CN102272799A - 解剖学定义的自动cpr生成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面来可视化对象的系统(100)，该系统包括：模型单元，用于使模型适配于图像数据中的对象；表面单元，用于在第一横截表面和模型之间的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型；以及可视化单元，用于在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像。可以使用第一横截表面来定义图像数据的切片，用于可视化对象的有用特征。可视化单元可以使用诸如最大亮度投影(MIP)的任何合适的绘制技术基于通过第一横截表面所定义的图像数据的切片来计算图像。因为将本发明的第一横截表面耦合到模型，所以通过适配于图像数据中的对象的模型来确定该表面的位置、取向和/或形状。有利地，使模型适配于图像数据中的对象并且在第一横截表面和模型之间进行耦合使得第一横截表面适配于图像数据。因此，经适配的第一横截表面的形状、取向和/或位置基于经适配的模型的形状、取向和/或位置。因为该表面比模型包含的对象特征更少，所以基于图像数据中的特征使第一横截表面直接适配于对象将更不可靠并且更不精确。

Description

解剖学定义的自动CPR生成

技术领域

本发明涉及使用曲面重建技术可视化医学图像中的结构，并且具体涉及定义横截表面用于可视化图像数据中的对象。

背景技术

对于三维(3D)或四维(4D)图像数据，需要一个执行到显示器的二维(2D)观察平面上的映射的投影函数。常见的可视化技术包括显示穿透图像数据的平面(即横截面)、诸如最大亮度投影(MIP)的投影技术、以及基于转移函数的体积绘制技术。其它技术有诸如S.EJ.Connor和C.Flis在“The contribution of high-resolution multiplanar reformats of the skull base tothe detection of skull-base fractures”，Clinical Radiology，Volume 60，Issue 8，2005，Pages 878-885中所描述的平面和多平面重建(MPR)、以及诸如ArminKanitsar，Dominik Fleischmann，Rainer Wegenkittl，Petr Felkel和MeisterEduard

在CPR-curved planar reformation，Proceedings of theconference on V1sualization′02 Boston，Massachusetts，SESSION：Session P1：medical visualization Pages：37-44，(另见http://www.cg.tuwien.ac.at/research/publications/2002/kanitsar-2002-CPRX/TR-186-2-02-06Paper.pdf，下文称为参考文献1)中所描述的它们的概括——曲面重建(CPR)。CPR的目标是使管状结构的整个长度在单一图像中可见。为了这个目的，获得结构的中心线。如在参考文献1第三节CPR方法介绍中所描述的，中心线和用户选择的任意感兴趣向量确定了重新采样表面。如分别在参考文献1的节3.1、3.2或3.3中所描述的，可以使用投影CPR、拉伸CPR或者校直CPR可视化重新采样的数据。

在参考文献1中所描述的方法的问题是它基于中心线确定，并且因此，该方法专门为管状结构设计，并且不能够轻易调整用于可视化诸如人类心脏或大脑的其它对象。

发明内容

具有能够定义横截表面以用于可视化图像数据中的对象的系统将是有利的，其对象是非管状对象。

因此，在本发明的一个方面中，提供了用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面来可视化对象的系统，该系统包括：

-模型单元，用于使模型适配于图像数据中的对象；

-表面单元，用于在第一横截表面和模型之间的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型；以及

-可视化单元，用于在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像。

为了可视化对象的有用特征，可以使用第一横截表面定义图像数据的切片。可视化单元可以使用诸如最大亮度投影(MIP)的任何合适的绘制技术基于由第一横截表面所定义的图像数据的切片来计算图像。因为将本发明的第一横截表面耦合到模型，所以通过适配于图像数据中的对象的模型来确定该表面的位置、取向和/或形状。有利地，使模型适配于图像数据中的对象并且在第一横截表面和模型之间进行耦合使得第一横截表面适配于图像数据。因此，经适配的第一横截表面的形状、取向和/或位置基于经适配的模型的形状、取向和/或位置。因为该表面比模型包含的对象特征更少，所以基于图像数据中的特征使第一横截表面直接适配于对象从而实现类似的效果将较不可靠并且较不精确。

