CN101299965A - 用于在介入操作期间进行轮廓绘制和图像显示的图像处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种医学观察系统，其中采集身体体积的3DRA图像并在介入期间在身体体积内采集二维活动图像数据。执行有关3D图像的直接体积轮廓绘制，从而产生3D图像的轮廓绘制，该轮廓绘制由与3D图像数据的体素的半透明度成比例的数值组成，并且在得到的身体体积的轮廓绘制中显示2D图像的活体序列(18)。用户可控制在所显示的轮廓绘制中的阴影和/或对比度的水平。

Description

用于在介入操作期间进行轮廓绘制和图像显示的图像处理系统和方法

本发明通常涉及一种图像处理系统和方法，用于在介入操作期间通过采集有关活体对象的二维活动图像而能够对其体内部分进行可视化和研究，并且用于显示相对于三维体数据的二维活动图像。

在医学诊断和治疗领域，更确切地说在X射线透视的背景中，特别注重对活体对象的身体体积和体内部分进行成像。因此，下面将通过举例的方式来考虑生物体体积的X射线投影，但本发明并不局限于此，而是可用于具有相似次要条件的所有应用领域中。

参照附图1和2，典型的X射线系统包括通过机器臂3支撑近端患者台2的摇臂(C形弧或G形弧)1。容纳在摇臂1内，设有X射线管4和X射线探测器5，X射线探测器5布置并配置成接收穿过患者7并产生表示其强度分布的电信号的X射线6。通过移动摇臂1，能将X射线管4和探测器5放置在相对于患者7的任何期望位置和取向上。

在各种类型疾病的治疗中，通过透视观察导管在患者血管系统中的行进提供了特定的医学应用。因而，在介入期间，需要在X射线监视(透视)下推进导管或导丝和/或引入支架或线圈，并且尽可能精确地通过血管到达感兴趣的体内部分。当执行这一操作时，通过经由导管引入短脉冲的射线透不过的造影剂，并使用例如参照附图1和2所述的系统获得X射线图像，在第一监视器上在较短时间内看到二维活动图像形式的血管结构。

为了患者的安全，非常期望使对X射线的暴露最小，并同样使引入体内的造影剂量最小，因此众所周知的是在介入期间在第二监视器上显示一个或多个关于感兴趣区域所采集的介入前X射线图像，以便辅助导航。这些介入前图像作为血管系统的“血管图”或“路标”为巡诊医师提供取向支持。为了在例如导管放置期间提高导引，已经研发了各种方法将这种路标信息叠置到介入期间获得的透视图像上，这些内容例如在WO2004/04329中进行了描述。

然而，对于医师而言非常期望能够以三维形式观看在介入期间采集的二维透视图像数据，因为这将能够对介入数据进行实时跟踪，同时显著地降低在介入操作期间对患者的造影液和X射线暴露负荷。三维图像数据例如可以借助于3D旋转扫描来采集(任选地其中将造影剂注入待成像的身体体积内)，因为这样的扫描(即，3D旋转血管造影或3DRA)常规是在任何为了诊断和治疗评估的介入之前获得的，所以这样获得的三维图像数据可能特别有优势。

轮廓绘制对于有效传送大量信息，例如具有少许笔画(stroke)的体模型结构(参见图3b，其是动脉瘤的轮廓绘制，相比较的是图3a所示的动脉瘤表面绘制)是很有用的。轮廓绘制算法可以划分为两个子类：

1.基于多边形的表示(表面绘制)

2.针对体积体素定制的表示(直接体积绘制)

如本领域的技术人员应当理解的，对于多边形网格而言，轮廓边缘由将背面多边形连接到正面多边形的所有边缘的可见线段组成，并且在速度和鲁棒性方面存在用于基于多边形的表示的非常有效的轮廓绘制算法。然而，基于多边形的表面绘制技术存在若干缺点，包括血管分割所需的庞大预处理开销和大量存储器(由此降低或消除了静脉信号)以及等表面的生成/表示。在3DRA体积的血管分割背景中，骨或其他不透明物质的存在使得进行自动血管分割很困难。在此，这种分割通常需要一些用户交互进行微调，考虑到庞大预处理开销，这是相当麻烦的。此外，精细分割可导致表面表示和体积表示之间的差别(丢失了小血管)。

通过代替地使用体素表示，理论上能克服上面有关多边形表示略述出的问题。然而，虽然针对基于体素的轮廓绘制存在各种各样的方法，但是这些方法没有一种能在速度方面与基于多边形的方法竞争，这至少部分是因为这样的事实：已知的基于体素的各方法全都使用某种形式的精细分类，以通常根据体素的不连续性来探测边界/外轮廓。

因此，本发明的目的是提供一种图像处理系统和方法，其能够对关于身体体积捕获的二维图像数据进行三维表示的轮廓绘制，这种图像处理系统和方法在关于二维活动图像数据使用时速度足够快，而不会产生与常规的基于多边形的表示有关的庞大预处理开销。

