CN101536039B

CN101536039B - 用于基于体积图像数据集绘制图像的系统、方法和装置

Info

Publication number: CN101536039B
Application number: CN2007800406668A
Authority: CN
Inventors: C·P·菲瑟
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: WO2008132563A2; EP2080170A2; WO2008053420A3; JP2010508570A; WO2008132563A3; ATE463809T1; EP2080170B1; JP5225999B2; US20100053159A1; WO2008053420A2; DE602007005829D1; US10275930B2; CN101536039A

Abstract

本发明涉及一种用于基于体积图像数据集绘制图像的系统(100)，该系统包括：计算单元(110)，其用于计算该图像的像素的初始像素强度，该初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；以及调整单元(120)，其用于基于初始像素强度并基于相应体素的位置计算该像素的最终像素强度。因此，本发明的系统能够实现体积图像数据集的新的可视化。有利地，与使用需要调节图像数据集中所包括的体素的强度的VIP技术的系统不同，本发明的系统被布置为调整像素的强度。相对于VIP技术的计算复杂性，这降低了该系统所采用的绘制技术的计算复杂件。

Description

用于基于体积图像数据集绘制图像的系统、方法和装置

技术领域

本发明涉及医学图像数据可视化领域，并更具体地涉及体积医学图像数据的可视化。

背景技术

从用户的观点来看，体积可视化允许用户快速检查体积图像数据集并选择用户(诸如放射学家)感兴趣的区域。如最大强度投影(MIP)、最近脉管投影(CVP)和平均强度投影(AIP)等算法是基于光线投射的。对于所显示图像的每个像素，光线从所述像素投射穿过图像数据体积(通常为板层(slab))。基于沿着所投射光线的体素的强度来计算像素的强度。对于MIP，像素的强度是沿着具有最高强度的所投射光线的体素的强度。对于CVP，像素的强度是沿着具有大于CVP阈值的最大强度(可能是局部最大强度)的所投射光线的第一体素的强度。对于AIP，像素的强度是沿着所投射光线的体素的强度的平均值。然而，这些图像中所包括的信息未考虑沿着所投射光线的像素的位置。

最近，Philips医学系统引入一种被称为体积强度投影(VIP)的新方法。VIP的理念是将沿着从像素投射的光线的体素的强度乘以权重因子。体素到所述像素的距离越大，权重因子越小。然后使用例如MIP，将带有加权强度的体素用于计算图像。

当前的绘制技术具有其优点和缺点。例如，假设体积包括彼此靠近且亮度稍微不同的大量脉管。当在这种情况下应用VIP技术时，更远离观察平面的脉管看起来比更靠近观察平面的脉管更暗，这可能给放射学家以错觉，即更远离观察平面的脉管比更靠近观察平面的脉管具有更少的血流。另一方面，假设体积包括椎骨顶部上的主动脉，且该主动脉和该椎骨二者具有相似的强度。在这种情况下应用VIP技术有利地导致主动脉看起来比椎骨更亮。其他绘制技术对于可视化体积图像数据集可能也是有用的。

发明内容

可能有利的是具有一种基于体积图像数据集绘制图像的系统，其利用能够提供关于可视化的体积图像数据集的进一步的信息的新的绘制技术。

为解决这一问题，在本发明的一方面，一种用于基于体积图像数据集绘制图像的系统包括：

-计算单元，其用于计算图像的像素的初始像素强度，该初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-调整单元，其用于基于初始像素强度并基于相应体素的位置计算像素的最终像素强度。

计算单元可以采用各种绘制方法(例如但不限于MIP和CVP)来计算初始像素强度。调整单元能够在相应体素的位置的基础上调整所计算的初始像素强度，所述相应体素在例如MIP的情况下为从所述像素投射出的光线上的体素中具有最高强度的体素，计算单元利用该相应体素的位置计算初始强度。例如，最终像素强度可能随着所述相应体素到包括各像素的观察平面的距离而成比例地减弱。因此，本发明的系统能够实现体积图像数据集的新的可视化。该系统可以成功应用于的体积图像数据集的示例是包括彼此接近且在背景中强度稍微不同的小的交叉脉管的图像。有利地，与使用需要调整图像数据集中所包括的体素的强度的VIP技术的系统不同，本发明的系统被布置为调整像素的强度。相对于VIP技术的计算复杂性，这降低了该系统所采用的绘制技术的计算复杂性。

