CN106462971A - 用于配准不同成像模态的成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于配准不同成像模态的成像设备(10)、用于配准不同成像模态的成像系统(1)、用于配准不同成像模态的方法、用于控制这样的设备的计算机程序单元以及存储有这样的计算机单元的计算机可读介质。用于配准不同成像模态的成像系统(1)包括：第一成像模态(2)；第二成像模态(3)；以及用于配准不同成像模态的成像设备(10)。用于配准不同成像模态的成像设备(10)包括：模型提供单元(11)、第一图像数据提供单元(12)、处理单元(13)、第二图像数据提供单元(14)以及配准单元(15)。模型提供单元(11)提供腹侧腔的腔模型。第一图像数据提供单元(12)提供第一图像数据，所述第一图像数据通过第一成像模态(2)示出患者的感兴趣区域。处理单元(13)将腔模型配准到第一图像数据，并基于第一图像数据来调整腔模型。处理单元(13)在骨性和非骨性结构之间不同，并且基于经调整的腔模型在第一图像数据中掩蔽非骨性结构。第二图像数据提供单元(14)提供第二图像数据，所述第二图像数据通过第二成像模态(3)示出患者的感兴趣区域。配准单元(15)将经掩蔽的第一图像数据与第二图像数据配准。

Description

用于配准不同成像模态的成像设备
技术领域
本发明涉及用于配准不同成像模态的成像设备、用于配准不同成像模态的方法、用于控制这样的设备的计算机程序单元以及存储有这样的计算机程序单元的计算机可读介质。
背景技术
在使用多个成像模态(例如CT和实况X射线)的流程期间，医师需要配准模态。在使用人工2D-3D配准的常见应用中，这以以下方式进行：医师将C型臂移动到特定成角，这给予他在能够用于配准的身体中的界标(例如，腰骨)上的清楚的视图。然后，他将采集曝光运行(exposure run)或单次拍摄图像。接着，医师将移动C型臂到足够不同(多于45度的差)的不同成角，并拍摄另一曝光或单次拍摄。
以应用的不同观察口示出两者X射线运行，其中，它们与CT体积的适当旋转体积视图混合。医师现在将CT在两个视图中移动，使得其最优地与实况X射线交叠。医师用于确定最优交叠的视觉标记通常是骨性界标，例如，骨盆、脊柱或胸腔。
WO 2013/132402 A2公开了一种用于图像配准的系统。其包括配置为识别第一图像的内部界标的图像特征检测模块。图像配准和变换模块被配置为计算配准转换，基于表面界标配准第二图像与第一图像，以得到配准图像。界标识别模块被配置为使用配准变换将内部界标交叠到第二图像上，包围在虚拟对象内的交叠界标中的每个以识别在配准图像中的对应界标对，并且使用具有识别的界标的配准图像来配准第二图像与第一图像。
发明内容
因此，需要提供一种用于配准不同成像模态的成像设备，其改进了通过多个不同成像模态采取的内脏腔的图像数据的配准。
本发明的问题由独立权利要求的主题来解决，其中，另外的实施例被并入在从属权利要求中。应该注意，在下文中描述的本发明的各方面也应用于用于配准不同成像模态的成像设备、用于配准不同成像模态的成像系统、用于配准不同成像模态的方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。
根据本发明，提出了一种用于配准不同成像模态的成像设备。用于配准不同成像模态的成像设备包括：模型提供单元、第一图像数据提供单元、处理单元、第二图像数据提供单元以及配准单元。在下文中，给出了这些部件的简短概述，随后是下面更详细的描述。
模型提供单元被配置为提供腹侧腔的腔模型。亦即，可以提供腹侧腔(下文也称作“内脏腔”)的可变形模型，其将例如在胸腔、腹腔和骨盆腔中的器官的模型表示并入。因此，模型优选包括胸部和/腹部的至少一个器官，例如，肺或肾。
可以根据一个或若干训练图像数据集初始地生成这样的可变形模型，在所述数据集中，感兴趣特征被人工分割或注释。同样可以根据训练数据获知用于模型定位的界标检测、边缘特征检测和典型的形状变化。
第一图像数据提供单元被配置为提供第一图像数据，所述第一图像数据通过第一模态示出了患者的感兴趣区域。在范例中，第一模态的第一图像数据是CT或MR图像数据。
处理单元被配置为将所述腔模型配准到第一图像数据，并且基于所述第一图像数据调整所述腔模型。由此，实现经调整的腔模型。例如，可以通过基于图像数据最小化与可变形模型相关联的能量参数来实现调整，使得在模型中表示的特征(例如，器官)以最优方式被调整到图像数据中的对应特征。
