CN101005803B - 灵活融合3dra-ct的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合处理和显示源于两个不同放射学方法的两个数据集的系统和方法，能够使通过操作一个数据集产生的中间结果可用于另一数据集的进一步处理。采用的放射学方法的不同成像能力促进了预定使用用于诸如给定类型组织的分割的特定任务的特别方法而采集的数据。当显示了两种方法的组合数据时，临床用户获益于互补的信息。需要注意，由于为了避免遮蔽任何感兴趣数据的不相关数据，仅将相关信息呈现给用户。因此，基于诸如组织类型的内容和并基于位置滤波待显示的数据。本发明尤其可用于计算机断层摄影术和三维旋转血管造影术。

Description

灵活融合3DRA-CT的方法

本发明涉及成像系统，尤其涉及诊断成像系统。本发明尤其适用于集成的三维旋转血管造影(3DRA)与计算机断层摄影诊断成像系统，并且将特别参考其进行描述。然而，应当理解，本发明也适用于其他类型的多模式诊断成像系统。

本发明尤其用于显像颅骨周围和内部的血管结构。

为了在临床环境中进行诊断，当采用放射采集方法时，各种已表现的组织类型的单独显像能够提供关于患者临床图像的有用信息。由于不同的放射学方法被专用于显示一种或数种组织，通常通过选择合适的采集方法实现仅显示有用信息的目的。然而，一些组织类型趋向于关于合适的采集方法具有相似性质，虽然它们各自在人体内的功能完全不同，例如血管和骨结构。由于所涉及的组织功能不同，需要以不同方式表现它们，根据组织类型进行颜色编码或者由遮蔽除了操作者感兴趣的组织之外的所有组织类型。在三维旋转血管造影术中，尤其存在不同类型组织的性质分布重叠的问题。通常，在3DRA中，由于不充分的校准和重建过程，不能获得绝对正确的密度值。在该方法中，由于由颅骨导致的射线束硬化，动脉/脉管强度处于与骨材料相同的范围中的事实，妨碍了3DRA体积中动脉/脉管信息的分割。此外，当这两个体积结合时，通常用于CT切片取向的CT体积中的颅骨高密度数据妨碍了动脉结构的清晰显示。

虽然已知计算机断层摄影术在多骨结构和软组织结构(例如，颅骨相对于脑)之间提供高对比度，由高亮度骨的亮度分布与充满造影剂的脉管的亮度分布重叠的事实，妨碍了提取3D脉管信息的三维旋转血管造影术(3DRA)的使用。该影响尤其归因于不充分的校正和重建过程与颅骨相结合导致的射线束硬化的现象。

授予Avinash和Alyassin的US 5832,134公开了一种方法，用于移除主要结构以增强所需结构的显像，其避免了耗时的人-操作者(human-operator)交互作用。其中公开的发明的基本思想是在一方面高度连接的区域和更弱连接的区域之间进行区分。牢固连接的区域对应骨结构，而稍弱连接的区域对应脉管。该性能的引入可获得用于从感兴趣脉管信息中改进地自动分割不需要的骨结构的新特征。然而，该方法仅解释了由三维旋转血管造影采集方法以不同方式提供的固有的不合适数据材料，并且没有恢复到更合适的信息源。此外，其中描述的诸如连接性分析和体素扩张的形态算法，非常依赖于最优参数确定，最优参数确定又取决于诸如采集分辨率或对象尺寸的几何条件。

鉴于上述情况，本发明的一个目的是，提供一种为获得更高信息含量而使用两个采集设备的用于显像生物组织的系统和方法。

根据本发明，该目的由具有权利要求1的特征的系统和具有权利要求10的特征的方法实现。各从属权利要求中限定了优选实施例。

根据本发明，提供了一种用于显像生物组织的系统，包括：第一设备，用于获取包括关于三维位置和关于该位置处的物理性质的信息的第一数据集；和第二设备，用于获取包括关于三维位置和关于该位置处的物理性质的信息的第二数据集。该系统还包括：与第一和第二设备相连的数据接收和处理单元，用于接收各数据集，从而根据一数据集的信息改变另一数据集；以及可视输出装置。

