CN110073234B

CN110073234B - 医学仪器及其方法

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Publication number: CN110073234B
Application number: CN201780077923.9A
Authority: CN
Inventors: F·文策尔; M·贝格特尔特; F·O·蒂勒
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: EP3542176B1; WO2018091360A1; CN110073234A; EP3542176A1; JP2020504637A; JP6636676B1; US20190346526A1; US10921412B2

Abstract

本发明提供了一种医学仪器，其包括处理器以及包含机器可执行指令的存储器。所述机器可执行指令的运行使所述处理器：接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集，并且接收描述所述对象的第二感兴趣区域的至少一个第二磁共振图像数据集。所述第一感兴趣区域至少部分地包括所述第二感兴趣区域。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器接收在所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器构建成本函数，所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振图像数据集以及单独针对所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集的扫描内均匀性度量。

Description

医学仪器及其方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像，具体涉及针对一系列磁共振图像的强度不均匀性的校正。

背景技术

大的静态磁场由磁共振成像(MRI)扫描器用于对齐原子的核自旋，作为用于产生患者的身体内的图像的流程的一部分。该大的静态磁场被称为B0场或主磁场。

空间编码的一种方法是使用磁场梯度线圈。通常，存在被用于在三个不同的正交方向上生成三个不同的梯度磁场的三个线圈。

在MRI扫描期间，由一个或多个发射器线圈生成的射频(RF)脉冲引起被称为B1场。额外地，所施加的梯度场和B1场引起对有效局部磁场的扰动。RF信号然后由核自旋发射并且由一个或多个接收器线圈来检测。所述接收器线圈通常具有空间依赖的灵敏度。该空间依赖性是可能导致磁共振图像中的强度不均匀性的一个因素。空间依赖的强度不均匀性常常被称为偏移场不均匀性(或简称偏移场)或者信号不均匀性。偏移场不均匀性特别可能当使用自动算法来分割或识别磁共振图像中的区域时造成困难。

存在用于偏移场校正的各种技术。例如，国际专利申请WO2016/042037A1公开了一种偏移校正和图像配准的方法。包括未知幅度的图像内强度偏移的每幅图像通过以下操作来执行：a)将第一图像的数字数据集和第二图像的数字数据集输入到计算机中；b)计算将所述第一图像变换为经变换的图像(即，所述第二图像的优化近似)而对所述第一图像的变形；并且c)同时地计算并且应用被应用到所述第一图像的偏移校正和被应用到所述经变换的图像的偏移校正，使得所述第一图像和所述经变换的图像中的每幅图像针对其中的偏移被个体地校正。通常，在所述第一图像上的偏移校正的平均与在所述经变换的图像上的偏移校正的平均大小相等并且方向相反。

发明内容

本发明提供了独立权利要求中的一种医学仪器、一种方法以及一种计算机程序产品。在从属权利要求中给出了实施例。

本发明的实施例可以提供用于针对一系列磁共振图像提供一致的偏移场或信号强度校正的装置。在本文中，所述一系列图像被称为第一磁共振数据集和至少一个第二磁共振图像数据集。存在第一磁共振图像(所述第一磁共振数据集)以及一幅或多幅第二磁共振图像(至少一个第二磁共振图像数据集)。

执行该信号强度校正作为优化过程的一部分。实施例可以通过优化成本函数来实现这一点。所述成本函数可以包括若干不同的因子。针对所述系列中的每幅图像，存在表示扫描内(intra-scan)均匀性度量的项。所述扫描内均匀性度量是所述强度在一幅图像内多么一致的度量。所述成本函数还包括额外项，包括扫描间(inter-scan)相似性度量。所述扫描间相似性度量是将所述第一磁共振图像与所述第二磁共振图像中的每幅第二磁共振图像相比较的算法。

能够例如在来自荷兰的乌特勒支大学的软件包Elastix的手册中找到扫描间相似性度量的范例。参见Stefan Klein和Marius Staring、Elastix手册2015年9月4日章节2.3Metrics中的第6至7页。该手册在http://elastix.isi.uu.nl/doxygen/index.html是在线可用的。

在所述优化期间，标准强度校正算法或偏移场校正算法被应用到所有图像。对所述成本函数的所述优化使得以不仅校正单幅磁共振图像内的强度不均匀性而且还使整个系列的磁共振图像的强度曲线(profile)收敛的方式来施加所述强度校正。

当执行其中检查来自不同时间的一系列磁共振图像的所谓的纵向研究时，这可以具有巨大的优点。使所述磁共振图像的所述强度曲线更一致还可以增加正确地分割或分析所述一系列磁共振图像的自动算法的能力。

在一个方面中，本发明提供了一种包括处理器和存储器的医学仪器。所述存储器包含用于由所述处理器运行的机器可执行指令。所述机器可执行指令的运行使所述处理器接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集。所述第一磁共振图像数据集可以是三维磁共振数据、磁共振图像数据的二维厚片或切片的集合，并且在一些情况下还可以是磁共振图像数据的单个切片。所述第一磁共振图像数据集可以是可以以二维格式或三维格式绘制以图示或示出所述对象的所述第一感兴趣区域的数据。

