CN101558428B - 补偿医学图像中平面内和平面外运动 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配准方法(100)，用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准方法(100)包括：权重分配步骤(125)，用于将权重分配给界标组中各个界标的每个坐标；以及配准步骤(145)，用于在分配给每个坐标的所述权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准。选择一组适当的界标，并将适当的权重分配给该界标组中各个界标的每个坐标，这可以用于优化在图像数据集序列中的指定解剖的所选位移，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。这实现了渲染视图序列，其中指定解剖结构没有移出观察平面外和/或指定解剖结构的所选部分在观察平面中没有位移。

Description

补偿医学图像中平面内和平面外运动

技术领域

本发明涉及一种配准方法，用于在一组界标(landmark)的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

本发明还涉及一种配准系统，用于在一组界标的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

本发明还涉及一种用于采集图像数据集的采集系统，其包括所述配准系统。

本发明还涉及一种工作站，包括所述配准系统。

本发明还涉及一种被计算机设备加载的计算机程序产品，包括指令，用于在一组界标的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

背景技术

在美国专利申请60/648033，申请人查询号PHUS050050WO中，说明了在开始段落中所述类型的方法的一个实施例，以下将其称为参考文献1。该文献说明了一种用于诊断成像的设备和方法。所述的设备包括处理器装置，所述的方法包括多个步骤，所述处理器装置和所述步骤都用于以电影形式显示3D图像的观察平面，在这里指定解剖结构在连续的每个观察平面中保持固定。这个用于在每个图像中固定指定解剖结构的方法是基于图像配准的。首先，选择n个界标的一个组L，在第一图像数据集中找到界标l∈L的位置p(l)。接下来，在第二图像数据集中找到界标l∈L的位置q(l)。相似性函数

公式1

在此，p_x(l)，p_y(l)，p_z(l)和q_x(l)，q_y(l)，q_z(l)分别是界标位置p(l)和q(l)的笛卡尔坐标，用于定义目标函数。目标函数F_L(t)定义为

F_L(t)＝S_L(p(l₁)，...，p(l₁)；tq(l_n)，...，tq(l_n))          公式2

在此，t是在第二图像数据集中的界标位置的变换，tq(l_i)表明第i个界标l_i(i＝1，…n)的经变换的位置，其通过将变换t应用于位置q(l_i)而获得。目标函数F_L(t)的域包括来自刚性变换集合的变换t。此外，计算与目标函数F_L(t)的最小值相对应的变换t_min。经变换的位置t_minq(l)定义了界标l∈L在第二图像数据集中的最佳位置。因此，优化了在第二数据集中每一个界标l相对于第一图像数据集中相应界标l的位置的位移。所计算的变换t_min对于根据第二图像数据集来渲染视图是有用的。例如，如果P是一个定义了第一图像数据集中横截面视图的平面，则就根据第二图像数据集来渲染由平面所定义的横截面。

当包括被固定到一组界标的指定解剖结构的单个刚性体(例如单块骨骼)的位移必须被优化时，可以使用以上方法。然而，在更多通常情形中，指定解剖结构包括弹性体，例如肌肉，或者多个独立的刚性体，例如多块骨骼，这种优化可能就变为不可能了。这是由于这样的事实：指定解剖结构不再是刚性的，从而在第二图像数据集中被固定到指定解剖结构的界标组中的界标会彼此相对移动，即，在第二图像数据集中的界标会从其在第一图像数据集中的位置非刚性地位移。

发明内容

本发明的目的是提供在开始段落中所述类型的配准方法，用于优化在图像数据集序列中的指定解剖结构的所选位移，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。

该目标的实现是由于：用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准的配准方法，包括：

权重分配步骤，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准步骤，用于在所述分配给每个坐标的权重的基础上，将所述第二图像数据集与所述第一图像数据集配准，

其特征在于，所述权重分配步骤允许限制或消除随后的配准步骤对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标的权重分配步骤允许限制或消除随后的配准步骤对于一些界标坐标的相关性，同时优化所选界标坐标和位移。这是其如何工作的：在公式2中定义了本发明的目标函数F_L(t)。相似性函数S_L(p(l₁)，…，p(l_n)；q(l₁)，…，q(l_n))可以是在第一图像数据集中的界标l∈L的位置p(l)以及在第二图像数据集中的界标l∈L的位置q(l)的任何可用的函数。位置p(l₁)，…，p(l_n)和q(l₁)，…，q(l_n)的坐标是目标函数F_L(t)的参数。首先，在权重分配步骤中，为每一个界标l∈L分配一个权重向量w(l)。位置p(l)，q(l)和权重向量w(l)具有与图像数据集的维度相同的分量数。向量w(l)的第i个分量w_i(l)被分配给第一和第二图像数据集中的界标位置的第i个坐标。在配准步骤中，将每个权重w_i(l)用于经变换的位置tq(l)的相应坐标(tq)_i(l)。例如这可以以这样的方式来实现：将包括分量(tq)_i(l)的目标函数F_L(t)的表达式的预定项乘以权重w_i(l)。因此，当界标λ∈L的坐标(tq)_j(λ)的权重w_j(λ)基本上等于0时，则目标函数F_L(t)就独立于坐标(tq)_j(λ)。因此，坐标(tq)_j(λ)对通过在配准方法的配准步骤中优化目标函数F_L(t)而获得的变换t_min没有影响。这样，优化目标函数F_L(t)不包含调整坐标(tq)_j(λ)。另一方面，当界标λ∈L的坐标(tq)_j(λ)的权重w_j(λ)并非基本上等于0时，则目标函数F_L(t)就与坐标(tq)_j(λ)相关。因此，坐标(tq)_j(λ)就对通过在配准方法的配准步骤中优化目标函数F_L(t)而获得的变换t_min有影响。这样，目标函数F_L(t)的优化包含调整坐标(tq)_j(λ)。例如，对在坐标(tq)_j(λ)与坐标p_j(λ)之间的差值进行优化，这个差值说明了在第二图像数据集中界标λ相对于第一图像数据集中界标λ的位置的位移的第j个分量。因此，本发明的配准方法对于优化在图像数据集序列中被固定到界标组L的指定解剖结构的所选位移证明是可用的，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。

