CN103679795B - 体积数据的层显示 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助体积数据对体积进行的层显示。在此，进行了层取向的选择，用于体积数据的层显示。随后按照所选的取向执行层的确定。对于该层，计算立体图显示，并且用于作为立体图显示至少一个层。本发明能够直观地显示层信息。

Description

体积数据的层显示

技术领域

本发明涉及一种借助体积数据对体积进行层显示的方法和装置。

背景技术

成像方法使用一系列不同的技术，通过这些技术获得关于对象的特性的信息。广泛遍布的是例如应用超声波、X射线辐射或自旋激励（核自旋断层造影术）的方法。

现代方法能够以三维形式分辩信息并提供由所谓的灰度值组成的体积数据，该灰度值存在于空间点。所述灰度值表示在相应空间点处的检查对象的密度的尺度。关于这些在空间点处给出的灰度值，也称之为体素。体素构成了灰度值的三维矩阵。为了成像方法的结果的可视化，将三维定义的体素映射到在屏幕的二维中定义的像素上。

术语“体绘制”习惯用于表示从体素到像素的映射，以便在屏幕上显示。在此，在多种医学成像方法中，体素或灰度值出现在所谓的轴向层或截面中。在此，轴向层是与通常作为z轴表示的、突出的方向垂直的层。该z轴在计算机断层造影术中通常相当于运动方向。在轴向层内的分辨率大多高于在z轴方向上的分辨率。

可视化的最简单类型是在屏幕上显示各个轴向层。在此，例如可以依次显示各个层。在相应大的屏幕或显示器上，适宜的设置是例如并排显示2至4个层图像。

所谓的MPR方法（MPR代表多平面重格式化或多平面重建）提供了针对轴向层的显示的扩展。在该方法的范围内，以另一个取向来计算层显示。在此广泛遍布的是显示与轴向层垂直的矢状层或冠状层。但是原则上可以对层的任意取向执行MPR方法。然后通过插值计算层内部的灰度值，并且按合适方式显示。

除了MPR方法还有其它现代的方法，如所谓的射线投射，其中利用视线对体积的穿透进行仿真。尽管如此，MPR方法实现了使对象特征可视化的重要功能，因为其在特定情况下的应用带有优点。特别是在对象的部分隐蔽或闭合时，合适选择的截面能够提供利用射线投射仅能困难地进行访问的信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，改善体积数据的层显示。

根据本发明，确定对至少一个对象的层的至少一个显示（例如在MPR方法的过程中）。根据从体积数据或灰度值中预先给定的取向来规定或确定所述层。所述取向可以对应但不必须对应轴向的、冠状的或矢状的显示。它可以是一摞利用所选择的取向计算出的平行的层，或者也可以是一个在预先给定深度的单独的层。此处和以下使用的术语“层”表示二维的实体。为了简单起见，表述为“层的显示”。其实际意义是指层信息的显示。对于技术人员直接显而易见的是，本方法例如可以限定于层的部分区域。

在本发明的范围内，对象的测量数据的采集可以在成像方法（例如CT、MRT、超声波、PET、SPECT等）的实施过程中进行，从该测量数据中确定体积数据（例如借助重建方法）。检查对象既可以是患者，也可以是在材料检查过程中被检验的构件。

根据本发明，例如利用射线投射或仿真射线来计算至少一个层的立体图显示。在此，立体图显示被理解为利用空间元素或立体元素的显示，其中这些元素至少部分显现为高度变化或立体图。例如借助规定包含了层的（三维的）体积片段实现对（在显示时考虑的）高度的参考。所述片段（英语中通常用“Slab，切面”表示）典型是直六面体，其相关的长度、宽度和相应侧面的取向与该层一致，并且它的高度比其它的尺寸明显更小。于是，通常通过该直六面体的高度来确定立体图的最大可能的高度，其例如等于该直六面体的高度或它的一半。优选如此选择所述片段，使得层位于片段的边缘或中间。在边缘的位置适合于单侧的立体图显示，在中间的位置适合于两侧的或双侧的立体图显示。

