CN1912604A - 用于x射线装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定图像区域(1)中作为对象(4)中的物质(2；3)的均匀性度量的特征参数H的方法，以及一种在采用特征参数H作为附加分割准则的图像中分割出物质(2；3)的方法，其中针对X射线的两个不同能量E1，E2采集至少两幅X射线图像(5，6)，在图像区域(1)中由衰减值Di(E1)，Di(E2)的统计分布确定特征参数H，其中i＝1，...N，从而可以简单方式避免分割时的错误分类(7)。

Description

用于X射线装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于为X射线装置确定特征参数的方法，以及一种用于为这种X射线装置从由其采集的图像中分割出物质的方法。

背景技术

不同的物质相对于X射线根据该X射线的能量而具有不同的吸收特性。通过从低能量X射线图像中加权地减去高能量X射线图像，可以基于该不同的吸收特性计算出其中基本上只能见到一种物质的图像。

例如在FujiFilm Co，Technical review no.12的“Upright image reader thatsupports energy substraction processing software”中公开了这样的方法。借助选择能量的检测器来采集低能量X射线图像和高能量X射线图像，并计算为其中基本上仅有骨骼或软组织的结果图像。该结果图像的计算在单个图像元素的平面上进行，其中在考虑特定于物质的权重的条件下将两幅X射线图像的各个对应的图像元素的衰减值相减。

通过特定于物质的加权考虑以下特性：对于该物质来说在具有X射线的两种不同能量的理想边界条件下对于结果图像的每个图像元素都产生一对特定的衰减值。如果将两个对X射线的不同能量的衰减值作为一个二维特征空间的测量值对，则一种物质的该测量值对就会分别成像在该特征空间中的同一个点上。

但是，在很多情况下涉及对结果图像、例如分割后的图像的各个图像元素的计算都引起有错的结果。一个重要的原因就在于利用其判断是否存在物质的分割准则基于这样的假设：两个衰减值是基于物质的特定组成而产生的。但在很多情况下，物质的实际现有组成与理想情况下假设的组成之间存在明显的偏差。此外衰减值由于测量噪声而存在误差。物质的测量值对因此不会成像在特征空间的一个点上。

不同的物质在具有交点集合(Schnittmenge)的理想检查条件下可以成像在特征空间中的区域上。这样例如在所设置的80和140kV的电压下产生的两种不同物质—骨骼和碘溶液的测量值对成像在交点集合大约在100HU(郝斯菲尔德单位)和200HU之间的区域上，基于仅对相应图像元素的两个衰减值的分析，原理上是不可能实现该测量值对与物质的唯一对应的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于X射线装置的方法，利用该方法可以改善基于采集的至少两个不同能量X射线的X射线图像的对物质的分割。

发明人已经认识到，当不仅对一个图像元素、而且对局部相邻的图像元素分析针对X射线的不同能量采集的衰减值时，可以改善在由该X射线装置采集的X射线图像中对物质的分割。在图像区域中进行分析的优点在于可以从由衰减值形成的测量值对的统计分布中计算出作为该物质的均匀性的度量的特征参数。这样确定的特征参数成为可以改善在图像中对物质的分割的附加分割准则。

例如落入两种不同物质的点云团的交点集合中并因此而基于对衰减值的纯基于像素的分析而无法唯一对应的测量值对，由于所确定的针对物质的均匀性的特征参数以及关于物质在对象中的分布的相应先验知识而得到了更好的分类。

相应的，本发明提出了一种用于为X射线装置在图像区域中确定作为对象中物质的均匀性度量的特征参数的方法，其中

a)针对X射线的至少两种不同能量采集两幅具有衰减值的X射线图像，这些衰减值表示X射线穿过对象的衰减，

b)在该图像区域中，从针对X射线的第一能量采集的X射线图像的衰减值和针对X射线的第二能量采集的X射线图像的衰减值中为对应的图像元素形成测量值对，

c)通过分析测量值对在该图像区域中的统计分布确定作为对象的物质的均匀性度量的特征参数。

对统计分布的分析优选包括用于计算该分布的两个主轴的主轴变换，从而可以保证与测量情况无关地确定特征参数。特征参数的计算不会随着尤其是相对于物质的成像比例的主轴变换、测量噪声和被考察图像元素的地点而变化，从而不需要另外对特征参数进行取决于测量情况的标准化。

优选由两个主轴的商来计算特征参数，其中通过将两个本征值EV1，EV2中较小的作为分子而将两个本征值EV1，EV2中较大的作为分母来形成该商。通过两个主轴的商，可以简单的方式采集该分布的空间延伸的择优方向。

