CN101025823A - 对x射线图像中的至少一种物质进行分割的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对X射线图像(1)中的至少一种物质进行分割的方法和装置，其中，在该X射线图像(1)的每个图像点(2)上采集在不同X射线能量E1、E2下的两个衰减值(3，4)，基于所采集的衰减值(3，4)将该X射线图像的图像点(2)映射到二维特征空间(5)中，并随后在该特征空间(5)中从X射线图像(1)的分别对应于一个图像点(2)的图像环境(10)的映射中确定作为评价值(11)的、映射到分类区(6)中的图像点的数量，从而可以在评价值(11)的基础上以简单的方式计算包含该物质的分割图像(14)，其中，通过考虑图像点(2)的相邻关系可在最大程度上避免错误分类。

Description

对X射线图像中的至少一种物质进行分割的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于对X射线图像中的至少一种物质进行分割的方法和装置。
背景技术
基本上用于分割X射线图像的方法是公知的，利用这些方法可以为诊断在X射线图像中标识出图像区域，在该图像区域中仅对一种特定的物质如骨骼或造影剂进行成像。分割通常基于修改的图像进行，该修改的图像是通过在每个图像点上分别测定两个不同设置的X射线能量下的两个衰减值并随后将它们彼此加权相减得到的。由于不同物质的吸收系数的不同能量相关性，通过这种方法在相应选择加权系数的情况下仅将对应于特殊物质的那些图像点以高强度值存储在修改的图像中。通过将各强度值与阈值进行与图像点相关的阈值比较，将潜在的属于特殊物质的图像点分割出来。
然而在许多情况下这种阈值比较导致具有错误的结果，因为衰减值可能通过测量噪声而失真，从而尽管存在该物质，但用于图像点分割的阈值标准仍未得到满足。
US 6754298 B2公开了一种再现方法，其中，从多个在不同能量谱下的X射线辐射采集的测量中计算出一幅图像，其中，在降低噪声分量的同时显示对象的成分。该再现方法以耗费计算时间的迭代再现算法为基础，这种算法在计算结果图像时同时考虑用于采集测量的能量谱的区别。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于分割X射线图像的方法和装置，利用其可以简单的方式对X射线图像中的至少一种物质进行稳定的分割。
本发明人认识到，当为进行分割在对应于图像点的局部图像环境上不仅分析一个单独的图像点，而是分析多个图像点时，可以改进X射线图像中分割的结果。分析局部环境中的多个图像点具有优点，因为要分割的特定物质的图像结构通过一定的图像区域向外延伸，从而以高概率由此为出发点将相邻的图像点与同一物质相对应。因此通过引入图像环境一起考虑了图像点在X射线图像中存在的空间关系。
依据本发明，用于对X射线图像中的至少一种物质进行分割的方法包括以下方法步骤，其中，
-在该X射线图像的每个图像点上采集在不同X射线能量E1、E2下的两个衰减值，
-基于所采集的衰减值将该X射线图像的图像点映射到二维特征空间中，其中，该特征空间具有至少一个与至少一种物质唯一对应的第一分类区，
-从分别与这些图像点相对应的图像环境的映射中确定作为评价值(Bewertungsgroesse)的、落入对应于该物质的分类区内的图像点的数量，
-通过基于该评价值对每个图像点进行与阈值的阈值比较来计算分割的图像。
因此分割包括对局部相邻图像点的分类结果的统计分析。通过映射到特征空间，落入到同一分类区的图像点越多或对于该分类区的评价值越高，则所观察的图像点同样属于该分类区并因此属于一种特定物质的概率也就越大。通过引入局部图像环境可以保证对特定物质的图像区域的无干扰的分割，也就是说，特别是在没有对图像区域内各图像点的错误分类的情况下进行分割。即使所观察的单个图像点未映射在该图像区域内，但由于对局部图像环境的总体观察，使得仍可以将该图像点分类为属于该物质。
