CN101496061B - 用于计算交互尺度以修改图像数据集的可视化属性的方法、装置和计算机可读介质 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于对图像数据集进行基于尺度可视化的方法。该方法包括：识别图像数据集的第一组体素，其中第一组体素的体素包括图像数据集中在统计学上频繁出现的灰度值；识别第二组体素，其中第二组体素的体素包括图像数据集中在统计学上不频繁出现的灰度值；以及使用传递函数基于第一组体素和第二组体素计算尺度，其中传递函数是非线性的。通过将线性交互尺度改变为非线性尺度，该方法在有限量显示空间内需要高操作精确度的情况下提供了高操作精确度。重要图像/体积灰度值比其他较不重要的灰度值在可用显示空间上被给予了更高比例的交互空间。
Description
技术领域
本发明通常涉及图像分析领域。更具体地，本发明涉及用于显示例如来自计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)或超声成像(US)的扫描体积中存在的结构的三维体积可视化。
背景技术
显示参数控制在显示器上使二维或三维图像可视化的方式。可以借助于软件或硬件用户界面工具(gadget)对这些显示参数进行修改。
在二维成像和三维成像中，可以通过操作定值器来改变在屏幕上显示图像的方式。定值器是一种在图形系统中作为标量输入使用的逻辑类单元。定值器用于设置不同的图形参数，诸如旋转角、尺度因子，并且用于设置与特定应用有关的物理参数，诸如温度设置、电压级别等。
在屏幕上改变显示图像的方式的其他方法是通过在显示器上的特定区域上拖动鼠标或操纵杆或者通过与刻度盘盒(dialbox)上的轮子相互作用而进行的。刻度盘盒为包含6个或8个(硬件)刻度盘的盒子。这些刻度盘用于改变分配给它们的参数。用于修改(软件)参数的另一方式是使用为该目的设计的任何硬件设备。操作的结果是改变了用来显示灰度或彩色值的体素灰度值重建。
通过操作定值器或在显示器上的特定区域上拖动鼠标即所谓的直接鼠标操作(DirectMouseManipulation)，PhilipsViewForum工作站提供了改变来自图像数据集的体素的可视化的可能性。这可能导致改变了二维图像数据集的窗宽和窗位，或者改变了三维图像数据集中呈现的结构的可视性，即不透明度图。
现有技术的问题在于定值器工具几乎从未大到足以显示所需的尺度范围，因为可用于用户交互的屏幕区域的量是有限的。限制尺度范围以符合窗口屏幕区域导致分辨率的损失。为解决这个问题可以使用可修改的尺度范围和偏移。然而，尺度范围和偏移的修改需要耗时的额外的用户交互。
在ViewForum应用中，定值器和显示器拖动区域具有线性尺度范围。为了能够实现高交互精确度或覆盖更大的参数范围，修改定值器尺度范围和偏移是可能的。还可将拖动鼠标时的加速度用作与高灵敏度相交互或大步长相交互的鉴别器。然而当前不能实现这个特性，因为这种系统的行为难以预测，因此当鼠标在线性尺度上移动时更容易预测发生了什么。
另一个问题在于当通过在某个显示区域上拖动鼠标来操作图像显示参数时需要最小的灵敏度。当需要大的参数变化时多次拖动是不可避免的。当使用直接鼠标操作来改变参数时，需要能够覆盖所需(可能很大)范围并精确限定最终(可能很小)值。然而以当前线性尺度限定不能满足这个需求。尺度或者具有高灵敏度并且覆盖小的范围，或者具有低灵敏度并且覆盖大的范围。
因此，或者需要大量显示空间来精确地修改图像显示参数，或者需要许多用户交互来解决在有限量显示空间内精确执行给定任务的用户界面工具的高灵敏度。
因此，考虑到增加的灵活性、成本效率、时间效率和用户友好性的用于修改图像显示属性的一种改进的方法将具有优势。
发明内容
因此，本发明优选地试图逐一地或以任何组合的方式缓解、减轻或消除本技术领域中上述不足和缺点中的一个或多个，并且通过提供根据所附专利权利要求的方法、装置和计算机可读介质来至少解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于为图像数据集分配显示空间的方法，所述方法包括：
识别所述图像数据集的第一组体素，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
识别第二组体素，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