在实施例中，还将系统布置用于使用耦合到对象的模型的第二横截表面，其中：

-表面单元还布置用于在第二横截表面和模型之间的耦合的基础上使第二横截表面适配于经适配的模型；并且

-由可视化单元从图像数据计算的所述图像还基于经适配的第二横截表面。

因此，经适配的第二横截表面的形状、取向和/或位置也基于经适配的模型的形状、取向和/或位置，并且因此间接基于图像数据。

在本系统的一个实施例中，第一横截表面是刚性的，并且可移动耦合到模型。例如，表面可以是矩形的，并且可以由通过模型的特征定义的3个非共线点定义矩形的平面。表面单元可以布置用于使矩形适配于模型，从而使得(i)由经适配模型的3个点确定矩形的平面，(ii)由3个点的质心确定矩形的中心，以及(iii)由从线性回归到经适配模型的3个点所获得的线确定矩形的轴线。

在本系统的一个实施例中，第一横截表面是弹性的。例如，可以将表面实现为包含多个节点的表面网格。邻近节点可以经由弹力彼此相互作用。弹力是容易实现和计算的。此外，弹力将描述由对象的模型的变形所造成的表面的预期变形。然而，本领域的技术人员将意识到，在备选实施例中，一些节点可以经由非弹力彼此相互作用。

在本系统的一个实施例中，第一横截表面包含刚性或者弹性耦合到模型的多个控制点。例如，多个控制点的位置可以基于模型的特征。在刚性耦合的情况下，关于模型控制点的坐标是固定的。在弹性耦合的情况下，通过多个控制点与模型的弹性相互作用来确定它们的位置。可以通过诸如谐波力的弹力描述弹性相互作用。可以通过控制点使用诸如内插技术来定义表面。本领域的技术人员将理解使用非弹性耦合也是可能的。

在本发明的另一方面中，将本系统包含在用于创建报告的报告系统中，该报告包括由可视化单元在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算的图像。

在本发明的另一方面中，将本系统包含在图像采集装置中。

在本发明的另一方面中，将本系统包含在工作站中。

在本发明的另一方面中，提供了使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面可视化对象的方法，该方法包括：

-模型步骤，用于使模型适配于图像数据中的对象；

-表面步骤，用于在第一横截表面和模型之间的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型；以及

-可视化步骤，用于在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像。

在本发明的另一方面中，提供了将要通过计算机布置加载的计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面可视化对象的指令，计算机布置包括处理单元和存储器，该计算机程序产品在被加载之后，给所述处理单元提供了执行下列任务的能力：

-使模型适配于图像数据中的对象；

-在第一横截表面和模型之间的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型；以及

-在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像。

本领域的技术人员将意识到，可以以被视为有用的任何方式对本发明的上述实施例、实现方式和/或方面中的两个或多个进行组合。

在本说明书的基础上，本领域的技术人员能够实现对应于所描述的系统的修改和改变的，报告系统、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。

本领域的技术人员将意识到，本方法可以应用于通过各种采集方法所采集的诸如三维或四维图像的多维图像数据，这些采集方法诸如但不限于标准X射线成像、计算断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声(US)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算断层摄影(SPECT)、以及核医学(NM)。

附图说明

从在下文中所描述的实现方式和实施例并参考附图，本发明的这些以及其它方面将变得显而易见，并得以阐述，其中：

图1示意性地示出了本系统的示例性实施例的方框图；

图2说明了关于脊柱模型所定义的一些示例性横截表面；

图3基于两个横截面图像示出了具有胸椎T3、T4、T5和T6的部分脊柱的图像；

图4示意性地示出了报告系统的示例性实施例；

图5示出了本方法的示例性实现方式的流程图；

图6示意性地示出了图像采集装置的示例性实施例；以及

图7示意性地示出了工作站的示例性实施例。

所有附图中，使用相同的参考标号代表相似的部分。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面可视化对象的系统100的示例性实施例的方框图，该系统包括：

-模型单元110，用于使模型适配于图像数据中的对象；

-表面单元120，用于在第一横截表面和模型之间的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型；以及

-可视化单元130，用于在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像。

系统100的示例性实施例还包括下列单元：

-控制单元160，用于控制系统100中的工作流程；

-用户界面165，用于与系统100的用户进行通信；以及

-存储器单元170，用于存储数据。

在系统100的实施例中，存在用于输入数据的3个输入连接器181、182和183。第一输入连接器181布置用于接收来自数据存储模块的数据，数据存储模块诸如但不限于硬盘、磁带、闪存或者光盘。第二输入连接器182布置用于接收来自用户输入设备的数据，用户输入设备诸如但不限于鼠标或者触摸屏。第三输入连接器183布置用于接收来自诸如键盘的用户输入设备的数据。将输入连接器181、182和183耦合到输入控制单元180。

