CN101028196A - 对对象的运动进行分析的方法和断层造影装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法和一种断层造影装置(2)，用于在至少两个相继时刻上利用断层造影装置(2)产生的图像(3，4)的基础上对对象(1)的运动进行分析，其中，从各两个图像(3，4)中测定一个由移动向量(5；6)形成的向量场(7；8)，以及其中为分析运动从该向量场(7；8)中计算出至少一个发散值(9)。该发散值(9)使得可以按照简单的方式定性和定量地测定收缩或扩张运动，其中，发散值(9)的符号给出对象(1)运动的类型，而绝对值给出对象(1)的运动强度。

Description

对对象的运动进行分析的方法和断层造影装置

技术领域

本发明涉及一种方法和一种断层造影装置，用于基于在至少两个相继时刻上利用断层造影装置产生的图像对对象的运动进行分析。

背景技术

为有效治疗心脏病，要求在非常短的时间内开始对心脏实施适合于该心脏病的治疗。因此可供医生用于诊断心脏病的时间非常短。为减少诊断所需的时间，具有优点的是从所要实施的一次检查中获取有关心脏状态尽可能多的信息。在此方面特别具有说服力的是心肌状态的信息，这些信息基本上确定治疗的类型。为分析心脏的活力，通常在相继时刻上利用计算机断层造影装置产生心脏的层析图像或者立体图像，其中，每个图像反映心脏的一个特定的运动阶段或一种特定的运动状态。

在此方面，在对心脏进行螺旋扫描时获取的原始数据的基础上产生图像。为避免运动伪影，主要存在两种建立方法，其中，对与扫描同时采集的EKG信号进行分析：

预期触发：

在预期触发中，从患者的EKG信号中确定出平均R-R持续时间。在该测定的时间间隔的基础上，借助百分值、例如80％来确定数据采集的开始。扫描然后例如仅在心脏运动的舒张期间或者在一个此前确定的阶段期间展望性地进行。

回顾触发：

回顾触发时的扫描首先与患者的心脏搏动无关地进行。EKG信号与扫描同时记录。扫描后将所采集的原始数据通过对EKG信号的分析与心脏运动的各阶段相对应，从而仅基于属于同一阶段的原始数据来进行再现。

心脏的喷射系数说明每次心脏搏动从左心室排出的血量作为评价心脏活力的间接度量。喷射系数从再现的心脏舒张期和收缩期图像的时间序列中计算出。

此外图像的时间序列还可以用于通过使用造影剂对心脏灌注的确定。造影剂在扫描开始时注入患者的静脉。随后在一个此前选择的测量范围内，作为对造影剂在相继的图像中浓度变化的度量来确定衰减值的变化。随后可以从造影剂浓度的时间变化中导出有关心脏活力的判断。然而，因为所观察的衰减值的变化与测量噪声相比非常小，所以由于很低的信噪间隔而不能始终明确确定造影剂浓度的变化。基于灌注的对心脏活力的测定只能以一定程度的不可靠性可行。

通过分析心脏的运动可以更准确地判断心脏的活力。但利用喷射系数和/或者灌注推断心脏的运动是远远不够的。

US 6236742 B1公开了一种用于识别恶性肿瘤的方法，其中，在图像中可以看到组织变化。在该公开的方法中，为两个在不同时间点上测定的图像在总图像分析的基础上补偿位移的和转动的运动部分。随后为全部图像点确定移动向量，从中计算出用于组织变化可视化的发散。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题在于，提供一种方法和一种断层造影装置，利用其可以在至少两个相继时刻上利用断层造影装置产生的图像基础上，以与公知的方法相比得到改进的方式利用简单的手段对对象的运动进行分析。

