CN101478920A - 对狭窄的局部运动补偿重建 - Google Patents
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Abstract
冠状血管的狭窄的三维分析需要运动补偿重建。根据本发明的示例性实施方式，提供一种检查设备，其用于基于投影数据集执行对狭窄的局部运动补偿重建，其中在与狭窄的起点和终点有关的运动矢量的基础上执行局部运动补偿重建。
Description
本发明涉及断层摄影成像领域。具体来说，本发明涉及用于对感兴趣对象的局部运动补偿重建的检查设备，涉及用于对感兴趣对象的局部运动补偿重建的方法、图像处理装置、计算机可读介质以及程序单元。
当前，冠状血管的二维造影主要用于分析和量化狭窄。在例如心脏的运动结构的情况下，三维分析需要应用运动补偿重建技术。通常，针对整体数据集执行这种运动补偿重建。这可能需要许多计算工作量并可能因此耗费大量计算时间。
可能期望具有根据投影数据的改进的运动补偿三维狭窄重建。
本发明提供基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建的检查设备、图像处理装置、方法，以及带有根据独立权利要求的特征的计算机可读介质和程序单元。
应该注意到，以下描述的本发明的示例性实施方式也适用于所述方法、计算机可读介质、图像处理装置和程序单元。
根据本发明的示例性实施方式，提供一种检查设备，其用于基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建。所述检查设备包括重建单元，所述重建单元适用于：为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象的区域的起点和终点；基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；以及基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行所述感兴趣对象的所述区域的运动补偿重建；其中基于对与所述感兴趣对象有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象的所述区域的所述起点和所述终点的确定。
因此，所述检查设备可能适用于在与狭窄的起点和终点有关的运动矢量的基础上执行对该狭窄的局部运动补偿重建。此外，可以仅针对特定的(已识别的)区域而非全部图像执行该运动补偿重建。由此基于其起点和终点来识别该区域。然而，应该注意到，更多的识别特定区域的手段可能是适合的。
应该注意到，所有运动矢量均与参考状态有关。例如，选择对应于参考状态中的不同投影角的投影。然后，在参考状态投影中确定狭窄的起点和终点。之后，执行对参考起点和参考终点的三维计算(最终连同对这些点之间的平均(参考)距离函数的计算)。然后，执行所有投影上的起点、终点和参考距离函数的正投影，并确定针对所述投影的运动矢量。
根据本发明的另一示例性实施方式，所述检查设备进一步包括适用于沿扫描架的单次旋转采集所述投影数据集的探测器单元，以及沿所述扫描架的所述单次旋转采集心电图数据的心电图单元。
因此，根据本发明的这一示例性实施方式，投影数据和心电图数据都仅在扫描架旋转一次期间采集。然后所述心电图数据可以与所述投影数据一起用于运动补偿重建。
根据本发明的另一示例性实施方式，所述检查设备进一步适用于：确定所述感兴趣对象的中心线；在距所述感兴趣对象的参考点的第一距离处，确定垂直于所述中心线的所述感兴趣对象的第一半径，并在距所述感兴趣对象的参考点的第二距离处，确定垂直于所述中心线的所述感兴趣对象的第二半径，产生作为距离的函数的半径值。基于对所述距离函数的评估执行对所述感兴趣对象的所述区域的所述起点和所述终点的确定。
因此，所述距离函数代表垂直于中心线方向的冠状动脉的半径，并且可以存储为距冠状树的根部的距离的函数。
根据本发明的另一示例性实施方式，基于梯度驱动的二维样条自适应(spline adaption)和多尺度滤波器(multiscale filter)中之一执行对所述中心线的确定。
根据本发明的另一示例性实施方式，对所述函数的评估包括确定所述距离函数的一阶导数的最小值、确定所述距离函数的一阶导数的最大值以及确定所述距离函数的二阶导数的零点三者中的至少一个。
这可以提供对所述起点和所述终点的快速而有效的确定。
根据本发明的另一示例性实施方式，所述感兴趣对象是冠状动脉，且所述感兴趣对象的所述区域是所述冠状动脉的狭窄。
因此，根据本发明的这一示例性实施方式，可以提供根据投影数据的非交互式运动补偿狭窄重建。
根据本发明的另一示例性实施方式，所述检查设备适于作为为三维旋转X射线设备和三维计算机断层摄影设备中的一种。