在根据本发明的配准方法的实施例中，所述配准方法包括：坐标选择步骤，用于选择第一图像数据集中的坐标系。常见的坐标系选择是笛卡尔坐标系。有利的是，坐标选择步骤能够选择笛卡尔坐标系的原点和轴。对笛卡尔坐标系的轴的选择结合权重的选择，确定了第二图像数据集中界标的哪一个位移将被优化。

在根据本发明的配准方法的另一实施例中，将刚性变换(rigidtransformation)用于在所述配准步骤中配准第二图像数据集。有许多变换族可以用于优化根据图像数据集序列渲染的图像序列中的不同位移。然而，刚性变换常常是优选的选择，因为它们不会使图像数据集中的结构变形，同时足以补偿第二图像数据集中指定解剖结构相对于第一图像数据集中指定解剖结构的许多常见的位移-平移、旋转及其组合。

在根据本发明的配准方法的另一实施例中，所述权重分配步骤还包括将基本上等于零的第一零权重分配给界标组中一特定界标的第一坐标，由此优化第二图像数据集中该特定界标相对于第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于坐标系的第一坐标轴。该实施例对于补偿指定解剖结构的平面内位移尤其有用。

在根据本发明的配准方法的另一实施例中，所述权重分配步骤还包括将基本上等于零的第二零权重分配给所述特定界标的第二坐标，由此优化第二图像数据集中该特定界标相对于第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于坐标系的第二坐标轴。该实施例对于补偿指定解剖结构的平面外位移尤其有用。

在根据本发明的配准方法的另一实施例中，所述配准方法包括渲染步骤，用于在第二图像数据集与第一图像数据集配准的基础上，根据第二图像数据集渲染视图。因此，医生能够在视觉上比较在两个不同几何构形、生理状态或运动阶段上的指定解剖结构(例如关节)的两个相对应的视图。

在根据本发明的配准方法的另一实施例中，所述配准方法包括迭代步骤，用于以电影形式根据图像数据集序列渲染视图序列，在此从所述图像数据集序列中选择第一图像数据集，从所述图像数据集序列中迭代地选择第二图像数据集。这样，医生能够以在视觉上追踪采用电影形式的、在不同构形、状态或阶段上的指定解剖结构(例如关节)的相应视图序列。

本发明另一目的是提供在开始段落中所述类型的配准系统，其能够用于优化在图像数据集序列中的指定解剖结构的所选位移，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。该目标的实现是由于：用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准的配准系统，包括：

权重分配单元，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准单元，用于在分配给每个坐标的权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准，

其特征在于，由所述权重分配单元执行的权重分配允许限制或消除由所述配准单元执行的随后配准对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

本发明另一目的是提供在开始段落中所述类型的图像采集系统，其能够用于优化在图像数据集序列中的指定解剖结构的所选位移，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。该目标的实现是由于：所述图像采集系统包括配准系统，用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准系统包括：

权重分配单元，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准单元，用于在分配给每个坐标的权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

本发明另一目的是提供在开始段落中所述类型的工作站，其能够用于优化在图像数据集序列中的指定解剖结构的所选位移，所述指定解剖结构包括弹性体和/或多个独立刚性体。该目标的实现是由于：所述工作站包括配准系统，用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准系统包括：

权重分配单元，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准单元，用于在分配给每个坐标的权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

本发明另一目的是提供一种配准系统，其用于在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准系统包括：

用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标的模块；并且

用于在分配给每个坐标的权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准的模块，

其特征在于，由用于分配的所述模块执行的权重分配允许限制或消除由用于配准的所述模块执行的随后配准对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

所述配准系统、图像采集系统、工作站和/或计算机程序产品的修改及其变化与所述的配准方法的修改及其变化相对应，其可以由技术人员在本说明的基础上实施。

附图说明

本发明的配准方法对于配准多维图像数据集，特别是3D图像数据集尤其有用。所述图像数据集可以由许多成像形式中的任何一种来获得，例如核磁共振成像(MRI)、计算机断层造影术(CT)、超声波、正电子发射断层造影术(PET)、及单光子发射计算机断层造影术(SPECT)。

