CN101663691A - 不同预采集医学图像的时空扭曲 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于医学图像比较目的的方法，其包括生成与第二全局图像的相似性增加的第一全局图像或掩膜的步骤，其中第一全局图像至少部分地包括患者的不同预采集图像的合成；其中在不同时间处采集所述预采集图像。
Description
技术领域
本发明一般地涉及医学数字成像领域。更具体而言，本发明涉及数字减影血管造影(DSA)领域。更具体而言，本发明涉及血脏减影血管造影(CSA)。更确切地说，本发明涉及一种在X射线成像领域中用于医学图像比较目的的方法，还涉及图像处理设备以及应用于DSA或CSA和其他医学领域的软件程序。
背景技术
DSA是一种用于对神经血管和外周血管的介入性X射线进行诊断观察和定量评估的方法。具体而言，对心脏和冠状动脉的介入式成像是一项重要的应用领域，但是，对于具有足够质量的诊断观察或以允许随后的定量冠状动脉造影(QCA)而言，无法得到揭示了运动的冠状动脉中的造影剂的心脏DSA。
在研究和技术领域中，为了以诊断血管造影的形式对图像进行减影，选择预采集图像(有时称为掩膜图像或掩膜)，其示出了在无造影剂的情况下心动周期的相同阶段中的心脏。之后在空间上使所述掩膜变形(扭曲)以补偿剩余的运动，从而得到具有尽可能少的主观视觉伪影的减影图像。
创建一种变形矢量场并在进行减影前将其应用到所述掩膜，所述变形矢量场产生掩膜与血管造影的可能最好的匹配。
EP 0 840 253一般地涉及到一种用于X射线成像的方法，更具体而言，涉及用于对血管进行成像的DSA。根据EP 0 840 253，描述了一种从掩膜图像数据和不透明图像数据(opacified image)生成DSA图像不透明的方法。掩膜图像指的是在将造影剂注射到血管之前拍摄的X射线图像。不透明图像指的是在注射造影剂之后拍摄的X射线图像。
对于患有冠状心脏病的患者，即冠状血管造影的目标患者群体而言，观察到心跳形状和动态中的不规则性，特别是在注射造影剂之后。结果，可得到的掩膜经常不足以采集血管造影帧中的心脏的收缩状态，由此提供高质量掩膜输入。即使当单DSA帧具有高度主观的视觉质量，在多心跳序列中，每当到达掩膜帧采集的末端时，不连续性或折叠(wrap-around)伪影也是可见的，必须选择更早的帧用于减影。
因此，对于允许改进的诊断观察以及实现随后的定量冠状动脉造影QCA而言，高质量冠状减影造影是很重要的。
可能需要一种有效且可靠的方法，其可在紧密配置内提供，并且其可更精确地生成医学图像，优选地DSA图像。如此精确的图像应该优选地具有最小的(例如由于患者或其器官运动造成的)伪影，并且应该针对从图像的一部分到图像的另一个部分的任何不良配准变化进行校正。
发明内容
这一需求可以通过用于医学图像比较目的的方法而满足，所述方法包括生成与第二全局图像的相似性增加的或最大相关性的第一全局图像，其中第一全局图像至少部分地包括患者的不同的预采集图像的合成，其中在不同时间处采集所述预采集图像。
因此，预采集图像的局部时空扭曲可以补偿第一全局图像和第二全局图像之间的不规则性。因此，本发明实现一个新的时间维度，这是因为除了图像坐标的扭曲或位移，不同时间的预采集图像是可选择的，以得到前述的、第一和第二全局图像之间的相似性。根据DSA和CSA领域，可以将预采集的图像限定为在将造影剂注射到患者的血管之前的X射线图像。将预采集图像或“预剂量(pre-bolus)”图像限定为掩膜或掩膜图像。另外，第二全局图像可指在注射造影剂之后拍摄的X射线图像，或简要地为“造影图像”。
根据如权利要求2所述的本发明的实施例，将第一全局图像划分为多个图像区域或框架。该区域可为矩形或每隔一个具有甚至不规则形状。这种区域的大小可设定为仅一个像素。至少一个图像区域利用至少一幅第一预采集图像的匹配区域，并且相邻的区域利用至少一幅第二预采集图像的匹配区域。
在优选实施例中，这样生成第一全局图像，使得选择预采集图像的区域的合成，与其他选择相比，所述合成与第二全局图像达到了增加的相似性。这一合成构成了第一全局图像。因此，利用对不同预采集图像的多个预采集图像区域进行的选择来取代对单个预采集图像区域进行的选择(如从最先进的技术，例如，EP0 840 253中已知的)。
