CN102300503B

CN102300503B - 用于提供肺通气信息的系统

Info

Publication number: CN102300503B
Application number: CN201080005802.1A
Authority: CN
Inventors: S·卡布斯; R·奥普弗; I·C·卡尔森; S·雷尼施; H·巴尔施多夫; J·冯贝格; T·布莱费特; T·克林德; C·洛伦茨; N·沙德瓦尔特; J·萨巴奇恩斯基
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: RU2011135966A; US8798343B2; EP2391271B1; RU2542096C2; CN102300503A; BRPI1005358A2; US20110286652A1; EP2391271A1; WO2010086776A1

Abstract

一种用于显示肺通气信息的系统，该系统包括输入(12)和处理单元(15)。提供输入以便接收肺的多个CT图像(71)，每个CT图像(71)与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应。处理单元(15)配置为：比较与呼吸循环中的不同时相对应的CT图像(71)，以便确定每个时相的变形向量场；基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像(72)；将通气图像(72)空间地对准；以及经对准的通气图像(72)的每一个中的至少一个共同位置(62)而生成所述共同位置(62)的通气值的时间进程的函数(81)，函数(81)中的每个通气值都基于与经对准的通气图像(73)对应的变形向量场。

Description

用于提供肺通气信息的系统

技术领域

本发明涉及一种用于显示肺通气信息的系统，该系统包括：输入，其用于接收肺的多个CT图像，每个CT图像与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应；以及处理单元，其被配置为：

-比较与连续的时相对应的CT图像，以便确定每个时相的变形向量场，

-基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像，以及

-将通气图像空间地对准，

-并且，还包括用于显示肺通气信息的显示器。

本发明还涉及显示肺通气信息的方法和计算机程序产品。

背景技术

日本专利申请JP2005-028121描述一种用于测量局部肺通气的系统。所述系统利用在吸入和呼出的时刻对肺的3D CT扫描。然后，将吸入图像和呼出图像对准，获得位移向量场。根据位移向量场而计算局部肺通气。执行对局部值的积分，以便获得总通气量。JP2005-028121的图3显示将局部肺通气可视化的图。在该图中，指示扩张区域、收缩区域以及具有固定体积的区域。

JP2005-028121的系统的一个问题是，输出图仅提供关于完整的呼吸循环的局部体积变化的信息。更详细的信息可以帮助医生、治疗者或研究者进行对所检查的肺的实际状况的更好的评估。

发明目的

本发明的目的是，使改进的对局部肺通气的评估成为可能。

发明内容

根据本发明的第一方面，通过提供一种用于显示肺通气信息的系统而实现该目的，该系统包括输入和处理单元。提供输入以便接收肺的多个CT图像，每个CT图像与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应。处理单元配置为：比较与呼吸循环中的不同时相对应的CT图像，以便确定每个时相的变形向量场；基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像；将通气图像空间地对准；以及针对经对准的通气图像的每一个中的至少一个共同位置而生成所述共同位置的通气值的时间进程的函数，函数中的每个通气值基于与经对准的通气图像对应的变形向量场。可以提供显示器，以便显示以下中的至少一个：通气或CT图像和所生成的函数的曲线图。

通过计算每个相变的局部通气，能够将收缩或扩张的程度递送至医师。能够针对肺中的任何用户选择的位置并针对呼吸循环期间的任何时刻而递送通气量，而不是作为整个呼吸循环的全局量。该系统使得能够在所有空间维度（2D或3D）中显示相关信息并同时地在时间维度中显示信息。所显示的通气图像示出被成像区域的肺通气分布，而（多个）曲线图显示一个或多个特定的位置或区域的局部通气的时间进程。可以自动地或通过用户交互而选择位置或区域。例如，可以选择肿瘤区域或具有健康组织的参考区域。利用根据本发明的系统，不仅能够执行对最大吸入和最大呼出状态的比较，而且还能够比较任何两个时相，从而产生对局部肺通气的时间测量。注意到，即使针对从最大吸入至最大呼出的转变而计算的通气在两个不同的位置处或对于两个患者而言是相同的，但时相间的通气也可能不同。来自所有时相间的通气图像的信息为早期癌症诊断提供更好的工具。