可用于确定物质的均匀性的品质取决于在局部邻域中用于计算特征参数的图像元素的数量。在计算时考虑的图像元素越多，测量噪声对确定特征参数的影响就越小。因此优选用于计算的图像区域在每个图像维度中至少覆盖5个图像元素。

优选所采集的X射线图像是对象的立体图像，从而每个图像元素对应于三维图像的一个体素。但还可以考虑X射线图像是对象的断层图像，在这种情况下每个图像元素对应于二维体积图像的一个图像点。

针对X射线的不同能量采集的X射线图像可以简单的方式用传统的具有按照X射线管形式的X射线源的X射线装置拍摄，其中第一X射线图像在X射线电压设置为80kV时采集，而第二X射线图像在X射线电压设置为140kV时采集。由于不同的X射线电压而造成的X射线的能量差异在采集两幅X射线图像时很大，从而物质由于其不同的吸收特性而可以通过分析衰减值而被特别好地分割出来。

如果在确定测量值对的统计分布的步骤b)之前这样标准化两幅X射线图像在所述图像区域中的衰减值，即从各衰减值中减去各X射线图像在该图像区域中计算出的平均衰减值，则特征参数有利地独立于衰减值的偏移。

优选这样来避免在由图像区域中非来源于物质的测量值对计算特征参数时产生的干扰：在步骤b)之前在预处理阶段识别并除去不属于该物质的衰减值。

对不属于该物质的衰减值的识别优选可以这样来进行，将对应图像元素的衰减值相互折算(verrechnen)，并与阈值比较。

为其计算特征参数的物质优选可以是骨骼。同样还可以考虑选择任意其它物质，例如在造影剂检查时在造影剂中含有的碘来计算特征参数。

本发明的技术问题还通过一种用于为X射线装置从由该X射线装置采集的图像中分割出物质的方法来解决，该方法具有作为组成部分的分割准则，其中根据上述方法计算在图像区域中作为该物质均匀性的度量的特征参数。

附图说明

本发明的实施例以及其它优选实施方式在附图中示出。其中，

图1以部分透视图部分框图的形式示出X射线装置，可用于执行本发明的用于确定作为物质在图像区域中的均匀性度量的特征参数的方法，

图2示出测量值对的统计分布，该测量值对分别由对应图像元素的两个在不同能量时采集的衰减值形成，

图3示出本发明的用于计算作为物质在图像区域中的均匀性度量的特征参数的方法，

图4示出从两幅X射线图像中计算出的对物质进行分割的结果图像，其中可以看见骨骼和血管，

图5示出先行分割的第一结果图像，其中被分割的图像元素通过第一分割准则获得，该分割准则考虑分别在各个图像元素位置处的两个衰减值，

图6以图像的形式示出作为物质在相应图像区域中的均匀性度量的所有图像元素的特征参数，

图7示出改善了的分割的第二结果图像，其中被分割的图像元素通过额外的第二分割准则获得，该分割准则考虑在图像区域中的均匀性这个特征参数。

具体实施方式

为了执行本发明的用于确定作为物质在图像区域中的均匀性度量的特征参数H的方法，可以采用公知的X射线装置，在本例中采用图1中部分透视地、部分以框图形式示出的计算机断层造影设备。这样的计算机断层造影设备具有至少一个带有至少一个焦点9的X射线源，在此为以X射线管8的形式，该焦点产生到达设置在对面的检测器10的X射线。X射线管8和检测器10是计算机断层造影设备的拍摄系统的部件，该拍摄系统设置在未示出的可旋转支架上。在这里示出的计算机断层造影设备的实施例中，拍摄系统圆形地围绕诸如患者的对象4旋转，并在此过程中用X射线扫描该对象。

在检测器10中通过多个检测器元件11以衰减值的形式来测量X射线的吸收，并传送到计算单元12，并接着存储在该计算单元中并被处理。显示单元23用于可视化X射线图像。对象4的投影通过所有检测器元件11的一组衰减值在拍摄系统的特定扫描位置处进行测量时形成。通过拍摄系统的旋转可以从不同的投影方向采集按照断层或立体图像的形式再现图像所需的多个投影。

通过使患者卧榻13沿着系统轴14连续向前移动，可以不仅对对象4的一个断层、还可以对对象4的大于检测器10的延伸的体积进行螺旋形扫描。螺旋形扫描的一种简单变形是连续移动，从而在每次360°扫描之后都发生一次移动，并且实际的扫描在对象4的静止状态下进行。两种方案都可用于本发明的方法。