在不同采集条件下采集对象产生两个或更多个相关数据集。通常，这些数据集包含互补的信息并且其中一个数据集可能更适用于待执行的特定任务。如果待显像的对象包括生物组织，不同的采集条件可能产生特别适用于显像不同类型生物组织的数据集。除了被显像，数据集还能够在处理期间被改变。根据将对一数据执行何种修改，可使用另一数据集确定为得到最优结果而必须改变该数据集的方式，如果该另一数据集合有非常适合于将进行的修改的信息。

数据接收和处理单元可以包括用于配准尤其分别获自第一和第二设备的两个三维图像数据集的装置。用于配准的装置负责在位置、尺寸和方向方面将两个数据集匹配。由于所涉及的这两个数据集通常具有不同的采集角度、距离和/或分辨率，关于共用坐标系统存储这两个数据集，配准它们是必要的。有效的配准是进一步数据处理的先决条件。

根据本发明的优选实施例，该系统包括位于所述用于配准的装置上游的一装置，其用于对所述数据集之一应用阈值和进行滤波。如果输入的数据包含错误，则用于配准的装置可能产生错误结果。那些错误通常由发生在采集过程中的伪影引起。在采集过程中产生的伪影的一个例子是充满空气、但被赋予表示固体物质的值的体素。如果另一种采集方法比较不倾向于产生这种伪影或者产生与第一采集方法所产生的不同的伪影，那么配准算法可能有失败的风险，这是因为其基于具有高吸收系数值的大量体素是部分目标对象的假设，来计算目标对象在这两个数据集的每个中的位置、尺寸和取向。用于配准的装置的有效性能够通过阈值方法恢复。事实上，当通过对错误空气体素值和灰质或脑组织值之间的值应用阈值，来将颅骨外的体素值设置为零时，用于配准的装置传送基本上无伪影的数据。

可选地，该系统可以包括用于在两个数据集中识别预定体积的装置。这些装置确定将由上游配准装置使用的体积部分，因此能够摒弃颅骨之外的错误体素。

优选地，在特殊位置确定的物理性质能够用于确定组织类型。除了确定目标对象的范围，该物理性质提供了位于特定位置的组织类型的有价值信息。因此，物理性质的采样值用于确定组织类型。

用于改变的装置优选使用获自特定性质的定位区域的遮蔽信息。一旦已经根据组织的特定已扫描性质计算了有效的分割，并且因此已经识别出不同类型组织的区域，酒可以基于系统操作者做出的选择来选择性地遮蔽对应不同类型组织的那些区域。因此，该基于位置的组织类型信息能够由下游装置用来进行数据处理，所述下游装置例如是用于遮蔽与特定应用没有或几乎没有关系的某些区域和/或组织的装置。

该系统还可以包括用于用预选几何平面获取第一、第二和/或第三组合三维图像数据集的截面视图的装置。当通过平面显示设备展现表征一些性质的空间密度的三维体积时，主要问题是特定点位置的不明确。观察者通常考虑取向参考点，这需要三维想象力。待显示数据的简单形状截面能够有利于强加给用户的该任务。另一个问题是那些较不感兴趣的区域遮挡了感兴趣的区域。由于这些原因，即使当通过定义而使得在显示数据之前不感兴趣区域被遮蔽时，显示太多数据起相反效果。

根据优选实施例，该系统还包括在诸如切片的预选体积中任选地根据位置、属性将数据再现成透明的装置。因此，能够对实际上将经由显示装置显示的数据进行选择。同时，还需要选择各种数据的显示模式，其中一种模式是透明的。基于其中将显示数据的部分的位置、属性和形状，选择显示什么数据以及透明成何种程度。该显示部分优选地具有简单的几何形状，例如切片或立方体。