相对于以下所述的执行和实施例并参考附图，根据本发明的配准方法、配准系统、图像采集系统、工作站和计算机程序产品的这些及其它方面将会变得显而易见并且被阐明，其中：

图1示出了配准方法的实施例的简化流程图；

图2示出了三行视图，每一行都显示了根据一个3个3D图像数据集的序列渲染的3个横截面视图；

图3示意性的示出了配准系统的实施例；

图4示意性的示出了图像采集系统的实施例；以及

图5示意性的示出了工作站的实施例。

所有附图中，相同的参考标记数字用于表明类似的部分。

具体实施方式

图1示出了配准方法100的实施例的简化流程图，其在一组界标的基础上，将第二图像数据集与第一数据集配准，所述配准方法100包括：

权重分配步骤125，用于将权重分配给该界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准步骤145，用于在分配给每个坐标的权重的基础上，将第二图像数据集与第一图像数据集配准。

可选的，配准方法100还包括：

坐标选择步骤115，用于选择在第一图像数据集中的坐标系；

渲染步骤150，用于在第二图像数据集与第一图像数据集配准的基础上，根据第二图像数据集渲染视图；以及

迭代步骤155，用于采用电影形式根据图像数据集序列渲染视图序列，在此，从该图像数据集序列中选择第一图像数据集，并且从图像数据集序列中迭代地选择第二图像数据集。

参考图1，标记为“开始”的开始步骤101包括初始化任务。在标记为“读取D1”的初始读取步骤110，获得第一图像数据集D1。可选的，在标记为“选择在D1中的Oxyz”的坐标选择步骤115中，选择优选的坐标系，例如笛卡尔坐标系。接下来，在标记为“选择L并在D1中映射L”的界标选择步骤120中，选择一组界标L，并找到界标在第一图像数据集中的位置。随后在标记为“分配权重W”的权重分配步骤125中，将权重分配给各个界标的每个坐标。在标记为“根据D1渲染视图”的可选初始渲染步骤130中，选择观察平面，并根据第一图像数据集D1渲染横截面视图。在标记为“读取D2”的读取步骤135中，获得第二图像数据集D2。接下来，在标记为“在D2中映射L”的界标映射步骤140中，将来自界标组L的界标的位置映射到第二图像数据集D2中。这些界标用于计算最佳变换t_min，其用来通过在标记为“计算t_min”的配准步骤145中优化目标函数F_L(t)，在分配的权重的基础上将第二图像数据集D2与第一图像数据集配准。该最佳变换t_min的计算可以包括搜索目标函数F_L(t)的最佳值。优化的变换t_min可以用于标记为“根据D2渲染视图”的可选渲染步骤150中，来根据图像数据集D2渲染与在初始渲染步骤130中根据第一数据集渲染的横截面视图相对应的横截面视图。标记为“下一个数据集？”的可选迭代步骤155被配置为执行对迭代条件的检查。如果在迭代步骤155执行的条件检查结果是肯定的，则从读取步骤135开始一个新的迭代循环。如果在迭代步骤155执行的条件检查结果是否定的，则执行包括终止任务的、标记为“结束”的结束步骤199，并且该方法终止。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，配准方法100包括坐标选择步骤115，用于选择第一数据集中的坐标系。这个步骤与在权重分配步骤125中分配给它们的权重共同来确定将会对哪一个位移进行优化，以及哪一个位移保持不优化。因此，选择最佳的坐标系是配准方法100的一个重要步骤。

在界标选择步骤120中，确定一组界标L。通常是在第一图像数据集的基础上定义组L。可选的，组L在第一图像数据集中的映射可以从与第一图像数据集相关的第一界标数据集获得。来自该组L的界标l可以属于第一图像数据集中的指定解剖结构，或者可以在指定解剖结构之外选择。可选的，可以使用在所获取的图像数据集中易于检测到的物理标记。在此情况下，该物理标记的位置可以直接用作相应界标的位置。

在权重分配步骤125中，各个界标的每个坐标都被分配了其自己的权重。各个界标的每个坐标都可以对用于将第二图像数据集与第一图像数据集配准的最佳变换t_min有贡献。权重分配步骤125允许控制各个界标的每个坐标的贡献。该步骤还允许选择第二图像数据集中界标的坐标，其将在配准步骤中被优化。将每个权重应用于目标函数表达式的预定项，该项取决于第二图像数据集中的经变换的界标各个坐标。可以预定义权重值的范围。权重可以假定为该预定义范围中的任意数值。可选的，权重分配步骤可以包括：选择目标函数表达式中要与特定权重相乘的项。优选的，权重假定为默认值，除非其被修改，否则就将其应用于目标函数表达式各个项。可选的，一些权重可以预定义。从配准步骤145的论述中并从本发明的实施例中，权重分配步骤的重要性将变得显而易见。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，权重能够仅假定为两个值：0和1。默认权重值为1。对于任何界标的任何坐标，这个值都可以变为0。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，权重分配步骤125还包括：将基本上等于零的第一零权重分配给界标组中一特定界标的第一坐标，由此优化第二图像数据集中该特定界标相对于第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于坐标系的第一坐标轴。该实施例对于优化指定解剖结构的平面内位移尤其有用。例如，对于3D图像数据集，如果将与每个界标的z坐标相对应的权重设定为零，则最佳变换往往是优化基本上平行于xy平面的平面内位移，而不优化基本上平行于z轴的平面外位移。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，权重分配步骤125还包括将基本上等于零的第二零权重分配给特定界标的第二坐标，由此优化第二图像数据集中该特定界标相对于第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于坐标系的第二坐标轴。该实施例对于补偿指定解剖结构的平面外位移尤其有用。例如，对于3D图像数据集，如果将与每个界标的x坐标相对应的权重和y坐标相对应的权重设定为零，则最佳变换往往是优化基本上平行于z轴的位移，而不优化基本上平行于xy平面的平面内位移。