处理单元被配置为基于经调整的腔模型在所述第一图像数据中掩蔽所述腹侧腔的至少部分。由此，实现经掩蔽的第一图像数据。
第二图像数据提供单元被配置为提供第二图像数据，所述第二图像数据通过第二模态示出了患者的感兴趣区域的至少部分。在范例中，第二模态的第二图像数据是实况X射线图像数据。
配准单元被配置为将经掩蔽的第一图像数据和第二图像数据配准。在范例中，实现在实况X射线数据上的CT或MR图像数据的交叠。
换言之，本发明涉及用于配准不同成像模态的成像设备，其用于在胸部和/或腹部区中的最优配准。
尽管在实况X射线和3D体积中相对容易区分腰骨，但是这对于脊柱和胸廓更加困难。亦即，在其它因子之中，由于腹侧腔内的组织和常常对比增强的脉管，模糊了在CT中的这些结构上的视图。
根据本发明的成像设备有利地允许获得这样的骨性结构上的更清楚的视图。尤其是，可以凭借掩蔽在腹侧腔内部的结构(尤其是(对比增强)血管结构)来增强脊柱和胸廓的可见性。
不同图像数据集之间的配准通常基于界标；在配准CT或MR数据集和实况X射线数据的情况下，配准通常涉及骨性界标，诸如骨盆、脊柱或胸廓。
根据本发明，在第一图像数据中的信息的总量凭借掩蔽来减少，由此用户能够更好地区分界标和尤其是对应于界标的不同成像模态之间的图像信息的交叠，从而实现最优配准。
优选地，根据本发明的成像设备允许选择性绘制骨性界标的子体积。因此，例如能够针对最优配准启用或禁用对脊柱、腰骨或肋骨或胸廓的绘制。因此，成像设备允许在人工或自动2D-3D配准期间选择性地可视化界标结构，使得配准耗费最小时间并且尽可能准确。
在范例中，基于腔模型的调整来分割在第一图像数据中的腹侧腔。因此，如本领域公知地，执行基于模型的分割。
腹侧腔的分割可以包括胸部和/或腹部的至少一个器官，对其的表示被包括在模型中。分割可以包括腹侧腔的外表面的基于模型的分割，这导致腹侧腔的表面模型。
可以以完全自动的方式执行基于第一图像数据对腔模型的调整。
可以人工地、以半自动或全自动方式执行经掩蔽的第一图像数据和第二图像数据的配准。为此，可以使用已知的2D-3D配准方法执行例如CT到X射线的配准。
可以给予用户对初始化或后校正自动分割的选择。使用骨性界标作为用于自动配准的参考改进了配准的鲁棒性和准确性，尤其因为脉管的对比剂填充和详细的几何结构可以在第一(例如，CT)图像和第二(例如，X射线)图像之间不同。
在范例中，处理单元被配置为基于经调整的腔模型来在第一图像数据中掩蔽组织和/或脉管结构。在第一图像数据中可以对组织和/或脉管结构进行对比增强。通过掩蔽在腹侧腔内部的所有体素，从第一图像数据可视化移除(对比增强)脉管和内脏腔的其它内容。
在范例中，处理单元被配置为基于经调整的腔模型的至少一个参数来估计第一图像数据中的骨性界标的子体积。尤其是，可以根据一个或多个模型参数(例如由内脏腔外表面围绕的体积)估计脊柱、胸廓和腰骨的体积。因此，可以相应地生成针对这些骨性界标结构的每个的子体积掩模。
在范例中，处理单元被配置为基于对应子体积掩模中的一个或多个在第一图像数据中选择性绘制骨性界标。通过选择性绘制这些子体积中的一个或若干，例如可以在例如CT体积可视化中示出仅脊柱或者脊柱和胸廓。这将服务于更好地向用户示出在3D体积中和在第二图像数据(例如，X射线图像数据)中的骨性结构和/或界标之间的交叠物是否是最优的，并由此进一步帮助医师实现最优配准。
根据本发明，还提出了用于配准不同成像模态的成像系统。用于配准不同成像模态的成像系统包括：第一成像模态；第二成像模态；以及如上所述的用于配准不同成像模态的成像设备。第一和第二成像模态采集由第一和第二图像数据提供单元提供的第一和第二图像数据。
在范例中，用于配准不同成像模态的成像系统还包括显示单元，所述显示单元被配置为将经配准的图像数据和在经配准的图像数据内的界标可视化，以允许配准的检查。界标可以基于骨性结构。
在范例中，用于配准不同成像模态的成像系统还包括选择器，所述选择器被配置为在围绕的体积或子体积的可视化之间进行选择。子体积可以是例如脊柱子体积和/或胸廓子体积。通过与选择器交互，用户可以选择可视化体积，如例如全体积、脊柱和胸廓可视化和/或仅脊柱体积。
在范例中，用于配准不同成像模态的成像系统还包括输入设备，其被配置为控制配准的分割和/或对准。配准的分割和/或对准可以基于围绕的体积或子体积的选定的可视化。通过使用输入设备，用户可以使用选择性的CT可视化作为指南来对准例如CT和X射线图像数据集。