但该方法并不局限于仅对一种物质进行分割。同样具有优点的是可以设想对第二物质进行分割，从而特征空间具有与X射线图像中存在的第二物质唯一对应的第二分类区。在这种情况下，对每个图像点基于局部相邻性来确定分别表示映射到一个分类区内的图像点的数量的两个评价值。然后为对两种物质进行分割，需要对每个评价值进行阈值比较。
对于在一个X射线图像中对两种物质进行分割的情况来说，优选可在特征空间内标识一个不能与一种物质唯一对应的第三分类区。对映射在第三分类区内的图像点已知它们属于两种物质之一。但由于采集的两个衰减值无法进行唯一的对应。此外，在特征空间内还可给出一个与两种物质都不对应的第四分类区。映射在该分类区内的图像点明确地不属于两种待分割的物质。将特征空间划分成第三和第四分类区的优点是，可以在阈值比较之前根据所确定的图像环境的映射在第三或者第四分类区内的至少一个图像点的数量对评价值进行加权。采用评价值的相应加权可以保证在待分割的物质的边缘区域内或与该物质相关的图像结构、相邻的若干图像点可以设置在所观察的图像结构外，从而原则上无需全部图像点都落入第一或者第二分类区内。
具有优点地，特征空间的至少一个分类区可以通过模拟来确定，即模拟由X射线透射的物质的两个衰减值并映射到特征空间内。为确定各分类区的扩展幅度，在此合适的是对该物质的不同透射厚度和不同浓度进行模拟。在此通过模拟可以覆盖不同变量的宽能量谱。不言而喻，同样可以设想实验地确定分类区或者对通过实验找到的结果进行事后调节或校正。
在本发明一种具有优点的实施方式中，在进行阈值比较之前将评价值借助于转移函数换算成概率，其中，该转移函数给出映射的图像点数量与有关存在的物质的概率之间的关系。该过程特别要考虑到这种情况，即映射的图像点的数量与关于存在的物质的概率的关系可能是非线性关系。
对X射线图像中进行分割的第一物质最好为骨骼。第二物质最好为造影剂。利用分割出的这两种物质可以很容易鉴别X射线图像中医生在诊断时必须检查的主要图像结构。
X射线的能量可以简单的方式通过所设置的X射线装置的管电压来改变。因此X射线的第一能量可以特别简单地在将管电压调整到80kV的情况下产生。与此不同的X射线的第二能量优选可以在将管电压调整到140kV的情况下产生。
优选对于每个图像点所观察的图像环境在每个图像维上包括至少三个图像点，从而通过对至少9个图像点的分类结果进行统计分析可以进行足够可靠的分析。在选择局部图像环境的维时，特别是必须注意所要提取的图像结构的分辨率。因此例如可以设想，根据解剖特性在分割的准备阶段选择局部图像环境。例如对于在X射线图像中具有明显较小扩展幅度的血管，必须在使用与骨骼检查相比明显更小的局部图像环境来进行分割。
附图说明
以下的附图中示出本发明实施例以及其它具有优点的构成。其中：
图1以部分透视图、部分方框图示出计算机X射线断层造影装置，用于实施依据本发明的用于对X射线图像中的至少一种物质进行分割的方法；
图2以示意图示出用于分割物质的方法；
图3示出二维特征空间，其具有不同的分类区并且X射线图像的图像点映射于其中；
图4示出曲线图，其中示出用于根据从局部图像环境中确定的参考值确定有关存在的物质的概率的转移函数；
图5示出在不考虑相邻性标准情况下的第一分割图像；
图6示出在考虑相邻性标准情况下的第二分割图像。
具体实施方式