匹配过程可起始于本发明的一个实施例中，在大量预采集图像中选择感兴趣图像区域或点。高局部强度变化的点或区域可视为是感兴趣的，这是因为它们易于匹配。在第二全局图像、CSA或DSA“造影图像”中，仅将感兴趣区域/点匹配到它们相应的区域或点。
因此，第二全局图像的感兴趣区域具有不同预采集图像的多个匹配区域。另外，对于第二全局图像的感兴趣区域中的每一个，选择至少一幅预采集图像的至少一个匹配区域，与剩余的预采集图像的匹配区域相比，所述至少一幅预采集图像的至少一个匹配区域与第二全局图像的对应的区域的相似性增加。选定区域构成了第一全局图像。因此，第一全局图像是不同预采集图像的合成，更准确地说，是来自不同预采集图像的区域，如上所述。
由于患者身体或其器官的旋转或平移，甚至是第一和第二图像的区域也可能相对于彼此旋转或平移。另外，可利用剩余预采集图像的区域的数据对所述区域进行插值，其涉及到应用插值、相关性以及在第三维度上的后期扭曲过程的可能，事实上第三维度是一种时间维度，因为预采集的图像是在不同时间上采集的。
如果本发明方法用在DSA或CSA领域中，则对预采集图像的局部时空扭曲将补偿心跳中的不规则以及在注射造影剂后在第一和第二全局图像之间的心跳形状的改变。
本发明的一个方面在于确定三维变形矢量场，其具有作为额外的以上维度的局部时移(掩膜框架的局部变化)。注射造影剂之后的变化的动态和形状表现针对第二全局图像的不同区域选择不同预采集图像(掩膜)的区域。
因此，根据如在权利要求2所述的本发明的第二实施例，将第一全局图像划分成多个图像区域，其中至少一个图像区域利用至少一幅第一预采集图像的匹配区域，并且邻近图像区域利用至少一幅第二预采集图像的匹配区域。
根据如权利要求3所述的本发明的另一实施例，所述方法还包括以下步骤：生成局部自适应和/或时间自适应图像变换，并且将所述变换应用到第一全局图像以生成扭曲图像。
根据如权利要求4所述的本发明的另一实施例，权利要求3的方法还包括应用步骤，特别是从第二全局图像中减去扭曲图像值。
根据如权利要求5所述的本发明的另一实施例，所述预采集图像为X射线图像。
根据如权利要求6所述的本发明的另一实施例，所述方法用于生成数字减影血管造影图像。
根据如权利要求7所述的本发明的另一实施例，所述方法还包括以下步骤：选择完整心跳周期的预采集图像的序列；对选定的预采集图像的匹配区域进行预处理；生成心跳周期中最后一幅和第一幅匹配的预采集图像的匹配区域的变形矢量场；以及将变形矢量场应用到剩余的预采集图像的所有匹配区域。
根据如权利要求8所述的本发明的另一实施例，要求保护一种图像处理设备。所述图像设备包括用于存储患者的图像的存储器以及用于对多幅预采集图像进行配准的图像处理器。所述图像处理器适于执行以下操作：生成第一全局图像，其中第一全局图像包括不同预采集图像的合成；针对预采集图像中的至少两幅计算变形矢量场；以及将所述变形矢量场应用到患者的第一或第二全局图像，使得增加第一全局图像和第二全局图像之间的相似性。
根据如权利要求9所述的本发明的另一实施例，要求保护一种用于配准多幅预采集图像的软件程序。所述软件程序使处理器执行以下操作：生成第一全局图像，其中第一全局图像包括不同预采集图像的合成；针对预采集图像中的至少两幅计算变形矢量场；以及将所述变形矢量场应用到患者的第一或第二全局图像，使得增加第一全局图像和第二全局图像之间的相似性。
在本发明的另一实施例中，将“应用变形矢量场”限定为逐渐地应用所述场，使得将“最新的”预采集图像完全变形到根本没有变形的“第一”预采集图像。处于这两幅图像之间的图像每一次都会变形得更少。
通过逐渐地将矢量场应用到预采集图像，可消除不连续的掩膜折叠的伪影，使得优选地针对心脏DSA得到作为掩膜输入的无折叠不连续伪影的稳定心跳。