根据本发明，提供了一种用于对身体体积的图像进行显示的图像处理系统，该系统包括用于接收有关所述身体体积的三维图像数据的装置；用于生成所述三维图像数据的直接体积轮廓绘制的轮廓绘制装置，所述轮廓绘制由与所述三维图像数据的体素的半透明度成比例的数值组成；以及用于显示得到的轮廓绘制的装置。

同样根据本发明，提供了一种用于对身体体积的图像进行显示的方法，包括接收有关所述身体体积的三维图像数据，生成由与所述三维图像数据的体素的半透明度成比例的数值组成的直接体积轮廓绘制，以及显示得到的轮廓绘制。

本发明延伸到一种用于显示医学图像序列的医学观察系统，该系统包括采集有关身体体积的三维图像数据的采集装置，采集所述身体体积内部二维图像序列的采集装置，如上定义的图像处理装置以及在所述三维图像数据显示的轮廓绘制内显示二维图像序列的装置。

由于在轮廓绘制期间可使体素的半透明度而不是体素密度可视化，因此亮度的变化是反向的并且身体体积内的结构(例如，血管)在轮廓处具有最大亮度而在中央处具有最小亮度，并且有可能在几乎没有任何附加开销的情况下实现关于用于显示的轮廓绘制的附加的、相对快速的二维图像处理技术。因而，更具体地，图像处理装置可包括改变用于显示的轮廓绘制中的对比度和/或阴影水平的装置。在优选实施例中，可设有控制装置，有利的是模拟控制装置(例如，滑块控制装置)以使用户能够选择并控制用于显示的轮廓绘制中的对比度和/或阴影水平。可设有边缘增强装置以借助于例如反锐化3*3卷积滤波器加强轮廓对比。可设有用于执行关于用于显示的轮廓绘制的强度校正(例如，反伽马校正)，从而能够使身体体积内结构的暗度水平得到控制的同时保持轮廓的亮度的装置。

由轮廓绘制装置执行的直接体积轮廓绘制可通过例如光线投射法或借助于对按后至前或前至后排序通过体素密度的体积的纹理切片进行绘制来实施。

本发明的这些方面及其他方面将从本文所描述的各实施例中变得明显，并且将参考这些实施例进行阐述。

现在将仅通过举例的方式并参照附图来描述本发明的各实施例，其中：

图1是X射线摇臂的示意性侧视图；

图2是X射线摇臂的透视图；

图3a和3b分别是动脉瘤的表面绘制和轮廓绘制；

图4是示出了根据本发明举例说明性实施例的图像显示系统的主要特征的示意性方块图；以及

图5示出了改变3D阴影程度的图像A到D。

在介入之前，进行3D旋转扫描的采集、重建并准备可视化。在实际的介入期间，进行2D活体(透视)图像的采集、处理并结合3D体积进行可视化。在介入期间，可基本上实时地结合3D体积显像2D图像，或者可将2D图像进行预处理和/或存储，使得能对它们进行回顾并且结合和关于体数据进行呈现。此外，可将活体透视数据不断地存储于能在任何时间进行回顾的循环缓冲器(具有3D体数据)中，而不存储在长期存储介质中。

如上面所提到的，轮廓绘制对于有效传送大量信息，例如具有少许笔画的体积模型结构是很有用的。通过将用于绘制体数据的轮廓与2D活体数据结合，仍可传送大量的体积信息，同时这种绘制方法提供了对活体数据的最小干扰。如上面所解释的，与多边形表示(表面绘制)相比，在速度和鲁棒性方面存在有效的轮廓绘制算法，但仍存在与该技术有关的若干缺陷，这些缺陷使得该技术不适于在结合3D体数据可视化2D活动图像数据中使用。

常规的基于纹理的轮廓绘制根据体素的不透明度使用某种形式的等表面提取，以便精细提取轮廓。

参照附图4，以示意性方块图的形式示出了根据本发明举例说明性的实施例的图像显示系统，用于显示3D旋转血管造影的路标，其中连同3D重建血管信息一起显示2D活动图像。所示系统包括用接收表示身体体积的三维图像数据的装置10，其用例如3DRA(旋转血管造影)技术来采集图像数据。该图像数据在模块12中进行重建。同样还提供装置16用于接收例如当手术器械穿过身体体积时借助于X射线透视技术所采集的有关身体体积的二维活动图像数据。将所产生的活动图像(方块18表示)馈送给图像合成模块38并在模块40中进行显示。窗宽/窗位范围选择模块24绘制与装置10所采集的3D图像有关的身体体积的半透明度，后面还将对此做出更详细的描述，并将得到的控制数据馈送给3D体积可视化模块12。借助于(在图形处理单元或GPU上运行的)2D图像处理模块20可更突出轮廓，同时使血管内部变暗，并可生成所得到的图像A-D，如附图5所示。借助于轮廓(滑块)控制模块26，用户能够从A到D逐渐地遍历模块40上显示的图像，从而控制所需的3D阴影量。

