，
[0044] 圖6示出了在圖1的處理的上下文中邊界圖的結(jié)構(gòu)的示意圖，
[0045] 圖7示出了在圖1的處理的上下文中特征提取處理的示意表示，
[0046]圖8示出了能夠在圖1的處理的上下文中被使用的、具有注解（ann〇tat ed)的邊 界圖的血管的橫截面的兩個(gè)圖像，
[0047]圖9示出了具有相對(duì)應(yīng)的第一曲線的血管的橫截面圖像，該第一曲線在圖1的處 理的上下文中用于探測(cè)鈣化斑塊，
[0048]圖1〇示出了具有相對(duì)應(yīng)的第二曲線的血管的相同的橫截面圖像，該第二曲線在 圖1的處理的上下文中用于探測(cè)鈣化斑塊，
[0049]圖11示出了用于在圖1的處理的上下文中使用的血管的MRF表示，
[0050]圖12示出了凸函數(shù)的三個(gè)結(jié)果曲線，所述函數(shù)能夠在圖1的處理的上下文中被替 換地使用，
[0051]圖13示出了用于在圖1的處理的上下文中的最大流分析的構(gòu)建的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0052] 在該整個(gè)框架中鈣排除步驟也可以基于與在該例子中描述的不同的技術(shù)。特別 地，最后的步驟-也就是最終分割步驟_可以按照完全不同的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0053]在此示出的腔分割框架在多個(gè)階段中執(zhí)行，其以類(lèi)似于管線的方式產(chǎn)生腔表面的 網(wǎng)格表示。圖1給出了框架的概覽并且顯示主要控制和數(shù)據(jù)流。
[0054] 分割Z在開(kāi)始點(diǎn)Y開(kāi)始并且具有第一步驟X，其中體積數(shù)據(jù)id, S卩，圖像數(shù)據(jù)ID和 (例如前面跟蹤的）血管樹(shù)VT作為輸入，而分割的冠狀動(dòng)脈-按照網(wǎng)格表示，g卩，包括了網(wǎng) 格分割數(shù)據(jù)MSD的網(wǎng)格分割-在結(jié)束點(diǎn)S處形成該框架的輸出。
[0055] 首先，算法的輸入數(shù)據(jù)ID、VT、CVT在第一-可選的-血管樹(shù)（特別是中線）校正 步驟X (其產(chǎn)生校正的血管樹(shù)CVT)中和在從中得到變形的體積數(shù)據(jù)WID的體積變形步驟W 中被預(yù)處理。然后，潛在的腔壁邊界在邊界探測(cè)步驟V中沿著圓柱形坐標(biāo)被探測(cè)并且存儲(chǔ) 在邊界圖BM中。為了從分割中排除鈣化的區(qū)域，在步驟U中對(duì)于鈣的存在分析該圖和如果 需要的話修改其-這產(chǎn)生修改的邊界圖MBM。
[0056] 最后，在步驟T中，通過(guò)將邊界圖作為優(yōu)化問(wèn)題嵌入到具有凸對(duì)勢(shì)的多元馬爾科 夫隨機(jī)場(chǎng)中并且然后通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)最大流/最小割算法來(lái)求解其而找到最終分割。由此， 術(shù)語(yǔ)體積（圖像-圖像數(shù)據(jù)）與體積數(shù)據(jù)可互換地被使用。
[0057] 步驟X:血管樹(shù)校正
[0058] 血管樹(shù)的校正一般地涉及其走向線、更具體地是其中線的校正，其參考圖2示出：
[0059] 腔分割質(zhì)量高度地取決于血管1的提取的血管樹(shù)走向線、在此是中線3 (左邊）的 精度。這樣的中線3可以通過(guò)使用任何可用的走向線（中線）產(chǎn)生算法來(lái)計(jì)算，有大量這 樣的算法可用。