可以以若干种不同的方式来执行对所述第一磁共振图像数据集的所述接收。在一些实例中，最终重建的第一磁共振图像数据集被接收在图像空间中。在其他范例中，所述第一磁共振图像数据集可以通过接收被重建为图像空间的磁共振数据来接收。然而，在其他实例中，对所述第一磁共振图像数据集的所述接收还可以通过控制磁共振成像系统采集磁共振数据来执行，所述磁共振数据然后被重建为图像空间，从而得到所述第一磁共振图像数据集。

所述机器可执行指令的运行还使处理器接收描述所述对象的第二感兴趣区域的至少一个第二磁共振图像数据集。描述能够如何接收所述第一磁共振图像数据集的细节也适用于所述至少一个第二磁共振图像数据集。所述第一感兴趣区域至少部分地包括所述第二感兴趣区域。可以使用相同的磁共振成像系统或者使用不同的磁共振成像系统来采集所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集。

当对象被放置到磁共振成像系统中时，被成像的确切解剖区域或感兴趣区域可能每单个时间不相同。所述第二感兴趣区域和所述第一感兴趣区域因此可能不是完全相同的。同样地，所述对象可能处在稍微不同的位置，使得尽管可以对相同解剖区域进行成像，但是在每种情况下所述感兴趣区域内的所述对象的面积或定位可能是稍微不同的。

所述机器可执行指令的运行还使所述处理器接收所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域。所述分析区域基本上是其中所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域重叠的区域。所述分析区域是这两个感兴趣区域的共同空间。对所述分析区域的所述接收例如可以通过医师或医学技术专家指示所述第一磁共振成像数据集和所述至少一个第二磁共振成像数据集中的每个磁共振成像数据集内的区域来接收。在其他实例中，可以通过例如执行所述第一磁共振图像数据集与所述至少一个第二磁共振成像数据集之间的配准以指示这些数据集的哪些部分对应于彼此并且所述数据可以如何重叠而自动地执行对所述分析区域的所述接收。

所述机器可执行指令的运行还使所述处理器构建成本函数，所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振成像数据集和单独针对所述至少一个第二磁共振图像数据集的扫描内均匀性度量。所述扫描内均匀性度量是测量图像的均匀对比度的算法。在磁共振图像中，能够存在跨磁共振图像的对比度差异，其不归因于所述对象的物理特性，而是归因于例如所述磁共振成像系统自身的特性，例如射频线圈的灵敏度差异。所述扫描内均匀性度量被放在成本函数中以指示所述均匀性度量多么一致并且试图量化磁共振图像自身内的不均匀性。

所述成本函数还包括使用所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集两者计算的扫描间相似性度量。所述成本函数还具有将所述第一磁共振图像数据集与所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集相比较的扫描间相似性度量。所述成本函数因此不仅取决于所述扫描内均匀性，而且还取决于不同图像之间的比较。在一些实例中，所述第一磁共振图像数据集可以与所述至少一个第二磁共振图像数据集配准。在这种情况下，所述成本函数可以被简单地用于移除跨所有磁共振成像数据集的不均匀性强度。在其他情况下，所述各种磁共振图像数据集可以不彼此配准。所述成本函数在其比较所述扫描间相似性度量时还可以被用作各种数据集之间的配准过程的一部分。

所述机器可执行指令的运行还使处理器执行对所述成本函数的优化，以使用强度校正算法计算针对所述分析区域内的所述第一磁共振图像数据集的第一强度校正图以及针对所述分析区域内的所述至少一个第二磁共振成像数据集中的每个第二磁共振成像数据集的至少一个第二强度校正图。用于计算针对磁共振成像系统的强度校正图的各种算法是已知的。例如，存在被用于所谓的偏移场校正的各种模型。偏移场校正算法诸如被用于B样条、DCT系数或者多项式域仅仅是若干范例。

所述机器可执行指令的运行还使处理器使用所述第一磁共振图像数据集和所述第一强度校正图来计算描述所述分析区域的第一经校正的磁共振图像。在该步骤中，所述第一强度校正图被应用到第一经校正的磁共振图像数据集，并且这可以被用于产生经校正的第一磁共振图像数据集或者甚至绘制所述第一经校正的磁共振图像。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器使用所述至少一个第二磁共振图像数据集和所述至少一个第二强度校正图来计算描述所述分析区域的至少一幅第二经校正的磁共振图像。所述至少一个第二强度校正图可以被用于生成经校正的磁共振数据或者甚至绘制针对所述至少一个第二磁共振图像数据集的经校正的磁共振图像。