通过从体积数据值到高度值（或距离值）的映射可以实现将高度信息包含在层的显示中，其中将高度值与该层每个所需的体积数据值相关联。所述映射可以包括定刻度或标准化，其例如鉴于为立体图计算而选择的片段来进行。同样可以应用获得值关系的双射映射，例如用于压缩或拉伸，从而随发展趋势突出或抑制不同点。

为了计算所述立体图，例如可以借助射线投射确定体积值，该体积值到层的距离相当于该层的最近位置处的该体积值的相应高度值。在此，可能通过插值从体积数据中确定体积值。然后，将这样确定的体积值用于作为立体图的层显示。在该情况下，通过利用体积值确定（可能在片段内的）位置，该位置的体积值或灰度值对于立体图显示被突出，由此建立由层的体积值导出的高度信息。使用射线投射的优点在于，在射线和层之间的角度作为可选择的或可改变的参数可以通过用户的输入进行访问。于是，为了更好地分析所显示立体图，可以改变观察角。

具体而言，在利用仿真射线的射线投影过程中，对像素的计算可以包括以下步骤：

A.为计算沿着仿真射线的立体图，借助计算体积值而分别确定在射线上合适的位置，该位置到至少一个层的距离相当于至少一个层的最近位置处的该体积值相应的高度值。换言之，沿射线确定位置，该位置的体积值相当于至少一个层的最近位置的高度值。在此，也可以是必要时以数值方式执行的近似确定。

B.为计算借助相应仿真射线所确定的像素，使用分别在至少一个层的最近位置处的体积值。换言之，将相当于最近位置的高度值的体积值用于像素计算。

根据一种构造方案，借助体积值窗（在技术文献中，这里也指窗位校平）或从体积值到颜色值的映射可以进行体积值限定。在此，既存在将体积值限定或到颜色值的映射应用于至少一个层的体积值的可能性，也存在将其应用于为立体图显示而确定的体积值的可能性。优选仅应用这两种体积值限定选择之一。例如借助传输函数进行到颜色值的映射。在此，颜色值可选地还包括不透明度值或描述光线穿透性的参数（例如由RGB值和不透明度组成的阿尔法值RGBA）。

附加地，可以执行用于显示特定体积值的明暗处理。该明暗处理考虑了在照明模型范围内的光效应。在此，为了明暗处理，考虑了在层的对应体积值的位置处的参数（例如梯度）。

在根据本发明的方法的范围内，按照需要或在运行过程中（on-the-fly）可以共同执行层计算和所属的立体图计算。优选地，在确定或规定层之后，而在过渡到另外的层的计算之前，直接计算所属的立体图。该直接关联执行的层的确定和所属立体图的计算实际允许利用新计算的交互式的参数变化，例如在观察角或立体图参数变化时。