在这一背景下应该注意到，本发明并不局限于计算机断层摄影术，而是当必须执行对感兴趣对象的区域的局部运动补偿重建且该区域(即动脉的狭窄)在图像中是可见的时，总是可以应用本发明。
根据本发明的另一示例性实施方式，所述检查设备被配置为包括三维旋转X射线设备、医学应用设备和显微CT系统的组中的一种。本发明的应用领域可以是医学成像，特别是介入性心脏X射线成像/冠状血管造影。
根据本发明的另一示例性实施方式，对所述感兴趣对象的所述区域的所述运动补偿重建是非交互式三维狭窄重建。
此外，所述检查设备可以适用于基于所述距离函数沿所述中心线的变化执行对所述感兴趣对象的所述区域的缩放操作。
应该注意到，可以在平均(参考)距离函数(其根据参考数据确定)的基础上执行对所述距离函数(即作为距离的函数的半径)的确定。为了做到这一点，如上所述地确定该平均距离函数并将其投影到每个投影上。此外，可以执行平移、旋转或缩放操作或任何其他适当的变换，从而使得这两个函数相互映射，由此允许所选的点乃至该平均距离函数的所有点的运动。
根据本发明的另一示例性实施方式，基于中心线的曲率、中心线的邻域的灰度值函数或承载与由中心线代表的血管片段相联系的信息的任何其他函数，执行每个投影的中心线到正投影的参考中心线的变换。
这可能提供改进的图像质量。
根据本发明的另一示例性实施方式，可以提供基于投影数据集执行对感兴趣对象的运动补偿重建的方法，所述方法包括以下步骤：为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象的区域的起点和终点；基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；以及基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量，执行对所述感兴趣对象的所述区域的运动补偿重建；其中基于对与所述感兴趣对象有关的距离函数的评估执行所述感兴趣对象的所述区域的所述起点和所述终点的确定。
这可以提供对狭窄的快速而有效的运动补偿重建。
根据本发明的另一示例性实施方式，可以提供一种用于局部运动补偿重建的图像处理装置，其包括用于存储所述感兴趣对象的数据集的存储器，以及适用于执行上述方法步骤的重建单元。
这一重建可以基于如以下文献所述的重建：2005年美国Salt Lake City的Proceedings of the 8th International Meeting on Fully Three-DimensionalImage Reconstruction中第360-363页D.
，A.Engler，J.Borgert和M.Grass的“Motion compensated cone beam filtered back-projection for 3Drotational X-ray angiography：A simulation study”，该文献以引用的方式合并于此。
根据本发明的另一示例性实施方式，可以提供一种计算机可读介质，其中存储了局部运动补偿重建的计算机程序，当处理器执行所述计算机程序时，所述计算机程序适于执行上述方法步骤。
除此之外，根据本发明的另一示例性实施方式，可以提供一种在投影数据集的基础上执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建的程序单元，当处理器执行所述程序单元时，所述程序单元适于执行上述方法步骤。
可以通过计算机程序(即通过软件)或通过使用一个或多个专用电子优化电路(即以硬件形式)或以混合形式(即借助于软件构件和硬件构件)来实现对感兴趣对象的检查。
根据本发明的示例性实施方式的程序单元可以优选加载到数据处理器的工作存储器内。因此可以配备该数据处理器以执行本发明的方法的示例性实施方式。可以用适当编程语言(例如C++)书写计算机程序，并可以将该计算机程序存储在计算机可读介质(诸如CD-ROM)上。同时，该计算机程序可以从网络(诸如万维网)上获得，可以将该计算机程序从该网络下载到图像处理单元或处理器或任何适当的计算机中。
可以看作本发明的示例性实施方式的要点的是，分析感兴趣冠状动脉的形状，并识别包括狭窄的区域。然后，在与该狭窄的起点和终点有关的运动矢量的基础上执行对该狭窄的局部运动补偿重建。
本发明的这些和其他方面将通过参考以下描述的实施方式而变得明显并得以阐明。
下面将通过参考以下附图描述本发明的示例性实施方式。
图1示出根据本发明的示例性实施方式的检查设备的简化图示；
图2示出根据本发明的另一示例性实施方式的检查设备的图示；
图3示出对三维旋转冠状血管造影采集的旋转运行的第一投影的图示；
图4示出对三维旋转冠状血管造影采集的旋转运行的第二投影的图示；
图5示出根据本发明的示例性方法的流程图；
图6示出根据本发明的图像处理装置的示例性实施方式，其用于执行根据本发明的方法的示例性实施方式。