在该系统的实施例中，所述系统还包括权重单元，其用于基于相应体素的位置计算像素的像素权重，且最终像素强度是初始像素强度与像素权重的乘积。将最终像素强度定义为初始像素强度与像素权重的乘积是易于实现且容易解释的。通常，定义像素权重以增强结构在图像的前景中的可见性，并抑制结构在图像的背景中的可见性。

在该系统的实施例中，利用正交光线投射来绘制图像，且最终像素强度取决于从相应体素到观察平面的距离。这允许使体素深度可视化，该体素深度在很多绘制技术(诸如MIP和CVP)中都是不能被可视化的。

在该系统的实施例中，基于最大强度投影或最近脉管投影来计算初始像素强度。这些计算量较小的绘制技术速度较快，且该系统的大多数用户——诸如放射学家的医学专业人士——都熟悉这些技术中的至少一种。

在该系统的实施例中，基于用户输入计算像素权重。可以基于权重函数计算这些权重。该权重函数可以是从相应体素到观察平面的距离的函数。该系统可以包括用于确定权重函数的工具。例如，可以使用由一些用户定义的控制点控制的B样条函数或贝塞尔曲线来定义该权重函数。这使得用户能够操作权重以便绘制最优图像。

在本发明的另一方面，根据本发明的系统被包括在图像采集装置中。

在本发明的另一方面，根据本发明的系统被包括在工作站中。

在本发明的另一方面，一种基于体积图像数据集绘制图像的方法，包括：

-计算步骤，其用于计算所述图像的像素的初始像素强度，初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-调整步骤，其用于基于初始像素强度和相应体素的位置计算像素的最终像素强度。

在本发明的另一方面，一种用于基于体积图像数据集绘制图像的装置包括：

-用于计算所述图像的像素的初始像素强度的模块，所述初始像素强度由所述体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-用于基于所述初始像素强度并基于所述相应体素的位置计算所述像素的最终像素强度的模块。

技术人员基于本说明书可以执行对图像采集装置、工作站、方法和/或计算机程序产品的修改和改变，这些修改和改变对应于系统的修改和改变。

技术人员将意识到所述方法可以应用于通过各种采集模态所采集的体积(即三维(3D)或四维(4D))图像数据，所述采集模态例如但不限于计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声(US)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)以及核医学(NM)。

附图说明

根据下文中描述的实现方式和实施例并通过参考附图，本发明的这些和其他方面将变得明显并得以阐明，其中：

图1示意性地示出所述系统的示例性实施例的框图；

图2示意性地图示说明利用MIP和CVP计算初始强度；

图3示出用于基于线性权重函数确定像素权重因子的示例性控制面板；

图4示出用于基于非线性权重函数确定像素权重因子的示例性控制面板；

图5示出所述方法的示例性实现方式的流程图；

图6示意性示出图像采集装置的示例性实施例；以及

图7示意性地示出工作站的示例性实施例。

在所有附图中相同的参考数字用于指示相似的部分。

具体实施方式

图1示意性示出用于基于体积图像数据集绘制图像的系统100的示例性实施例的框图，该系统包括：

-计算单元110，用于计算图像的像素的初始像素强度，该初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-调整单元120，用于基于初始像素强度和相应体素的位置计算像素的最终像素强度。