在范例中，用于配准不同成像模态的成像系统还包括骨促进器单元，所述骨促进器单元被配置为促进在第二图像数据中，并且特别的在2D X射线图像数据中的骨和/或骨性界标的可视化。骨促进使得配准耗费更少时间并显著更准确。
根据本发明，还提出一种用于配准不同成像模态的方法。所述方法包括以下步骤：
提供腹侧腔的腔模型，
提供第一图像数据，
基于第一图像数据来调整腔模型，
基于经调整的腔模型来掩蔽在第一图像数据中的非骨性结构，并且
将经掩蔽的第一图像数据和第二图像数据配准。
用于配准不同成像模态的方法还可以包括以下步骤：通过对内脏腔的分割，优选通过对内脏腔的表面的基于模型分割来生成腔模型。
用于配准不同成像模态的方法还可以包括以下步骤：基于经调整的腔模型在第一图像数据中掩蔽组织和/或脉管结构，优选地对比增强的。
用于配准不同成像模态的方法还可以包括以下步骤：基于经调整的腔模型的几何结构来估计在第一图像数据中的骨性结构的围绕的体积或子体积。
用于配准不同成像模态的方法还可以包括以下步骤：在第一图像数据中选择性绘制围绕的体积或子体积。
根据本发明，还提出了一种计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元包括程序代码单元，当计算机程序在控制根据独立设备权利要求所述的成像设备的计算机上运行时，所述程序代码单元令所述成像设备执行根据独立方法权利所述的用于配准的方法的步骤。
应当理解，根据独立权利要求所述的用于配准不同成像模态的成像设备、用于配准不同成像模态的成像系统、用于配准不同成像模态的方法、用于控制这样的设备的计算机程序单元以及存储有这样的计算机程序单元的计算机可读介质具有相似和/或相同的优选实施例，尤其是如在从属权利要求中定义的。还应理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与各自的独立权利要求的任意组合。
本发明的这些和其它方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。
附图说明
将在以下参考附图描述本发明的示范性实施例：
图1示出了用于配准不同成像模态的成像系统的范例的示意图。
图2-5示意性且示范性地示出了作为第一和第二图像数据的CT和X射线的不同交叠。
图6示出了用于配准不同成像模态的方法的范例的基本步骤。
具体实施方式
图1示意性且示范性示出了根据本发明的用于配准不同成像模态的成像系统1的实施例。用于配准不同成像模态的成像系统1包括第一成像模态2、第二成像模态3和用于配准不同的成像模态成像设备10。
用于配准不同成像模态的成像设备10包括模型提供单元11、第一图像数据提供单元12、处理单元13、第二图像数据提供单元14和配准单元15。
模型提供单元11提供内脏腔的腔模型。亦即，可以提供内脏腔的可变形模型，其并入例如胸腔、腹腔和骨盆腔中的器官(例如，肺或肾)的模型表示。第一图像数据提供单元12提供第一图像数据，所述第一图像数据示出由第一成像模态2采集的患者的感兴趣区域。此处，第一成像模态2的第一图像数据是CT图像数据。
处理单元13将腔模型配准到第一图像数据，并基于第一图像数据调整腔模型。由此，实现经调整的腔模型。处理单元13连接到模型提供单元11和第一图像数据提供单元12。以完全自动的方式执行基于第一图像数据的腔模型的调整。
处理单元13还可以被配置为基于经调整的模型将基于模型的分割应用于第一图像数据。亦即，可以在图像数据中分割对应于在经调整的模型中表示的特征的在第一图像数据中的特征，诸如肺。
处理单元13在骨性结构和非骨性结构之间不同，并且基于经调整的腔模型在第一图像数据中掩蔽非骨性结构，尤其是腹侧腔。由此，实现经掩蔽的第一图像数据。
第二图像数据提供单元14提供第二图像数据，所述第二图像数据示出由第二成像模态3采集的患者的感兴趣区域。此处，第二成像模态3的第二图像数据是实况X射线图像数据。
配准单元15将经掩蔽的第一图像数据与第二图像数据配准。此处，实现在实况X射线数据上的CT图像数据的交叠。配准单元15连接到处理单元13和第二图像数据提供单元14。此处以自动方式执行配准，但是可以给予用户对初始化或后校正自动分割的选择。
处理单元13还可以基于经调整的腔模型的几何结构估计在第一图像数据中的特定骨性界标，尤其是脊柱、骨盆和/或肋骨的子体积。亦即，可以从经调整的模型的一个或多个参数导出这些子体积。此外，处理单元13可以被配置为选择性地在第一图像数据中绘制这些子体积。换言之，可以优选地借助于用户交互来启用和禁用这些界标结构的绘制。