为实施依据本发明的用于对X射线图像中的至少一种物质进行分割的方法，可以使用计算机X射线断层造影装置16形式的本身公知的X射线装置，如图1以部分透视图、部分方框图方式所示的那样。这种计算机X射线断层造影装置16具有至少一个这里采用X射线管17方式的X射线源以及产生X射线辐射的至少一个焦点18，X射线透过对象19并随后到达相对的检测器20。检测器20包括多个检测器元件21，其中仅有一个元件具有附图标记。每个检测器元件21产生取决于衰减的X射线的强度的衰减值。对象19的投影通过在X射线管17和检测器20的特定扫描位置上全部检测器元件21的一组衰减值形成。
由X射线管17和检测器20形成的拍摄系统设置在一个没有示出的可旋转支架上。在多种可能的工作方式之一中，拍摄系统环绕例如为患者的对象19旋转。通过拍摄系统的旋转，从不同的投影方向上采集多个投影，这些投影是以层析图像或者立体图像的方式再现X射线图像1所需的。这种二维或三维图像例如可以作为用于本发明的方法的输入图像来显示。通过沿系统轴23连续前移检查床22，不仅可以在层上，而且可以在大于检测器20的扩展幅度的立体上螺旋式地扫描对象19。螺旋扫描的一种简单变形在于顺序地进行前移，从而在每次360°扫描之后进行一次前移，并在对象19处于静止状态时进行实际的扫描。这两种方案均可在依据本发明的方法中使用。
对于拍摄系统的每个投影或者每次旋转，可以借助调整装置24将X射线管17的管电压调整到一个特定的电压值。按照这种方式可以产生X射线的不同频谱或X射线的不同能量E1、E2的投影。不言而喻，作为另外的选择也可以设想在固定设置的管电压下借助能量选择检测器来采集X射线的不同能量E1、E2的投影。这样做的优点是，可以取消对计算机X射线断层造影装置16的运行参数的交替调整。此外需要指出的是，既可以使用单行检测器也可以使用多行检测器。此外也可以使用分别具有一个或者多个焦点的一个或者多个X射线管连同也是一个或者多个移动的或者静止的检测器。
为对X射线图像1中的物质进行分割，在该实施例中通过关于同一投影方向相应交替地调整管电压，产生在两个不同的X射线能量E1、E2下的每个检测器元件21上的衰减值3、4。X射线的第一能量E1例如可以在将管电压调整到80kV的情况下产生，而第二能量E2可以在将管电压调整到140kV的情况下产生。但原则上可以选择每对用于产生不同能量的X射线的管电压，其中，对物质之间所产生的两种能量来说吸收的差别要足够大。
随后将所采集的投影传送到计算单元25并按照一种本身公知的再现方法将其再现成可以在显示单元26上显示的X射线图像1。对X射线图像1的每个图像点2都分别有两个与X射线的两种不同能量E1、E2相对应的衰减值3、4可供使用。不同的物质相对于X射线、根据能量具有不同的吸收特性。出于概览的原因仅对X射线图像1的一个图像点采用了附图标记。
属于同一物质或同一图像结构的图像点2在其中示出不同能量E1、E2的两个衰减值3、4的特征空间5中按照理想方式映射到同一点上。如果考虑这种情况，即物质以不同的浓度和不同的透射厚度存在于对象19中，那么特征空间5中的物质不仅对应于一个点，而且还对应于一个唯一表示该物质的、具有一定扩展幅度的分类区6。
通过对特征空间内X射线图像1的单个图像点2的映射和评价，因此在理想的前提下可以识别图像点2是否属于该物质。作为单个与图像点相关的比较的结果，可以获得从中提取出该物质的分割X射线图像13。然而与图像点相关的分割在实践中经常会导致包含错误的分割结果，因为单个衰减值3；4可能会由于测量噪声或者电子噪声失真。这样获得的分割X射线图像13具有使诊断明显变得困难的干扰。
本发明人认识到，图像干扰或错误分类27在下述情况下可以明显减少，即在分割时不仅考虑单个图像点2的分类结果，而且也考虑图像点2的局部图像环境10的分类结果。依据本发明的分割主要包括图2中所示可在计算单元25上实施的步骤：
第一步骤28：采集X射线图像1中每个图像点2的X射线的不同能量E1、E2的两个衰减值3、4。
第二步骤29：将图像点2映射到二维特征空间5内，其中，特征空间5至少具有至少与一种物质唯一对应的第一分类区6。