对象的运动可以作为不同运动分量的总和给出。在此其中两个分量分别表示运动的平移部分和转动部分。第三分量描述对象的扭曲或者变形。

周期性收缩的对象例如心脏的运动，基本上可以通过扭曲在时间上的变化或通过在时间上交替的收缩运动和扩张运动来表征。转动的和平移的运动部分在判断心脏的活力时不起作用。

本发明人认识到，在下述情况下可以利用特别简单的方式并以得到改进的形式对心脏的运动进行分析，即为两个时间上连续的图像首先测定一个由在所选择的图像区域内沿边缘确定的移动向量形成的向量场，并随后从该向量场中测定至少一个发散值。该向量场表示一个运动场，从而图像中一个点的发散值给出向该点或从该点向外的收缩运动或扩张运动的趋势。发散值的绝对值可以解释为对象的运动强度，而符号可以解释为对象的运动类型，其中，发散值的负号相当于对象的收缩运动，而发散值的正号相当于对象的扩张运动。因此通过给出发散值的绝对值和符号可以直接推断出心脏的运动。

因此依据本发明提出，为在至少两个相继时刻上利用断层造影装置产生的图像基础上对对象的运动进行分析，

-从各两个图像中测定构成向量场的移动向量，其中，每个移动向量描述在第一图像与第二图像之间的局部图像信息的移动，以及

-为分析该运动从该向量场中计算出至少一个发散值。

因此采用该过程可以按照简单的方式测定运动参数，利用其可以定性和定量地描述周期性运动的对象的运动特性。

发散值从向量场的偏导数中计算。发散值与运动的平移或者转动部分无关，从而即使对象，如心脏在某种极限下的情况中那样，在不同的运动阶段之间移动或者转动，也能够稳定且可靠地采集收缩或者扩张运动。

移动向量可以从两个图像中例如借助从视频压缩中公知的决匹配法确定。在这种方法中，将原始图像划分成同样大小、不重叠的正方块，其中，每个块例如由16×16个图像点组成。随后对每个块在目标图像中确定该块与目标图像中对应的块最相关的位置。在此该最佳相关的位置给出原始图像与目标图像之间块或局部图像区域的移动向量。在最简单的情况下，相关性从原始图像和目标图像中对应图像点之间的差值绝对值中计算出来。但原则上也可以将其他的成本函数用于计算移动向量。

因为原则上不能确定基本上均匀的图像区域中的移动向量，所以具有优点的是仅计算具有足够结构的所选择的图像区域的移动向量。

因此具有优点的是，在其基础上确定两个图像之间移动向量的图像信息是对象的边缘。对象边缘的特征特别是通过图像中的高对比度突变表示，并又可以在图像中以简单的方式识别。因此根据局部图像区域内衰减值的高差值，可以可靠的方式保证可靠地确定移动向量。可以特别有效地对具有角点的图像边缘确定移动向量。也就是说，通过一个角点可以唯一地确定移动的全部自由度。

在一种具有优点的实施方式中，所产生的图像为二维层析图像，其中，移动向量表示这些层析图像之间图像信息的二维移动。这种层析图像在心脏检查的范围内通常借助计算机断层造影装置产生，从而为分析对象的运动无需制作附加的图像。

作为另一种选择，同样可以设想所产生的图像为三维立体图像，其中，移动向量表示这些立体图像之间图像信息的三维移动。这些立体图像通常也在对象的检查范围内制作，从而为分析对象的运动无需重新采集图像。

通过分析在检查时本来就产生的图像，可以取消将附加的模态如MR或者SPECT用于例如心脏运动这种对象运动的分析。因此消除了患者的耗时和高花费的换位和检查准备。

最好计算多个发散值，从而通过这些发散值形成一个标量场。通过分析标量场可以避免单个发散值的干扰。这样例如通过取N个局部相邻发散值的平均值，可以将发散值的噪声降低因数1/根(N)。但也可以将其他数学函数用于消除发散值中的干扰。因此形成作为非线性运算的平均值使得可以例如抑制由于图像结构中的干扰而无效的发散值。

具有优点地将所产生的图像与至少一个计算出的发散值一起进行显示，从而操作人员可以迅速了解对象的运动变化。

分析可以仅在两个所选择的心脏阶段之间进行或者具有优点地在所采集的图像序列的基础上进行，其中，从各两个时间上连续的图像中计算出发散值，从而可以显示对象的时间上的运动变化。从心脏运动变化的时间序列中可以直接识别心脏是否存在病态的运动变化。