在根据本发明的系统的实施例中，将呼吸循环模型与所生成的函数拟合。可以将拟合模型与所生成的函数一起显示，以便将理论模型和所测量的通气特征图（profile）之间的差异可视化。此外，用于将呼吸循环模型与所生成的函数拟合的参数可以拥有有用的信息，例如通气幅度或通气相移。如果针对肺中的不同位置而确定这样的参数，则可以例如使用颜色编码来将这样的参数在显示相应的位置处的参数值的肺图谱中可视化。

在根据本发明的系统的另一实施例中，例如在处置的进程期间多次确定通气特征图。于是，可以将所生成的多个函数用于趋势分析。趋势分析可能得到显示通气特征图的序列。优选地，计算并显示诸如通气幅度和/或通气相移的重要的参数的趋势。

也有可能针对多个患者而确定通气特征图，并且，使用所获得数据，以便创建功能肺数据的统计模型，并且，将统计数据作为功能肺图谱而显示。

优选地，提供用户输入装置，该用户输入装置耦合至处理单元，并且，使用户能够在所显示的通气图像中选择至少一个共同位置。使用这些输入装置，医生、医师或检查者具有更近地观看特定的感兴趣位置处的局部肺通气的机会。

根据本发明的第二方面，提供一种显示肺通气信息的方法，该方法包括步骤：获得肺的多个CT图像，每个CT图像与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应；比较与不同时相对应的CT图像，以便确定每个时相的变形向量场；基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像；将通气图像空间地对准；针对经对准的通气图像的每一个中的至少一个共同位置而生成所述共同位置的通气值的时间进程的曲线图，曲线图中的每个通气值基于与经对准的通气图像对应的变形向量场；以及显示以下中的至少一个：通气或CT图像和曲线图。

根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，以便使处理器执行上述方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于显示肺通气信息的装置，所述装置包括：-用于获得肺的多个CT图像的模块，每个CT图像与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应；-用于比较与所述呼吸循环中的不同时相对应的CT图像，以便确定每个时相的变形向量场的模块；-用于基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像的模块；-用于将所述通气图像空间地对准的模块；-用于针对经对准的通气图像的每一个中的至少一个共同位置而生成所述共同位置的通气值的时间进程的函数的模块，所述函数中的每个通气值都基于与经对准的通气图像对应的变形向量场；-用于将呼吸循环模型与所述函数拟合的模块。

