CN102054295A - 用于分割医学的图像数据的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动分割物体(1)的尤其是心瓣的不平的表面(4)的医学的图像的方法以及装置，具有以下步骤：检测限界物体(1)的不平的表面(4)的界面(2)，建立在界面(2)之间展开的模型表面(5a)，通过距离信息(8)校正模型表面(5)，直到形成校正的模型表面(5b)，所述距离信息包含关于模型表面(5a)和物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，并且示出校正的模型表面(5b)。优选根据三维或者四维的图像数据组校正所述模型表面(5a)，方法将所述物体(1)的三维的立体渲染基本上垂直于模型表面(5a)定向，从而可以分析关于模型表面(5a)和物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，直到形成校正的模型表面(5b)。

Description

用于分割医学的图像数据的方法以及装置

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1和11所述的用于分割物体的尤其是心瓣的不平的表面的医学的图像的方法以及装置。在权利要求14中表示适合于此的计算机程序产品。所述方法和装置尤其适合于示出房室瓣、尤其是二尖瓣，该二尖瓣将心脏的左心房相对于左心室隔开。在此，对于医学的成像来说特别重要的是，分割二尖瓣的瓣膜，从而三维地或者-在心脏活动期间-也四维地示出异常现象。

背景技术

在现有技术中，至今为止只能手动地如此分割不平的表面。例如在Philips

系统中，软件的使用者必须在9-12幅平行的剖面图中画出二尖瓣的瓣膜的瓣膜轮廓，该剖面图存在于3D/4D-超声波立体数据中，或者说可以根据该超声波立体数据产生。所述手动画出的瓣膜轮廓然后用于在相应的心瓣的三维视图中示出三维的轮廓。

通过使用者手动分割这种不平的表面是麻烦并且缓慢的。此外，不排除使用者在二维的层图上检测错误的轮廓，使得手动检测的表面可能是有缺陷的，其中二维的层图可能从三维的图像数据组(例如超声波、CT或者MR)中获得。当在拍摄时关于时间的分辨率不足以识别快速的瓣膜运动时，心脏中的瓣膜也可能在拍摄四维的图像数据组时、也就是沿着时间轴拍摄的三维的图像数据组时显示两份。如果以层的方式、也就是基于二维的层图处理所述数据组，则失去了空间上的关系，并且瓣膜的轮廓是不一致的。

最后，手动的分割也非常强烈地取决于各个使用者，从而在相同的三维或者四维的图像数据组中会根据哪个使用者处理数据组而得出不同的结果。

发明内容

因此，本发明的任务是简化对不平的表面的医学的图像进行的分割，并且使其自动化，从而在三维或者四维的数据组中实现统一的并且标准化的分割，该分割尽可能精确地逼近现实。在此，本发明从以下条件出发，即已经拍摄了所述物体，并且借助于三维或者四维的图像数据组进行保存，并且可以借助于已知的3D的立体渲染满意地示出所述物体。

本发明通过在独立权利要求1和11中的特征部分的特征解决该任务。本发明的优选实施方式在从属权利要求中表示并且在那里要求保护。在权利要求14中表示适合于实施本发明的计算机程序产品。

本发明从以下条件出发，即已经通过三维或者四维的医学的成像方法拍摄了物体的不平的表面，从而存在三维或者说四维的图像数据组。这可以是CT图像数据组、MR图像数据组或者也可以是超声波图像数据组。例如已经存在了由申请人开发的软件“4D MV评定”，该软件能够根据三维或者四维的图像数据进行立体渲染，从而可以在闭合的状态下很好地示出该不平的表面、例如心脏二尖瓣的瓣膜。

例如在德国的专利申请DE 103 39 979中描述了对此有帮助的方法。在此，可以如此操作多维数据组中的指针，从而可以考虑三维或者四维的数据组的特定的区域。所述指针例如可以垂直于二尖瓣的通孔定向，从而可以近似“从上面”考虑所述二尖瓣。由此，借助于这种方法可以切出物体的任意区域，也就是有待检验的不平的表面，并且用按本发明的方法进行进一步处理：