[0060] 該例子的全面分割算法缺省地包括在最終腔分割結(jié)果中的中線點(diǎn)。這歸因于對(duì)中 線點(diǎn)的徑向距離處的潛在的邊界位置進(jìn)行采樣的光線投射方法（比較以下）。在理想情況 下，所提取的血管樹(shù)將總是沿著在腔的中心處的點(diǎn)行進(jìn)?？墒窃趯?shí)踐中冠狀動(dòng)脈的提取的 血管樹(shù)可能缺乏精確性并且錯(cuò)誤分支，特別是在具有斑 5和嚴(yán)重閉塞的區(qū)域。此外，在分叉 7處可能的是，中線3遵循捷徑而不是實(shí)際的腔位置（比較圖2左邊）。再定位組成血管樹(shù) 的點(diǎn)（比較圖2右邊）可以確保，校正的中線3'總是與腔壁間隔開(kāi)地延伸，即使出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p 傷。中線校正X可以利用由 Zheng等：Model-Given Centerline Extraction for Severely Occluded Major Coronary Arteries. In:Machine Learning in Medical Imaging. 2012. pp.l0tol8.提供的方法來(lái)執(zhí)行。在該參考文獻(xiàn)中的算法也提供對(duì)腔強(qiáng)度分布（或腔似然 性）的估計(jì)。這允許對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的任何圖像體素從其強(qiáng)度映射到處于血管腔內(nèi)部的似然 性。
[0061]作為血管樹(shù)校正步驟X的結(jié)果，校正的中線3'（至少粗略地-即近似地）通過(guò)血 管1的腔中心延伸并且避免碰到鈣化斑塊3。
[0062] 步驟W:體積變形
[0063]步驟W參考圖3來(lái)解釋。在此，產(chǎn)生體積輸入圖像數(shù)據(jù)ID的變形的和再采樣的版 本。
[0064]由于血管1的腔邊界需要精確地在圖像數(shù)據(jù)id的體積的、提取的中線3、3,在那 里延伸的部分被確定，特別關(guān)注那些區(qū)域。這些區(qū)域通過(guò)中線片段來(lái)確定，所述中線片段通 過(guò)在分叉點(diǎn)處分裂（可選地校正的）中線3、3'而產(chǎn)生。
[0065]為了獲得均勻的層距離和為了由此避免圖像失真，中線3首先被再采樣為一定的 分辨率（例如〇. Inm)的再采樣中線3' '，例如通過(guò)使用雙三次樣條插值。
[0066]然后對(duì)于再采樣中線3''的每個(gè)點(diǎn)，體積數(shù)據(jù)的正交橫截面9(層9)通過(guò)利用在 那個(gè)點(diǎn)上居中的平面來(lái)切割它們而被提取并且與再采樣中線3'的中線方向垂直地延伸。 這意味著，對(duì)于再采樣中線的每個(gè)中線點(diǎn)，與再采樣中線3' '正交的圖像層9利用在體素之 間的位置處的雙線性插值被插值。
[0067] 這些層9通過(guò)一個(gè)在另一個(gè)頂上平行堆疊而被存儲(chǔ)在體積中，其產(chǎn)生變形的體積 數(shù)據(jù)WID或變形的圖像數(shù)據(jù)WID。每個(gè)層的尺寸優(yōu)選被調(diào)整為提取的結(jié)構(gòu)的最大預(yù)計(jì)的尺 寸，即，其應(yīng)當(dāng)至少覆蓋足夠大以顯示穿過(guò)血管1的、具有血管1的最大直徑的橫截面η的 面積。由于冠狀動(dòng)脈的直徑不超過(guò)大約10mm的尺寸，所以感興趣平面在該情況下可以安全 地被限制到15mm乘15mm的尺寸。如果分割其他血管，則可以相應(yīng)地應(yīng)用更大的尺寸。 [0068]作為變形步驟W的結(jié)果，（再采樣）中線3''是在變形的圖像空間中的直線并且 穿過(guò)變形的體積數(shù)據(jù)WID的每個(gè)層的中心延伸。該變換（變形）步驟W的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，腔 分割現(xiàn)在可以在特別地適合于諸如血管等的管狀結(jié)構(gòu)的圓柱形坐標(biāo)系中被執(zhí)行。
[0069] 步驟V :邊界探測(cè)
[0070] 邊界探測(cè)步驟的目的是確定在變形的體積中在每個(gè)層處將血管腔內(nèi)部與其壁分 離的（初步）邊界。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，首先需要找到在潛在的邊界位置處的候選并且評(píng)估 其合適性。換言之，邊界點(diǎn)候選被產(chǎn)生并且被分配一個(gè)似然性值。