在系统100的实施例中，存在用于输出数据的2个输出连接器191和192。第一输出连接器191布置用于将数据输出到诸如硬盘、磁带、闪存、或者光盘的数据存储模块。第二输出连接器192布置用于将数据输出到显示设备。输出连接器191和192经输出控制单元190接收各自的数据。

本领域的技术人员将理解，存在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的许多方式。这些方式包括但不限于有线和无线连接、诸如但不限于局域网(LAN)和广域网(WAN)、因特网、数字电话网的数字网、以及模拟电话网。

在系统100的实施例中，系统100包括存储器单元170。系统100布置为经任何输入连接器181、182和183从外部设备接收输入数据，并且将所接收的输入数据存储在存储器单元170中。将输入数据加载到存储器单元170中允许通过系统100的各单元快速访问相关数据部分。输入数据可以例如包括，图像数据。可以通过诸如但不限于随机存取存储器(RAM)芯片、只读存储器(ROM)芯片、以及/或者硬盘驱动器和硬盘的设备实现存储器单元170。存储器单元170还可以布置为存储输出数据。输出数据可以例如包括，在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算的图像。存储器单元170还可以布置为经存储器总线175从系统100的各单元接收数据并且/或者将数据发送到系统100的各单元，其中系统100包括模型单元110、表面单元120、可视化单元130、控制单元160、以及用户界面165。存储器单元170还布置为使输出数据经任意输出连接器191和192对外部设备可用。将来自系统100的各单元的数据存储在存储器单元170中可以有利地改进系统100的各单元的性能以及输出数据从系统100的各单元到外部设备的传输速率。

备选地，系统100可以不包括存储器单元170并且不包括存储器总线175。可以通过连接到系统100的各单元的、诸如外部存储器或者处理器的至少一个外部设备提供系统100所使用的输入数据。类似地，可以将系统100所生成的输出数据提供给连接到系统100的各单元的、诸如外部存储器或者处理器的至少一个外部设备。系统100的各单元可以布置为经内部连接或者经数据总线从彼此接收数据。

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。控制单元可以布置为从系统100的各单元接收控制数据，并且将控制数据提供给系统100的各单元。例如，在使模型适配于图像数据中的对象之后，模型单元110可以布置为将控制数据“模型已适配”提供给控制单元160，并且控制单元160可以布置为将控制数据“使第一横截表面适配于模型”提供给表面单元120。备选地，可以在系统100的一个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的用户进行通信的用户界面165。用户界面165可以布置为接收用于选择模型和/或耦合到模型的第一或第二横截表面的用户输入。用户界面还可以给用户提供以信息，例如，它可以显示在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算的图像。可选地，用户界面可以接收用于选择系统运行模式的用户输入，例如，用于选择用于将第一横截表面耦合到模型的结合力。本领域的技术人员将理解，可以在系统100的用户界面165中有利地实现更多功能。

在实施例中，采用系统100可视化患者脊柱的椎骨。适配单元110布置用于采用包括多个个体椎骨的可变形网格模型的脊柱模型以及用于使个体椎骨的网格模型适配于患者的CT图像数据中脊柱对象的椎骨。在诸如Tobias Klinder、Cristian Lorenz、Jens von Berg、Sebastian P.M.Dries、ThomasBülow、

Ostermann：Automated Model-Based Rib Cage Segmentation andLabeling in CT Images，MICCAI(2)2007：pp 195-202中描述了用于分割脊柱的模型。

表面单元120布置用于使第一和第二横截表面适配于经适配的模型。由于脊柱模型基本上是对称的，所以第一横截表面可以是脊柱的对称平面。备选地，通过控制点来定义第一横截表面。图2说明了在位于模型每个椎骨上的控制点的基础上关于脊柱模型所定义的一些示例性横截表面。图2示出了通过基本上垂直于脊髓中心线、并且基本上在其高度中间处横穿椎骨主体的平面所截出的椎骨的横截面200。使用多个这种椎骨横截面来定义椎骨横截表面，其中，为模型的每个椎骨定义多个椎骨横截面中的一个椎骨横截面200。通过在每个椎骨横截面200上的一对控制点211和212定义第一横截表面210。第一控制点211位于椎骨主体的顶部，并且第二控制点212位于脊柱棘突的顶端。第二横截表面220垂直于第一横截表面210，并且通过在每个椎骨横截面上的位于距离第一横截表面最远位置上的两个控制点221和222来定义，一个点在椎骨主体的左侧，一个点在椎骨主体的右侧。第二横截表面和第一控制点221之间的距离与第二横截表面和第二控制点222之间的距离是相同的。第三横截表面230也垂直于第一横截表面210，并且通过在每个椎骨横截面上的5个控制点231、232、233、234和235来定义。两个控制点231和232基本上位于横突的顶端。这两个点在横截表面上。两个控制点233和234位于每个椎骨横截面上距离椎间孔最近的相反位置处，一个点在左椎弓根上，而另一点在右椎弓根上。这两个点布置为吸引第三横截表面。最后一个控制点235位于椎间孔上，并且将其布置为排斥横截面230。