在本发明的另一方面，提供了一种用于为图像数据集分配显示空间的装置，所述装置包括：
第一识别单元，其用于识别所述图像数据集的第一组体素，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
第二识别单元，其用于识别第二组体素，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
计算单元，其使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
在又一方面中，提供了一种用于为图像数据集分配显示空间的装置，所述装置包括：
用于识别所述图像数据集的第一组体素的模块，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
用于识别第二组体素的模块，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
用于使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围的模块，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
本发明的目的是消除现有技术的缺陷并且在有限量显示空间内需要高操作精确度的情况下提供了高操作精确度。这可以通过以下方式来实现：通过在可用显示空间上给予重要图像数据集灰度值比其他较不重要图像数据集灰度值更高比例的交互空间，将线性交互尺度改变为非线性尺度。这意味着以最高可能的交互分辨率来考虑重要图像数据集灰度值，例如位于鼠标拖动起始位置邻近的灰度值。由于用户界面的有限的精确度，因此自动跳过具有非常低的重要性的灰度值。因此根据一些实施例的方法节省了宝贵的显示区域并且增加了交互性能。
附图说明
参考附图，根据下面对本发明实施例的描述，本发明具有的这些和其他方面、特征和优势将显而易见并得以阐明，在附图中
图1为来自PhilipsViewForum系统的屏幕转储；
图2为根据一实施例的方法的示意图；
图3为根据一实施例的方法的实际实现方式的图示说明；
图4为根据一实施例的装置的示意图；并且
图5为根据一实施例的计算机可读介质的示意图。
具体实施方式
图1图示说明了来自当前PhilipsViewForum系统10的屏幕转储，其包括具有尺度范围按钮12、13的定值器工具11。
下面的描述集中在本发明的实施例，这些实施例适用于通过在显示器上的诸如视口的某些区域上拖动鼠标或通过操作诸如定值器或专用硬件的用户界面工具来修改图像数据集(包括像素或体素)显示属性的应用，其中专用硬件诸如操纵杆或空间球或任何其他物理输入设备。
本发明消除了现有技术的上述缺陷并且在有限量显示空间内需要高操作精确度的情况下提供了高操作精确度。在大多数情况下不需要提供通过定值器、显示拖动区域或操纵杆对所有灰度值的访问。作为提供线性尺度的替代，尺度可以是非线性的。
根据图2，在一实施例中提供了一种用于使图像数据集可视化的方法。方法包括以下步骤：
识别21图像数据集的第一组体素以用于高精确度可视化，
识别22图像数据集的第二组体素以用于低精确度可视化，以及
基于第一组体素和第二组体素计算23尺度。根据该实施例的方法为重要体素(即第一组体素)提供了高精确度，并且为较不重要的体素(即第二组体素)提供了低精确度。这意味着第一组体素比第二组体素在可用显示空间上被给予了更高比例的交互空间。
在一实施例中，使用直方图均衡化来执行对第一组体素的识别和第二组体素的识别。直方图均衡化的中间结果是对于更常出现的体素灰度值具有更陡上升斜率(即高一阶导数)的传递函数f(x)(见下面更多细节)，通常通过定义具有以下形式的传递函数来执行直方图均衡化的数字化实现：
f(x)＝max(O，round[Dm*nx/N2]-1)，其中N为图像像素的数目，nx为小于或等于强度级别x的像素的数目。Dm为图像中出现的强度级别的数量。
为了根据非线性输出尺度计算图像像素值，通过该传递函数的反演(inverseversion)来映射输出尺度值。因此具有更常出现的灰度值的体素得到更多物理显示交互空间。
在另一实施例中使用沿着可用显示空间重新分布灰度值的任何其他方法来执行识别步骤。
在一实施例中计算步骤包含根据原始图像数据集中心周围的区域来导出尺度范围和偏移，因为感兴趣的结构更可能出现在图像数据集体素内容的中心。