为此，首先检测限界物体的不平的表面的界面。随后，在所述界面之间展开模型表面，该模型表面优选以最短的路径跨过所述界面的界线。根据距离信息校正所述模型表面，其中距离信息包含关于模型表面和物体的不平的表面之间的距离的信息，从而从模型表面出发，形成校正的模型表面，该校正的模型表面尽可能精确地逼近所述物体的不平的表面。随后，所述校正的模型表面可以以已知的模型以三维或者四维的方式示出。

在心瓣的视图中，不平的表面通常由至少一个第一部分表面(第一瓣膜)以及第二部分表面(第二瓣膜)构成，所述部分表面分别弯曲并且借助于分隔线(瓣膜的闭合线)相互分开。所述校正的模型表面可以在示出之前沿着该分隔线分成至少两个部分表面，从而可以单个地示出每个瓣膜。

所述界面尤其是封闭的线，使得模型表面跨过所述不平的表面。按本发明的优选实施方式根据三维或者四维的图像数据组来检测所述界面，在所述图像数据组中自动地检测在该数据组中的标记。所述标记限界了不平的表面，并且根据本发明内插成连续的线。

在分割心脏的二尖瓣时，自动地检测圆环，该圆环是二尖瓣的封闭的界面。这可以以不同的方式实现：一种方案在于，通过三维的立体数据组的表面渲染来检测该圆环，其中检测例如心脏的左心室的表面中最大弯曲部位的点，并且将其与连续的线相连接，从而形成封闭的界面，该界面基本上相应于二尖瓣的圆环。另一方案在于检测合适的剖面，例如借助于在WO 2005/031655中描述的指针选出与之正交的平面并且在该平面上检测圆环，方法是相应地检测圆环的界线上的灰度区别。此外，可以选出围绕圆环的并且垂直于二尖瓣的旋转的剖面图，在该剖面图上选出圆环与剖切平面的交点(所谓的标记)。最后也可以在纵轴剖面上检测圆环，或者通过前面所述方法的组合进行检测。

现在，在所述界面之间展开所述模型表面，其中模型表面本身不必是平的。然而该模型表面优选以最短的路径连接界面线上的点，可以说形成了张紧的“皮肤”，该皮肤通过界面展开。当然，该模型表面也可以通过二阶、三阶或者更高阶的函数展开。

随后通过距离信息校正所述模型表面。为此引用三维或者四维的图像数据组，其中物体的三维的立体渲染基本上垂直于模型表面定向，从而可以分析关于模型表面和物体的不平的表面之间的距离的信息，直到形成校正的模型表面。根据本发明的特别的实施方式，所述距离信息沿着基本上垂直于模型表面的矢量，其中相应地分析不平的表面的三维的图像数据组的立体渲染。

如果例如将由DE 103 39 979A1公开的“指针”基本上垂直于模型表面进行定向，那么通过立体渲染的深度图表获得了模型表面与不平的表面也就是例如心脏的瓣膜之间的距离信息。

根据本发明的另一优选的实施方式，通过距离信息迭代地校正所述模型表面，直到形成了校正的模型表面。同样也可以至少部分地沿着与模型表面呈锐角倾斜的矢量获得距离信息，其中物体的三维的立体渲染基本上平行于所述倾斜的矢量定向，从而必要时可以检测所述表面，所述表面相对于模型表面以及基本上垂直于其的矢量具有侧凹，所述侧凹借助于这种垂直的矢量不能迭代地逼近。然而，根据倾斜的矢量可以迭代地逼近这种侧凹的表面，其中-从借助于垂直的矢量获得的逼近出发-进一步借助于倾斜的矢量逼近所校正的模型表面，直到分析这种倾斜的立体渲染的深度图表。