处理单元13还被配置为基于经调整的腔模型在第一图像数据中掩蔽组织和/或脉管结构。尤其地，可以掩蔽(例如包括对比增强的脉管的)腹侧腔的内部的至少部分。作为结果，将增强特定骨性界标的可见性。
用于配准不同成像模态的成像系统1还包括显示单元4，显示单元4用于将经配准的图像数据和在经配准的图像数据内的界标可视化，以允许配准的检查。界标可以基于骨性结构。
用于配准不同成像模态的成像系统1还包括选择器5，以在围绕的体积的可视化或子体积的可视化之间进行选择。子体积例如可以是脊柱子体积和/或胸腔子体积。通过使用选择器5，用户可以选择可视化体积，如例如全体积、脊柱和胸腔可视化和/或仅脊柱体积。
用于配准不同成像模态的成像系统1还包括输入设备6，输入设备6被配置为控制配准的分割和/或对准。配准的分割和/或对准可以基于围绕的体积或子体积的选定的可视化。通过使用输入设备6，用户可以使用选择性的CT可视化作为指南来对准例如CT和X射线图像数据集。
用于配准不同成像模态的成像系统1还包括骨促进器7，所述骨促进器被配置为在第二图像数据中(尤其是在2D X射线图像数据中)促进骨性界标的可视化。亦即，将图像处理算法应用于2D X射线图像数据，其增强感兴趣结构的可见性，例如对比和/或边缘增强算法。
显示单元4、选择器单元5、输入设备6和骨促进器7连接到配准单元15。
图2-5示意性且示范性地示出了从AP(左侧)和以60°旋转角(右侧)查看的作为第一和第二图像数据的CT和X射线的不同交叠。图2对应于现有技术。很难看出在体积中的脊柱和胸部与X射线数据对准如何。图3至5示出了根据本发明的CT和X射线的交叠。
图3示出了仅脊柱的X射线与CT交叠。现在显著地更容易平移和对准脊柱(由边界条标记)。图4示出了脊柱和胸骨(两者都由边界条标记)的X射线与CT交叠。尽管肋骨可能部分阻挡脊柱上的视图，但是它们可以帮助对准体积的旋转。图5示出了仅脊柱(由边界条标记)的股促进的X射线与CT交叠。骨促进X射线和在3D中选择性示出骨的组合使得配准耗费时间更少并显著更准确。
图6示出了用于配准不同成像模态的方法的步骤的示意性概述。所述方法包括以下步骤(不必按次次序)：
在第一步骤S1中，提供内脏腔的腔模型。
在第二步骤S2中，提供第一图像数据。
在第三步骤S3中，基于第一图像数据调整腔模型。
在第四步骤S4中，基于经调整的腔模型来在第一图像数据中掩蔽非骨性结构。
在第五步骤S5中，将经掩蔽的第一图像数据与第二图像数据配准。
在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或一种计算机程序单元，其特征在于适于在适当的系统上运行根据前面的实施例之一所述的方法的方法步骤。
因此，所述计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，所述计算机单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行以上描述的方法的步骤或诱发以上描述的方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作以上描述的装置的部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器由此可以被装备为执行本发明的方法。
本发明的该示范性实施例涵盖从一开始就使用本发明的计算机程序或借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序两者。
更进一步地，所述计算机程序单元能够提供实现如以上所描述的方法的示范性实施例的流程的所有必需步骤。
根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在所述计算机可读介质上的计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元由前面部分描述。
计算机程序可以存储和/或分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但是计算机程序也可以以其他的形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程电信系统分布。