该实施例的优点可以在于：由于针对对象的相同解剖区域而比较超过一个磁共振图像数据集，因而该额外的信息可能导致比如果每幅个体图像被单独检查更好的强度不均匀性校正，诸如偏移场校正。另外，由于所述第一磁共振图像数据集和所述至少一个第二磁共振图像数据集已经针对扫描间相似性进行了比较和优化，因而这些所得到的磁共振图像可以更好地被用于对象内的解剖特征的自动比较。例如，如果肿瘤正在多个磁共振检查期间被检查，则所述图像之内的匹配对比度可以允许自动算法在所得到的图像内更一致地识别肿瘤的位置和/或大小。

在另一实施例中，接收在所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域的步骤包括：接收所述第一磁共振图像数据集与所述至少一个第二磁共振成像数据集中的至少每个第二磁共振成像数据集之间的配准。在一些情况下，该配准可以执行地足够好以使得能够进行所有图像处理。在其他范例中，这可以是初步配准，然后在对所述成本函数的优化期间进行细化。

在另一实施例中，所述医学仪器包括第一磁共振成像系统。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器通过控制所述第一磁共振成像系统来采集所述第一磁共振图像数据集。接收所述第一磁共振图像数据集的步骤还可以包括将从k空间采集的数据重建为图像空间。

在另一实施例中，所述医学仪器还包括第二磁共振成像系统。所述机器可执行指令的运行还使处理器通过控制所述第二磁共振成像系统来采集所述至少一个第二磁共振图像数据集的至少部分。再次地，对所述第二磁共振图像数据集的所述接收还可以包括根据在k空间中采集的数据来重建所述至少一个第二磁共振图像数据集。

所述实施例的另外的优点可以在于：对所述成本函数的所述优化更容易使得在不同磁共振成像系统上采集的图像能够进行比较。另一优点可以在于：对所述成本函数的所述优化可以使得利用相同磁共振成像系统在不同时间段处采集的磁共振图像能够更容易地进行比较。例如，比较磁共振图像采集日期、月份或者甚至年份。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器在对所述成本函数的优化期间将所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集与所述第一磁共振图像数据集配准。在该实施例中，替代仅具有所述第一磁共振成像数据集与个体第二磁共振图像数据集之间的成本函数中的项，现在还存在个体第二磁共振图像数据集之间项。这可以是有益的，因为其可能导致对所述成本函数的更好的优化。然而，这可能伴随着增加计算成本的成本。

在另一实施例中，通过对所述第一强度校正图的计算以及对所述至少一个第二强度校正图的计算，所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集与所述第一磁共振图像数据集的配准全部被执行，作为联合优化。

例如，所述配准能够使用所述扫描间相似性度量来执行对现有配准的配准或细化。这可以是有益的，因为所述磁共振图像数据集内的所述对比度的不一致性可能引起执行初始配准的误差。执行联合优化可以实现比在单独地执行图像之间的配准和针对所述偏移场不均匀性的校正的情况下可能的图像之间的更好的配准以及针对所述偏移场不均匀性的更好的校正两者。

在另一实施例中，所述扫描间相似性度量包括测量所述第一磁共振图像数据集与所述第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集之间的相似性的项。所述扫描间相似性度量可以是比较不同磁共振图像数据集的对应体素的算法。在确保可能在不同时间和位置处采集的多幅图像的对比度的一致性方面这可以是有益的。

在另一实施例中，所述扫描间相似性度量包括测量所述第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集之间的相似性的项。在该范例中，所述扫描间相似性度量被扩展为还包括在各种第二磁共振图像数据集之间的比较。在确保跨全部已经采集的图像更一致方面这可以是有益的。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器执行对第一经校正的磁共振图像和至少第二经校正的磁共振图像的纵向分析。纵向分析是何时比较一系列磁共振图像。该实施例可以是有益的，因为优化所述成本函数的过程已经使各种图像相对于彼此更一致。自动算法可以更一致地在所有图像上执行。

在另一实施例中，所述扫描内均匀性度量是强度均匀性的度量。强度均匀性的度量的范例例如可以是诸如使用直方图锐化。图像强度例如可以被假定为属于混合高斯分布。所述不均匀性因此可以与所述标准偏差有关。

在另一实施例中，所述扫描内均匀性度量是最大化互信息算法。最大化互信息算法是被用于比较两幅图像或图像数据集的标准图像处理算法。在比较多个磁共振图像数据集方面这可以是有益的。

在另一实施例中，所述第一磁共振图像数据集和所述至少一个第二磁共振图像数据集包括使用不同脉冲序列命令采集的磁共振数据。例如，可以使用不同磁共振成像协议来采集所述第一磁共振图像数据集和所述至少一个第二磁共振图像数据集。即使不同的图像可以具有不同的固有对比度特性，例如所述最大化互信息算法的使用仍然可以使得所述图像能够在成本函数内被有效地比较。