根据本发明的另一优选的实施方式，所述校正的模型表面在示出之前分成至少两个部分表面，其中沿着最大弯曲部位的区域、沿着与模型表面和/或类似部分的最大距离处或者基本上正交的表面法向来分开。由此，自动地检测不平的表面的各个部分表面之间的分隔线，从而可以单独地示出所述各个部分表面。例如可以根据网格模型示出所述分开的校正的模型表面，其中也可以连续地示出所述表面关于时间的变化。由此获得了逼近的部分模型表面的视图，所述部分模型表面反映出了心脏跳动时例如心脏的二尖瓣的运动。

例如当另一内部的封闭的界面处于外面的封闭的界面的内部，从而例如在内部形成“孔”时，也可以通过两个或者更多个界线来展开本发明的模型表面的界面。变形的或者说校正的模型表面同样包含这种“孔”，然而相应地与物体的实际轮廓匹配。

本发明也涉及一种用于分割物体的例如心瓣的不平的表面的医学的图像的装置，该装置具有用于探测并且确定界面的探测机构，所述界面限界了物体的不平的表面，所述装置还具有用于建立在界面之间展开的模型表面的建模机构以及用于示出校正的模型表面的显示机构，其中该建模机构通过距离信息校正所述模型表面，直到形成校正的模型表面，所述距离信息包括关于模型表面与物体的不平的表面之间的距离的信息。

此外，按本发明的装置有利地具有用于使物体的三维的立体渲染定向的定向机构，所述立体渲染基本上垂直于模型表面，从而可以分析关于模型表面与物体的不平的表面之间的距离的信息，直到形成校正的模型表面。所述定向机构也可以与模型表面呈锐角地定向所述物体的三维的立体渲染，从而必要时同样可以逼近所述不平的表面的侧凹。这种适合于本方法的定向机构有利地是在DE 103 39 979A1中描述的机构，该机构从特定的观察方向出发示出了三维的立体渲染的感兴趣的区域，并且额外地相对于模型表面进行定向，从而相应地矫正相应的距离信息，也就是渲染的深度图表。

此外，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含存储在计算机可读的介质上的程序代码，该程序代码在其于计算机上运行时实施按权利要求1-10中任一项所述的方法。

附图说明

根据附图详细解释本发明的用于分割尤其心脏中瓣膜的优选实施方式。其中示出：

图1是有待研究的具有示意性示出的不平的表面的物体1的示意性的三维图；

图2是按图1的示意图的剖面S；

图3a是模型表面的示意性俯视图；

图3b是校正的模型表面的示意性俯视图；

图4是二尖瓣脱垂的示意性的三维图，以及

图5是按图4的具有侧凹的不平的表面的二尖瓣脱垂的侧视图。

具体实施方式

图1示出了例如左心室的示意性的三维横截面图，其具有示意性示出的二尖瓣，其中没有示出主动脉瓣以及其它细节。所述二尖瓣是心脏中的两个房室瓣膜之一，并且基本上由两个瓣膜组成，所述瓣膜借助于腱索7固定在乳头肌6上并且由此固定在心室中。所述二尖瓣瓣膜的向下伸入左心室的拱形部分防止左心室收缩时血液回流到左心房中。

在医学的图像诊断中特别重要的是，可以检查所述二尖瓣的功能。如果早期发现的话，可以治疗该二尖瓣的两种最重要的疾病，也就是二尖瓣狭窄以及二尖瓣机能不全。为此目的，通常借助于经食管超声心动图拍摄心脏的该区域，并且获得二尖瓣的三维或者四维的图像数据组。这样，通过二尖瓣的剖面图能够在四维的超声波摄像中例如显示出二尖瓣机能不全，也就是说根据该四维的也就是可运动的三维的超声波图像可以显示出血液可能泄漏流入左心房中。

然而，至今为止不能单独地并且在三维上相互分开地自动分离所述二尖瓣瓣膜，用以能够单个地并且通过其整个舒张检查其运动，然而这对于泄漏流或者畸形的精确定位来说是特别重要的。