本领域技术人员将意识到，可以以任何被认为有用的方式将上述的实施例、实现方式和/或本发明的各方面中的两个或更多个结合。

能够由本领域中技术人员在本说明书的基础上执行与该系统或该方法的所描述的修改和变更对应的系统、方法、图像采集装置、工作站、和/或计算机程序产品的修改和变更。

参考下文描述的实施例，本发明的这些及其他方面将显而易见并得以阐明。

附图说明

在附图中：

图1示意地显示根据本发明的系统；

图2显示根据本发明的方法的流程图；

图3显示一对肺的一系列CT图像；

图4显示从图3的CT图像导出的一系列变形向量场；

图5显示从图4的变形向量场导出的一系列肺通气图像；

图6显示根据本发明的系统的示范性显示；

图7显示所生成的通气函数连同拟合的呼吸循环模型的曲线图；

图8显示示范性的肺图谱；

图9显示肺的CT图像，在该CT图像中，对图像特定区域进行高亮；以及

图10显示十周的时期期间的通气参数的时间进程。

具体实施方式

图1示意地显示根据本发明的系统。该系统包括具有用于获得肺的CT图像的输入12的处理单元15。CT图像由CT扫描器11获得，该CT扫描器11可以是该系统的一部分或耦合至该系统。将时间戳添加至由CT扫描器11获得的图像。在CT扫描期间，利用放在例如上腹部上的标记块来采集患者呼吸踪迹。将投影图像回顾地分类成例如十个基于呼吸时相的3DCT图像数据箱（即，以10%为间隔从0%至90%的时相）。由CT扫描器11的内部时钟13添加时间戳。处理单元15可以将所获得的图像存储在例如硬盘的存储装置16上。可以一接收就立即处理图像，或者，可以在稍后的时间点从存储装置16检索图像，以便进行处理。该处理导致生成显示所检查的肺中的某个位置处的局部肺通气的时间进程的曲线图。在处理CT图像之后，显示器17将显示肺通气图像和一个或多个所生成的图。下面将参考图2来讨论CT图像的处理。可以提供用户输入装置18，以便使用户能够控制处理和/或选择显示模式和显示选项。

图2显示根据本发明的方法的流程图。在输入步骤22中，在系统的输入12接收CT图像71。CT图像71代表肺的至少一部分。在患者的呼吸循环中的不同时刻获得CT图像71。优选地，每个呼吸循环获得大约十个图像71，从而得到在最大呼出至最大吸入中变化并包括其间的时相的十个不同时相中的呼吸循环的细分。通过在不同深度采集图像，可以针对每个时相而获得3D图像71。

在比较步骤23中，使用模式识别和/或图像配准算法来比较连续时相的图像71。两个连续时相的图像71之间的差异存储在例如变形向量场中。注意到，两个连续时相的图像71之间的差异可能起因于呼吸运动或起因于总体上的所检查的受试者的移动。由于总体上的患者的移动对于肺的所有部分而言差不多相等，因而可以针对这样的移动而补偿两个图像71之间的配准的差异。代替比较连续时相的图像71，也有可能将每个时相与例如一个参考时相比较。

在通气确定步骤24中，变形向量场用于计算通气图像72。通气描述进气。较高的通气值与例如以L/分钟为单位而测量的较高的进气对应。可以通过以下而计算通气：例如计算变形向量场的散度，或变形向量场的雅克比行列式，或者通过取自所选择的时相的亨斯菲尔德值和取自与所计算的变形向量场对应的变形的其他时相的亨斯菲尔德值，且随后计算相对变化。生成每个时相的通气图像72。在图5中显示示范性通气图像72。通气图像72针对每个时相并针对所观察的肺中的每个位置而显示肺组织是否局部地扩张或收缩。选择通气偏移，从而0值与无进气对应。

在对准步骤25中，将通气图像72对准。通气图像72之一用作参考图像。例如，最大吸入状态可以用作参考时相。以这样的方式移位其他通气图像72，从而被成像区域中的不移动的参考点位于经对准的图像73的每个中的相同的位置处。参考点可以由用户在所有图像中指示。可替代地，用户在一个图像中指示一个参考点，并且，处理单元15在与不同时相对应的图像中自动地搜索相应的点。同样，可以使用搜索算法和某个预定义的搜索准则而由处理单元寻找将被搜索的一个参考点。结果，在参考时相的坐标系中定义每个通气图像72，然而，在对准之前，第i个通气图像与属于第i个时相的坐标系相关联。可以可替代地在变形向量场的生成之前执行图像的对准。在该情况下，则CT图像71被对准，不再需要通气图像72的对准。在这两种情况下，最终结果都将是一组经对准的通气图像73。

在曲线图生成步骤26中，生成至少一个曲线图，以便显示所检查的肺中的特定位置的通气值的时间进程。出于该目的，可以针对一个或多个标准位置而分析不同时相的肺通气。可替代地，用户可以选择他想要查看其肺通气的时间进程的一个或多个位置。