在另一实施例中计算步骤包含根据初始显示拖动区域起始点周围的图像数据集体素内容来确定尺度范围和偏移，以防感兴趣结构不出现在图像数据集体素内容的中心。
在另一实施例中计算步骤包含根据在图像数据集中限定的感兴趣体积来确定尺度范围和偏移。
使用根据一些实施例的方法的结果是具有需要高操作分辨率的灰度值的体素比具有需要较少操作分辨率的灰度值的体素得以分配更多的显示空间。
在一实施例中，将所计算的尺度转送至绘制算法24，该绘制算法产生图像数据集的二维或三维可视化以在显示器上呈现。对于二维可视化和三维最大强度投影，根据各实施例的方法在限定灰度窗宽和窗位参数时有利。对于三维阴影体绘制的可视化，该方法在操作不透明度图或彩色图时是有益的。最大强度投影是三维图像体积沿着给定观察方向的二维投影。对于二维投影中的每个点，沿着给定观察方向投射射线穿过三维体积，并且随后二维投影中的点被赋予沿着射线遇到的最大值。以这种方式，三维体积中较低的亮度值决不会遮蔽二维投影中较高的亮度值。用户可以自由选择观察方向，例如通过鼠标交互，或围绕诸如垂直的身体轴线的给定轴线自动旋转。
根据图3，在一实施例中提供了方法的一种实际实现方式。通过使用直方图均衡化，更重要的灰度值，即具有更常出现的灰度值的体素，比具有较不常出现的灰度值的体素在更大的尺度上伸展。直方图在x轴上显示体素值并且在y轴上显示体素值出现的次数。因此比其他体素更常出现的体素在直方图上具有更高的峰。如上所述，通过累计直方图y轴值来计算传递函数f(x)。在f(x)的陡斜率处及其周围的值被给予更多的显示空间，因此具有更高的操作精确度。直方图均衡化的中间结果是查找表F(x)(见图3)，也可参见对熟知的直方图均衡函数的解释，该直方图均衡函数可以用于将原始直方图Ha变换为所谓的均衡化直方图Hb，例如通过查找表F将函数Ha中的值n转换为：n’＝F(n)，其中n’为函数Hb的新尺度值。为了从尺度值n’确定原始值n，可以借助于反函数F(x)找到尺度值n′。这可以从图3观察到，其中将直方图Ha在范围n到n+1中的体素映射到直方图Hb在变换后的范围n’到n+1’中的体素。作为使用函数Ha(x)的尺度以进行参数操作(其中x限定了体素位置)的替代，使用函数Hb(x)的尺度。对于范围n到n+1中的体素，获得了高的交互精确度；而对于该范围以外的体素，获得了低交互精确度。在一实施例中，体素为二维图像数据集中的像素。
根据图4，在一实施例中提供了用于图像数据集可视化的装置40。该装置40包括：
第一识别单元41，用于识别图像数据集中频繁出现的第一组体素以用于高精确度可视化，
第二识别单元42，用于识别图像数据集中不频繁出现的第二组体素以用于低精确度可视化，以及
计算单元43，其使用传递函数基于第一组体素和第二组体素计算尺度，其中传递函数是非线性的，并且包括导数，其中第一组体素的导数比第二组体素的导数高。
在本发明的一实施例中，装置40还包括绘制单元44，用于基于所计算的尺度对图像数据集的二维或三维可视化进行绘制。二维图像上的典型交互是灰度值自适应(窗位/窗宽)。三维图像设置交互较不常用。然而，三维图像上的典型的(专家级)交互是对不透明度图和彩色图的操作。
在一实施例中装置40还包括显示单元45，用于向用户显示绘制的二维或三维可视化。对于二维可视化和三维最大强度投影，所介绍的方法在限定灰度级窗宽和窗位参数时有用。对于三维阴影体绘制的可视化，该方法在操作不透明度图或彩色图时是有益的。
第一识别单元41、第二识别单元42、计算单元43和绘制单元44可以是通常用于执行有关任务的任何单元，例如，诸如具有存储器的处理器的硬件。处理器可以是任何种类的处理器，诸如Intel处理器或AMD处理器、CPU、微处理器、可编程智能计算机(PIC)微处理器、数字信号处理器(DSP)等。然而，本发明的范围不局限于这些特定的处理器。存储器可以是能够存储信息的任何存储器，诸如随机存取存储器(RAM)，诸如双密度RAM(DDR、DDR2)、单密度RAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、视频RAM(VRAM)等。存储器也可以是诸如USB的FLASH存储器、CompactFlash、SmartMedia、MMC存储器、MemoryStick、SD卡、MiniSD、MicroSD、xD卡、TransFlash和MicroDrive存储器等。然而，本发明的范围不局限于这些特定的存储器。