[0071] 有利的是，在極坐標(biāo)、分別是圓柱形坐標(biāo)系中而不是使用笛卡爾坐標(biāo)系搜索腔壁， 因?yàn)榍惠喞奶綔y(cè)被降低到沿著一維射線搜索的數(shù)量。這樣的圓柱形坐標(biāo)系在圖4中畫(huà) 出。在此，層9的高度在變形的體積中通過(guò)坐標(biāo)z表示，而角度k和徑向距離r確定了在極 坐標(biāo)中橫截面（即層9)中的點(diǎn)。
[0072] 以下過(guò)程也公知為光線投射方法：將層的中心-是腔中心-考慮為一個(gè)極，圍繞腔 中心的密集的徑向采樣通過(guò)使用小的參數(shù)空間而變得可行。圖6示出了對(duì)于變形的體積的 層的等距選擇z e [1，Z]而產(chǎn)生的邊界候選點(diǎn)，例如對(duì)于每個(gè)層或?qū)τ诿康谖鍌€(gè)層（取決 于期望的精度）。在每個(gè)這樣的層中產(chǎn)生沿著K個(gè)射線的R個(gè)點(diǎn)（在此 5個(gè)點(diǎn)）。每個(gè)點(diǎn) 由此通過(guò)層、角度k和沿著其射線的位置1至5被定義。
[0073] 每個(gè)這樣產(chǎn)生的候選邊界點(diǎn)然后對(duì)于其位于血管的腔邊界上的似然性而被評(píng)估。 對(duì)于該目的，可以應(yīng)用很好建立的各種模型和方法，諸如加權(quán)的強(qiáng)度差方法、梯度大小方法 或概率確定方法，其基于前面之前訓(xùn)練的分類(lèi)器算法，諸如隨機(jī)森林或概率推進(jìn)樹(shù)算法。預(yù) 計(jì)它們?cè)诮咏贿吔绲奈恢锰幃a(chǎn)生更高的似然性分值?？梢灶A(yù)計(jì)，邊界值似然性作為在0 和1之間的標(biāo)量來(lái)表達(dá)。為了方便，候選邊界點(diǎn)的獲得的似然性值可以被存儲(chǔ)在維度為K X Z X R的體積l(k，z，r)中，即邊界圖B，如圖6所示。
[0074] 邊界圖中的每個(gè)元素應(yīng)當(dāng)是非負(fù)的值，其在接近真實(shí)的腔壁的位置處產(chǎn)生僅高的 值。在此可以利用如下事實(shí)，即，在腔內(nèi)部的組織具有比在壁外部的更高的強(qiáng)度（例如HU) 值。這意味著，例如，在沿著射線的連續(xù)位置處被計(jì)算的大的正的前向差可以被用來(lái)表示邊 界?，F(xiàn)在存在大量可能性性來(lái)將其合并到算法中。最顯著的方法中的兩個(gè)方法是，或者精 確地進(jìn)行求導(dǎo)以獲得腔邊界分值，或者隱含地使用它們，更精確地，使得不同的導(dǎo)數(shù)特征通 過(guò)在機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的分類(lèi)器來(lái)評(píng)估以產(chǎn)生所尋求的概率。
[0075] 相對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)背景的邊界探測(cè)通常表達(dá)為二進(jìn)制分類(lèi)問(wèn)題。由此所需的是一些 基本事實(shí)注解，例如來(lái)自于在訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的先前的手動(dòng)分割：訓(xùn)練的分類(lèi)器被用 于在給定特征樣本的情況下預(yù)測(cè)腔壁在每個(gè)位置處出現(xiàn)的概率。為了訓(xùn)練分類(lèi)器，必須使 得一組正確分類(lèi)的觀察對(duì)于分類(lèi)器可用，使得其能夠從觀察中學(xué)習(xí)區(qū)別特性（特征）。這也 稱為監(jiān)督的學(xué)習(xí)。這意味著，需要提供兩組特征數(shù)據(jù)，一組在真實(shí)的腔壁處被評(píng)估（正的） 并且另一組在與邊界遠(yuǎn)離處被計(jì)算（負(fù)的）。在訓(xùn)練步驟之后，分類(lèi)器可以被用于對(duì)于任何 未知的特征樣本預(yù)測(cè)邊界概率并且由此能夠被用于在邊界似然性評(píng)估的在此描述的上下 文中的評(píng)估。