在另一实施例中，所述扫描间相似性度量包括使用差值平方和算法来比较强度的逐体素比较。在该实施例中，各种磁共振数据集被逐体素地比较并且平方差算法被用于对其进行比较。

在另一实施例中，所述扫描间相似性度量包括图像互相关的度量。互相关算法是可以被用于比较不同图像的标准图像处理技术。

在另一实施例中，所述强度校正算法是以下中的任一项：B样条偏移场校正算法、DCT系数偏移场校正算法以及多项式偏移场校正算法。这些或其他标准强度校正算法中的任意算法的使用可以被有效地用在对所述成本函数的优化内。

在另一方面中，本发明提供一种医学成像的方法。所述方法包括接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集。所述方法还包括接收描述所述对象的第二感兴趣区域的至少一个第二磁共振图像数据集。所述第一感兴趣区域至少部分地包括所述第二感兴趣区域。所述方法还包括接收在所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域。所述方法还包括构建成本函数，所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振图像数据集和单独针对所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集的扫描内均匀性度量。所述成本函数还包括使用所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集两者计算的扫描间相似性度量。

所述方法还包括执行对所述成本函数的优化，以使用强度校正算法来计算针对所述分析区域内的所述第一磁共振图像数据集的第一强度校正图以及针对所述分析区域内的所述至少一个第二磁共振成像数据集中的每个第二磁共振成像数据集的至少一个第二强度校正图。所述方法还包括使用所述第一磁共振图像数据集和所述第一强度校正图来计算描述所述分析区域的第一经校正的磁共振图像。所述方法还包括使用所述至少一个第二磁共振图像数据集和所述至少一个第二强度校正图来计算描述所述分析区域的所述至少一幅第二经校正的磁共振图像。

在另一实施例中，所述方法还包括利用第一磁共振成像系统来采集所述第一磁共振图像数据集。

在另一实施例中，所述方法还包括利用第二磁共振成像系统来采集所述至少一个第二磁共振图像数据集。

在另一方面中，本发明提供了一种包括用于由控制医学仪器的处理器运行的机器可执行指令的计算机程序产品。所述机器可执行指令的运行使所述处理器接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集。所述机器可执行指令的运行还使处理器接收描述所述对象的第二感兴趣区域的至少一个第二磁共振图像数据集。所述第一感兴趣区域至少部分地包括所述第二感兴趣区域。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器接收在所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器构建成本函数，所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振图像数据集和单独针对所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集的扫描内均匀性度量。

所述成本函数还包括使用所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集两者计算的扫描间相似性度量。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器执行对所述成本函数的优化，以使用强度校正算法来计算针对所述分析区域内的所述第一磁共振图像数据集的第一强度校正图以及针对所述分析区域内的所述至少一个第二磁共振成像数据集中的每个第二磁共振成像数据集的至少一个第二强度校正图。所述机器可执行指令的运行还使所述处理器使用所述第一磁共振图像数据集和所述第一强度校正图来计算描述所述分析区域的第一经校正的磁共振图像。

所述机器可执行指令的运行还使所述处理器使用所述至少一个第二磁共振图像数据集和所述至少一个第二强度校正图来计算描述所述分析区域的至少一幅第二经校正的磁共振图像。

如本领域的技术人员将理解到，本发明的各方面可以被实现为一种装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或者组合可以全部一般在本文中被称为“电路”、“模块”或“系统”的软件和硬件的实施例的形式。而且，本发明的各方面可以采取以具有实现在其上的计算机可执行代码的一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品的形式。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。如在本文中所使用的“计算机可读存储介质”涵盖可以存储由计算设备的处理器可执行的指令的任何有形存储介质。所述计算机可读存储介质可以被称为计算机可读非瞬态存储介质。所述计算机可读存储介质还可以被称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还可能能够存储能够由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁性硬盘驱动器、固态硬盘、闪速存储器、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘和处理器的寄存器堆。光盘的范例包括光盘(CD)和数字通用光盘(DVD)(例如，CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R磁盘)。术语计算机可读存储介质还指代能够经由网络或通信链路由计算机设备访问的各种类型的记录介质。例如，可以通过调制解调器、通过因特网或通过局域网检索数据。在计算机可读介质上实现的计算机可执行代码可以使用任何适当的介质传送，包括但不限于无线、有线线路、光纤电缆、RF等或前述内容的任何适合的组合。

计算机可读信号介质可以包括具有实现在其中的计算机可执行代码的传播数据信号(例如，在基带内或作为载波的一部分)。这样的传播信号可以采取各种形式中的任一个，包括但不限于电磁、光或其任何适合的组合。计算机可读信号介质可以是不是计算机可读存储介质并且可以传递、传播或传输用于由指令运行系统、装置或设备或结合其使用的程序的任何计算机可读介质。

“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是对处理器直接可访问的任何存储器。“计算机存储装置”或“存储装置”是计算机可读存储介质的另一范例。计算机存储装置可以是任何易失性或者非易失性计算机可读存储介质。

如在本文中所使用的“处理器”涵盖能够运行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解释为可能包含超过一个处理器或处理核心。所述处理器可以例如是多核处理器。处理器还可以指代单个计算机系统内或分布在多个计算机系统中间的处理器的集合。术语计算设备还应当被解释为可能指代各自包括(一个或多个)处理器的计算设备的集合或网络。可以由可以在所述相同计算设备内或者可以甚至跨多个计算设备分布的多个处理器运行所述计算机可执行代码。