附图说明

下面的示意图中示出本发明的实施例以及本发明具有优点的其他构成。其中：

图1以透视图示出依据本发明的断层造影装置，该装置适用于实施对对象例如心脏的运动进行分析的方法；

图2以方框图示出用于对心脏的运动进行分析的依据本发明的方法的流程；

图3以图像示出与心脏的轮廓图像叠加的心脏扩张运动的第一向量场；

图4以图像示出与心脏的轮廓图像叠加的心脏收缩运动的第二向量场；

图5图形地示出在不同时刻采集的图像的序列以及与这些图像对应的发散值。

具体实施方式

图1以透视图示出依据本发明的断层造影装置，在这里为具有附图标记2的计算机断层造影装置，该装置适用于在至少两个相继时刻上利用该断层造影装置2产生的图像3、4的基础上对对象，在这里为具有附图标记1的患者16的心脏的运动进行分析。

计算机断层造影装置2配备有一个具有患者16可躺在上面的移动检查台18的支承装置17。检查台18可在旋转轴19的方向调整，从而与患者16相关的、心脏1所处的检查区可以通过计算机断层造影装置2外壳上的开口移动到拍摄系统20、21的测量区内。患者16和拍摄系统20、21按照这种方式可以在旋转轴19的方向彼此相对调整，从而可以采取不同的扫描位置。

为采集投影，拍摄系统20、21具有一个X射线管形式的辐射器20和一个与其相对设置的检测器21，其中，检测器21弧形地构成并包括多个排列成检测器行的检测器元件22。辐射器20产生扇形X射线射束形式的辐射，其穿过测量区并随后射中检测器21的检测器元件22。检测器元件22产生取决于穿过测量区的X射线衰减的衰减值。将X射线辐射转换成衰减值例如可分别借助与闪烁器光学耦合的光敏二极管或者借助直接转换的半导体进行。检测器21按照这种方式产生一组也称为投影的衰减值。

拍摄系统20、21可转动地设置在支架23上，从而可以采集来自不同投影方向的投影。通过支架23旋转的同时将患者16在旋转轴19方向上连续进给，可以在螺旋扫描时采集来自沿旋转轴19或沿患者16的不同位置上的不同投影方向的投影。将拍摄系统20、21按照这种方式获得的投影传送到计算单元24中并计算出可在显示单元25上显示的图像。该图像例如可以是检查区的层析图像或者立体图像。

在扫描的同时借助EKG装置27采集心脏的EKG信号26并通过数据线传送到计算单元24。对不同时刻或不同运动阶段的两个图像的再现由于心脏1不断的运动而只能在分析EKG信号的情况下才能进行。

主要存在两种不同的方法，其中，分析在扫描的同时采集的EKG信号26，以再现心脏1的运动阶段：

预期触发：

在预期触发中，从患者16的EKG信号26中确定心脏信号的平均R-R持续时间。在所确定的时间间隔的基础上，借助百分值例如80％来确定数据采集的开始。扫描然后仅在心脏运动的舒张期间或者在一个此前定义的心脏运动阶段展望地进行。

回顾触发：

在回顾触发中，扫描首先与患者16的心脏搏动无关地进行。EKG信号26与扫描同时记录。扫描后将所采集的原始数据通过对EKG信号26的分析与心脏运动的各阶段相对应，从而再现仅在属于同一阶段的原始数据的基础上进行。

使用产生心脏1的不同运动阶段的至少两个图像3、4或者一个图像序列的两种方法中的哪一种，对本发明来说并不重要。也可以使用其他的图像产生方法。重要的仅在于，所产生的图像3、4具有在心脏结构的投影上无运动伪影的清晰度。

计算机断层造影装置2具有计算装置14和分析装置15，从而图2中以方框图方式示出的方法可以为进行对心脏1运动的分析而运行。

在第一方法步骤28中，从与EKG信号26相关的原始数据中再现至少两个不同时刻的图像3、4，其中，这些时刻对应于心脏1的不同运动阶段。在此，图像3、4既可以是层析图像也可以是立体图像。