可以借助调节装置15在不同电压值之间转换地来调节X射线管8的X射线电压，从而产生不同的X射线能量。为了确定作为物质2、3在图像区域1中的均匀性度量的特征参数H，在每个扫描位置通过在例如80kV和140kV之间转换地调节X射线电压来采集针对X射线的至少两个不同能量E1、E2的投影。X射线电压的转换可以根据计算机断层造影设备的运行方式在每个扫描位置进行，或者在连续移动的情况下在拍摄系统的一次完整旋转之后进行。

作为上述拍摄系统的替换，还可以考虑借助选择能量的检测器在X射线电压固定设置的情况下采集针对X射线的不同能量的投影。其优点是可以不进行对X射线的转换式调节。

此外还要指出，既可以采用单行检测器也可以采用多行检测器。可以使用分别具有一个或多个焦点的一个或多个X射线管以及一行或多行运动或静止的检测器。该方法的重要之处仅在于，用扇形的射线束在围绕系统轴14的旋转运动中对对象4进行扫描。

在计算机单元12中将采集的投影计算为两幅X射线图像5、6，其中每一幅X射线图像5、6是仅从一个X射线的特定能量的投影中再现出的。

在此，为两幅X射线图像5、6的对应图像元素形成针对X射线的第一能量E1再现的X射线图像5的衰减值Di(E1)和针对X射线的第二能量E2再现的X射线图像6的衰减值Di(E2)，如在图2中示出的，分别是一个具有两个空间轴HU_E1和HU_E2的二维特征空间的一个测量值对(Di(E1)，Di(E2))。在所示例子中，在两幅X射线图像5、6中在两个不同区域16、17上形成两种不同的物质2、3，也就是骨骼和碘。在该特征空间中将图像区域1的测量值对成像在两个不同图像元素20、21的位置上，其中图像区域1位于第一物质2-骨骼的区域16中的第一图像元素20的位置和第二物质3-碘的区域17中的第二图像元素21的位置上。如图2所示，两种物质2、3一部分成像在该特征空间的同一个区域22中，因而图像元素基于各个测量值对(Di(E1)，Di(E2))不可能总是唯一地对应于物质2、3。尤其是在该特征空间的区域22中需要附加的分割准则，利用它可以对图像元素更好地进行分类。这种附加的分割准则可以基于本发明的用于确定作为物质在图像区域中的均匀性度量的特征参数H的方法来形成。

两种物质2、3相对于X射线具有取决于能量E1、E2的不同吸收特性。因此应当在假定物质2、3均匀分布的情况下将理想情况下的测量值对(Di(E1)，Di(E2))成像在特征空间中的两个不同点上，从而保证随时都有唯一的成像。

但在对患者进行检查时物质由于图像区域中的解剖结构而分布得完全不同，并因此而实际上具有明显不同的均匀性。

骨骼例如由固定的皮层细致结构和有横纹的细致结构的松质组织组成，其中该松质组织还参杂了血液和骨髓。此外还应当考虑骨骼组成的变化、骨髓的变化和骨骼的空腔。由于第一物质2骨骼的非均匀性，第一图像元素20周围的图像区域1的测量值对如图2所示不是成像在圆19中，而是成像在具有特征空间中的择优方向的椭圆18中。

与骨骼不同，在检查时同样和血液混合并用作可视化血管的造影剂的碘，则在围绕第二图像元素21的图像区域1中几乎是均匀分布的。因此第二物质3碘的测量值对(Di(E1)，Di(E2))成像在特征空间中的圆19中。

因此，通过分析局部图像区域1中的测量值对(Di(E1)，Di(E2))的统计分布，可以得出关于物质2、3是均匀分布还是非均匀分布的结论。从位于各图像元素20、21的图像区域1中确定的、作为均匀性度量的特征参数H，可以用作分割时的附加判断准则。

在图3中示出用于计算作为物质2、3在图像区域1中的均匀性度量的特征参数H的方法步骤：

在第一步骤A中针对X射线的至少两个不同能量E1、E2采集两幅X射线图像5、6。X射线图像5、6分别包含表现X射线穿过对象的衰减的衰减值Di(E1)，Di(E2)，i＝1，...N，其中N表示在图像区域1中存在的图像元素的个数。

然后在第二步骤B中从针对X射线的第一能量E1采集的X射线图像5的衰减值Di(E1)和针对X射线的第二能量E2采集的X射线图像6的衰减值Di(E2)中为对应的图像元素形成测量值对((D1(E1)，D1(E2))，...，(DN(E1)，DN(E2)))。