计算机可执行代码可以包括使处理器执行本发明的方面的机器可执行指令或程序。执行用于本发明的各方面的操作的计算机可执行代码可以以一个或多个编程语言的任何组合书写，包括面向对象编程语言(诸如Java、Smalltalk、C++等)和常规程序编程语言(诸如“C”编程语言或类似编程语言)并且被编译为机器可执行指令。在一些实例中，所述计算机可执行代码可以以高级语言的形式或以预编译形式并且结合生成在飞行中的所述机器可执行指令的解译器使用。

所述计算机可执行代码可以全部地在所述用户的计算机上、部分地在所述用户的计算机上、作为独立软件包、部分地在所述用户的计算机上并且部分地在远程计算机上或全部地在所述远程计算机或服务器上运行。在后者场景中，所述远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))被连接到所述用户的计算机，或者可以对外部计算机做出连接(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)。

参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或块图描述本发明的各方面。应当理解，可以通过在适用时以计算机可执行代码的形式的计算机程序指令实现流程图、图示和/或块图中的每个块或块的部分。还应当理解，当不相互排斥时，可以组合不同的流程图、图示和/或块图中的块的组合。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机的处理器、专用计算机或其他可编程数据处理装置以产生机器，使得经由所述计算机或其他可编程数据处理装置的所述处理器运行的所述指令创建用于实现所述流程图和/或(一个或多个)块图块中所指定的所述功能/动作的装置。

这些计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，其可以引导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得被存储在所述计算机可读介质中的所述指令产生包括实现所述流程图和/或(一个或多个)块图块中所指定的所述功能/动作的指令的制造品。

计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他装置上以使得一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他装置上执行来产生计算机实现的过程，使得在处理器或其他可编程装置上运行的指令提供用于实现流程图和/或(一个或多个)块图块中所指定的功能/动作的过程。

如在本文中所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人机接口设备”。用户接口可以向所述操作者提供信息或数据和/或从所述操作者接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作者的用户能够由所述计算机接收并且可以从所述计算机向所述用户提供输出。换言之，所述用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机并且所述接口可以允许所述计算机指示所述操作者的控制或操纵的所述效果。显示器或图形用户接口上的数据或信息的所述显示是将信息提供给操作者的范例。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、图形板、操纵杆、游戏键盘、网络摄像头、头戴式耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计接收数据全部是使得能够从操作者接收信息或数据的用户接口部件的范例。

如在本文中所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的所述处理器能够与外部计算设备和/或设备相互作用和/或控制其的接口。硬件接口可以允许操作者将控制信号或指令发送到外部计算设备和/或装置。硬件接口还可以使处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口和数字输入接口。

如在本文中所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或数据接口。显示器可以输出视觉、听觉和/或触觉数据。显示器的范例包括但不限于：计算机监视器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、向量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示器面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。

磁共振(MR)数据在本文中被定义为在磁共振成像扫描期间使用磁共振装置的所述天线由原子自旋发射的射频信号的所述记录的测量结果。磁共振数据是医学成像数据的范例。磁共振(MR)图像在本文中被定义为在所述磁共振成像数据内包含的原子数据的经重建的所述两或三维可视化。磁共振图像包括体素。体素自身表示用于定义体积的磁共振数据的平均。体素的二维集合因此类似代表正被成像的所述对象的切片的图像。体素的二维集合因此常常被称为“切片”。

本文中的磁共振图像数据集被理解为磁共振图像。所述磁共振图像数据集可以是三维数据集、二维切片的集合(或堆叠)或者单个二维切片。

应当理解，可以组合本发明的前述实施例中的一个或多个实施例，只要组合的实施例不是互相排斥的。

附图说明

在下文将仅通过范例并且参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1图示了医学成像系统的范例；

图2示出了图示操作图1的医学成像系统的方法的流程图；并且

图3示出了被用于理想地表示一系列磁共振图像的若干附图。

附图标记列表

100 医学仪器

102 磁共振系统

104 磁体

106 磁体的孔膛

108 成像区域

110 磁场梯度线圈

112 磁场梯度线圈电源

114 射频线圈

116 收发器

118 对象

120 对象支撑体

122 第一感兴趣区域

124 第二感兴趣区域

126 分析区域

130 计算机系统

132 硬件接口

134 处理器

136 用户接口

138 计算机存储器

140 机器可执行指令

142 脉冲序列命令

144 第一磁共振数据

152 第一磁共振图像数据集

150 第二磁共振数据

146 第二磁共振图像数据集

152' 第二磁共振图像数据集

154 第一强度校正图

156 第二强度校正图

158 第一经校正的磁共振图像

160 第二经校正的磁共振图像

300 体素

302 体素

具体实施方式

在这些附图中的相同编号的元件是要么等效元件要么执行相同功能。如果功能是等效的，则在稍后的附图中将不必讨论先前已经讨论的元件。

图1图示了医学仪器100的范例。在该范例中，所述医学仪器包括磁共振成像系统102和计算机系统130。在一些范例中，医学仪器100仅包括计算机系统130或等效控制器。磁共振成像系统102包括磁体104。磁体104是具有通过其的孔膛106的超导圆柱体类型磁体104。也能够使用不同类型的磁体。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，存在超导线圈的集合。在圆柱形磁体104的孔膛106之内，存在其中磁场强并且均匀足以执行磁共振成像的成像区108。