在一实施例中，该装置包括用于执行根据一些实施例的方法的单元。
在一实施例中，该装置被包括在诸如计算机断层摄影(CT)系统、磁共振成像(MRI)系统或超声成像(US)系统的医疗工作站或医疗系统中。
根据图5，在一实施例中提供了在其上包含用于由计算机处理的计算机程序50的计算机可读介质。所述计算机可读介质包括：
第一识别代码段51，用于识别图像数据集中频繁出现的第一组体素以用于高精确度可视化，
第二识别代码段52，用于识别图像数据集中不频繁出现的第二组体素以用于高精确度可视化，和
计算代码段53，用于使用传递函数基于第一组体素和第二组体素计算尺度，其中传递函数是非线性的，并且包括导数，其中第一组体素的导数比第二组体素的导数高。
在一实施例中，计算机程序50还包括绘制代码段54，用于基于所计算的尺度对图像数据集的二维或三维可视化进行绘制。二维图像上的典型交互是灰度值自适应(窗位/窗宽)。三维图像设置交互较不常用。然而，三维图像上的典型的(专家级)交互是对不透明度图和彩色图的操作。
在一实施例中，计算机程序50还包括显示代码段55，用于向用户显示绘制的二维或三维可视化。对于二维可视化和三维最大强度投影，所介绍的方法在限定灰度级窗宽和窗位参数时有用。对于三维阴影体绘制的可视化，该方法在操作不透明度图或彩色图时是有益的。。
在一实施例中，计算机可读介质包括代码段，将其布置为当被具有计算机处理属性的装置运行时，用于执行一些实施例中限定的所有方法步骤。
如果一应用使用根据一实施例的方法，那么可以如下地进行检测：1)将一图像加载到该应用中；并且2)检查用户界面工具的尺度或者为用户界面显示拖动区域或刻度盘盒确定尺度，在后面的情况中参数值应当在用户界面上的某处可见；3)将具有不同内容的另一图像加载到该应用中；并且4)检查用户界面工具的尺度或者为用户界面显示拖动区域或刻度盘盒确定尺度。当用户界面工具的尺度为非线性并且对两种情况不同时，使用根据一实施例的方法。
根据本发明的上述各实施例的应用和用途有多种，并且包括利用对用于使图像数据集可视化的图像数据集显示属性的修改的示例性领域。
本发明可以以任何适当的形式实现，包括硬件、软件、固件或它们的任意组合。然而，本发明优选地实现为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的计算机软件。本发明实施例的元件和组件可以以任何适当的方式物理地、功能地和逻辑地实现。当然，功能性可以在单个单元中、在多个单元中或作为其他功能单元的一部分实现。同样，本发明可以在单个单元中实现，或可以物理地和功能地分布在不同单元和处理器之间。
虽然已经在上面参考特定实施例对本发明进行了描述，但是并不意欲将本发明局限于本文所述的特定形式。相反，本发明仅由所附权利要求限定，并且除了上述特定实施例外的其他实施例同样可能在这些所附权利要求的范围内。特定实施例的组合也同样可能在本发明的范围内。
在权利要求书中，术语“包括/包含”不排除其他元件或步骤的存在。此外，虽然多种装置、元件或方法步骤被独立列出，但是它们可以例如通过单个单元或处理器实现。此外，虽然独立的特征可能被包括在不同的权利要求中，但是可以有利地将这些特征进行组合，并且包括在不同的权利要求中并不意味着特征的组合不可行和/或不具优势。此外，单数形式的引用不排除复数形式。术语“一”、“一个”、“第一”、“第二”等不排除复数形式。权利要求中的附图标记仅作为说明性示例而被提供，而不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。
Claims (20)
1.一种用于为图像数据集分配显示空间的方法，所述方法包括：
识别所述图像数据集的第一组体素，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