附图中的图示说明是示意性的。在不同的附图中，对相似的或相同的元件提供相同的附图标记。
图1示出根据本发明的示例性实施方式的检查设备的简化图示。
本发明可以应用于三维旋转X射线成像领域或三维旋转血管造影成像领域。在这种情况下，可以通过传统X射线系统执行检查。
特别地，当必须识别冠状动脉的狭窄且必须在局部执行运动补偿重建时，可以使用本发明。
图1所示的设备是C形臂X射线检查设备，其包括借助于附加装置11附连到天花板(图1中未示出)上的C形臂10。C形臂10保持可以旋转安装在C形臂10上的X射线源12和探测器单元13，从而使得可以在不同的投影角下采集检查床14上的病人15的多个投影图像。
控制单元16适用于控制该源12和该探测器13的同步运动，这二者都围绕病人15旋转。
将由探测器单元13所产生的图像数据传送给由计算机控制的图像处理单元17。
此外，可以提供心电图(ECG)单元18用于记录病人心脏的心跳。然后将相应的ECG数据传送给图像处理单元17。
图像处理单元17适用于执行上述方法步骤。
此外，该系统可以包括适用于使所采集的图像可视化的监测器19。
然而，本发明也可以应用于计算机断层摄影领域。
图2示出根据本发明的计算机断层摄影扫描仪系统的示例性实施方式。
图2所示的计算机断层摄影设备100是锥形射束CT扫描仪。然而，本发明也可以通过扇形射束几何结构来执行。为了产生初级扇形射束，可以将孔径系统105配置为狭缝准直仪。图2所示的CT扫描仪包括扫描架101，该扫描架可围绕旋转轴102旋转。扫描架101是由马达103驱动的。附图标记104指示辐射源(诸如X射线源)，根据本发明的一个方面，该辐射源发射多色辐射或单色辐射。
附图标记105指示孔径系统，该孔径系统使从辐射源发射的辐射射束形成锥形辐射射束106。定向锥形射束106，从而使得它穿透布置在扫描架101中心处(即CT扫描仪的检查区中)的感兴趣对象107，并撞击探测器108。从图2可以看出，将探测器108与辐射源104相对地布置在扫描架101上，从而使得探测器108的表面由锥形射束106覆盖。图2所示的探测器108包括多个探测器元件123，每个探测器元件能够探测已经由感兴趣对象107散射的或穿透感兴趣对象107的X射线。
在扫描感兴趣对象107期间，辐射源104、孔径系统105和探测器108以箭头116所示的方向沿扫描架101旋转。为了使扫描架101与辐射源104、孔径系统105和探测器108一起旋转，将马达103连接到马达控制单元117，并将马达控制单元117连接到重建单元118(其也可以表示为计算单元或确定单元)。
在图2中，感兴趣对象107是安置在手术床119上的人类。在例如扫描人类107的心脏130期间，扫描架101同时围绕人类107旋转。由此，沿圆形扫描路径扫描心脏130。
而且，可以提供心电图装置135，其测量人类107的心脏130的心电图，同时由探测器108探测由经过心脏130而衰减的X射线。将与所测量心电图有关的数据传送给重建单元118。
探测器108连接到控制单元118。重建单元118接收来自探测器108的探测器元件123的探测结果(即读出)并基于这些读出确定扫描结果。此外，重建单元118与马达控制单元117相通信，以便通过马达103和120协调扫描架101的运动。
重建单元118可能适于根据探测器108的读出重建图像。由重建单元118产生的重建图像可以经由接口122输出给显示器(图2中未示出)。
重建单元118可以由数据处理器实现以处理来自探测器108的探测器元件123的读出。
图2所示的计算机断层摄影设备获取心脏130的心脏计算机断层摄影数据。换句话说，当扫描架101旋转时，由X射线源104和探测器108相对于心脏130执行圆形扫描。在这一圆形扫描期间，心脏130可能跳动多次。在这些跳动期间，采集多个心脏计算机断层摄影数据。同时地，可以由心电图单元135测量心电图。在已经采集这些数据后，将所述数据转移给重建单元118，且可以回顾性地分析所测量的数据。
由重建单元118处理所测量的数据，即心脏计算机断层摄影数据和心电图数据，重建单元118可以进一步由图形用户界面(GUI)140控制。这一回顾性分析基于使用回顾性ECG门控的心脏锥形射束重建方案。然而，应该注意本发明并不局限于这一具体数据采集和重建。
图3示出对三维旋转冠状血管造影采集的旋转运行的第一投影的图示。从图3可以看出，冠状动脉301包括具有起点303和终点304的狭窄302。
图4示出对三维旋转冠状血管造影采集的旋转运行的第二投影的图示。再一次，冠状动脉301的起点303和终点304是明显可见的。
如上面已经提到的，对于运动补偿狭窄重建，感兴趣体积(狭窄)的局部高分辨率运动补偿重建是充分的。因此，根据本发明的示例性实施方式，提供一种非交互式方法，其用于根据投影数据执行运动补偿三维狭窄重建。
图5示出根据本发明的示例性方法的流程图。该方法开始于步骤1，其中从辐射源朝向感兴趣对象发射射束(诸如X射线射束)。