系统100的示例性实施例还包括以下任选单元：

-权重单元115，用于基于相应体素的位置计算像素权重，且最终像素强度是像素强度与像素权重的乘积；

-控制单元160，用于控制系统100中的工作流程；

-用户接口165，用于与系统100的用户通信；以及

-存储单元170，用于存储数据。

在系统100的实施例中，存在用于引入数据的三个输入连接器181、182和183。第一输入连接器181被布置为接收从数据存储工具进入的数据，该数据存储工具例如但不限于硬盘、磁带、闪存或光盘。第二输入连接器182被布置为接收从用户输入设备进入的数据，该用户输入设备例如但不限于鼠标或触摸屏。第三输入连接器183被布置为接收从用户输入设备(诸如键盘)进入的数据。输入连接器181、182和183连接到输入控制单元180。

在系统100的实施例中，存在用于引出数据的两个输出连接器191和192。第一输出连接器191被布置为输出数据到数据存储工具(诸如硬盘、磁带、闪存或光盘)。第二输出连接器192被布置为输出数据到显示设备。输出连接器191和192经由输出控制单元190接收各自的数据。

技术人员将理解，存在很多方式将输入设备连接到系统100的输入连接器181、182和183以及将输出设备连接到系统100的输出连接器191和192。这些方式包括但不限于有线连接和无线连接、数字网络，例如但不限于局域网(LAN)和广域网(WAN)、因特网、数字电话网络和模拟电话网络。

在系统100的实施例中，系统100包括存储单元170。系统100被布置为经由输入连接器181、182和183中的任一个接收来自外部设备的输入数据，并将所接收的输入数据存储到存储单元170中。将输入数据装入存储单元170内允许由系统100的各单元快速存取相关数据部分。输入数据可以包括例如体积图像数据集。可以由例如但不限于随机存取存储器(RAM)芯片、只读存储器(ROM)芯片和/或硬盘驱动器和硬盘的设备实现存储单元170。存储单元170还可以被布置为存储输出数据。输出数据可以包括例如经绘制的图像数据。存储单元170还被布置为经由存储总线175从系统100的各单元接收数据和传送数据到系统100的各单元，这些单元包括计算单元110、权重单元115、调整单元120、控制单元160和用户接口165。存储单元170还被布置为使得输出数据经由输出连接器191和192中的任一个而可用于外部设备。将来自系统100的各单元的数据存储在存储单元170可以有利地改进系统100的各单元的性能以及从系统100的各单元向外部设备传输输出数据的速度。

作为替代，系统100可以不包括存储单元170和存储总线175。系统100所使用的输入数据可以由连接到系统100的各单元上的至少一个外部设备(诸如外部存储器或处理器)供应。类似地，由系统100所产生的输出数据可以供应给连接到系统100的各单元的至少一个外部设备(诸如外部存储器或处理器)。系统100的各单元可以被布置为经由内部连接或经由数据总线接收来自彼此的数据。

在系统100的实施例中，系统100包括用于控制系统100中的工作流程的控制单元160。该控制单元可以被布置为接收来自系统100的各单元的控制数据并提供控制数据给系统100的各单元。例如，在计算像素的初始像素强度之后，计算单元110可以被布置为发送控制数据“已计算出初始像素强度”给控制单元160，且控制单元160可以被布置为提供控制数据“计算最终像素强度”给调整单元120，从而请求调整单元120计算最终像素强度。控制单元160可以进一步被布置为在计算出图像的最后一个像素的初始像素强度后终止计算初始像素强度。作为替代，可以在系统100的另一单元中实现控制功能。

在系统100的实施例中，系统100包括用于与系统100的用户通信的用户接口165。用户接口165可以被布置为向用户提供用于定义如何计算像素权重的工具。任选地，用户接口165可以接收用户输入，以用于选择系统100的操作模式，该操作模式诸如用于选择要由计算单元110采用的绘制方法的模式。技术人员将理解，可以在系统100的用户接口165中有利地实现更多的功能。