通过在屏幕上的层的立体图显示，能够使该显示明显更好地在视觉上被理解。此外，层的视觉观感变得更有直观。通过相应的参数调节能够更好地分辨和分析细节。

本发明还涉及一种用于执行根据本发明的层显示的方法的装置和计算机程序。

附图说明

以下在实施例范围内更详细地解释本发明。其中：

图1示出了具有多行探测器元件的螺旋CT设备在z方向上的示意图；

图2示出了沿z轴通过根据图1的设备的纵截面；

图3示出了对比常规MPR方法的根据本发明的MPR方法；

图4示出了用于根据本发明的立体图计算的射线投射的示意图；

图5示出了利用常规MPR方法计算的层；

图6至8示出了根据本发明的MPR方法计算的层。

具体实施方式

在图1和图2中示出了具有多行探测器的螺旋CT设备。图1示意性示出了机架1，具有垂直z轴的截面内的焦点2和同样旋转的（具有宽度B和长度L的）探测器5，而图2示出了在z轴方向上的纵截面。机架1具有X射线源，该X射线源具有示意性示出的焦点2和前置固定于该焦点的、源附近的射线光圈3。射线束4从焦点2出发，通过射线光圈3限定，向对面的探测器5延伸，该射线束穿透了位于其间的患者P。在焦点2和探测器5围绕z轴旋转期间进行扫描，其中将患者P同时在z轴方向移动。以该方式在患者P的坐标系统上形成了焦点2和探测器5的螺旋轨道S，具有斜率或进给V，如在图3中空间上和示意性示出。

在对患者P扫描时，通过数据/控制线路6将由探测器5采集的剂量相关的信号传输到计算单元7。借助在所示程序模块P₁至P_n中记录的公知方法，随后按照公知方式（例如FBP方法、Feldkamp算法、迭代方法等），从测量的原始数据中计算或重建患者P的扫描区域的与其吸收值相关的空间结构。然后将所计算的吸收值以体素形式呈现。在医学成像中，也通过所谓的灰度值给出该体素。

CT设备的其余操作和控制同样借助计算单元7和键盘9实现。通过显示器8或未示出的打印机可以实现计算出的数据的输出。为了在显示器8上的显示或者为了生成用于存档（例如PACS）的图像而基于灰度值生成图像。这相当于体素到像素的映射，基于像素组合产生图像。相应的方法被称为体绘制或体积再现。经常使用的用于体积再现的方法是借助仿真射线的射线投射或像素计算。然而根据本发明，使用了例如MPR方法的层显示，在图3中对其进行解释。

图3示出了对比常规MPR方法的根据本发明的操作方法。起点是借助成像方法获得的体积数据13。典型地，在此借助模态11采集用于待检测对象的数据，在重建步骤12中基于这些数据获得体积数据13。

所述模态11可以使用例如X射线技术、核自旋断层造影术、超声波、PET（正电子发射断层造影术）或SPECT（单光子发射计算机断层造影术）。在图1和图2所示的模态中，典型地从不同方向采集了对象的投影，基于这些投影借助迭代的重建方法（例如Feldkamp算法）或精确的重建方法（例如FBP，即滤波反投影）重建体积数据。

常规如图3左侧所示地，而根据本发明如右侧所示地借助MPR方法将体积数据可视化。在此，以下示出了用于层或截面的操作方法。在此，层被定义为体积数据与平面的截面，其中例如可以通过一个点和两个互相不平行的矢量定义所述平面。优选是通过选择取向和到观察者的深度或距离，预先给定或输入所述层。借助输入面板可以进行输入。相应地，该方法可以用于处理大量的平行层，从而对于所选择的层的取向获得（大量的）层的图像堆叠。在该情况下，层间距也可以是输入参数。

对于每个在屏幕上显示的像素，首先开始值计算（步骤21,31）。在此，从预先给定的方向（通常是视线方向）穿过该体积传播与该像素关联的射线（步骤22,32）。

在该点上，常规操作方法与根据本发明的操作方法互相背离。常规地，确定与MPR层的交点，并且通过体积数据13或体素的插值确定在该交点处的灰度值（或重建数据的值）（步骤24），而根据本发明，使用射线，用于确定为立体图显示而引入的灰度值。对于待显示的MPR层，定义了体积片段SLAB，其限定了立体图的最大高度（参考图4，在此，片段的下边缘SLAB与MPR层MPR重合。在图4中所示的距离仅为了更好地显示）。射线通过该片段传播。在此，起点是（在步骤32中产生的）射线与片段表面的交点。在确定交点SP（SLAB）之后（步骤33），该射线以等距离的步长继续穿过该片段。在步骤42中，计算到MPR层的最小距离，并且通过插值确定该点的灰度值。所述灰度值被映射到高度或长度上。如果该高度比射线RAY的距离更小（查询44），则将该射线RAY传播下一个步长（步骤47），并且重复所述操作方法（步骤41至44）。否则，确定“精确的”交点SP，并用于立体图显示。