第三步骤30：从所观察的图像点2的局部图像环境10中映射到分类区6内的那些图像点的数量来确定评价值11。
第四步骤31：由此计算分割的图像14，即在每个图像点2的评价值11的基础上进行与阈值的阈值比较。
因此该分割包括对每个图像点的阈值比较。该比较在所确定的评价值11的基础上进行。与对X射线图像1的与图像点相关的分割不同，在本发明中考虑局部图像环境10，其中，所确定的评价值11包含有关在局部相邻的图像点中有多少图像点具有相同特性的拓扑信息。
因此单个的和少量的错误分类27可以通过观察局部相邻性得到抑制。对每个图像点2所观察的局部图像环境10的大小主要取决于应从X射线图像1中提取的物质或图像结构的局部延伸。原则上在较小图像结构的情况下应选择较小的局部图像环境10。这样例如为分割通过小血管流动的造影剂可以使用3×3图像点的局部图像环境10。优选在分割时使所观察的各图像点2处于相对于局部图像环境10的中心。局部图像环境10的选择可以通过为此设置的用户接口进行，从而可以对不同的检查选择与情况相匹配的局部图像环境10。
不言而喻，在本发明中可以对X射线图像1中的不仅一种物质，而且多种物质同时进行分割。图3举例示出二维特征空间5，它具有用于分割两种物质的不同分类区6、7。特征空间5的两个维度相当于在不同X射线能量E1、E2下的衰减值。可以区分下列分类区，利用它们可以定义图像点的下列对应：
第一分类区6：保证第一物质，第二分类区7：保证第二物质，第三分类区8：保证两种物质之一，在此不知道所存在的是第一物质还是第二物质，第四分类区9：保证两种物质都没有。
在此，分类区6、7、8、9可以在准备阶段借助于模拟来确定，其中，具体地说，模拟在相应的能量E1；E2上由X射线管17产生的X射线的能量谱、取决于物质和能量E1；E2的X射线的吸收以及由检测器20将入射的X射线转换成的信号。这些分类区通过所观察物质的浓度和透射厚度的变化获得。但同样可以设想通过实验来确定这些分类区6、7、8、9。
映射到第四分类区9内的图像点明确地不与这些物质相对应。映射到分类区9内的所观察图像环境10中的图像点的数量使得可以在阈值比较之前对评价值11进行加权。利用评价值11的相应加权可以考虑这种情况，即在所要分割的物质或与该物质相连的图像结构的边缘区域内可以将所观察的局部相邻的若干图像点设置在该图像结构以外。例如，如果确定9个可能的图像点中的4个明确不表示该两种物质，那么可以一定的概率由此出发，使所观察的图像点2为一个边缘图像点。在这种情况下，合适的是足以增加价值11，使得满足阈值标准。例如可以将一定百分比、如50％的落入第四分类区9内的图像点与评价值11相加。
在阈值比较之前，借助于转移函数12将评价值11换算成概率15。在此转移函数12给出映射的图像点的数量和与关于存在的物质的概率15之间的关系。在图4中举例示出转移函数12并可以通过引入原有知识来确定。例如如果经验表明，在20处映射到第一或第二分类区6；7内的图像点始终表明存在该物质，而在10处的图像点始终表明不存在该物质，那么参考值投射到10以下过渡到0的数值和20以上过渡到1的数值的刻度上。在该两个数值之间例如在使用如cos2(x)函数的情况下可以进行平滑过渡。
在下述情况下可以取得分割结果的进一步改进，即在使用另一种刻度的判定标准情况下将分割进行组合，正像例如文献号为102005 037367.4的未提前公开的名称为“Verfahren für eine Rntgeneinrichtung(用于X射线装置的方法)”的德国专利申请中所介绍的那样。通过附加地使用本征值标准例如可以设想，在分割时还附加地同时考虑有关局部均匀性的信息。因此例如可以设想，在强非均匀性的情况下更加灵敏地调整分割。灵敏性例如可以由此进行调节，即将取决于均匀性的值加到评价值11或概率15上。