体积(即三维(3D))图像数据集包括数据元素。医学图像数据的每个数据元素(x，y，z，I)包括位置(x，y，z)和在这一位置处的强度I，所述位置(x，y，z)通常由图像数据集坐标系中的三个笛卡儿坐标x，y，z来表示。体积图像数据体积可以定义为包括图像数据元素(x，y，z，I)中所包括的所有位置(x，y，z)的体积。数据元素可以被解释为包括强度I和在位置(x，y，z)处的小体积(通常为立方体或长方体)的体素，所述位置(x，y，z)例如可以是顶点的位置或体素的中心的位置。图像数据体积可以被解释为所有体素立方体或长方体的并集。体积图像数据集可以被组织为图像体积的基本平坦的截面或切片的集合，例如基本垂直于图像数据集坐标系的z轴的截面或切片的集合。4D图像数据集包括在不同时间实例下采集的体积图像数据集的集合。

2D图像数据(也被称为图像)包括2D图像数据元素。每个2D图像数据元素(i，j，I)包括位置(i，j)和在这一位置处的至少一个强度I，所述位置(i，j)通常由显示坐标系中的两个笛卡儿坐标i、j来表示。技术人员将理解，2D图像数据元素可以被解释为像素和该像素的强度，该像素即通常为正方形或矩形的显示器小面积，其由像素的位置来描述，例如由像素的顶点或中心的位置(i，j)来描述，而该像素的强度在彩色图像的情况下可能是一些颜色值。存在显示平面与观察平面之间的一对一的对应关系。因此，观察平面中的位置也可以被称为显示器中的位置，反之亦然。类似地，显示器中的像素也可以被称为观察平面中的像素。

体积绘制技术是基于体积图像数据集计算图像的技术。计算图像包括计算所显示的像素的强度。在适合于供系统100的计算单元110使用的绘制技术中，所显示的像素的强度源自于相应体素的强度，所述相应体素包括在体积图像数据集中且通过由计算单元110所采用的绘制技术来定义。

这种适当的绘制技术的示例包括但不限于MIP、CVP和最小强度投影(mIP)。这些绘制技术使用光线投射。将正交光线从观察平面上的位置投射进入图像数据体积内。观察平面上的位置是显示器上的像素的等价物。基于光线上的相应体素的体素强度来计算像素的强度。现在将参照MIP和CVP绘制技术描述系统100的各实施例。然而，技术人员将理解，权利要求的范围并不局限于这些绘制技术，且系统100也可以采用其他适当的绘制技术。

系统100的计算单元110被布置为计算图像的像素的初始像素强度，该初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度来定义。图2示意性地图示说明利用MIP和CVP计算初始强度。图2中的每个点描述在从观察平面中的像素起沿与观察平面正交的观察方向投射的光线上的体素。点的横坐标描述光线上的体素的位置，而点的纵坐标描述光线上的体素的体素强度。图2还示意性地示出在CVP情况下用于计算初始像素强度的噪声水平和CVP阈值。

光线上的体素的强度可以由函数体素_强度(体素_位置)描述。在MIP中，初始像素强度源自于标记为“MIP像素值”的相应体素。该相应体素由函数体素_强度(体素_位置)的绝对最大值定义。在CVP中，初始像素强度源自于标记为“CVP像素值”的相应体素。该相应体素由函数体素_强度(体素_位置)的大于CVP阈值的第一最大值定义。

系统100的调整单元120被布置为基于由计算单元110计算的像素的初始像素强度并基于由计算单元110所用来计算所述像素的初始像素强度的相应体素的位置来计算所述像素的最终像素强度。因此，调整单元120可以由函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_位置)来描述，其中初始_像素_强度是初始像素强度，而相应_体素_位置是相应体素的位置，计算单元110确定该相应体素以计算像素的初始像素强度。技术人员将认识到，多种函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_位置)可能对于使体积图像数据集可视化是有用的。权利要求的范围不限于对这一函数的特定选择。

在系统100的实施例中，系统100还包括权重单元115，以用于基于相应体素的位置计算像素的像素权重，计算单元110使用所述相应体素来计算所述像素的初始像素强度，且最终像素强度是所述像素的初始像素强度与像素权重的乘积。因此，描述调整单元110的函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_位置)可以写成乘积函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_位置)＝初始_像素_强度*权重(相应_体素_位置)，其中权重(相应_体素_位置)是由权重单元115基于相应_体素_位置计算出的像素权重。