在所述磁体的孔膛106之内，还存在磁场梯度线圈110的集合，其被用于采集磁共振数据以对磁体104的成像区108之内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈110被连接到磁场梯度线圈电源112。磁场梯度线圈110旨在是代表性的。通常，磁场梯度线圈110包含用于在三个正交空间方向上进行空间编码的线圈的三个分离的集合。磁场梯度电源向所述磁场梯度线圈供应电流。被供应到磁场梯度线圈110的电流是根据时间来控制的并且可以是斜变的或脉冲的。

邻近于成像区108的是用于操纵成像区108之内的磁自旋的取向并且用于接收来自也在成像区108之内的自旋的无线电传输的射频线圈114。射频天线可以包含多个线圈元件。所述射频天线还可以被称为信道或天线。射频线圈114被连接到射频收发器116。射频线圈114和射频收发器116可以由分离的发射线圈和接收线圈以及分离的发射器和接收器替换。应当理解，射频线圈114和射频收发器116是代表性的。射频线圈114旨在还表示专用发射天线和专用接收天线。类似地，收发器116还可以表示分离的发射器和接收器。射频线圈114还可以具有多个接收/发射元件并且射频收发器116可以具有多个接收/发射信道。

在磁体104的孔膛106之内，存在将对象至少部分地支撑在成像区108之内的对象支撑体120。在成像区108之内，能够看到第一感兴趣区域122和第二感兴趣区域124。例如，对象118可以被放置到磁共振成像系统102中多次。每一次确切地对所述对象18的相同位置进行成像可能是非常困难的。标记的区域126是第一感兴趣区域122和第二感兴趣区域124两者内的分析区域126。分析区域126是将针对不均匀性来校正的感兴趣区域122、124两者中的区域。在一些范例中，第一感兴趣区域122和第二感兴趣区域124可以重叠或相同。例如，可以针对单次检查从对象118采集一系列磁共振图像。

在其他范例中，如先前所提到的，第一感兴趣区域122以及任何随后的第二感兴趣区域124可以被定位在不同的位置中，因为对象118已经在不同的时间处被重复地插入到磁共振成像系统102中。然而，在另外的范例中，第一感兴趣区域122以及随后的第二感兴趣区域124可以一起处在不同的磁共振成像系统之内。

收发器116和磁场梯度线圈电源112能够被看作被连接到计算机系统130的硬件接口132。所述计算机系统还包括处理器134，处理器134与硬件接口132、存储器138和用户接口136通信。存储器138(还被称为计算机存储器)可以是对于处理器134可访问的存储器的任意组合。这可以包括诸如主存储器、高速缓存存储器以及还有非易失性存储器，诸如闪速RAM、硬盘驱动器或者其他存储设备。在一些范例中，存储器134可以被认为是非瞬态计算机可读介质。存储器134被示为存储使得处理器132能够控制磁共振成像系统100的操作和功能的机器可执行指令140。

计算机存储器138被示为包含使得处理器134能够控制磁共振成像系统102和/或执行图像处理或数据分析的机器可执行指令140。计算机存储器138还被示为包含使得处理器134能够控制磁共振成像系统以从第一感兴趣区域122和/或第二感兴趣区域124采集磁共振数据的脉冲序列命令142。

如在本文中所使用的脉冲序列命令涵盖命令或者可以被转换为被用于根据时间来控制磁共振成像系统102的功能的命令的时序图。脉冲序列命令是被应用到特定磁共振成像系统102的磁共振成像协议的实施方案。

计算机存储器138被示为包含针对第一感兴趣区域122而采集的第一磁共振数据144以及从第二感兴趣区域124采集的第二磁共振数据150。通过利用脉冲序列命令142控制所述磁共振成像系统来采集所述第一磁共振数据和所述第二磁共振数据150两者。计算机存储器138还被示为包含根据第一磁共振数据144而重建的第一磁共振图像数据集146。第一磁共振图像数据集146例如可以是来自第一磁共振数据144的磁共振图像数据的三维重建。

计算机存储器138还被示为包含根据第二磁共振数据150重建的第二磁共振图像数据集152。机器可执行指令140可以包含对成本函数的优化的实施方案。对所述成本函数的优化可以被用于计算针对第一磁共振图像数据集146的第一强度校正图154以及针对第二磁共振图像数据集152的第二强度校正图156。