组合三维图像数据集的显像能够沿着预定义路径(尤其对应于血管)执行。通过由专家限制待分析的体积，能够更易于认识到细节。然而，当大量区域待分析时，会产生兴趣冲突。通过随时间分布观察区域，即通过示出一系列相关图像，其中每个图像围绕稍不同于之前图像的位置定中心，能够解决该冲突。对于负责关于提示疾病的显著细节进行解释的专家，该系列图像看似非常象电影，其中相机位置是变化。该系列位置限定了运动路径，其可以例如与血管相符。

此外，本发明公开了一种用于显像生物组织的方法，包括这些步骤：

-根据第一采集方法采集相应于三维数据采集的第一数据集；

-根据第二采集方法采集相应于三维数据采集的第二数据集；

-从所述数据集之一提取信息；以及

-根据所述提取的信息改变相应的另一数据集。

该方法以采集两个数据集开始，所述数据集由用于扫描三维体积的两种合适的采集方法产生。利用各种采集方法的不同成像特性，该方法从更清楚地呈现所需属性的两个数据集中的那一个提取关于待检查属性的信息，并且使得该信息可用于相应的另一数据集。基于提取的信息，该方法能够改变相应的另一数据集。这尤其有利于遮蔽或遮挡特殊区域，如果单独根据该另一数据集，这些将遮挡的区域不能与将不被遮挡的区域清楚地区分开，因为相应采集方法对相关组织具有低水平的选择性。

根据优选实施例，该方法在随后的步骤中进行数据集的配准，即关于位置、取向和尺寸校准数据集。优选地，该步骤在采集第二数据集之后并且在信息提取步骤之前执行。

该方法的第一采集方法优选为计算机断层摄影方法。计算机断层摄影术(CT)通常用于显像诸如脑物质的低对比度软组织。

该方法的第二采集方法优选为三维旋转血管造影方法。三维旋转血管造影术(3DRA)有效地用于显像高对比度动脉/脉管结构。

其他放射学和非放射学方法也可以获益于在此描述的方法。

该方法还包括在配准两个数据集的步骤之前对三维旋转血管造影术数据应用阈值和进行滤波的步骤。为了避免不完善的配准结果，数据可以在配准步骤之前被预处理。可能的预处理包括对采集的物理性质的值应用阈值以识别体素，这成为采集原理导致的伪影发生的牺牲者。

优选方法还包括在两个数据集中识别预定义的评估体积并且在配准两个数据集的步骤之前将相应子集返回到所述配准装置用于后续的配准。该预处理包括将用于配准的有效体积限制为已知主要包括在某一程度上在两个数据集中相似地表达的相关目标对象信息的体积。事实上，为配准目的仅需要检查整个体积的一部分，如果其能够得到保证，那么这两个数据集之间的关系是严格的，即能够借助于仿射变换描述。

根据优选实施例的方法还包括用预选定几何平面获取第一、第二和/或两个三图像数据集的组合的截面视图的步骤。为了使专家分析所采集的数据，需要对其进行显示。当数据的横截面视图以有意义的方式被提供时，即体积的非感兴趣部分沿着预选定的几何平面由该截面切除，极大地有利于解释显示的体积数据。

该方法还可以包括根据位置、特征和/或截面视图将数据再现成透明的步骤。一种处理数据(例如为了允许观察者确定自身方向而应当显示该数据，但是该数据不构成待显像的最重要数据)的可能性，是将各个区域再现成透明到某一程度。通过这样做，更多的相关数据通过再现的体积的部分透明的部分仍然可见。基于位置、特征、截面视图和其他可能属性，决定将部分透明地再现的体积的哪些部分。

优选地，该方法还包括沿着预定义路径、尤其沿着血管显示组合三维数据集的步骤。因此，该方法通过显示一系列截面视图提供一种方式来显像大量体积而不牺牲容易的目视解释，每个视图围绕不同的位置定中心，所述位置是预定路径的一部分。该路径可以例如对应于血管，从而观察者具有沿着该特定血管行进的印象。显像的脉管与其周围的体积一起提供了一种为下游专家评估呈现大量数据的有效方式。