图3显示一对肺的一系列CT图像71。在该图中，显示十个图像，每个图像代表呼吸循环中的不同时相。尽管从CT图像71还不是非常显而易见，但该情况下，则0%的时相与最大吸入状态对应，10%、20%、30%以及40%的状态代表呼出期间的时相。50%的状态代表从呼出至吸入的转变。从60%至90%，肺由于吸入而扩张。在最大吸入，完成呼吸循环，并且，肺再次处于0%的状态。注意到，原则上，可以将呼吸循环中的任何时刻定义为0%的状态。对最大吸入状态的良好的替代方案可以是最大呼出状态。在该示例中，大致存在着5个呼出状态和4个吸入状态。对于其他患者而言，或者，对于同一患者的其他测量而言，吸入时相与呼出时相的比可能不同。

图4显示从图3的CT图像71导出的一系列变形向量场。在该示例中，显示高低（inferior-superior）成分。针对每个时相，确定高低方向上的位移的测量。优选地，沿3个方向（x、y、z）测量位移，从而能够执行对肺通气的3D分析。使用模式识别算法来确定位移。在10%-50%的时相，大部分位移在向上的方向上。图中更浅的区域代表比更深的区域更大的位移。这五个时相代表呼吸循环中的呼出时相。呼出主要由呼吸肌肉的松弛和膈膜的向上移动引起，导致将肺组织向上推且将空气从肺推出。在60%-100%/0%时相，吸入导致肺组织的向下位移。在此，更深的区域代表更大的位移。向下移动的膈膜使得空气被吸入肺中。使用用于指示位移量和位移方向的颜色编码可以是有利的。

图5显示从图4的变形向量场导出的一系列肺通气图像72。这些图像72针对所检查的肺中的每个位置而显示扩张/收缩值。例如，0值与体积保存相关联，然而低于（高于）0的值指示可以由不同的颜色显示的收缩（扩张）。

图6显示根据本发明的系统的示范性的显示器17。在显示器17上，显示CT图像71之一。CT图像71显示两个肺。所显示的CT图像代表呼吸循环中的时相之一。可以提供用户界面，以便允许用户选择代表不同时相的图像71。可替代地，可以同时地显示两个或更多个图像71。代替CT图像71，也可以显示通气图像72。针对CT图像71中的四个位置62，显示相应的曲线图74。曲线图74针对相应的位置62而显示通气值的时间进程。通气偏移如此，从而在呼出期间，通气值低于1，并且，在吸入期间，通气值高于1。通气值指示肺体积。通过点击CT图像中的位置，从而用户可以调用显示针对相应位置的通气值的曲线图74。任选地，所显示的曲线图74可以示出目前显示的CT图像71的时相的指示61，从而用户查看曲线图中的什么点与所显示的图像71相对应。通过操纵这样的指示61，从而用户可以选择将被显示的其他时相的CT图像，而不是选择除了目前所显示的图像之外的将被显示的CT图像。

图7显示所生成的通气函数81连同拟合的呼吸循环模型82的曲线图74。呼吸循环模型82是作为时间的函数的肺通气的数学表达式。例如，呼吸循环模型82可以定义为

V(t)=V₀+bcos²ⁿ(c₁(t-φ)+c₂)，

其中，

-c₁由呼吸循环的长度定义，

-c₂是t=φ时的初始通气相移，

-V₀是通气的偏移，

-b是通气幅度，

-φ是参考时间，并且

-n的典型值是1。

各种模型82可以适合于与所测量的参数拟合。数学模型82的选择可以取决于例如所测量的参数和/或期望的拟合精度。可以针对肺区中所选择的位置而计算并显示拟合模型82的参数值。拟合模型的这样的参数可以包括对操作系统的人有用的信息。例如，通气幅度和通气相移可以拥有用于评估相应肺区的实际状态的有价值的信息。

可以计算并显示肺图谱90，以将肺中的多个位置处的拟合模型82的参数的值可视化。例如，肺的颜色编码的图像可以显示肺图像中的临床相关位置处的通气幅度或通气相移。图8显示示范性的肺图谱90，其中，每个像素与呼吸循环中的某个时刻的肺中的位置相对应。该参数是通气幅度。每个像素的颜色指示参数的值。也可以针对其他参数和肺区而生成这样的肺图谱。