在界标映射步骤140中，将界标组L映射到第二图像数据集。优选的，映射自动进行，例如通过使用用于将第一图像数据集与第二图像数据集弹性配准的弹性图像配准方法。在Proceedings of the SPIE 2004，Fitzpatrick J.M.and Sonka M.(eds)，5370，304-313，2004中S.Kabus等人的题为“B-splineregistration of 3D images with Levenberg-Marquardt optimization”的文章中，说明了一种图像弹性配准的方法。可以使用物理标记，以便改善弹性图像配准。可替换地，如果使用物理标记作为界标，在第二图像数据集中标记的位置就规定了第二图像数据集中的界标位置。可选的，可以从与第二图像数据集相关的第二界标数据集中，获得组L在第二图像数据集中的映射。

在配准步骤145中，通过优化目标函数F_L(t)来计算用于将第二图像数据集与第一图像数据集配准的最佳变换t_min。最佳变换t_min的计算包括搜索目标函数F_L(t)的最小值。由公式2所定义的对于3D图像数据集有用的目标函数F_L(t)可以用以下相似性函数来获得：

公式3

在此，w_x(l)，w_y(l)，w_z(l)是3个权重，是权重向量w(l)的分量，与界标l∈L的笛卡尔坐标相对应。如果全部3个权重w_x(l)，w_y(l)，w_z(l)都是非零的，则在方括号中的表达式定义了在第一图像数据集中界标l的位置p＝(p_x(l)，p_y(l)p_z(l))与第二图像数据集中界标l的经变换的位置tq＝((tq)_x(l)，(tq)_y(l)，(tq)_z(l))之间的距离。如果这些权重中的任何一个为零，则在方括号中的表达式就是伪距离。如果3个权重w_x(l)，w_y(l)，w_z(l)全部都等于零，则在方括号中的表达式就是欧几里得距离。目标函数的域T包括预定变换t。域T的实例包括但不限于：平移组，正交变换组及仿射变换组。如果由公式3的相似性函数定义的在第一目标函数中一特定界标的特定坐标的特定权重小于由公式3的相似性函数定义的第二目标函数中该特定界标的该特定坐标的该特定权重，则从公式3导致了最佳变换t_min对于该第一目标函数中该特定界标的该特定坐标中的变化的敏感度比对于第二目标函数中的差。具体而言，如果该特定权重为零，则最佳变换t_min就不依赖于该特定界标的该特定坐标。这个特点对于补偿指定解剖结构的平面内和/或平面外位移尤其有用。

在根据本发明的配准方法的实施例中，目标函数的域包括刚性变换。刚性变换包括平移、旋转及其组合。刚性变换常常是优选的选择，因为它们不使在图像数据集中包含的结构变形。刚性变换还易于实现并足以补偿第二图像数据集中指定解剖结构相对于第一图像数据集中的该指定解剖结构的许多常见的位移-平移、旋转及其组合。可替换的，其它变换族，例如仿射变换，也能够用于配准步骤145中的图像配准。除了补偿刚性位移之外，仿射变换还允许优化扩张、收缩和延伸。

在本发明的说明中值得指出的是，术语“配准”指的是确定用于将第二图像数据集与第一图像数据集配准的最佳变换t_min。这是图像配准的基本步骤。然而，并不需要执行用于将第二图像数据集与第一图形数据集叠加的第二图像数据集的实际变换。如在渲染步骤150的说明中所述的，该最佳变换用于根据第二图像数据集渲染有利的视图。即使可以分别渲染及显示根据第一图像数据集的视图与根据第二图像数据集的相应视图，但在第一图形数据集中与第二图像数据集中的界标位置之间的差值仍被称为位移。

对于在公式2的基础上定义用于3D图像数据集的目标函数有用的相似性函数的更常见的实例是：

公式4

在此，方括号中的表达式是在第一图像数据集中界标l的位置p＝(p_x(l)，p_y(l)，p_z(l))与第二图像数据集中界标l的位置q＝(q_x(l)，q_y(l)，q_z(l))之间的另一种距离和/或伪距离。

对于在公式2的基础上定义用于3D图像数据集的目标函数有用的相似性函数的另一个常见实例是：

公式5

在此，方括号中的表达式在第一图像数据集中界标l的位置p＝(p_x(l)，p_y(l)，p_z(l))与第二图像数据集中界标l的位置q＝(q_x(l)，q_y(l)，q_z(l))之间的再另一种距离和/或伪距离。

对于在公式2的基础上定义用于3D图像数据集的目标函数有用的相似性函数的再另一个实例是：

公式6

在此，方括号中的表达式是在第一图像数据集中界标l的位置p＝(p_x(l)，p_y(l)，p_z(l))与第二图像数据集中界标l的位置q＝(q_x(l)，q_y(l)，q_z(l))之间的距离和/或伪距离的指数函数。这个指数函数的最大值与界标l在第一图像数据集和第二图像数据集中的相同坐标相对应。