计算机存储器138还被示为包含通过将第一强度校正图154应用到第一磁共振图像数据集146而计算的第一经校正的磁共振图像158。计算机存储器138被示为还包含通过将第二强度校正图156应用到第二磁共振图像数据集152而计算的第二经校正的磁共振图像160。磁共振图像158和160例如可以被显示在用户接口136上。

图2示出了图示操作图1的医学成像系统100的方法的流程图。首先，在步骤200中，处理器134接收第一磁共振图像数据集146。第一磁共振图像数据集146描述对象118的第一感兴趣区域122。在一些情况下，对第一磁共振图像数据集146的所述接收可以是从计算机存储器138中访问第一磁共振图像数据集146。在其他范例中，对所述第一磁共振图像数据集的所述接收可以是控制磁共振成像系统102以采集第一磁共振数据144并且然后将第一磁共振数据144重建为第一磁共振图像数据集146。

接下来，在步骤202中，处理器134接收至少一个第二磁共振图像数据集152。第二磁共振图像数据集152是针对第二感兴趣区域124的。在一些情况下，对至少一个第二磁共振图像数据集152的所述接收可以是访问计算机存储器138中的数据。在其他范例中，对至少一个第二磁共振图像数据集152的所述接收可以包含处理器134控制磁共振成像系统102以采集第二磁共振数据150并且然后将第二磁共振数据150重建为第二磁共振图像数据集152。

接下来，在步骤204中，处理器134接收在第一感兴趣区域122和第二感兴趣区域124两者之内的分析区域126。在一些情况下，接收分析区域204可以包含从用户接口126接收数据。在其他情况下，可以通过将第一磁共振图像数据集146与至少一个第二磁共振图像数据集152配准并且确定两个图像数据集内的什么数据重叠并且处在这两个数据集中的配准算法来自动地执行对分析区域126的接收。

接下来，在步骤206中，构建成本函数。所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振图像数据集以及单独针对至少一个第二磁共振图像数据集152中的每个第二磁共振图像数据集而计算的扫描内均匀性度量。所述成本函数还包括使用所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集两者而计算的扫描间相似性度量。

接下来，在步骤208中，通过计算针对第一磁共振图像数据集146的第一强度校正图154以及针对至少一个第二磁共振图像数据集152中的每个第二磁共振图像数据集的至少一个第二强度校正图156来优化所述成本函数。然后，在步骤210中，通过将第一强度校正图154应用到第一磁共振图像数据集146来计算第一经校正的磁共振数据158。在步骤212中，使用至少一个第二磁共振图像数据集152和至少一个第二强度校正图156来计算描述所述分析区域的至少一幅第二经校正的磁共振图像160。

图3示出了倾向于理想地表示三个不同的磁共振图像数据集的三组正方形。152和152'表示两个不同的第二磁共振图像数据集。当比较相同对象的不同磁共振图像时的困难在于：可能存在导致跨图像的不均匀性强度的所谓的偏移场。具体地，当对象在不同的时间点处被放置到不同的磁共振成像系统或者相同的磁共振成像系统中时。执行各种图像146、152、152'的所谓的纵向分析可以是有利的。然而，强度的不均匀性可能妨碍自动算法恰当地运行。

范例可以通过执行对成本函数的优化对此进行校正。所述成本函数可以具有各种不同的项。例如，可以存在被用于单独地测量图像146、152和152'的扫描内均匀性的扫描内均匀性度量。然后，可以存在在不同图像146、152和152'之间做出比较的成本函数中的项。例如，可以存在比较图像146和152的扫描间相似性度量以及比较图像146和152'的另一项。在一些范例中，可以存在将第二磁共振图像数据集152和152'彼此比较的额外项。取决于应用，成本函数中的这些项中的每项可以具有不同的权重。这些例如可以经验地确定。所述扫描内均匀性度量查看特定图像146、152和152'内的体素300。所述扫描间相似性度量可以比较不同图像146、152、152'中的对应于彼此的体素302。

MRI中的对比度可以广泛地受偏移场、MR采集过程的伪影影响，其导致跨扫描的不均匀性强度。存在校正技术，但是其要么要求关于期望对比度的先验知识，因此限制通用适用性，要么其在准确度和鲁棒性方面是有限的。本发明提出了用于后续成像的偏移场校正技术，其不仅增加了在一次扫描中的组织特定对比度的均匀性，而且增加了在不同时间点处采集的不同的经配准的扫描的相似性，这实现了对大脑扫描的经改进的纵向评估和量化。尽管在某种程度上偏移场可能在视觉评估期间由人类感知容易地补偿，但是其通常影响定量分析，因为其改变强度值。

范例可以提供可以对于其中相同对象的超过一次扫描可用的后续成像有用的偏移场校正手段(纵向研究)。范例可以利用以下事实：经偏移场校正的扫描不仅应当产生每扫描的更均匀的空间对比度，而且应当针对不同时间点显示一致的强度分布。