在图4的示意图中，将其部分地更详细地示出。通过从灰度值到高度值的映射，MPR层MPR的灰度值构成了一种高度立体图GM(MPR)。在实际中，仅确定了在重要位置（例如i-1和i）处的立体图值。在片段SLAB内的射线RAY的传播开始于射线RAY和片段表面OB（RAY）的交点SP（SLAB）。

在步长i-1情况下，到MPR层MPR的距离d(i-1)比（通过插值确定的）灰度值或在该处MPR(i-1)的高度值GW(i-1)更大。在下一个步长i中，该关系转变（d(i)>GW(i)，其中GW(i)表示MPR(i)的灰度值），并且中断射线RAY的传播。借助二进制方法（等分以[i-1,i]开始的截距，并且与GW(MPR)进行中点比较，以及选择与交点SP的部分截距），确定射线RAY与该灰度值或相应的高度值GW(MPR)的交点SP。然后将在MPR层上到交点SP最近的点MPR(SP)的位置处的灰度值引入立体图显示（GW(RAY)=GW(MPR(SP))。

图4是简化的图示，其中以下两点未被考虑。

一方面是，通常执行体积值限定或窗位校平。这具有以下特殊背景。在医学应用中，为了描述重建的衰减值，通常使用按照科学家豪斯菲尔德而命名、并且大约达到1000（对于肺组织）至3000（骨）的尺度。将该尺度上的每个值与灰阶相关联，从而得到总共大约4000个待显示的灰阶。这个CT中三维图像重建情况下常见的图表不能在用于可视化而使用的显示器上简单地被接收。这一方面在于，在商用的8位显示器上能够最多显示256个（即28）灰阶。此外，显示更多数量的灰阶没有意义，因为显示器的显示的分辨率已经明显超过了能大概区分35个灰阶的人眼。因此，为了显示人体组织，提取在诊断上感兴趣的细节。出于这个目的规定了窗口，其包括了用于定义诊断上重要级别的特定灰度区域。

在图3的步骤25或43中示出了该窗位校平。在图3的该操作方法中，在根据本发明的操作方法中窗位校平被用于MPR层的灰度值，并且因此实际上限定了立体图的高度。换言之，通过窗口选择可以调节最大的立体图高度。在此，如果窗口选择允许更大的高度，则通过构成边界的片段SLAB预先给定最大可能的高度。替代地（或补充地），也可以将窗位校平用于交点SP的灰度值，即在图3中，在步骤45和步骤46之间进行体积值限定。

另外可选的步骤（图3中步骤48）是，为考虑光效应，对步骤45中确定的交点SP位置处的灰度值进行明暗处理。在此，例如可以为明暗处理使用局部照明模型或光线模型（例如Phong明暗处理或者使用局部照明模型的如Blinn-Phong明暗处理模型、预警模型等）。典型地，在这些模型中，参数（大多体积数据的梯度）受位置影响，在该位置上考虑了光效应。例如Phong明暗处理（也称为法向量插值明暗处理）在标准情况下使用了平面法线的插值。在此，通常按照朗伯定律考虑与观察者的视线方向有关的全反射部分和漫反射部分。基于光源的角度位置和相对法线的观察者角度确定光强的份额，并且紧接着将其与所希望的表面观感（例如暗淡的或反光的）相匹配。

优选地，为计算对于交点SP位置处的灰度值的光效应，不是使用在该位置处的参数，而是使用MPR层的最近位置处的参数。换言之，为计算明暗处理或光效应而在MPR层上突显。