在实施例中，每个横截表面是弹性的。最小弹性能量对应于平坦横截表面。控制点211、212、221、222、231定义了一些表面约束。这些点能够在它们各自的横截表面中自由滑动。第三横截表面和每个控制点233和234之间的相互作用是基于取决于每个点和第三横截表面之间的距离平方的位势的。第三横截表面和控制点235之间的相互作用是基于反比于该点和第三横截表面之间距离的位势的。横截表面对应于最小总位势能。

在通过模型单元110的模型适配之后，找到控制点在经适配的椎骨模型上新的位置。表面单元120基于这些控制点的新位置和总位势能计算横截表面，从而创建对应于最小位势能的经适配的横截表面。经适配的横截表面允许通过可视化单元130可视化患者脊椎的各个特性。

图3示出了具有胸椎T3、T4、T5和T6的脊柱部分的图像。该图像基于如参考图2描述所确定的第一和第二横截表面所定义的两个横截面图像。

为了绘制图像亮度，可以使用诸如射线投射法、抛雪球法(pixelsplatting)、或者纹理映射的多种标准绘制方法。在图3中所示的图像中，以下列方式使用纹理映射：

-首先，将绘制几何体表示为三角化表面；

-其次，在2D图像(所谓的纹理图像)中采集对应于每个个体三角形表面的图像亮度值；并且

-最后，给绘制引擎(例如，作为显卡的一部分、或者软件openGL绘制器)提供三角形几何体以及各自的纹理图像。

本领域的技术人员将理解，系统对于显示穿透诸如但不限于心脏、血管和大脑的各个解剖结构的平面或者曲线视图是有用的。

有利地，可以将系统100包括在报告系统400中。因此，可以将通过系统100的可视化单元130所计算的视图与医师检查图像数据的注释一起包括在由报告单元410所创建的医学报告中。在实施例中，报告系统400包括用于获得系统100的数据的报告系统第一输入连接器401，以及用于获得诸如用户注释、患者姓名和年龄、其它测试和检查结果、准备该报告的医师的评论等的其它数据的报告系统第二输入连接器402。为了准备报告，报告单元410布置为接收通过系统100的可视化单元130所计算的图像以及来自第二输入402的其它数据。经报告系统输出连接器403输出报告。

本领域的技术人员将进一步理解，系统100的其它实施例也是可能的。此外，可能重新定义系统的单元并且重新分配它们的功能。虽然所描述的实施例应用于医学图像，但是系统与医学应用不相关的其它应用也是可能的。

可以使用处理器实现系统100的各单元。一般地，在软件程序产品的控制下执行它们的功能。在执行期间，一般将软件程序产品加载到像RAM的存储器中，并且从那里执行。可以从诸如ROM、硬盘、或者磁和/或光存储的背景存储器中加载程序，或者可以经类似因特网的网络加载程序。可选地，专用集成电路可以提供所描述的功能。

图5示出了使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面来可视化对象的方法500的示例性实现方式的流程图。方法500从用于使模型适配于图像数据中的对象的模型步骤510开始。在模型步骤510之后，方法继续到用于在第一横截表面和模型的耦合的基础上使第一横截表面适配于经适配的模型的表面步骤520。在表面步骤520之后，方法继续到用于在经适配的第一横截表面的基础上从图像数据计算图像的可视化步骤530。在可视化步骤530之后，方法500终止。

本领域的技术人员可以改变一些步骤的次序，或者使用线程模型、多处理器系统或者多个进程同时执行一些步骤，而不脱离本发明所意指的理念。可选地，可以将当前发明的方法的两个或多个步骤组合到一个步骤内。例如，可以将模型步骤510和表面步骤520组合到包括多个部分适配步骤的一个适配步骤内，其中，每个部分适配步骤布置用于使模型适配于图像数据中的对象、之后使第一横截表面适配于模型、直到满足预定的条件为止，例如，直到部分适配步骤的数目等于预定数目为止。可选地，可以将本发明的方法的一步骤分割成多个步骤。