一些范例的主要元素可以包括通过对(i)每扫描的均匀对比度以及(ii)在不同时间点处采集的扫描的相似外观的联合优化对相同对象的两个或更多个扫描的偏移场的同时估计。其能够被用作用于偏移场校正技术的现有技术的延伸，使得能够立即同时校正多个扫描。

用于基于单幅图像的偏移场校正的许多方法将偏移场建模为倍增低频分量，例如，经由具有有限数量的控制点的b样条或者经由其他方法，诸如DCT系数或多项式域。偏移场的外观然后经由在使强度均匀性最大化时其定义参数的修改来优化。广泛使用的优化准则是直方图锐化，其中，图像强度被假定为属于混合高斯分布，同时其标准偏差指示其不均匀性。例如，参见：Tustison,N.J.,Avants,B.B.,Cook,P.A.,Zheng,Y.,Egan,A.,Yushkevich,P.A.,Gee,J.C.,2010.N4ITK:improved N3 bias correction.IEEETrans.Med.Imaging 29,1310–1320.doi:10.1109/TMI.2010.2046908。

在后续图像量化的上下文中，所述优化准则不仅能够包括用于所有纵向图像的直方图锐化而且还有其逐体素差异的均匀性的单独的分量。可以例如经由与通用、专用或定制加权因子线性组合来组合所有分量，即，扫描内均匀性约束以及扫描间相似性约束。

对于对象间相似性度量而言，来自图像配准的应用域的各种优化约束可以是适用的，并且下文给出了数个范例：

对于相同MR采集序列的两幅图像而言，扫描间相似性约束可以被公式化为两幅图像的互相关或者图像之间的逐体素差值平方和。

对于不同MR采集序列的两幅图像而言，扫描间相似性约束可以被公式化为最大化互信息。

尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述本发明，但是这样的图示和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。

通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时可以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”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能够有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质(诸如连同其他硬件一起或作为其一部分供应的光学存储介质或固态介质)，而且可以以其他形式分布(诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统)。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种包括处理器和存储器的医学仪器，其中，所述存储器包含机器可执行指令，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：

接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集；

接收描述所述对象的第二感兴趣区域的至少一个第二磁共振图像数据集，其中，所述第一感兴趣区域至少部分地包括所述第二感兴趣区域；

接收在所述第一感兴趣区域和所述第二感兴趣区域两者内的分析区域；

构建成本函数，所述成本函数包括单独针对所述第一磁共振图像数据集以及单独针对所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集的扫描内均匀性度量，其中，所述成本函数还包括使用所述第一磁共振图像数据集以及所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集两者计算的扫描间相似性度量；

通过使用强度校正算法计算针对所述分析区域内的所述第一磁共振图像数据集的第一强度校正图以及针对所述分析区域内的所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集的至少一个第二强度校正图来执行对所述成本函数的优化；

使用所述第一磁共振图像数据集和所述第一强度校正图来计算描述所述分析区域的第一经校正的磁共振图像；并且

使用所述至少一个第二磁共振图像数据集和所述至少一个第二强度校正图来计算描述所述分析区域的至少一幅第二经校正的磁共振图像。

2.根据权利要求1所述的医学仪器，其中，所述医学仪器包括第一磁共振成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器通过控制所述第一磁共振成像系统来采集所述第一磁共振图像数据集。

3.根据权利要求2所述的医学仪器，其中，所述医学仪器包括第二磁共振成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器通过控制所述第二磁共振成像系统来采集所述至少一个第二磁共振图像数据集的至少部分。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器在对所述成本函数的优化期间将所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集与所述第一磁共振图像数据集进行配准。

5.根据权利要求4所述的医学仪器，其中，所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集与所述第一磁共振图像数据集的配准、所述第一强度校正图的计算以及所述至少一个第二强度校正图的计算全部被执行作为联合优化。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述扫描间相似性度量包括测量所述第一磁共振图像数据集与所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集之间的相似性的项。

7.根据权利要求6所述的医学仪器，其中，所述扫描间相似性度量包括测量所述至少一个第二磁共振图像数据集中的每个第二磁共振图像数据集之间的相似性的项。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器执行对所述第一经校正的磁共振图像和所述至少一幅第二经校正的磁共振图像的纵向分析。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述扫描间相似性度量是最大化互信息算法。

10.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述扫描间相似性度量包括平方差的逐体素和。

11.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述扫描间相似性度量包括图像互相关的度量。

12.根据权利要求1-3中的任一项所述的医学仪器，其中，所述强度校正算法是以下中的任一项：b样条偏移场校正算法、DCT系数偏移场校正算法以及多项式偏移场校正算法。

13.一种医学成像的方法，其中，所述方法包括：

接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集；

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括利用第一磁共振成像系统来采集所述第一磁共振图像数据集，并且其中，所述方法包括利用所述第一磁共振成像系统来采集所述至少一个第二磁共振图像数据集。

15.一种存储有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于由控制医学仪器的处理器运行的机器可执行指令，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：

接收描述对象的第一感兴趣区域的第一磁共振图像数据集；