本领域技术人员将理解，存在许多对于定义根据公式2的目标函数F_L(t)有用的相似性函数S_L(p(l₁)，…，p(l_n)；q(l₁)，…，q(l_n))，且在实施例说明中所述的相似性函数S_L(p(l₁)，…，p(l_n)；q(l₁)，…，q(l_n))用于说明本发明，而并非限制权利要求的范围。用于3D图像数据集的所述实施例能够推广到多维图像数据集，这种推广对于本领域技术人员来说是常规任务。

目标函数和/或优化方法可替换定义也是可能的。例如，人们可以定义两个目标函数：

公式7

和

公式8

这两个函数可以分两步来优化。在第一步中，计算第一目标函数

对于其达到最小值的刚性变换t_z-min。在第二步中，计算第二目标函数

对于其达到最小值的刚性变换t_xy-min。最佳变换t_min是这两个变换的合成：t_min＝t_xy-minоt_z-min。本领域技术人员会理解，在本发明实施例的描述中所采用的目标函数和优化方法用于说明本发明，而并非限制权利要求的范围。

本领域技术人员会意识到，在对目标函数表达式和相似性函数做出了所需的修改之后，可以在任何坐标系中进行对于优化的变换t_min的计算。例如，如果e_x，e_y，e_z是三个基本上相互正交的单位向量，其定义了与权重w_x(l)，w_y(l)，w_z(l)相关的坐标系的三个轴，则公式3就等价于：

公式9

在此，单位向量e_x，e_y，e_z与位置向量p(l)的标量积是由以下单位向量所定义的笛卡尔坐标系中的位置向量的坐标：

<e_x，p(l)>＝p_x(l)，

<e_y，p(l)>＝p_y(l)，

<e_z，p(l)>＝p_z(l)，

因此，能够使用适宜的笛卡尔坐标系来表示单位向量e_x，e_y，e_z和界标位置p(l)的坐标。例如，适宜的笛卡尔坐标系可以是用于表示第一图像数据集的元素位置的系统。使用该坐标系的优点在于，不需要在由单位向量e_x，e_y，e_z定义的坐标系中对第一图像数据集进行再取样。使用传统坐标系的缺点在于，目标函数在计算上变得更加繁重。本领域技术人员会理解，对于本发明所解决的问题而言，存在许多可能的解决的数学公式，并且在本发明说明书中所用的数学公式不限制权利要求的范围。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，配准方法100包括渲染步骤150，用于在第二图像数据集与第一图像数据集配准的基础上，根据第二图像数据集渲染视图。第一视图是根据第一图像数据集渲染，并由在初始渲染步骤130中选择的观察平面P所定义的横截面视图。第二视图是根据第二图像数据集渲染，并由观察平面

所定义的横截面视图。观察平面

是与使用在配准步骤145中计算的最佳变换t_min的逆变换所变换的平面P基本上相等。该平面定义了一个视图，其可用于将根据第一图像数据集渲染的视图与根据第二图像数据集渲染的视图进行比较。可替换地，可以使用最佳变换t_min来变换第二图像数据集。在此情况下，根据经变换的第二图像数据集渲染的第二横截面视图由观察平面P来定义。

可替换地，可以根据第一图像数据集和第二图像数据集渲染投影视图，例如最大强度投影(MIP)和最小强度投影(MinIP)。在MIP中，将显示像素设定为沿射线的最大强度。在MinIP中，将显示像素设定为沿射线的最小强度。在本实施例中，用于根据第二图像数据集渲染视图的每一个射线

都根据用于根据第一图像数据集渲染视图的射线R来获得，其中，通过使用在配准步骤145中所计算的最佳变换t_min对R进行变换，来使用射线R根据第一图像数据集渲染视图。可以在Barthold Lichtenbelt，RandyCrane，和Shaz Naqvi的Introduction to Volume Rendering(Hewlett-PackardProfessional Books)Prentice Hall；Bk&CD-Rom edition(1998)中找到与该技术及其它图像渲染技术有关的更多信息。权利要求的范围不限于任何具体的渲染方法。

在根据本发明的配准方法100的实施例中，配准方法100包括迭代步骤155，用于采用电影形式根据图像数据集序列渲染视图序列，其中，从图像数据集序列选择第一图像数据集，从图像数据集序列迭代地选择第二图像数据集。由此，本发明的配准方法100允许将显示所渲染的视图的序列显示为电影，以便对指定解剖结构，尤其是运动的结构，进行容易快速的比较。迭代条件例如是第二图像数据集不是图像数据集序列中的最后一个数据集。可选的，可以采用其它条件，以便允许例如循环电影。

在配准步骤145中计算的最佳变换t_min允许将第二图像数据集与第一图像数据集配准，其中，第二图像数据集是在读取步骤125的每个迭代循环中重新获得的，第一图像数据集是在进入迭代循环之前在初始读取步骤110中一次获得的。第一图像数据集可以是来自图像数据集序列的第一个数据集。可替换地，配准方法100包括更新步骤，在该步骤中，在每个迭代循环中更新第一数据集。在第J次迭代循环中基于第一图像数据集计算了最佳变换t_min(J)之后，用第二图像数据集代替第一图像数据集。换而言之，第一图像数据集是图像数据集序列中的、在前一次迭代循环中是第二图像数据集的一个数据集。在此情况下，用于根据第二图像数据集渲染横截面视图的观察平面是用于根据初始图像数据集渲染横截面视图的观察平面结合复合t_min(J)οt_min(J-1)ο...t_min(1)的逆变换所得到的图像。本领域技术人员会理解，还有其它方式来从图像数据集序列选择第一图像数据集。