在第二方法步骤29中，如图3和4所示那样，从各两个图像3、4中确定由移动向量5；6形成的向量场7；8，其中，每个移动向量5；6描述第一图像3与第二图像4之间局部图像信息的移动。下面，第一图像称为原始图像3且第二图像称为目标图像4。

从这样确定的向量场7；8中随后至少为原始图像3中的一个图像点计算出一个发散值，通过其符号给出心脏的运动类型，并通过其绝对值给出可与目标图像4相关地给出心脏的运动强度。最好在心脏壁上确定图像点31的发散值，从而该发散值给出心脏壁在负号情况下收缩或者在正号情况下扩张的趋势。但同样可以设想发散与心脏中心上的一个点相关，从而该发散值相当于心脏的收缩运动或者扩张运动。在这种情况下，发散值的绝对值可以在考虑到移动向量的分布的情况下各自与一个特定的立体相对应。

不言而喻，也可以计算不同图像点的发散值的标量场。从该标量场中通过低通滤波或者形成平均值，一般情况下可以导出用于说明运动的无干扰值。

可将向量场7；8和/或者发散值的计算结果与图像3、4叠加并在显示单元25上显示以示出形态学的关系，从而操作人员可以直接得到心脏1周期性运动的定量分布和解剖学的概貌。数值的显示同样可以伪颜色编码的方式用于直观采集信息。

图3以图像示出心脏1扩张运动的第一向量场5，其中，向量场5与心脏的轮廓图像12叠加。实线示出心脏1在原始图像3中的边缘变化，虚线示出心脏1在目标图像4中的边缘变化。由于扩张运动，原始图像3的边缘变化相对于目标图像4的边缘变化向外移动。

对图像中的边缘12；13可以利用数字图像处理的不同方法进行提取。边缘的存在例如可以借助局部梯度的绝对值来计算。

向量场7的移动向量5在所示的实施例中不是对原始图像3的全部图像点确定的，而是仅对沿心脏1的边缘12的所选择的图像点确定的。通过在边缘12上的对比度突变而产生的高信噪比保证了移动向量5的可靠确定。移动向量5可以非常好地对针对具有角点的图像边缘来确定。也就是说，通过角点明确确定移动的全部自由度。

存在用于确定移动向量5的完全不同的方法。一种常用的方法是视频编码中使用的块匹配法。在这种方法中，将原始图像划分成相同大小的正方块，其中，每个块例如由16×16个局部相邻的图像点的图像区域10组成。在每个块上随后在目标图像4中确定该块与目标图像中对应的块达到最佳相关性的那个位置。在此该最佳相关的位置给出块或局部图像区域11在原始图像与目标图像3、4之间的移动向量5。

在最简单的情况下，相关性从原始图像和目标图像3、4中对应图像点之间的差值绝对值中计算。但原则上也可以将其他的成本函数用于计算移动向量5。

从这样计算出的向量场中可以按照下列规则计算发散：

$\mathrm{div}\left(\stackrel{\→}{V}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\∂V}_i}{{\∂r}_i}$

其中，

表示一个具有分量r₁至r_n的n维空间内一个图像点的位置向量，

表示具有分量V₁至V_n的移动向量，

表示根据位置分量r_i的V_i的偏导数。

图4以图像示出由移动向量6组成的第二向量场8，它与图3所示的第一向量场7的区别在于其对应于心脏1的收缩运动。该向量场8也与心脏1的轮廓图像叠加。

图5以图形示出在不同时刻采集的图像序列，其中，一个发散值9分别与两个时间上连续的图像3、4相对应。在该实施例中发散值9应与对象的壁相关。从发散值9的时间序列中可以进行对运动的全面分析，它超出在单独观察发散值9时所确定的运动类型和强度。从发散值9的时间变化中，例如可以导出心脏壁上的特定位置在心脏循环中是否周期性地收缩或扩张。为此目的，对时间上连续测定的发散值9之间的差值进行分析。