肺图谱可以显示关于肺中所选择的位置处的一段时期中肺通气参数的变化的信息。在这样的肺图谱中，可能显示例如处置期间的或由于不断进展的疾病而导致的通气状态的发展。可替代地，可以使用多个患者的肺通气参数来生成肺图谱。这样的肺通气可以提供关于在特定群体的患者中肺功能的统计信息。例如，可以针对健康人、吸烟者、不吸烟者、患有肺癌的人等而提供肺图谱，所显示的参数值可以是参数的人口平均或标准偏差。

图9显示肺的CT图像71，在该CT图像中，对图像特定区域91、92、93进行高亮。图10显示在十周的时期上图9的进行高亮的区域91、92、93中的通气参数的时间进程。可以由用户选择特定区域91、92、93。例如，系统的用户界面可以允许用户利用诸如鼠标或操纵杆的指点设备来绘制所选择的区域。除了将被监测的区域之外，用户还可以选择一个或多个将被监测的参数和/或监测曲线图的时标。也可以使用图像识别技术来自动地选择区域91、92、93。例如，系统可以识别并选择肿瘤区域91。然后，围绕肿瘤区域91而选择肿瘤周围区域92。在另一肺或在同一肺中的离肿瘤区域一距离处寻找一个或多个参考区域93。优选地，参考区域93仅包括健康的肺组织。

在图10中，针对所选择的区域91、92、93而显示肺通气参数——通气幅度。每个区域的肺参数的值可以是区域中的所有值的平均值、区域中的最大值等。注意到，图表可以包括例如由于位于不同的深度而在图9的CT图像中不可见的区域的通气参数。图10中的图表表明，在十周的处置期间，肿瘤区域91中的肺通气下降，而肿瘤周围区域92中的肺通气仅稍微下降，并且，参考区域93中的肺通气基本上恒定。

将意识到，本发明还扩展至适于实施本发明的计算机程度，特别是载体上或载体中的计算机程序。该程序可以以源代码、目标代码、代码中间的源代码和目标代码的形式，诸如部分编译的形式或任何其他适合于在根据本发明的方法的实现方式中使用的形式。还将意识到，这样的程序可以具有许多不同的体系结构设计。例如，实现根据本发明的方法或系统的功能的程序代码可以细分成一个或多个子例程。在这些子例程中分布功能的许多不同的方法将对技术人员显而易见。子例程可以一起存储在一个可执行文件中，以形成自包含的程序。这样的可执行文件可以包括计算机可执行指令，例如处理器指令和/或解释器指令（例如，JAVA解释器指令）。可替代地，一个、几个或所有子例程可以存储在至少一个外部库文件中，并且，静态地或例如在运行时动态地与主程序链接。主程序包含对子例程中的至少一个的至少一次调用。同样，子例程可以包括对彼此的函数调用。与计算机程序产品有关的实施例包括与至少一个所述方法的处理步骤的每个对应的计算机可执行指令。这些指令可以被细分成子例程和/或存储在可以静态地或动态地链接的一个或多个文件中。与计算机程序产品有关的另一个实施例包括与至少一个所述系统和/或产品的手段中的每个对应的计算机可执行指令。这些指令可以被细分成子例程并且/或者存储在可以静态地或动态地链接的一个或多个文件中。

计算机程序的载体可以是能够携带程序的任何实体或设备。例如，载体可以包括诸如例如CD ROM或半导体ROM的ROM的存储介质或例如软盘或硬盘的磁记录介质。而且，载体可以是可以经由电力电缆或光学电缆或者通过无线电或其他手段而输送的诸如电信号或光学信号的可传输载体。当在这样的信号中实现程序时，可以由这样的电缆或者其他设备或装置构成载体。可替代地，载体可以是嵌入有程序的集成电路、适于执行相关方法或用于在相关方法的执行中使用的集成电路。