[0076] 對(duì)于在位置（k，Z，r)處的每個(gè)候選邊界點(diǎn)，分類(lèi)器預(yù)測(cè)，其是否（即以何種似然性 或概率）是血管1的腔邊界的部分。其預(yù)測(cè)是基于從考慮的邊界候選點(diǎn)的局部鄰居提取的 圖像數(shù)據(jù)ID的低水平圖像特征F(k，z，r)的，其更詳細(xì)地參考圖7被描述：
[0077] 對(duì)于每個(gè)候選邊界點(diǎn)CBP，圖像特征采樣樣式SP基于點(diǎn)的CBP局部方向被定義， 所述CBP局部方向通過(guò)將在相對(duì)應(yīng)的層9中的血管的中點(diǎn)CP和潛在的（候選的）邊界點(diǎn) CBP相連的線L來(lái)確定。在每個(gè)采樣位置，然后計(jì)算低水平圖像特征，諸如強(qiáng)度和梯度。二 進(jìn)制分類(lèi)器然后使用這些特征、基于手動(dòng)分割的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的代表性的組而被訓(xùn)練，以確定 候選邊界點(diǎn)CBP位于血管的邊界上的似然性/概率?？梢允褂萌魏味M(jìn)制分類(lèi)器，諸如上 面提到的概率推進(jìn)樹(shù)或隨機(jī)森林分類(lèi)器，其在測(cè)試中都提供相似的高精度的結(jié)果。
[0078] 在訓(xùn)練中，對(duì)于每個(gè)方向，在射線和基本事實(shí)注解11之間的交叉點(diǎn)15被考慮為正 的并且在射線上的余下點(diǎn)13被考慮為負(fù)的，如圖8(左邊）所示。圖8(右邊）示出了基于 分類(lèi)器算法、使用來(lái)自于左邊以概率圖輸出的形式的基本事實(shí)的邊界探測(cè)處理的結(jié)果。
[0079] 步驟U:鈣排除
[0080] 對(duì)于可靠的腔分割，正確處理鈣化斑塊是強(qiáng)制的，特別是當(dāng)邊界探測(cè)在最寬的意 義上基于圖像梯度時(shí)。由于如下事實(shí)，即，在CT圖像中的鈣的特征在于高的強(qiáng)度值，因此， 通常類(lèi)似于在腔內(nèi)部捕捉的強(qiáng)度，其通常錯(cuò)誤地被分類(lèi)為腔組織并且邊界在斑塊和血管背 景而不是腔和斑塊之間被探測(cè)。然而，在冠狀動(dòng)脈中的鈣化區(qū)域提示威脅生命的狹窄并且 從定義來(lái)說(shuō)并不是血管流過(guò)的腔的部分并且因此，必須從分割結(jié)果中被排除。為此目的，邊 界要在（鈣化）斑塊和血管腔之間而不是在（鈣化）斑塊和血管背景之間被探測(cè)。
[0081] 為了理解，為什么鈣化斑塊被錯(cuò)誤地包括在分割中，發(fā)明人針對(duì)異常對(duì)強(qiáng)度的徑 向一概圖、腔概率和邊界概率值進(jìn)行了分析。它們的一概圖展示了當(dāng)相對(duì)應(yīng)的射線通過(guò)鈣 化區(qū)域而不是健康區(qū)域時(shí)的一定的樣式。
[0082] 圖9和10示出血管的相同橫截面視圖的頂部。在圖9中射線17穿過(guò)示出的血管 的健康部分，而在圖10中射線17'在不同的方向在相同的血管內(nèi)部穿過(guò)鈣化斑塊，所述鈣 化斑塊可以通過(guò)在斑塊區(qū)域中的圖像的亮度來(lái)區(qū)分。在兩個(gè)圖的底部的圖上，對(duì)于圖像強(qiáng) 度JJ的一概圖，腔似然性LL (比較步驟X)和邊界似然性（比較步驟V)已經(jīng)對(duì)于一層和在 給定的角度下的特定的射線、諸如在兩個(gè)圖中的兩個(gè)不同的射線17、17'被提取。水平軸示 出了以mm為單位的距離，而垂直軸指按照在1和0之間的數(shù)字表示的似然性L并且指沒(méi)有 給出的數(shù)字但是具有與576HU的CT圖像強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的一組零閾值水平的強(qiáng)度J。