然后，在步骤2中，在单次旋转运行中采集冠状动脉树的投影数据，同时并行记录心电图数据。
然后，在步骤3中，在二维血管造影片中确定感兴趣冠状动脉的中心线，例如通过使用适当的多尺度滤波器或通过梯度驱动的二维样条自适应，或任何其他血管性滤波器。
在接下来的步骤4中，确定垂直于中心线方向的冠状动脉的半径，并将其存储为距冠状树的根部(route)的距离的函数。例如，可以使用梯度的计算或用可变宽度拟合高斯分布来确定该半径。在这一函数中狭窄显示为半径的大幅减小并且跟随着在更长距离内的半径增加。其间，作为距离的函数的半径具有特征形状。该狭窄的起点和终点可以被探测为半径沿中心线的一阶(二阶)导数的最小值和最大值(零点)。对于来自旋转运行的许多投影，例如其中没有主解剖结构重叠的投影和其中投影方向不等于中心线方向的投影，可以将这些点从所述投影中提取出来，如图3所示。
然后，在步骤5中，起点和终点用于为其中狭窄可见的每个投影确定运动矢量。
而且，在确定起点的运动矢量和终点的运动矢量之后可以执行运动矢量场的插值。该插值可以是运动矢量的三维插值，诸如三线性插值，或者可以基于中心线的变换而执行。该插值导致对感兴趣区域的每个体素的各自运动矢量的确定。这可以提供运动补偿的提高的精确性。
此外，在步骤6中，将这些运动矢量用在后续的运动补偿重建处理中。这一运动重建处理可以等价于在三维支架增强(stent boosting)中应用的程序。
除起点和终点外，沿着狭窄的特征半径变化代表由于冠状运动引起的狭窄的缩放。可以在步骤7中执行这种缩放。
图7示出根据本发明的数据处理装置400的示例性实施方式，其用于执行根据本发明的方法的示例性实施方式。图7所示的数据处理装置400包括连接到存储器402的中央处理单元(CPU)或图像处理器401，该存储器402用于存储描述感兴趣对象(诸如病人或行李物品)的图像。数据处理器401可以连接到多个输入/输出网络或诊断装置(诸如CT装置)。此外，数据处理器401可以连接到显示装置403(例如计算机显示器)，用于显示在数据处理器401中计算或调适的信息或图像。操作员或用户可以经由键盘404和或其他输出装置(在图7中未示出)与数据处理器401相交互。
此外，经由总线系统405，也有可能将图像处理和控制处理器401连接到例如运动监测器，该运动监测器监测感兴趣对象的运动。在例如对病人的肺部成像的情况下，运动传感器可以是呼气传感器。在对心脏成像的情况下，该运动传感器可以是心电图。
本发明的示例性实施方式可以作为针对CT扫描仪控制台、成像工作站或PACS工作站的软件选项而售出。
应该注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。同时结合不同实施方式描述的元件可以进行组合。
还应注意，权利要求中的附图标记不应被解读为限制权利要求的范围。
Claims (15)
1、检查设备(100)，用于基于投影数据集执行对感兴趣对象(107)的局部运动补偿重建，所述检查设备(100)包括：
重建单元(118)，其适用于：
为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象(107)的区域(203)的起点(201)和终点(202)；
基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；
基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的运动补偿重建；
其中，基于对与所述感兴趣对象(107)有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
2、根据权利要求1所述的检查设备(100)，还包括：
探测器单元(108)，其适用于沿扫描架的单次旋转采集所述投影数据集；以及
心电图单元，其适用于沿所述扫描架的所述单次旋转采集心电图数据。
3、根据权利要求1所述的检查设备(100)，还适用于：
确定所述感兴趣对象(107)的中心线(204)；
在距所述感兴趣对象(107)的参考点的第一距离处，确定垂直于所述中心线的所述感兴趣对象(107)的第一半径，并在距所述感兴趣对象(107)的参考点的第二距离处，确定垂直于所述中心线的所述感兴趣对象(107)的第二半径，从而产生以作为距离的函数的半径值的形式的所述距离函数；
其中，基于对所述距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
4、根据权利要求3所述的检查设备(100)，
其中，基于梯度驱动的二维样条自适应和多尺度滤波器中之一执行对所述中心线的所述确定。
5、根据权利要求3所述的检查设备(100)，
其中，对所述距离函数的所述评估包括确定所述距离函数的一阶导数的最小值、确定所述距离函数的一阶导数的最大值以及确定所述距离函数的二阶导数的零点三者中的至少一个。