然而，本发明现在实现了这种自动地分割二尖瓣的两个瓣膜，其中例如借助于经食管超声心动图拍摄所述物体1，例如左心室。从所述三维或者四维的图像数据组中可以提取界面2，该界面-如图1所示-代表二尖瓣的圆环。在此，所述二尖瓣由弯曲的第一部分表面4a以及弯曲的第二部分表面4b组成，这两个部分表面通过分隔线3分开。该分隔线3表示闭合线，也就是相对于左心房密封左心室的区域。

图2示出了按图1的示意性的三维视图的剖面的剖视图S，其具有物体1的上面的区域，该物体在界面2和分隔线3之间具有两个弯曲的部分表面4a以及4b。

基于三维的立体渲染，现在自动地检测在图1中示出的界面2。其中例如检测在物体1的上面区域中的特别强烈的弯曲部位的标记或者点，并且借助于内插法相互连接成连续的界线。随后，展开所述界面2之间的模型表面5a。然后根据距离信息8对模型表面5a进行校正，其中该距离信息8包含关于模型表面5a与物体1的不平的表面4之间的距离的信息。通过例如模型表面5a沿着基本上垂直于模型表面5a的深度矢量V的迭代的逼近，可以使其与不平的部分表面4a或者说4b相匹配。

在一定程度上如此使所述模型表面5a变形，使得其在端部上相应于不平的部分表面4a或者说4b的几何形状。为此，人们如此矫正立体渲染，使得深度矢量V基本上垂直于模型表面5a。在这种情况下，使用立体渲染的深度图表用以提供距离信息8，该距离信息将不平的或者说弯曲的表面4a、4b的位置自动地传递到模型表面5a上，从而将模型表面朝校正的模型表面5b逼近。

图3a示出了在部分表面4a或者说4b以及分隔线3上的通过界面2展开的模型表面5a。图3b示出了在按本发明的方法结束时逼近的校正的模型表面5b，该模型表面现在沿着弯曲的部分表面4a或者说4b发生了变形。

图4示出了二尖瓣的疾病，也就是二尖瓣脱垂，这会导致在第一部分表面4a的一部分、也就是在瓣膜弯曲到左心房的区域内，从而形成弯曲的第三部分表面4c时基本上形成三个部分表面，该部分表面4c通过第二分隔线9相对于弯曲的第一部分表面4a隔开。

图5现在示意性地示出了按图4的二尖瓣脱垂的侧视图，其中也仅仅示意性地在深度矢量V的上面的端部上示出模型表面5a。实际上，该模型表面位于界面2之间。如果仅仅沿着基本上垂直的深度矢量V校正这种模型表面5a，那么会在弯曲的部分表面具有侧凹时产生错误，如在图5中示意性示出的一样。为此目的，本发明提出也沿着与模型表面5a呈锐角倾斜的矢量W来校正所述模型表面5a，其中所述物体1的三维的立体渲染也基本上平行于所述倾斜的矢量W定向。由此所述模型表面5a应该首先根据基本上垂直的深度矢量V进行逼近，从而在进一步迭代的匹配步骤中检查，根据锐角倾斜的矢量W是否发现可能的侧凹，在该侧凹中可以进一步“校正”所述模型表面5a。

一旦产生所校正的模型表面5b，就可以分开各个部分表面4a、4b、4c，其中例如用标准的方法进行分离(例如轮廓检测)。为此目的，分析深度梯度和/或表面法向的近似值。作为替代方案，也可以检测最大弯曲在校正的模型表面5b上的位置并且相应地做上标记。通过所述点的连接，可以形成分隔线3或者说9，并且所获得的部分表面然后单个地示出。例如可以在心脏的网格模型中示出通过界面2和分隔线3的一部分展开的弯曲的第二部分表面4b，并且四维地也就是运动地示出。通过二维或者三维的跟踪，在整个心脏周期上跟踪如此分割的结构(例如网格的点)，并且由此获得各个弯曲的部分表面的动态视图，也就是瓣膜的例如心脏的二尖瓣的动态视图。