在已知的基于纹理轮廓绘制方法中，使用一种将规则体数据集作为输入，而无需诸如梯度的任何附加信息的算法。在使用等表面提取以前至后的方式对多边形进行切片的约束下，通过使用3D纹理处理实现数据集的绘制。在这种已知的3DRA体积的直接体绘制中，得到的数值表示射线透不过的体素密度，其中血管在中央处具有其最大亮度而在轮廓处具有最小亮度。然而，根据本发明，对体素的半透明度(使用图4中模块24的正常窗宽/窗位范围选择)，而非体素的密度进行可视化，使得该亮度的变化是反向的，而血管在外轮廓处具有最大亮度。为了强化轮廓的对比度，边缘增强可借助于已知的反锐化掩模3*3卷积滤波器应用。最终，为了控制血管的暗度水平，同时保持轮廓的亮度，可应用强度校正(例如，反伽马校正)。通过控制滤波器内核和强度校正(在图4中的控制模块26处)，用户可选择和控制在显示装置40上显示的图像中期望水平的2D/3D对比度/阴影。通过使用已知的图形硬件，在几乎没有任何附加开销的情况下可快速实现本发明提出的附加2D图像处理。

如上所述，在本发明中，对体素的半透明度而非体素的密度进行可视化，并且这可通过对已知的直接体绘制算法进行细微修正来实现，这种算法例如由Zoltan Nagy和Reinhard Klein在“High-Quality SilhouetteIllustration for Texture-Based Volume Rendering”，Journal of WSCG，第12卷，No.1-3，ISSN 1213-6972中进行了描述，并对于本领域的技术人员来说是显然的。所得的体绘制等式可通过光线投射法或借助于使用例如下面的算法对按后至前或前至后排序通过体素密度的体积的纹理切片进行绘制来实现：

后至前绘制：

对于每次(切片，s，从后至前)

颜色＝s.不透明度*s.颜色+(1-s.不透明度))*颜色

前至后绘制：

颜色＝0

不透明度＝0

Foreach(切片，s，从前至后)

颜色＝颜色+(1-s.不透明度)*s.不透明度*s.颜色

不透明度＝不透明度+(1-不透明度).s.不透明度

在两种算法中，颜色先由体素的不透明度进行预乘；其中s.颜色＝s.col*s.不透明度

现在用体素的半透明度进行预乘

其中s.颜色＝s.col*(1-s.不透明度)

体积的半透明度能够得到绘制。

应当注意的是，上面提到的实施例是对本发明进行说明而非限制，并且本领域的技术人员在不脱离权利要求书所界定的本发明范围的情况下能够设计很多备选的实施例。在权利要求书中，任何放在圆括号内的参考标记不应理解为对该权利要求的限制。词语“包括”等类似用语并不排除存在除了那些列在任一项权利要求或作为整体的说明书中的元件或步骤之外的元件或步骤。一种元件的单个参考并不排出这种元件的多个参考，反之亦然。本发明可借助于包括若干不同元件的硬件，以及借助于适于编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，若干这些装置可具体化为一个和相同项目的硬件。在相互不同的从属权利要求中引用某些测量的这一事实并不表明使用这些测量的组合没有优势。

Claims (10)

1、一种用于对身体体积的图像进行显示的图像处理系统，所述系统包括用于接收有关所述身体体积的三维图像数据的装置(12)；用于生成所述三维图像数据的直接体积轮廓绘制的轮廓绘制装置(24)，所述轮廓绘制由与所述三维图像数据的体素的半透明度成比例的数值组成；以及用于显示所述得到的轮廓绘制的装置(40)。

2、根据权利要求1所述的系统，还包括用于改变所述用于显示的轮廓绘制中的对比度和/或阴影水平的装置(26)。

3、根据权利要求2所述的系统，包括用于使用户能够选择并控制所述用于显示的轮廓绘制中的对比度和/或阴影水平的控制装置(26)。

4、根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制装置(26)包括模拟控制装置。

5、根据权利要求4所述的系统，其中，设有边缘增强装置(20)以加强轮廓的对比度。

6、根据权利要求5所述的系统，其中，所述边缘增强装置包括卷积滤波器。

7、根据权利要求1所述的系统，包括用于执行关于用于显示的轮廓绘制的强度校正，从而能够使所述身体体积内结构的暗度水平得到控制同时保持所述轮廓的亮度的装置(20)。

8、根据权利要求1所述的系统，其中，由所述轮廓绘制装置(24)执行的直接体积轮廓绘制是通过光线投射法或借助于对按后至前或前至后排序通过体素密度的体积的纹理切片进行绘制来实现的。

9、一种用于对身体体积的图像进行显示的方法，包括如下步骤：接收有关所述身体体积的三维图像数据，生成由与所述三维图像数据的体素的半透明度成比例的数值组成的直接体积轮廓绘制，以及显示所述得到的轮廓绘制。

10、一种用于显示医学图像序列的医学观察系统，所述系统包括采集有关身体体积的三维图像数据的采集装置(10)，采集所述身体体积内二维图像序列(18)的采集装置(16)，根据权利要求1所述的图像处理系统以及在所述三维图像数据显示的轮廓绘制内显示所述二维图像序列(18)的装置(38、40)。

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