图6示意性地示出了采用系统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包括经内部连接与系统100连接的CT图像采集单元610、输入连接器601、以及输出连接器602。这一布置有利地增加了所述图像采集装置600的性能，给所述图像采集装置600提供了系统100的有利性能。

图7示意性地示出了工作站700的示例性实施例。工作站包括系统总线701。将处理器710、存储器720、磁盘输入/输出(I/O)适配器730、以及用户界面(UI)740可操作连接到系统总线701。将磁盘存储设备731可操作耦合到磁盘I/O适配器730。将键盘741、鼠标742、以及显示器743可操作耦合到UI 740。将实现为计算机程序的本发明的系统100存储在磁存储设备731中。工作站700布置为加载该程序并且将数据输入到存储器720内，并且在处理器710上执行该程序。用户可以使用键盘741和/或鼠标742将信息输入到工作站700。工作站布置为将信息输出到显示设备743和/或磁盘731。本领域的技术人员将理解，存在本领域中已知的许多工作站700的其它实施例，并且本实施例用于对本发明进行说明的目的，而不必理解为将本发明限制于该特定实施例。

应该注意，上述实施例说明而不是限制了本发明，并且本领域的技术人员将能够设计备选的实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，不应该将放置在圆括号之间的任何参考符号解释为限制权利要求。单词“包括”不排除出现没有在权利要求或者说明书中所列出的要素或者步骤。在要素之前的单词“一”或者“一个”不排除出现多个该要素。通过包括若干分立元件的硬件的方式并且通过已编程计算机的方式实现本发明。在列举了若干单元的系统权利要求中，可以通过一个以及相同的硬件或软件项具体化这些单元中的若干个。单词第一、第二、第三等的使用不指示任何次序。将这些单词解释为名称。

Claims (12)

1.一种用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面来可视化所述对象的系统(100)，所述系统包括：

-模型单元(110)，用于使所述模型适配于所述图像数据中的所述对象；

-表面单元(120)，用于在所述第一横截表面和所述模型之间的耦合的基础上使所述第一横截表面适配于经适配的所述模型；以及

-可视化单元(130)，用于在经适配的所述第一横截表面的基础上从所述图像数据计算图像。

2.如权利要求1所述的系统(100)，还布置用于使用耦合到所述对象的所述模型的第二横截表面，并且其中：

-所述表面单元(120)还布置用于在所述第二横截表面和所述模型之间的耦合的基础上使所述第二横截表面适配于经适配的所述模型；并且

-由所述可视化单元(130)从所述图像数据计算的所述图像还基于经适配的所述第二横截表面。

3.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述第一横截表面是刚性的，并且可移动地耦合到所述模型。

4.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述第一横截表面是弹性的。

5.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述第一横截表面包含刚性或者弹性耦合到所述模型的多个控制点。

6.一种用于创建报告的报告系统(400)，所述报告系统(400)包括如权利要求1或权利要求2所述的系统(100)，所述报告包括由所述可视化单元(130)计算的所述图像。

7.一种图像采集装置(600)，包括如权利要求1所述的系统(100)。

8.一种工作站(700)，包括如权利要求1所述的系统(100)。

9.一种使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面来可视化所述对象的方法(500)，所述方法包括：

-模型步骤(510)，用于使所述模型适配于所述图像数据中的所述对象；

-表面步骤(520)，用于在所述第一横截表面和所述模型之间的耦合的基础上使所述第一横截表面适配于经适配的所述模型；以及

-可视化步骤(530)，用于在经适配的所述第一横截表面的基础上从所述图像数据计算图像。

10.如权利要求9所述的方法(500)，还布置用于使用耦合到所述对象的所述模型的第二横截表面，并且其中：

-所述表面步骤(520)还布置用于在所述第二横截表面和所述模型之间的耦合的基础上使所述第二横截表面适配于经适配的所述模型；并且

-在所述可视化步骤(530)中从所述图像数据计算的所述图像还基于经适配的所述第二横截表面。

11.如权利要求9所述的方法(500)，其中，所述第一横截表面包含刚性或者弹性耦合到所述模型的多个控制点。

12.一种将要由计算机布置加载的计算机程序产品，包括用于使用耦合到图像数据中的对象的模型的第一横截表面可视化所述对象的指令，所述计算机布置包括处理单元和存储器，所述计算机程序产品在被加载之后，给所述处理单元提供执行下列任务的能力：

-使所述模型适配于所述图像数据中的所述对象；

-在所述第一横截表面和所述模型之间的耦合的基础上使所述第一横截表面适配于经适配的所述模型；以及

-在经适配的所述第一横截表面的基础上从所述图像数据计算图像。

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