[0083]至于圖9,圖像強(qiáng)度JJ通常低于該組閾值水平。而腔似然性從左到右顯示了下降 到零的相當(dāng)穩(wěn)定的曲線，邊界似然性主要顯示了在大約位置1. 3mm處的峰。
[0084] 至于圖10,圖像強(qiáng)度在大約1. 5mm的距離處超過(guò)該組閾值水平，在大約2. 2mm處達(dá) 到峰值并且在大約2. 7mm處下降到低于該組閾值水平。腔似然性LL顯示兩個(gè)峰并且邊界 似然性BL甚至顯示三個(gè)峰，最左邊的峰與排除了鈣化斑塊的真實(shí)腔邊界相對(duì)應(yīng)。邊界似然 性BL的最右邊的峰指的是錯(cuò)誤地包括了鈣化斑塊的邊界。校正的邊界似然性丨。與排除了 鈣化斑塊的真實(shí)邊界似然性相對(duì)應(yīng)。這一點(diǎn)在如下的啟發(fā)式方法中實(shí)現(xiàn)：
[0085] 首先，鈣化斑塊通過(guò)確定高于一定的預(yù)定閾值的強(qiáng)度一概圖的范圍來(lái)識(shí)別，在此 是576HU的該組閾值。為了提高魯棒性和防止錯(cuò)誤響應(yīng)，閾值可以基于腔強(qiáng)度分布（比較 步驟)〇、通過(guò)向其加上（或從其減去）圖像數(shù)據(jù)依賴方差（優(yōu)選兩次這樣的方差），根據(jù)當(dāng) 前圖像數(shù)據(jù)來(lái)提高。該組閾值由此可以是選擇的常數(shù)，或者是使用固定的閾值 tf和平 均腔強(qiáng)度μ i加上兩次其方差σ 1的、適應(yīng)性的閾值，從而
[0086] tCAL = max (tf, μ χ+2 σ χ) (1)
[0087]然后，沿著射線17的范圍被認(rèn)為是相關(guān)的鈣化區(qū)域，該射線與中線最接近并且優(yōu) 選具有例如〇· 3mm的一定的最小長(zhǎng)度。除了在中線點(diǎn)處的開(kāi)始半徑r。的索引之外，還提取 了半徑r m，對(duì)于所述半徑rm，強(qiáng)度在鈣化區(qū)域內(nèi)部是最大的（即在圖n中大約2. 2_處圖 像強(qiáng)度JJ的峰）。然后，沿著射線17'的校正的邊界似然性被獲得為
[0088]

【權(quán)利要求】
I. 一種用于在圖像數(shù)據(jù)中分割鈣化的血管的方法，包括步驟： -提供所述血管的血管樹(shù)表示， -提供所述血管的多個(gè)橫截面的多個(gè)初步邊界表示， -提供在所述多個(gè)橫截面中在所述圖像數(shù)據(jù)中的多個(gè)強(qiáng)度一概圖， -基于所述強(qiáng)度一概圖確定所述橫截面中的鈣化， -將每個(gè)初步邊界表示校正為校正的邊界表示，其排除了來(lái)自于所述血管的內(nèi)部的齊 化。
2·根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個(gè)強(qiáng)度一概圖在所述多個(gè)橫截面中、沿著 從在每個(gè)橫截面中位于所述血管內(nèi)部的一個(gè)種子點(diǎn)出發(fā)向著初步邊界表示的多個(gè)一概圖 射線被確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鈣化在如下區(qū)域中被確定，所述區(qū)域的強(qiáng)度 高于預(yù)定的閾值水平。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述圖像數(shù)據(jù)是基于X射線采集的并且所述閾值 水平高于576HU。
5·根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將來(lái)自于對(duì)所述鈣化進(jìn)行確定的結(jié)果與所述初 步邊界表示的延伸進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述血管樹(shù)表示包括所述血管的中線。
7·根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述中線至少一次，優(yōu)選在校正所述初步邊界表 示之后至少一次被再中心化。