在图5中示出了利用常规方法（图3的步骤26中输出的像素）的层显示，而在图6中示出了相应根据本发明的立体图显示（图3的步骤46中输出的像素）。根据本发明的显示关于层结构明显更直观并清晰。另外的优点在于，通过改变用于立体图显示的参数可以更好的分析所显现的对象。这样在图7中，观察角更低，从而更明显地突出了高度的增加。通过移动或旋转，可以将立体图特征更好地按照需要作为立体图的峰或谷而可视化。

另外的参数是立体图的高度，其例如受片段的高度影响。这例如在图8中很清楚，其中选择了相比图7的四倍高的片段。特别地，尽管限定了商用的显示器（对于典型的LCD显示器有256个灰阶，而对于一些特殊显示器有1024个灰阶），但是通过适当地选择或匹配立体图高度和窗口参数，在立体图中实际上分辨了几乎任意的区别，即，通过根据本发明的方法能够补偿硬件的限定。

本发明不限于本实施例的内容。特别是能将其用于利用层显示的任意的体绘制。借助用于医学检查的和用于材料检查的各种模态，可以获得相应的体积数据。

Claims (14)

1.一种借助体积数据对体积进行层显示的方法，包括：

-选择层取向，用于体积数据的层显示；

-按照所选的取向，确定至少一个层；

-规定体积的片段，其包括所述至少一个层；

-计算所述至少一个层的立体图显示；

-通过所述片段的尺寸，确定所述立体图的最大可能的高度；

-作为立体图显示所述至少一个层，

-其中借助射线投射执行所述至少一个层的立体图显示的计算。

2.按照权利要求1所述的方法，包括：

-采集成像方法范围内的测量数据；以及

-从所采集的测量数据中确定所述体积数据。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在MPR方法范围内进行所述层显示。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，

-所述至少一个层位于所述片段的边缘或中间；以及

-进行单侧的或双侧的立体图显示。

5.按照上述权利要求1所述的方法，其特征在于，将体积数据值映射到高度值，其中将体积数据值分别与高度值相关联。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，

-为计算所述立体图而确定在如下位置处的体积值，所述位置到至少一个层的距离相当于至少一个层的最近位置处的该体积值的相应的高度值；以及

-将分别在所述至少一个层的最近位置处的体积值用于作为立体图显示所述至少一个层。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

-借助射线投射过程中的仿真射线，进行权利要求6相应的体积值的计算。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

-在射线投射过程中，仿真射线与所述至少一个层形成角度；以及

-通过用户可以在输入范围内改变所述角度。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

-在射线投射过程中，仿真射线被用于像素的计算；

-为计算沿着所述仿真射线的立体图，借助计算体积值而分别确定在射线上合适的位置，该位置到至少一个层的距离相当于至少一个层的最近位置处的该体积值的相应的高度值；以及

-为计算借助相应仿真射线所确定的像素，使用分别在至少一个层的最近位置处的体积值。

10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

-借助体积值窗或从体积值到颜色值的映射进行体积值限定，其中所述体积值窗或所述到颜色值的映射

--被用于所述至少一个层的体积值；或者

--被用于按照权利要求6的立体图显示而确定的体积值。

11.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

-将明暗处理应用于按照权利要求6确定的体积值，其中按照分别在至少一个层的最近位置处的参数执行所述明暗处理。

12.按照上述权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，

-按照所选的取向执行多层的计算；以及

-为每个所述层进行立体图显示的计算。

13.一种借助体积数据对体积进行层显示的装置，包括：

-输入接口，用于为体积数据的层显示选择层的取向；

-计算元件，用于按照所选的取向来计算至少一个层，

用于规定体积的片段，其包括所述至少一个层，

用于计算所述至少一个层的立体图显示，其中借助射线投射执行所述至少一个层的立体图显示的计算，和

用于通过所述片段的尺寸，确定所述立体图的最大可能的高度；以及

-屏幕，用于在考虑光效应的情况下来显示所述至少一个层。

14.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置被设计用于执行按照权利要求1至11中任一项所述的方法。