然而，所述计算机程序也可以存在于诸如万维网的网络上并能够从这样的网络中下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元能够被下载的介质，其中，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的之前描述的实施例之一所述的方法。
必须指出，本发明的实施例参考不同主题加以描述。具体而言，一些实施例参考方法类型的权利要求加以描述，而其他实施例参考设备类型的权利要求加以描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和从属权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且，词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于配准不同成像模态的成像设备(10)，包括：
模型提供单元(11)，
第一图像数据提供单元(12)，
处理单元(13)，
第二图像数据提供单元(14)，以及
配准单元(15)，
其中，所述模型提供单元(11)被配置为提供腹侧腔的腔模型，
其中，所述第一图像数据提供单元(12)被配置为提供第一图像数据，所述第一图像数据通过第一模态示出患者的感兴趣区域，所述感兴趣区域包括所述腹侧腔，
其中，所述处理单元(13)被配置为：i)将所述腔模型配准到所述第一图像数据，ii)基于所述第一图像数据来调整所述腔模型，并且iii)基于经调整的腔模型在所述第一图像数据中掩蔽所述腹侧腔的至少部分，
其中，所述第二图像数据提供单元(14)被配置为提供第二图像数据，所述第二图像数据通过第二模态示出患者的所述感兴趣区域的至少部分，
其中，所述配准单元(15)被配置为将经掩蔽的第一图像数据与所述第二图像数据配准。
2.根据权利要求1所述的成像设备(10)，其中，基于所述经调整的腔模型来分割所述第一图像数据中的所述腹侧腔。
3.根据前述权利要求所述的成像设备(10)，其中，所述腹侧腔的模型包括胸部和/或腹部的至少一个器官。
4.根据前述权利要求中的一项所述的成像设备(10)，其中，所述第一模态的所述第一图像数据是CT或MR图像数据，并且其中，所述第二模态的所述第二图像数据是实况X射线图像数据。
5.根据前述权利要求中的一项所述的成像设备(10)，其中，在所述第一图像数据中被掩蔽的所述腹侧腔的所述至少部分包括对比增强的脉管。
6.根据前述权利要求中的一项所述的成像设备(10)，其中，所述处理单元(13)被配置为基于所述经调整的腔模型的至少一个参数来估计所述第一图像数据中的至少一个骨性界标的子体积。
7.根据前述权利要求所述的成像设备(10)，其中，所述处理单元(13)被配置为选择性地绘制所述第一图像数据中的所述子体积。
8.一种用于配准不同成像模态的成像系统(1)，包括：
第一成像模态(2)，
第二成像模态(3)，以及
根据前述权利要求中的一项所述的成像设备(10)，
其中，所述第一成像模态(2)和所述第二成像模态(3)采集要由所述第一图像数据提供单元(12)和所述第二图像数据提供单元(14)提供的所述第一图像数据和所述第二图像数据。
9.根据权利要求8所述的成像系统(1)，还包括显示单元(4)，其被配置为将经配准的图像数据和在所述经配准的图像数据内的骨性界标可视化。
10.根据当从属于权利要求7时的权利要求8或9所述的成像系统(1)，还包括选择器(5)，其被配置为选择性地启用或禁用对所述子体积的可视化。
11.根据权利要求9或10所述的成像系统(1)，还包括骨促进器(7)，其被配置为促进对在所述第二图像数据中的所述骨性界标的可视化。
12.一种用于配准不同成像模态的方法，包括以下步骤：
提供腹侧腔的腔模型，
提供包括所述腹侧腔的感兴趣区域的第一图像数据，
将所述腔模型配准到所述第一图像数据，随后基于所述第一图像数据来调整所述腔模型，
基于经调整的腔模型来在所述第一图像数据中掩蔽所述腹侧腔，
提供第二图像数据，所述第二图像数据通过第二模态示出患者的所述感兴趣区域的至少部分，并且
将经掩蔽的第一图像数据与所述第二图像数据配准。
13.一种用于控制根据权利要求1至11中的一项所述的设备或系统的计算机程序单元，所述计算机程序单元在由处理单元(13)运行时，适于执行根据权利要求12所述的方法的步骤。
14.一种存储有根据前述权利要求所述的计算机程序单元的计算机可读介质。
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