在系统100的实施例中，利用正交光线投射来绘制图像，且最终像素强度取决于从相应体素到观察平面的距离，计算单元110使用所述相应体素来计算所述像素的初始像素强度。此处，函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_位置)可以由更简单的函数最终_像素_强度(初始_像素_强度，相应_体素_距离)代替，其中相应_体素_距离是从相应体素到观察平面的距离，例如为欧几里得距离。图像数据集坐标系通常以这样的方式定义，即使得观察平面基本上等同于xy平面，而投射的光线和观察方向基本上平行于z轴。通常将相应_体素_距离的值存储在像素的所谓的z缓冲器中。另外，如果最终像素强度是初始像素强度与像素权重的乘积，则权重(相应_体素_位置)可以由权重(相应_体素_距离)代替。

在系统100的实施例中，基于用户输入计算像素权重。用户接口165可以包括用于获得用户输入以便计算像素权重的工具，例如控制面板。任选地，该控制面板可以包括用于定义CVP阈值的工具。作为替代，像素权重和/或CVP阈值可以预先确定，或者可以从例如使用系统100的协议导出。这种协议可以基于用于采集体积图像数据集的体积图像数据采集模态。例如，关于体积图像数据采集模态的信息可以包括在与体积图像数据相关联的元数据中。

图3示出用于基于线性权重函数确定像素权重因子的示例性控制面板。该权重权重(相应_体素_距离)是相应_体素_距离的线性函数。对于相应_体素_距离＝0，即对于基本上包括在观察平面内的体素，像素权重是100％。权重滑块31的位置定义最远体素的权重。在图3中，最远体素的像素权重是20％。任选地，该控制面板可以包括用于定义CVP阈值的阈值滑块32。

图4示出用于基于非线性权重函数权重(相应_体素_距离)确定像素权重因子的示例性控制面板。该权重权重(相应_体素_距离)是相应_体素_距离的非线性函数。像素权重函数由表示权重函数的图形的曲线41以图形表示。曲线上的点的纵坐标定义权重，例如在范围[0，1]内的数字。曲线上的点的横坐标定义从相应体素到观察平面的距离。该曲线由一组控制点控制。这些控制点可以由用户定义并控制，例如通过使用鼠标输入设备。例如，可以使用B样条函数来实现该曲线。任选地，该控制面板可以包括用于定义CVP阈值的阈值滑块32。

通常，系统100可以用于增强相对靠近观察平面的体素的可见性并减弱相对远离观察平面的体素的可见性。然而，系统100可以用于增强从观察平面起任一距离范围内的体素的可见性，并减弱在这一范围之外的体素的可见性。

技术人员将理解系统100的其他实施例也是可能的。其中，有可能重新定义系统的各单元并重新分配它们的功能。例如，在系统100的实施例中，权重单元115可以是调整单元120的部件。在系统100的又一个实施例中，可以用多个计算单元来替换计算单元110。所述多个计算单元中的每个计算单元可以被布置成采用不同的绘制方法。所采用的方法可能基于用户选择。

系统100的各单元可以通过使用处理器来实现。正常情况下，在软件程序产品的控制下执行它们的功能。在执行过程中，通常将软件程序产品装入存储器(如RAM)中并在此执行。程序可以从背景存储器(如ROM、硬盘或磁存储器和/或光存储器)中装入，或者可以经由网络(如因特网)来装入。任选地，专用集成电路可以提供所期望的功能性。

图5示出基于体积图像数据集绘制图像的方法500的示例性实现方式的流程图。方法500开始于计算步骤510，用于计算所述图像的像素的初始像素强度，该初始像素强度由体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义。在计算步骤510之后，方法500继续进行权重步骤515，用于基于图像数据体积中的相应体素的位置计算像素的像素权重。在权重步骤515之后，该方法继续进行调整步骤520，用于基于初始像素强度并基于在相应体素的位置的基础上计算的权重来计算像素的最终像素强度。在调整步骤520之后，方法500可以终止。任选地，如果用户请求使用新的像素权重来进一步调整最终像素强度，则该方法可以继续进行权重步骤515。