合并源于不同采集方法的数据来用于分析和显像，每个采集方法特别胜任于独特的诊断任务和/或组织类型，优点在于所有方法获益于由尤其适于特定所需手术的方法确定的中间结果。

参考参照附图描述的优选实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚，其中：

图1是根据本发明优选实施例的系统的框图；

图2示出了专门显示动脉/脉管信息的脑扫描的常规分割的结果；

图3示出了如本发明中描述的3DRA脑扫描的分割结果；

图4示出了图3的本发明中描述的脑扫描的分割结果，以及额外的计算机断层摄影数据，呈现为具有不透明底部的透明切片；并且

图5示出了配准区域的例子。

本发明是灵活融合代表物理性质的三维密度的两个数据集的系统和方法。根据本发明的优选实施例，代表同一对象、但使用不同采集方法产生的两个数据集以这样的方式结合，即，使得特定采集方法的优点对于使用不同放射学方法采集的数据集是有用的。

为了清楚起见，在此参考优选实施例阐释本发明，该优选实施例采用两种诊断放射学方法，尤其这两种方法一方面是三维旋转血管造影方法(3DRA)，另一方面是计算机断层摄影法(CT)。CT通常用于显像例如脑物质的低对比度软组织，而3DRA有效地用于显像高对比度动脉/脉管结构。由于3DRA和CT体积向临床用户提供了互补的信息，理想的是尽可能有效地将该信息呈现给他们。

参考图1，使用计算机断层摄影采集设备CT采集一数据集，其对应于检查体积内部的物理性质的三维空间分布。在CT的情况下，物理性质是x射线的衰减系数。同一对象，其在临床环境中通常是患者，经历了第二采集，这次使用3DRA采集设备3DRA。该技术依靠相同的物理原理，即测量x射线辐射的衰减系数分布，但是在传感器的形状和采集几何结构上与CT不同。尤其是，3DRA使用到二维辐射探测器上的中心投影，然而CT基本使用一维探测器阵列。因为不充分的校准和重建程序，3DRA数据集通常不包含绝对校准的密度值。这两个采集的数据集都传送到数据接收和处理单元DPU。该数据接收和处理单元DPU接收这两个数据集作为输入并且将它们传送到若干子单元。

参考3DRA产生的数据，预处理单元PRP消除了3DRA技术固有的多余伪影并且改进了下游数据处理单元的性能。预处理单元PRP能够与图1所示的数据接收和处理单元DPU或3DRA采集设备3DRA相结合。

然后，预处理的3DRA数据集被传送到动脉/脉管分割单元ASEG和配准单元REG，配准单元REG负责CT数据集和3DRA数据集的配准。配准单元REG的另一输入由CT采集设备CT产生的数据集提供。该配准单元确保，这两个数据集以如下方式放置于共用坐标系中，即，使得包含在这两个数据集中的对象将关于每个数据集被定位在相同的位置。在所述实施例中，3DRA生成的数据集保持恒定，同时CT产生的数据集以如此方式移动、缩放和旋转，即，使得可以实现位置、尺寸、取向最大限度的一致性。将由此改变的CT生成数据集传送到两个目的地，一个是用于再现透明体积切片的单元SREN，另一个是用于骨/颅骨分割的单元SSEG。后者根据CT生成数据集对分割颅骨/骨信息进行分割，其结果可由3D遮蔽单元MSK使用。该单元的另一输入由动脉分割单元ASEG提供，其已经根据3DRA产生的数据集分割了动脉/脉管信息。由于3DRA情况中动脉/脉管组织和颅骨相似的采集特征，所分割的动脉/脉管信息还包括与颅骨和骨对应的相当多的体素。3D遮蔽单元MSK将分别由单元SSEG和单元ASEG提供的两个数据集合并，以便遮蔽3DRA产生的数据集中的任何颅骨信息。尤其是，从CT产生的数据集中提取的已分割颅骨/骨信息被用作应用于已分割的动脉/脉管信息的掩模。应当注意，由于不同的体素密度，直接减法一般将不起作用。考虑到用于评估数据集的一个体素的遮蔽信息的若干体素，或者反过来也一样，取决于体素在已扫描的体积中的位置，必须考虑使用内插方法作为代替。得到的信息基本上仅包括所需的动脉/脉管信息。