根据如权利要求10所述的本发明的另一实施例，优选地在选定心动周期的最后一幅掩膜和第一幅掩膜之间计算空间变形矢量场。这两个帧示出了处于相同收缩状态的心脏，但是当然，这些帧不完全相同。这些帧之间的剩余变形矢量场可消除两个帧之间的可见的闪烁伪影。为了完全避免伪影，提出将这一变形矢量场线性插值到心动周期上，使得由小的、逐渐的变形消除不连续性。预处理掩膜帧序列中的一个选定的完整心跳。使这一选定心跳中最后一帧和第一帧匹配得到变形矢量场，其可(在时间插值中)应用到所有掩膜帧，使得可看到无折叠不连续伪影的稳定心跳。
在当前心脏DSA领域中，提出两种主要修改和扩展，以减少减影伪影的数量：
利用针对图像中每一区域选择多个预采集区域或掩膜帧来取代选择单个预采集图像或掩膜帧确定针对后期扭曲的变形矢量场。在不同图像区域中，不同掩膜帧可更好地采集心脏收缩的局部状态，特别是在由于病理以及造影剂注射而出现的不规则性中。
另外，必须注意的是，已经参考方法描述了本发明的某些实施例，而参考图像处理设备和软件程序描述本发明的其他实施例。然而，本领域技术人员将会从以上或以下描述中意识到，除非其他通告，除了属于一类型权利要求的特征的任何结合以外，在不同权利要求中描述的特征的任何组合也是可能的，并将其视为在本申请中公开。
从以下将要描述的实施例的示例中，以上限定的各方面以及本发明的其他方面将变得显而易见，并且通过参考实施例的示例而得到解释。参考实施例的示例，以下将更详细地描述本发明，但本发明并不限于所述示例。
附图说明
图1示出了根据本发明的示范性实施例的图像处理设备的示意性表示，其适于执行根据本发明的示范性实施例的方法；
图2示出了根据本发明的方法的示范性实施例的简化的流程图；
图3示出了从单个预采集的扭曲图像和第二图像获得的DSA图像；
图4示出了从大量时间上扭曲的预采集图像和第二图像获得的DSA图像；
图5示出了在图1和图2中使用的预采集的扭曲图像之间的差异；
图6示出了图3的左上角的放大部分；以及
图7示出了图4的左上角的放大部分。
附图标记列表：
1图像处理器
2存储器
3输入/输出网络
4显示设备
5键盘
具体实施方式
图1示出了根据本发明的图像处理设备的示范性实施例，其用于执行根据本发明的方法的示范性实施例。图1中描述的图像处理设备包括中央处理单元(CPU)或图像处理器1，以执行与存储器2连接的扭曲操作，所述存储器2用于存储患者的图像，例如预采集图像的数据。图像处理器1可连接到多个输入/输出网络3或诊断设备而，例如介入式X射线成像设备。图像处理器1还连接到显示设备4(例如计算机显示器)用于显示在图像处理器1中计算或调整的信息或图像。操作者可通过键盘5和/或其他输入/输出设备(图1中未示出)与图像处理器1进行交互。
尽管以下参考医学应用描述了所述方法，特别是在DSA中的应用，但应该注意的是本发明也可应用到需要进行扭曲的任何多维数据集或图像中。例如，可将本发明应用到医学图像的质量检测，其中将实际图像与之前的图像进行比较。另外，本方法可应用于医学追踪研究，例如，用于监测患者心脏在某一时期的变化。
图2示出了一种根据本发明配准第一和第二图像的方法的示范性实施例的流程图。
如从图2中看到的，在步骤S1中开始后，在步骤2中识别每幅所存储的预采集的图像中的感兴趣区域。之后，在随后的步骤S3中，确定第二全局图像的局部对应的匹配区域。之后，在随后的步骤S4中，选择与第二全局图像的相应区域的相似性增加的预采集图像的区域。所有选定的区域限定了第一全局图像。在选择步骤中优选具有与第二全局图像的对应区域具有最大相关性的区域。在随后的步骤S5中，时空矢量场的值随后在扭曲过程中发生变化，使得第一全局图像和第二全局图像之间的相似性最大化。具体而言，通过插值来改变选定区域的时空置换。在随后的步骤S6中，向第一全局图像应用变形矢量场以获取扭曲图像。在另一步骤中，从相应的第二全局图像数据中减去经扭曲的图像数据以获得如图4和图6中示范性示出的最终DSA图像。
图3示出了从单个预采集的扭曲图像和第二图像中获得的DSA图像，图4示出了从大量时间上扭曲的预采集图像和第二图像获得的DSA图像。图5示出了在图1和图2中使用的预采集的扭曲图像的差异。图6示出了图3的左上角的放大部分，图7示出了图4的左上角的放大部分。
根据图4，从一组候选预采集图像中选择一幅预采集的图像(掩膜)，其允许在减影之前与造影最佳匹配。预采集图像的局部时空扭曲补偿造影剂注射后心跳的不规则性以及心跳的形状的改变。