在本发明的方法的所述实施例中的步骤顺序并不是强制性的，在不脱离本发明所意欲的概念的情况下，本领域技术人员可以适当的改变步骤的顺序，或者用线程化模型、多处理器系统或多个处理同时并行地执行这些步骤。可选的，本发明的方法中的两个步骤可以合并为一个步骤。可选的，本发明的方法中的步骤可以分割为多个步骤。

图2示出了三行视图，每一行都包括根据一个3个3D图像数据集的序列渲染的3个横截面视图。最上一行示出了没有进行位移优化的视图，中间一行示出了使用按参考文献1中所述的标准位移优化的视图，其在包含于单个刚性体中的指定结构的情况下是有用的，底下一行示出了使用根据本发明的平面外和平面内位移优化的视图。这些图像示出了不同构形的肱骨关节。在指定解剖结构中包括肱骨，锁骨和肩胛骨的所选部分。

图2中最上一行210的图像包括在没有进行位移优化的情况下所渲染的三个横截面视图。在第二和第三个图像中所示的视图独立于第一图像中的视图。通过将同一观察平面用于来自该3个3D图像数据集的序列中的每一个图像数据集，来渲染全部视图。因此，这3个图像是难于相互比较的，因为包括在指定解剖结构中的肱骨在第二和第三视图中移出观察平面外，并且肩部旋转了。

图2中中间行220的图像包括在执行了如参考文件1中所述的界标位移优化之后所渲染的三个横截面视图。为此，选择一组3个界标201、202和203，以白色圆圈在图像中示出：在肱骨端头部(cap)的第一界标201，及在锁骨中的第二界标202和第三界标203。将该组映射到图像数据集中。3个界标201、202和203位于第一个中间行图像的观察平面中，并指明了应保留在随后图像中的观察平面内的指定解剖结构。以这样的方式选择在第一图像数据集中的坐标系：笛卡尔坐标系的z轴基本上垂直于由3个界标201、202和203所定义的平面。所有三个界标201、202和203的权重w_x(l)，w_y(l)和w_z(l)都被设定为1。通过使由公式1和公式2定义的目标函数最小化，来计算用于将第二图像数据集与第一图像数据集配准的最佳变换t_min(2→1)。类似地，通过使由公式1和公式2定义的目标函数最小化，来计算用于将第三图像数据集与第二图像数据集配准的最佳变换t_min(3→2)。通过用最佳变换t_min(2→1)的逆变换来变换第一视图的观察平面，来获得第二视图的观察平面。通过用最佳变换t_min(3→2)的逆变换来变换第二视图的观察平面，来获得第三视图的观察平面。作为这种界标位移优化的结果，这3个界标201、202和203在来自该序列的第二和第三图像数据集的观察平面中基本上位于同一位置上。然而，肱骨从第二和第三横截面视图中消失了。这个不想要的结果起因于界标的选择。界标相对于彼此的位置在所有3个图像中基本上是相同的。这种界标在包含于单个刚性体中的指定结构的情况下是有用的，该情况并非是包含多块骨骼的本实例的情况。

图2中的最下一行包括在执行了对平面外位移和平面内位移的优化之后所渲染的三个横截面视图。为此，选择了5个界标，其借助于较小和较大的白色圆圈在图像中标记出，并被映射到图像数据集中。3个界标201、202和203与在中间行220中的相同。第四个界标204位于远离端头部的肱骨中。第五个界标205位于肩胛骨中。这些界标固定了应保留在观察平面中的指定解剖结构。此外，肩部不应在观察平面中旋转。较小的圆圈标记了3个界标202、203和204，其用于对如所示的平面外位移的优化。以这样的方式选择在第一图像数据集中的坐标系：笛卡尔坐标系的z轴基本上垂直于由这3个界标所定义的平面。这3个界标202、203和204的权重w_x(l)和w_y(l)被设定为零。用较大的圆圈来标记出2个界标201和205。这两个界标用于优化在观察平面中结构的位移。这两个界标201和205的权重w_z(l)被设定为零。通过使公式2和公式3定义的目标函数最小化，来计算用于将第二图像数据集与第一图像数据集配准的最佳变换t_min(2→1)。类似地，通过使公式2和公式3定义的目标函数最小化，来计算用于将第三图像数据集与第二图像数据集配准的最佳变换t_min(3→2)。通过用最佳变换t_min(2→1)的逆变换来变换第一视图的观察平面，来获得第二视图的观察平面。通过用最佳变换t_min(3→2)的逆变换来变换第二视图的观察平面，来获得第三视图的观察平面。作为这种界标位移优化的结果，这3个较小的界标基本上位于来自该序列的第二和第三图像数据集的观察平面中。这样，指定解剖结构的所关注细节是可见的，尽管存在这样的事实：肱骨在最下一行230的3个图像的每一个中相对于肩部的位置不同。而且，肩部基本上不旋转，因为还优化了界标的平面内位移。