为了能够以有效方式向临床用户显示该信息，数据集需要传送到作为可视输出装置VIS的一部分的3D再现单元AREN。基于用户选择的观察点、照明、待显示的数据集和其它参数，通过在2D空间上的投影由3D再现AREN产生3D数据的视图。该2D投影适于由帧缓冲显示器FBD显示。

如果临床用户还对观察的血管附近的周围组织的状况感兴趣，例如为了能够评估任何相关症状，系统恢复CT产生的数据，其在该领域中具有较佳的能力。为此目的，传送给颅骨/骨分割单元SSEG的相同数据还施加到用于透明体积切片再现的单元SREN。由于用户难以掌握大体积，即使经过较好训练的用户也是如此，因此优选地附加显示的CT数据以切片或者其它简单三维几何形状的形式被再现。位置、取向、尺寸、透明度和切片的其它性质的控制由体积-切片控制单元VSC自动地或通过解释由用户发布的命令来执行。通过将切片或者等效几何形状再现为透明的，解决了该问题，即CT图像覆盖了大量动脉/脉管信息。

然而，透明再现将严重影响CT信息的对比度，这在临床上不可接受。

一种补救方法是将顶面或底面的非透明、多平面重定格式(MPR)再现添加到透明再现的体积切片，以便于在这些平面中获得所需高对比度。这由用于再现的第二单元、覆盖(cap)MPR再现单元CREN实现。根据视角，顶面或底面再现成非透明的。

可视输出装置VIS的操作由观察控制单元VC控制。通过该装置，用户能够与系统交互以修改观察点、焦距等。用户还能够将虚拟探针放置在特定位置，使用于显像的装置表现探针位置附近的周围组织。通过允许临床用户相对于动脉/脉管结构的观察来修改CT切片的位置和/或取向，他们将获得病态附近的灵活且清晰的视图。例如，了解垂直血流方向的平面中的CT信息的用户能够将探针放置在动脉血管上。

现在参考图2，示出了仅基于3DRA数据的动脉/脉管信息结果。显然，除了所需动脉/脉管信息之外，对应于颅骨的相当多的区域包含在显示的扫描中。

现在参考图3，示出了根据CT图像、用含有分割的颅骨的数据集遮蔽图2中所示的已分割动脉/脉管数据集的结果。显然，与仅仅基于3DRA产生的数据的分割相比，获得了相当大的改进。

现在参考图4，示出了组合3DRA-CT图像，其中包含CT数据并且相应地代表颅骨和软组织的切片被再现成透明的。然而，该切片的底面再现成非透明的，以更清楚地显现软组织。由于临床用户能够调整观察点，通过重新定义另一观察点，能够容易地处理非透明平面使一些3DRA数据暂时模糊的事实。

现在参考图5，示出了配准的区域的例子。为了配准以产生高质量的结果，不需要评估整个体积。而是必须保证，在两个数据集中能够确定和定位明确的参考点。这些参考点可以是施加到患者的解剖界标或者人工标记。参考点的位置能够手动或自动确定。例如，图5示出了患者头部510。将用于配准的简单区域由四面体520表示，其中其四个顶点522、524、526、528的每一个相应于一个解剖界标或标记。当然，也能够采用其他形状。在另一实施例中，通常在两种图像中都可清楚区分的颅骨能够用作配准区域的限制边界，其扩展了解剖界标的概念。