6、根据权利要求1所述的检查设备(100)，
其中，所述感兴趣对象(107)是冠状动脉；并且
其中，所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)是所述冠状动脉的狭窄。
7、根据权利要求1所述的检查设备(100)，将其配置为三维旋转X射线设备和三维计算机断层摄影设备中之一。
8、根据权利要求1所述的检查设备(100)，将其配置为包括医学应用设备和显微CT系统的组中的一种。
9、根据权利要求1所述的检查设备(100)，其中，所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述运动补偿重建是非交互式三维狭窄重建。
10、根据权利要求1所述的检查设备(100)，还适用于：
基于所述距离函数沿所述中心线的变化执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的缩放操作。
11、根据权利要求1所述的检查设备(100)，
其中，基于所述距离函数的曲率、灰度值函数或所述投影数据集的任何其他函数执行将中心线变换到正投影的参考中心线的确定。
12、用于基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建的方法，所述方法包括以下步骤：
为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象(107)的区域(203)的起点(201)和终点(202)；
基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；
基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的运动补偿重建；
其中，基于对与所述感兴趣对象(107)有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
13、一种图像处理装置，用于基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建，所述图像处理装置包括：
存储器，其用于存储所述感兴趣对象(107)的数据集数据；
重建单元(118)，其适用于：
为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象(107)的区域(203)的起点(201)和终点(202)；
基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；
基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的运动补偿重建；
其中，基于对与所述感兴趣对象(107)有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
14、一种计算机可读介质(402)，其中存储了用于基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建的计算机程序，当处理器(401)执行所述计算机程序时，所述计算机程序适于执行以下步骤：
为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象(107)的区域(203)的起点(201)和终点(202)；
基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；
基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的运动补偿重建；
其中，基于对与所述感兴趣对象(107)有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
15、一种用于基于投影数据集执行对感兴趣对象的局部运动补偿重建的程序单元，当处理器(401)执行所述程序单元时，所述程序单元适于执行以下步骤：
为所述投影数据集的投影确定所述感兴趣对象(107)的区域(203)的起点(201)和终点(202)；
基于所述起点确定第一运动矢量，并基于所述终点确定第二运动矢量；
基于所述第一运动矢量和所述第二运动矢量执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的运动补偿重建；
其中，基于对与所述感兴趣对象(107)有关的距离函数的评估执行对所述感兴趣对象(107)的所述区域(203)的所述起点(201)和所述终点(202)的所述确定。
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