这里所介绍的方法并不局限于对心脏运动的分析上。该方法除了平移的和转动的运动外，也完全普遍适用于具有变形的对象。

本发明的主要思路可作如下概述：

本发明涉及一种方法和一种断层造影装置2，用于在至少两个相继时刻上利用断层造影装置2产生的图像3、4的基础上对对象1的运动进行分析，其中，从各两个图像3、4中测定一个由移动向量5；6形成的向量场7；8，以及其中为分析运动从该向量场7；8中计算出至少一个发散值9。该发散值9使得可以按照简单的方式定性和定量地采集收缩或扩张运动，其中，发散值9的符号给出对象1的运动类型，而绝对值给出对象1的运动强度。

Claims (16)

1.一种用于在至少两个相继时刻上利用断层造影装置(2)产生的图像(3，4)的基础上对对象(1)的运动进行分析的方法，其中，

-从所选择的图像区域内的各两个图像(3，4)中沿边缘测定构成向量场(7；8)的移动向量(5；6)，其中，每个移动向量(5；6)描述在第一图像(3)与第二图像(4)之间的局部图像信息的移动，以及

-为分析该运动从该向量场(7；8)中计算出至少一个发散值(9)。

2.按权利要求1所述的方法，其中，所述移动向量(5；6)从第一图像(3)的图像区域(10)与第二图像(4)的图像区域(11)的相关性中获得。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中，所产生的图像(3，4)为二维层析图像，并且所述移动向量(5；6)表示这些层析图像之间图像信息的二维移动。

4.按权利要求1或2所述的方法，其中，所产生的图像(3，4)为三维立体图像，并且所述移动向量(5；6)表示这些立体图像之间图像信息的三维移动。

5.按权利要求1至4之一所述的方法，其中，计算不同图像点上的多个发散值(9)，从而由这些发散值(9)形成一个标量场。

6.按权利要求1至5之一所述的方法，其中，将所产生的图像(3，4)与至少一个计算出的发散值(9)共同显示。

7.按权利要求1至6之一所述的方法，其中，产生多个图像，其中，从各两个时间上连续的图像(3，4)中计算出发散值(9)，从而可以显示对象(1)在时间上的运动变化。

8.按权利要求1至7之一所述的方法，其中，所述对象(1)为心脏。

9.一种用于在至少两个相继时刻上利用断层造影装置产生的图像(3，4)的基础上对对象(1)的运动进行分析的断层造影装置，具有

-计算装置(14)，用于测定由移动向量(5；6)形成的向量场(7；8)，所述移动向量可从所选择的图像区域内各两个图像(3，4)中沿边缘测定，其中，所述移动向量(5；6)描述第一图像(3)与第二图像(4)之间局部图像信息的移动，以及

-分析装置(15)，用于从该向量场(7；8)中计算出至少一个发散值(9)。

10.按权利要求9所述的断层造影装置，其中，所述移动向量(5；6)可从第一图像(3)的图像区域(10)与第二图像(4)的图像区域(11)的相关性中测定。

11.按权利要求9或10所述的断层造影装置，其中，所产生的图像(3，4)为二维层析图像，并且所述移动向量(5；6)表示在这些层析图像之间图像信息的二维移动。

12.按权利要求9或10所述的断层造影装置，其中，所产生的图像(3，4)为三维立体图像，并且所述移动向量(5；6)表示这些立体图像之间图像信息的三维移动。

13.按权利要求9至12之一所述的断层造影装置，其中，计算在不同图像点上的多个发散值(9)，从而使这些发散值(9)形成一个标量场。

14.按权利要求9至13之一所述的断层造影装置，其中，所产生的图像(3，4)可与至少一个计算出的发散值(9)共同显示。

15.按权利要求9至14之一所述的断层造影装置，其中，产生多个图像并且其中可从各两个时间上连续的图像中计算出发散值(9)，从而可以显示对象(1)的时间上的运动变化。

16.按权利要求9至15之一所述的X射线断层造影装置，其中，该断层造影装置(2)为计算机断层造影装置。

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