尽管在第一数据集的观察平面中选择图2中的全部界标，但是本领域技术人员会理解，也可以在观察平面之外选择它们。

图3示意性地示出了配准系统300的实施例，其用于在一组界标的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准系统300包括：

初始读取单元310，用于读取第一图像数据集；

坐标选择单元315，用于选择第一图像数据集中的坐标系；

界标选择单元320，用于选择一组界标，并用于将该界标组映射到第一图像数据集中；

权重分配单元325，用于将权重分配给该界标组中各个界标的每个坐标；

初始渲染单元330，用于根据第一图像数据集渲染视图；

读取单元335，用于读取第二图像数据集；

映射单元340，用于将该界标组映射到第二图像数据集中；

配准单元345，用于在分配给每个坐标的权重的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准；

渲染单元350，用于在第二图像数据集与第一图像数据集配准的基础上根据第二图像数据集渲染视图；

迭代单元355，用于采用电影形式根据图像数据集序列渲染视图序列，在此，从该图像数据集序列选择第一图像数据集，并且从该图像数据集序列迭代地选择第二图像数据集；以及

用户接口360，用于与配准系统300通信。

在图3中所示的配准系统300的实施例中，有用于输入数据的三个输入连接器381、382和383。第一输入连接器381被配置为接收从诸如硬盘、磁带、闪存或光盘之类的数据存储器输入的数据。第二输入连接器382被配置为接收从诸如鼠标或触摸屏之类的用户输入设备输入的数据。第三输入连接器383被配置为接收从诸如键盘之类的用户输入设备输入的数据。输入连接器381、382和383连接到输入控制单元380。

在图3中所示的配准系统300的实施例中，有两个用于输出数据的输出连接器391和392。第一输出连接器391被配置为向诸如硬盘、磁带、闪存或光盘之类的数据存储器输出数据。第二输出连接器392被配置为向显示设备输出数据。输出连接器391和392经由输出控制单元390接收各自的数据。

本领域技术人员会理解，有许多方式来将输入设备与配准系统300的输入连接器381、382和383相连接，以及将输出设备与配准系统300的输出连接器391和392相连接。这些方式包括但不限于：有线连接和无线连接、诸如局域网(LAN)和广域网(WAN)的数字网络、互联网、数字电话网、以及模拟电话网。

在根据本发明的配准系统300的实施例中，配准系统包括存储器单元370。存储器单元370被配置为经由输入连接器381、382和383中任意一个从外部设备接收输入数据，并将接收的输入数据存储在存储器单元370中。将数据加载到存储器单元370中允许由配准系统300的各个单元对相关数据部分进行快速访问。输入数据包括第一图像数据集和第二图像数据集。可以借助于诸如以下的设备来实现存储器单元370：例如，随机存取存储器(RAM)芯片、只读存储器(ROM)芯片、和/或硬盘。优选地，存储器单元370包括RAM，用于存储图像数据集。存储器单元370还被配置为经由存储器总线375从配准系统300的各个单元接收数据并将数据发送给配准系统300的各个单元，配准系统300的单元包括：初始读取单元310、坐标选择单元315、界标选择单元320、权重分配单元325、初始渲染单元330、读取单元335、映射单元340、配准单元345、渲染单元350、迭代单元355、及用户接口360。存储器单元370还被配置为使数据经由输出连接器391和392中任意一个对于外部设备可用。将来自配准系统300的各个单元的数据存储在存储器单元370中有利地提高了配准系统300的各个单元的性能，并且有利地提高了从配准系统300的各个单元到外部设备的数据传送速率。

可替换地，配准系统300不包括存储器单元370和存储器总线375。被配准系统300所使用的输入数据由至少一个外部设备提供，例如外部存储器或处理器，其连接到配准系统300的单元。类似地，由配准系统300产生的输出数据被提供到至少一个外部设备，例如外部存储器或处理器，其连接到配准系统300的单元。配准系统300的单元被配置为以经由内部连接或经由数据总线在彼此之间接收数据。

在根据本发明的配准系统300的另一实施例中，配准系统300包括用户接口360，用于与配准系统300通信。用户接口360包括：显示单元，用于向用户显示数据；以及选择单元，用于做出选择。将配准系统300与用户接口360相结合允许了用户与配准系统300通信。用户接口360被配置为向用户显示根据第一图像数据集渲染的视图，以便选择界标组。用户接口360还被配置为显示根据数据集序列中包含的数据集渲染的视图。用户接口360还被配置为帮助将权重分配给界标的坐标。可选的，用户接口可以包括配准系统300的多种操作模式，例如静态显示模式和电影显示模式。本领域技术人员会理解，可以在配准系统300的用户接口360中有利地实现更多的功能。

可替换地，配准系统可以采用经由输入连接器381和/或383及输出连接器392连接到配准系统300的外部输入设备和/或外部显示设备。本领域技术人员还会理解，存在可以有利地包含于本发明的配准系统300中的许多用户接口。