方法500中的步骤的次序并不是强制性的，技术人员可以在不偏离本发明意欲保护的概念的情况下改变一些步骤的次序或利用线程模型、多处理器系统或多重处理来并行执行一些步骤。任选地，本发明的方法500的两个或更多步骤可以组合成一个步骤。任选地，本发明的方法500的一个步骤可以被分成多个步骤。

图6示意性示出采用系统100的图像采集装置600的示例性实施例，所述图像采集装置600包括经由内部连接与系统100连接的图像采集单元610、输入连接器601和输出连接器602。这一布置有利地提高了图像采集装置600的能力，从而向所述图像采集装置600提供系统100的有利的能力以用于基于体积图像数据集绘制图像。图像采集装置的示例包括但不限于CT系统、X射线系统、MRI系统、US系统、PET系统、SPECT系统以及NM系统。

图7示意性示出工作站700的示例性实施例。该工作站包括系统总线701。处理器710、存储器720、磁盘输入/输出(I/O)适配器730和用户接口(UI)740可操作地连接到系统总线701。磁盘存储设备731可操作地耦接到磁盘I/O适配器730。键盘741、鼠标742和显示器743可操作地耦接到UI 740。将实现为计算机程序的本发明的系统100存储在磁盘存储设备731中。工作站700被布置成将该程序和输入数据装入存储器720中，且在处理器710上执行该程序。用户可以利用键盘741和/或鼠标742将信息输入到工作站700。工作站被布置成输出信息到显示设备743和/或磁盘731。技术人员将理解，本领域中存在工作站700的很多其他已知的实施例，且本实施例用作举例说明本发明的目的，而不应被解释为将本发明限制于这一特定的实施例。

应该注意，上述实施例举例说明了本发明而非限制本发明，且本领域技术人员将能够在不偏离所附权利要求的范围的情况下设计替代的实施例。在这些权利要求中，置于圆括号内的任何参考数字均不应被解释为限制权利要求。词语“包括”并不排除未在权利要求或说明书中列出的元件或步骤。元件前面的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。可以借助于包括若干不同元件的硬件并借助于编程的计算机来实现本发明。在列举了若干单元的系统权利要求中，这些单元中的若干可以由硬件或软件的一项或相同项体现。第一、第二和第三等词语的使用并不指示任何排序。这些词语应被解释为名称。

Claims

1.一种用于基于体积图像数据集绘制图像的系统(100)，所述系统包括：

-计算单元(110)，其用于计算所述图像的像素的初始像素强度，所述初始像素强度由所述体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-调整单元(120)，其用于基于所述初始像素强度并基于所述相应体素的位置计算所述像素的最终像素强度。

2.如权利要求1所述的系统(100)，还包括权重单元(115)，其用于基于所述相应体素的所述位置计算所述像素的像素权重，其中，所述最终像素强度是所述初始像素强度与所述像素权重的乘积。

3.如权利要求2所述的系统(100)，其中，利用正交光线投射来绘制所述图像，且所述最终像素强度取决于从所述相应体素到观察平面的距离。

4.如权利要求1所述的系统(100)，其中，基于最大强度投影或最近脉管投影计算所述初始像素强度。

5.如权利要求2所述的系统(100)，其中，基于用户输入计算所述像素权重。

6.一种图像采集装置(600)，其包括如权利要求1所述的系统(100)。

7.一种工作站(700)，其包括如权利要求1所述的系统(100)。

8.一种用于基于体积图像数据集绘制图像的方法(500)，所述方法包括：

-计算步骤(510)，其用于计算所述图像的像素的初始像素强度，所述初始像素强度由所述体积图像数据集中所包括的相应体素的相应体素强度定义；和

-调整步骤(520)，其用于基于所述初始像素强度并基于所述相应体素的位置计算所述像素的最终像素强度。