在另一优选实施例中，临床用户能够将探针放在动脉/脉管上并且了解垂直于血流方向的平面上的CT信息。

在另一优选实施例中，用户能够通过指定开始和结束探针，经由能够看到血流方向上的CT切片序列的路径进行跟踪。

在又一实施例中，可以改变某些操作的次序。例如，动脉/脉管分割能够获益于在先执行的使用CT数据对3DRA产生的数据集中的颅骨/骨区域的遮蔽。根据图1，这将意味着，框ASEG和MSK将以相反的次序重新布置。此外，数个单元能够被结合成一个单元，例如处理器。本发明不局限于上述放射学方法，而是能够扩展到其他也能够以上述方式组合的方法。

当然，本发明不局限于所述和所示的实施例，而是基本上可扩展到落入根据前述说明和附图可见的后附权利要求的范围中的任何实施例。虽然上面仅参考一个示例的实施例描述了本发明的特定特征，但是这些特征可以与其他实施例的一个或多个特征组合，如同可能所需的并有利于任何给定的特殊应用的那样。从本发明的上述描述中，本领域技术人员将可以预见改进、改变和修改。本领域技术范围中的这些改进、改变和修改意味着由随附权利要求覆盖。权利要求中的任何附图标记不限制本发明的范围。术语“包括”被理解为不排除其他元件和步骤并且术语“一”或“一个”不排除多个。

Claims (12)

1.一种用于显像生物组织的系统，包括：

-第一设备，用于获取包括关于三维位置和关于该位置的物理属性的信息的第一数据集，

-第二设备，用于获取包括关于三维位置和关于该位置的物理属性的信息的第二数据集，

-数据接收和处理单元，与所述第一和第二设备连接，用于接收各个数据集，并且其包括用于关于位置、尺寸和取向来配准分别获自第一和第二设备的所述第一数据集和第二数据集的装置，以及包括位于所述配准装置上游的、用于对所述数据集中至少一个施加阈值和滤波的装置；

其中所述数据接收和处理单元，通过遮蔽生物组织的特定区域来清晰地区分生物组织的不同区域，以基于另一个数据集的互补信息改变每一个数据集，以及

-可视输出装置。

2.根据权利要求1的系统，还包括用于在这两个数据集中识别预定体积的装置。

3.根据权利要求1或2的系统，还包括使用预选几何平面获取第一、第二和/或其组合的三维图像数据集的截面视图的装置。

4.根据权利要求1或2所述的系统，还包括在预选体积中任选地根据位置、属性将数据再现成透明的装置。

5.根据权利要求1或2所述的系统，还包括沿着预定路径执行组合的三维图像数据集的显像的装置。

6.一种用于显像生物组织的方法，包括如下步骤：

-基于第一采集方法采集与三维数据采集对应的第一数据集；

-基于第二采集方法采集与三维数据采集对应的第二数据集；

-关于位置、尺寸和取向来配准所述第一数据集和第二数据集；

-在所述配准步骤之前，对所述数据集中至少一个施加阈值和滤波；

-从每个所述数据集中提取互补信息；以及

-通过遮蔽生物组织的特定区域来清楚地区分生物组织的不同区域，根据所述提取的互补信息改变相应的另一个数据集。

7.根据权利要求6的方法，其中所述第一采集方法是计算机断层摄影方法。

8.根据权利要求6或7的方法，其中所述第二采集方法是三维旋转血管造影方法。

9.根据权利要求6或7所述的方法，还包括如下步骤：在配准两个数据集的步骤之前，在这两个数据集中识别预定的评估体积并将相应的子集返回所述配准装置用于后续的配准。

10.根据权利要求6或7所述的方法，还包括如下步骤：用预选几何平面获取第一、第二和/或这两个三维图像数据集的组合的截面视图。

11.根据权利要求6或7所述的方法，还包括根据位置、特征和/或截面视图将数据再现成透明的步骤。

12.根据权利要求6或7所述的方法，还包括沿着预定路径显示组合的三维数据集的步骤。

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