通常所述网点的跟踪是很有意义的，因为在基于图像的跟踪中不能总是可靠地确保各个有待跟踪的点的配属关系。

此外，可以考虑检测额外的标记L，例如乳头肌6的在图2中示出的尖端或者腱索7的端部，从而可以在网格模型中动态地示出由此获得的标记L连同部分表面。由此，整个瓣膜器官在其动态方面可以以三维方式示出。

通过本发明取消了至今为止缓慢的用户互动以及与之联系的误差源。即使由于良好数据的不足而不能完全自动地进行分割，毕竟还可以缩短用户互动，在该用户互动中要准备相应于本发明的数据。

Claims (14)

1.用于分割物体(1)的尤其是心瓣的不平的表面(4)的医学的图像的方法，具有以下步骤：

-检测限界物体(1)的不平的表面(4)的界面(2)，

-建立在界面(2)之间展开的模型表面(5a)，

-通过距离信息(8)校正模型表面(5a)，直到形成校正的模型表面(5b)，所述距离信息包含关于模型表面(5a)和物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，并且

-示出校正的模型表面(5b)。

2.按权利要求1所述的方法，其中，

所述不平的表面(4)由至少一个第一部分表面(4a)和第二部分表面(4b)组成，所述部分表面分别弯曲并且借助于分隔线(3)相互分开，并且其中所述校正的模型表面(5b)在示出之前沿着分隔线(3)分成至少两个部分表面(4a、4b)。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中，

所述界面(2)是封闭的线，使得模型表面(5a)跨过所述不平的表面(4)。

4.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

根据三维或者四维的图像数据组检测所述界面(2)，方法是检测标记，所述标记限界了不平的表面(4)，并且随后将所述标记内插成连续的线。

5.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

根据三维或者四维的图像数据组通过距离信息(8)校正所述模型表面(5a)，其中所述物体(1)的三维的立体渲染基本上垂直于模型表面(5a)定向，从而可以分析关于模型表面(5a)和物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，直到形成校正的模型表面(5b)。

6.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

沿着基本上垂直于所述模型表面(5a)的矢量获得所述距离信息(8)，方法是相应地分析所述不平的表面(4)的三维的图像数据组的立体渲染。

7.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

通过距离信息(8)迭代地校正所述模型表面(5a)，直到形成校正的模型表面(5b)。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，

也至少部分地沿着与所述模型表面(5a)呈锐角倾斜的矢量(W)获得距离信息(8)，其中所述物体(1)的三维的立体渲染基本上平行于倾斜的矢量定向。

9.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述校正的模型表面(5b)在示出之前分成至少两个部分表面(4a、4b)，其中沿着最大弯曲部位的区域、沿着与模型表面(5a)和/或类似部分的最大距离处或者基本上正交的表面法向来分开。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，

借助于网格模型示出所述分开的校正的模型表面(5b)，其中也连续地示出所述表面的关于时间的变化。

11.用于分割物体(1)的尤其是心瓣的不平的表面(4)的医学的图像的装置，该装置具有

-用于探测并且确定界面(2)的探测机构，所述界面限界了物体(1)的不平的表面(4)，

-用于建立在界面(2)之间展开的模型表面(5a)的建模机构，

-其中该建模机构通过距离信息(8)校正所述模型表面(5a)，直到形成校正的模型表面(5b)，所述距离信息包括关于模型表面(5a)与物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，以及

-用于示出校正的模型表面(5b)的显示机构。

12.按权利要求11所述的装置，具有用于使物体(1)的三维的立体渲染基本上垂直于模型表面(5a)进行定向的定向机构，从而可以分析关于模型表面(5a)与物体(1)的不平的表面(4)之间的距离的信息，直到形成校正的模型表面(5b)。

13.按权利要求12所述的装置，其中，所述定向机构也与模型表面(5a)呈锐角地定向所述物体(1)的三维的立体渲染。

14.计算机程序产品，该计算机程序产品包含存储在计算机可读的介质上的程序代码，该程序代码在其于计算机上运行时实施按权利要求1到10中任一项所述的方法。

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