8·根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中,所述圖像數(shù)據(jù)被變形，從而血管樹(shù)表示沿著直線 被對(duì)齊并且所述多個(gè)初步邊界表示和/或校正的邊界表示互相平行地對(duì)齊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述初步邊界表示的數(shù)量是通過(guò)導(dǎo)出相應(yīng)的橫 截面中的候選點(diǎn)的似然性值來(lái)產(chǎn)生的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述似然性值是通過(guò)使用訓(xùn)練過(guò)的分類(lèi)器算法 來(lái)導(dǎo)出的。 II. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟： a) 提供鈣化的血管的圖像表示， b) 提供初始表面模型，其包括具有通過(guò)邊連接的多個(gè)頂點(diǎn)的網(wǎng)格， c) 對(duì)于每個(gè)頂點(diǎn)定義在頂點(diǎn)的位置處與表面模型正交的一條射線， d) 將多于兩個(gè)標(biāo)簽分配給每個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)簽表示該頂點(diǎn)在該射線上的候選位置， e) 基于校正的邊界表示，提供對(duì)于每個(gè)候選位置的似然性的表示，該似然性是指候選 位置是否與在所述圖像表示中的血管的表面點(diǎn)相對(duì)應(yīng)， f) 定義具有離散的多元隨機(jī)變量的一階馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)，所述隨機(jī)變量包括候選位置 的標(biāo)簽和似然性的表示， g) 通過(guò)使用在該馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)中的最大后驗(yàn)估計(jì)來(lái)找到鈣化的血管的最優(yōu)分割。
12. -種用于分割圖像數(shù)據(jù)中鈣化的血管的分割系統(tǒng)，包括以下單元： -用于圖像數(shù)據(jù)的輸入接口， -第一供應(yīng)單元,實(shí)現(xiàn)為用于提供所述血管的血管樹(shù)表示， -第二供應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)為用于提供所述血管的多個(gè)橫截面的多個(gè)初步邊界表示， -第三供應(yīng)單兀，實(shí)現(xiàn)為用于提供在所述多個(gè)橫截面中在所述圖像數(shù)據(jù)中的多個(gè)強(qiáng)度 一概圖， -確定單元，其在操作中基于強(qiáng)度一概圖確定橫截面中的鈣化， -校正單元，其在操作中將每個(gè)初步邊界表示校正為校正的邊界表示，后者排除了來(lái)自 于所述血管的內(nèi)部的鈣化。
13. -種具有采集單元和按照權(quán)利要求12所述的分割系統(tǒng)的斷層成像設(shè)備。
14. 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，能夠直接加載到可編程的分割系統(tǒng)的處理器中，包括當(dāng)計(jì)算 機(jī)程序產(chǎn)品在分割系統(tǒng)上被執(zhí)行時(shí)用于執(zhí)行按照權(quán)利要求1的方法的所有步驟的程序代 碼資源。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104217418SQ201410224743
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】M.凱爾姆, F.盧高爾, 張競(jìng)丹, 鄭冶楓 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司