图4示意性地示出了图像采集系统400的实施例，其使用了本发明的配准系统300，所述图像采集系统400包括：图像采集单元410，其经由内部连接与配准系统300相连接；输入连接器401；以及输出连接器402。该配置有利地增加了图像采集系统400的性能，将配准系统300有优势的图像配准性能提供给所述图像采集系统400。当图像采集系统400还被配置为用于交互式图像采集时，该配准性能会证明是尤其有用的，从而使操作者能够在所观察图像的基础上决定获取哪一个数据。图像采集系统的实例是但不限于：CT系统、X射线系统、MRI系统、超声波系统、正电子发射断层造影(PET)系统、及单光子发射计算机断层造影(SPECT)系统。

图5示意性地示出了工作站500的实施例。该系统包括系统总线501。处理器510、存储器520、盘片输入/输出(I/O)适配器530、及用户接口(UI)540可操作地连接到系统总线501。盘片存储设备531可操作地耦合到盘片I/O适配器530。键盘541、鼠标542和显示器543可操作地耦合到UI 540。作为计算机程序而实现的本发明的配准系统300存储在盘片存储设备531中。工作站500被配置为将该程序和输入数据加载到存储器520中，并在处理器510上执行该程序。用户可以使用键盘541和/或鼠标542向工作站500输入信息。工作站被配置为向显示设备543和/或盘片531输出信息。本领域技术人员会理解，在本领域中已知有工作站的许多其它实施例，本实施例起到说明本发明的目的，不应理解为将本发明限于该特定实施例。

本发明的配准系统300，例如在图3中所示的系统，可以实现为计算机程序产品，并能够存储在任何适合的介质上，例如磁带、磁盘或光盘。该计算机程序可以被加载到包括处理单元和存储器的计算机设备中。在被加载后，该计算机程序产品提供给处理单元执行渲染、各种任务的能力。

应指出上述实施例说明了本发明，而不是限制本发明的范围，在不脱离所附权利要求范围的情况下，本领域技术人员将能够设计各种可替换的实施例。在权利要求中，位于括号中的任何参考标记都不应解释为限制权利要求。词语“包括”并不排除未在权利要求中列出的元件或步骤的存在。在一个元件之前的词语“一”不排除多个此类元件的存在。本发明可以借助于包括几个不同元件的硬件及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了几个单元的系统权利要求中，这些单元中的几个可以由同一个硬件或软件对象来体现。词语第一、第二和第三等的使用并不表示任何排序。这些词语可以被解释为名称。

Claims (11)

1.一种配准方法(100)，用于在一组界标的基础上将第二图像数据集与第一图像数据集配准，所述配准方法(100)包括：

权重分配步骤(125)，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准步骤(145)，用于在分配给所述每个坐标的所述权重的基础上，将所述第二图像数据集与所述第一图像数据集配准，

其特征在于，所述权重分配步骤允许限制或消除随后的配准步骤对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

2.如权利要求1所述的配准方法(100)，还包括坐标选择步骤(115)，用于选择在所述第一图像数据集中的坐标系。

3.如权利要求1所述的配准方法(100)，其中，使用刚性变换在所述配准步骤中配准所述第二图像数据集。

4.如权利要求2所述的配准方法(100)，其中，所述权重分配步骤(125)还包括将基本上等于零的第一零权重分配给所述界标组中一特定界标的第一坐标，由此优化在所述第二图像数据集中该特定界标相对于所述第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于所述坐标系的第一坐标轴。

5.如权利要求4所述的配准方法(100)，其中，所述权重分配步骤(125)还包括将基本上等于零的第二零权重分配给所述特定界标的第二坐标，由此优化所述第二图像数据集中该特定界标相对于所述第一图像数据集中该特定界标的位移，所述位移基本上垂直于所述坐标系的第二坐标轴。

6.如权利要求1所述的配准方法(100)，还包括渲染步骤(150)，用于在所述第二图像数据集与所述第一图像数据集配准的基础上，根据所述第二图像数据集渲染视图。

7.如权利要求6所述的配准方法(100)，还包括迭代步骤(155)，用于采用电影形式根据图像数据集序列渲染视图序列，在此，从所述图像数据集序列选择所述第一图像数据集，并且从所述图像数据集序列迭代地选择所述第二图像数据集。

8.一种配准系统(300)，用于在一组界标的基础上，将第一图像数据集与第二图像数据集配准，所述配准系统(300)包括：

权重分配单元(325)，用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标；以及

配准单元(345)，用于在分配给所述每个坐标的所述权重的基础上，将所述第二图像数据集与所述第一图像数据集配准，

其特征在于，由所述权重分配单元(325)执行的权重分配允许限制或消除由所述配准单元(345)执行的随后配准对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

9.一种用于获取图像数据集的图像采集系统(400)，其包括如权利要求8所述的配准系统(300)。

10.一种工作站(500)，其包括如权利要求8所述的配准系统(300)。

11.一种配准系统，用于在一组界标的基础上，将第一图像数据集与第二图像数据集配准，所述配准系统包括：

用于将权重分配给所述界标组中各个界标的每个坐标的模块；以及

用于在分配给所述每个坐标的所述权重的基础上，将所述第二图像数据集与所述第一图像数据集配准的模块，

其特征在于，由用于分配的所述模块执行的权重分配允许限制或消除由用于配准的所述模块执行的随后配准对于一些界标坐标的相关性同时优化所选界标坐标和位移。

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