应当注意到，上述的实施例图解说明本发明，而不是限制本发明，并且，在不背离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员能够设计许多可替代的实施例。在权利要求书中，放在括号之间的任何参考符号不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除除了在权利要求中陈述的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。可以借助于包括若干个不同的元件的硬件并借助于合适地编程的计算机来实现本发明。在列举若干个装置的设备权利要求中，可以由同一项硬件实现若干个这些装置。仅仅在互相不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实不指示这些措施的组合是不利的。

Claims

1.一种用于显示肺通气信息的系统，所述系统包括：

-输入（12），其用于接收肺的多个CT图像（71），每个CT图像（71）与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应，

-处理单元（15），其配置为：

-比较与所述呼吸循环中的不同时相对应的CT图像（71），以便确定每个时相的变形向量场，

-基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像（72），

-将所述通气图像（72）空间地对准，

-针对经对准的通气图像（72）的每一个中的至少一个共同位置（62）而生成所述共同位置（62）的通气值的时间进程的函数（81），所述函数（81）中的每个通气值都基于与经对准的通气图像（73）对应的变形向量场，以及

-将呼吸循环模型与所述函数（81）拟合。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元（15）还配置为从经拟合的呼吸循环模型导出局部通气幅度和/或局部通气相移。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元（15）还配置为例如在处置的进程期间多次生成所述函数（81），并基于所生成的多个函数（81）而进行趋势分析。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元（15）还配置为针对多个受试者而生成所述函数（81）并基于所生成的多个函数（81）而进行统计分析。

5.如权利要求1所述的系统，还包括显示器（17），其用于显示所述CT图像（71）和所述函数（81）的曲线图（74）中的至少一个，或者用于显示所述通气图像（72）和所述曲线图（74）中的至少一个。

6.如权利要求4所述的系统，还包括耦合至所述处理单元（15）的用户输入装置（18），所述用户输入装置用于使用户能够在所显示的通气图像（72）或CT图像（71）中选择所述至少一个共同位置（62）。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述处理单元（15）配置为使所述用户能够使用所述用户输入装置（18）以便选择将要显示所述通气图像（72）或CT图像（71）中的哪个。

8.如权利要求6所述的系统，其中，所述处理单元（15）配置为使所述用户能够在所显示的通气图像（73）中选择对准参考点并将所述通气图像（72）相对于所述对准参考点而空间地对准。

9.如权利要求1所述的系统，还包括用于获得所述CT图像（71）的CT扫描器（11）。

10.一种显示肺通气信息的方法，所述方法包括步骤：

-（22）获得肺的多个CT图像（71），每个CT图像（71）与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应，

-（23）比较与所述呼吸循环中的不同时相对应的CT图像（71），以便确定每个时相的变形向量场，

-（24）基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像（72），

-（25）将所述通气图像（72）空间地对准，

-（26）针对经对准的通气图像（73）的每一个中的至少一个共同位置（62）而生成所述共同位置（62）的通气值的时间进程的函数（81），所述函数（81）中的每个通气值都基于与经对准的通气图像（73）对应的变形向量场，

-将呼吸循环模型与所述函数（81）拟合。

11.一种用于显示肺通气信息的装置，所述装置包括：

-用于获得肺的多个CT图像（71）的模块，每个CT图像（71）与呼吸循环中的至少两个不同时相中的一个时相对应，

-用于比较与所述呼吸循环中的不同时相对应的CT图像（71），以便确定每个时相的变形向量场的模块，

-用于基于每个时相的变形向量场生成相应的通气图像（72）的模块，

-用于将所述通气图像（72）空间地对准的模块，

-用于针对经对准的通气图像（73）的每一个中的至少一个共同位置（62）而生成所述共同位置（62）的通气值的时间进程的函数（81）的模块，所述函数（81）中的每个通气值都基于与经对准的通气图像（73）对应的变形向量场，

-用于将呼吸循环模型与所述函数（81）拟合的模块。