识别第二组体素，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传递函数具有导数，其中，所述第一组体素的导数比所述第二组体素的导数高。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于计算出的尺度范围在显示器上以第一分辨率使所述第一组体素可视化，以及以第二分辨率使所述第二组体素可视化，其中，所述第一分辨率比所述第二分辨率高。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传递函数通过累计直方图中每个体素值出现的次数而计算。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述计算包括基于从直方图均衡化导出的查找表来将原始直方图Ha变换为均衡化直方图Hb。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括通过所述传递函数的反演来计算所述尺度范围的原始体素值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算尺度范围包括使用所述传递函数根据出现在所述图像数据集中的所述第一组体素和所述第二组体素来导出所述尺度范围。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算尺度范围包括使用所述传递函数根据出现在所述图像数据集中心周围的区域中的体素来导出所述尺度范围。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算尺度范围包括使用所述传递函数根据出现在限定结构内的体素来导出所述尺度范围。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算尺度范围包括根据初始显示拖动区域起始点周围的图像数据集体素内容来确定所述尺度范围。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像数据集为二维或三维医学图像数据集。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括绘制(24)所述计算出的尺度范围以产生所述图像数据集的二维或三维可视化以便在显示器上呈现。
13.一种用于为图像数据集分配显示空间的装置(40)，所述装置包括：
第一识别单元(41)，其用于识别所述图像数据集的第一组体素，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
第二识别单元(42)，其用于识别第二组体素，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
计算单元(43)，其使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
14.根据权利要求13所述的装置(40)，还包括绘制单元(44)，其用于基于所述计算出的尺度范围对所述图像数据集的二维或三维可视化进行绘制。
15.根据权利要求14所述的装置(40)，还包括显示单元(45)，其用于向用户显示所绘制的二维或三维可视化。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的装置，其被包括在包括计算机断层摄影(CT)系统、磁共振成像(MRI)系统或超声成像(US)系统的医疗工作站或医疗系统中。
17.一种用于为图像数据集分配显示空间的装置，所述装置包括：
用于识别所述图像数据集的第一组体素的模块，其中，所述第一组体素的体素包括所述图像数据集中更常出现的灰度值，
用于识别第二组体素的模块，其中，所述第二组体素的体素包括所述图像数据集中较不常出现的灰度值，以及
用于使用传递函数针对所述第一组体素和所述第二组体素计算尺度范围的模块，其中，所述传递函数是非线性的，从而使得与所述第二组体素相比，所述第一组体素被给予更多显示空间。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括用于绘制所述计算出的尺度范围以产生所述图像数据集的二维或三维可视化以便在显示器上呈现的模块。
19.根据权利要求17所述的装置，还包括用于下列操作的模块：基于所述计算出的尺度范围在显示器上以第一分辨率使所述第一组体素可视化，以及以第二分辨率使所述第二组体素可视化，其中，所述第一分辨率比所述第二分辨率高。
20.根据权利要求17所述的装置，还包括用于通过所述传递函数的反演来计算所述尺度范围的原始体素值的模块。
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