已知竞争方法来确定变形矢量场，所述变形矢量场得到造影帧与经变形的预采集图像的可能的最佳匹配。当前，所有这些方法为平面的，并且本发明的本质提高在于将具有局部时移(掩膜帧的局部变化)的变形矢量场确定为额外的维度。结果，对于在注射造影剂之后在动态和形状上发生变化的心跳而言，这一点反映在为图像的不同区域选择不同的掩膜。结果时空扭曲取代了掩膜变形和合成中的当前平面扭曲。在图3至7中示出了，与单个最佳掩膜选择相比该方法的效果。图7示出了来自经不完全匹配的导管的强烈减少的伪影。相比之下，图6示出了导管的具有强烈的侧面阴影的DSA图像。通过最先进的扭曲方法利用一幅单预采集图像获得图6的图像。
掩膜采集经常经过一个心动周期，而造影序列包含多个心跳。结果，在每一个心脏掩膜周期的末端处的减影序列中，折叠伪影(闪烁)是可见的。当施加以上时空掩膜扭曲时，该伪影已经降低，这是因为折叠伪影分布出现在多个造影帧上。权利保护的方法可消除这一伪影。
应该注意的是“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词“一”或“一个”不排除多个。另外，结合不同实施例描述的元件可以进行组合。还应该注意的是，不应将权利要求中的附图标记解释为限制权利要求的范围。
Claims (10)
1、一种用于医学图像比较目的的方法，包括以下步骤
生成与第二全局图像的相似性增加的第一全局图像，其中，所述第一全局图像至少部分地包括患者的不同预采集图像的合成；其中，在不同时间处采集所述预采集图像。
2、如权利要求1所述的方法，其中，将所述第一全局图像划分为多个图像区域；并且其中，所述图像区域中的至少一个利用至少一幅第一预采集图像的匹配区域；邻近图像区域利用至少一幅第二预采集图像的匹配区域。
3、如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：
生成局部自适应和/或时间自适应图像变换；
将所述变换应用到所述第一或第二全局图像以生成扭曲图像。
4、如权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：
从所述第一或第二全局图像应用，具体而言减去所述扭曲图像值。
5、如权利要求1至4中之一所述的方法，其中，所述预采集图像为X射线图像。
6、如权利要求1至5中之一所述的方法，其中，所述方法还用于生成数字减影血管造影图像。
7、如权利要求2至6中之一所述的方法，还包括以下步骤：
选择完整心跳周期的预采集图像序列；
对所选定预采集图像的匹配区域进行预处理；
生成所述心跳周期中最后一幅预采集图像和第一幅匹配预采集图像的匹配区域的变形矢量场；
将所述变形矢量场应用到剩余预采集图像的所有匹配区域。
8、一种图像处理设备，包括：
存储器(2)，其用于存储患者的图像；以及
图像处理器(1)，其用于配准多幅预采集图像；
其中，所述图像处理器(1)适于执行以下操作：
生成第一全局图像，其中，所述第一全局图像包括不同预采集图像的合成；
针对所述预采集图像中的至少两幅计算变形矢量场；
将所述变形矢量场应用到所述患者的所述第一或第二全局图像，使得增加所述第一全局图像和所述第二全局图像之间的相似性。
9、一种软件程序，其用于配准多幅预采集图像；其中，所述软件程序使处理器(1)执行以下操作：
生成第一全局图像，其中，所述第一全局图像包括不同预采集图像的合成；
针对所述预采集图像中的至少两幅计算变形矢量场；
将所述变形矢量场应用到所述患者的所述第一或第二全局图像，使得增加所述第一全局图像和所述第二全局图像之间的相似性。
10、如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：
对患者的一个选定的完全心跳周期的预采集图像的区域进行预处理；
计算优选地在所述选定心动周期的最后一个和第一个预采集图像区域之间的空间变形矢量场；
将所述变形矢量场线性插值到所述心动周期上，使得由小的、逐渐的变形消除不连续性。
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