图5和6示出两种物质、即骨骼和碘的与图像点相关的分割结果和与图像环境相关的分割结果之间的区别。骨骼分别映射到具有附图标记32的图像区域内，碘映射到具有附图标记33的图像区域内。如从图5可看到的那样，在通过与图像点相关分割获得的分割图像13内，存在通过对单个图像点2的错误分类27产生的图像干扰，这些图像点的衰减值3、4例如受测量噪声或者电子噪声的干扰。而图6示出分割图像14形式的分割结果，其中，对每个图像点2都同时考虑与其对应的局部图像环境10。通过考虑X射线图像1中物质的拓扑信息或空间分布可在最大程度上避免图像干扰。
本发明可作如下概括：
本发明涉及一种用于对X射线图像1中的至少一种物质进行分割的方法和装置，其中，在每个图像点2上采集在不同X射线能量E1、E2下的两个X射线衰减值3、4；基于所采集的衰减值3、4将图像点2映射到二维特征空间5内，并随后从分别与这些图像点相对应的图像环境10的映射中确定作为评价值11的、落入对应于该物质的分类区6内的图像点的数量，从而可以在评价值11的基础上按照简单的方式计算出包含该物质的分割图像14，其中，通过考虑图像点2的相邻关系在最大程度上避免了错误分类。

Claims (13)

1.一种用于对X射线图像(1)中的至少一种物质进行分割的方法，其中，
在该X射线图像(1)的每个图像点(2)上采集在不同X射线能量E1、E2下的两个衰减值(3，4)，
基于所采集的衰减值(3，4)将该X射线图像的图像点(2)映射到二维特征空间(5)中，其中，该特征空间(5)具有至少一个与至少一种物质唯一对应的第一分类区(6)，
在该特征空间(5)中从X射线图像(1)的分别对应于一个图像点(2)的图像环境(10)的映射中确定作为评价值(11)的、映射到该分类区(6)中的图像点的数量，
通过基于该评价值(11)对每个图像点(2)进行与阈值的阈值比较来计算分割图像(14)。
2.按权利要求1所述的方法，其中，所述特征空间(5)具有第二分类区(7)，其与X射线图像(1)中存在的第二物质唯一对应。
3.按权利要求2所述的方法，其中，所述特征空间(5)具有不能与一种物质唯一对应的第三分类区(8)。
4.按权利要求2或3所述的方法，其中，所述特征空间(5)具有与两种物质都不对应的第四分类区(9)。
5.按权利要求3或4所述的方法，其中，在进行阈值比较之前根据所述图像环境(10)的至少一个映射在所述第三或者第四分类区(8，9)中的图像点的数量对所述评价值(11)进行加权。
6.按权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述特征空间(5)的至少一个分类区(6；7；8；9)通过模拟由此确定，即模拟由X射线透射的物质的两个衰减值(3，4)并映射到该特征空间(5)中。
7.按权利要求1至6之一所述的方法，其中，在进行阈值比较之前将所述评价值(11)借助于转移函数(12)换算成概率(15)，其中，该转移函数(12)给出映射的图像点的数量和关于存在的物质的概率(15)之间的关系。
8.按权利要求1至7之一所述的方法，其中，所述第一物质为骨骼。
9.按权利要求2至8之一所述的方法，其中，所述第二物质为造影剂。
10.按权利要求1至9之一所述的方法，其中，X射线的第一能量E1是在将管电压调整到80kV时产生的。
11.按权利要求1至10之一所述的方法，其中，X射线的第二能量E2是在将管电压调整到140kV时产生的。
12.按权利要求1至12之一所述的方法，其中，每个图像维中的图像环境(10)包括至少三个图像点。
13.一种用于对X射线图像(1)中的至少一种物质进行分割的装置，用于实施按权利要求1至12之一所述的方法。
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