由图像区域1中的测量值对((D1(E1)，D1(E2))，...，(DN(E1)，DN(E2)))的统计分布可以在第三步骤C中计算在图像元素20、21的位置上的作为均匀性度量的特性参数H。

为了确定统计分布可以分别为X射线的两个不同能量将测量值对的衰减值分开地描述为一个向量：

V_E1＝(D1(E1)，D2(E1)，...，DN(E1))

V_E2＝(D1(E2)，D2(E2)，...，DN(E2))，

其中V_E1和V_E2是在X射线的不同能量E1、E2下的两个衰减值向量，Di(E1)和Di(E2)是在80KV和140KV时采集的图像区域1的第i个图像元素的衰减值，N是图像区域1中存在的图像元素的个数。

通过阈值比较在计算前识别和去除不属于所涉及的物质2、3，即骨骼和碘的衰减值Di(E1)，Di(E2)。引起干扰的衰减值例如可以通过将其相应的值设置为0来去除。

然后通过对能量E1和E2相互分开地计算衰减值的平均值D1M和D2M，并从向量分量中减去所计算的平均值：

V’_E1＝(D1(E1)-D1M，D2(E1)-D1M，...，DN(E1)-D1M)

V’_E2＝(D1(E2)-D2M，D2(E2)-D2M，...，DN(E2)-D2M)，来对衰减值Di(E1)，Di(E2)进行平均值校正。

两个修正的向量V’_E1和V’_E2描述了经过了重心校正的所述分布的坐标。再现了该分布的偏心性的协度矩阵可以类似于经典机械学中的惯性力矩给出：

$M=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}{V}_{E1}^{\′2}& \mathrm{\Σ}{V^{\′}}_{E1}\·\mathrm{\Σ}{V^{\′}}_{E2}\\ \mathrm{\Σ}{V^{\′}}_{E2}\·\mathrm{\Σ}{V^{\′}}_{E1}& \mathrm{\Σ}{V}_{E2}^{\′2}\end{array}\right)$

其中M是由向量V’_E1和V’_E2形成的协度矩阵。

利用例如根据Jacobi方法执行的主轴变换，可以确定协度矩阵的两个本征值EV1，EV2。

从关于主轴的两个本征值EV1，EV2的信息中可以获得改善对X射线图像中的物质2、3的分割所需的附加分割准则。在第二物质-碘3在图像区域1中均匀分布的情况下，例如在碘形式的造影剂存在于血管中时的情况，两个本征值EV1、EV2之间只有很小的差别。在假定测量噪声不相关的情况下，测量值对Di(E1)，Di(E2)分布在围绕特征空间中一个点的圆中。

在第一物质3骨骼非均匀分布的情况下，两个主轴非常明显地不同。

因此，下面两个本征值EV1，EV2的比例给出一个标量特征参数H，其作为物质均匀性的度量可用作附加的判断准则：

H＝Min(EV1，EV2)/Max(EV1，EV2)，

其中EV1和EV2是所述分布的主轴的两个本征值，H是物质在图像区域中的均匀性的特征参数。

特征参数H越大，物质在该图像区域中的均匀性就越大。

改善了的物质分割的结果示例性地显示在下面的图像中，在该物质分割中将均匀性特征参数H用作附加的判断准则：

在图4中首先示出由两幅X射线图像计算出的分割的结果图像，其具有修正过的衰减值。可以看见两个不同的区域16、17。在第一区域16中成像了第一物质2-骨骼，在第二区域17中成像了第二物质3-碘。

修正过的衰减值在此由两个X射线图像5、6的各对应图像元素的两个衰减值Di(E1)，Di(E2)的加权和计算出来。

图5示出分割第一物质2骨骼和第二物质3碘的第一结果图像，其中该分割通过在二维特征空间中针对像素的分类来获得，在此为该特征空间的两个维度分别分配X射线的特定能量E1、E2的衰减值Di(E1)、Di(E2)。产生了骨骼的错误分类7，因为在第一物质2骨骼的区域中的几个图像元素的衰减值Di(E1)，Di(E2)具有与第二物质3碘类似的值。

在图6中以图形示出为所有图像元素计算均匀性特征参数的结果，其中由两个本征值EV1，EV2的商来计算特征参数H。在该图的特殊情况下，暗区域表示特征参数H的值大，因此也表示均匀性程度高。很明显，基本上只在用作检查血管的造影剂的第二物质3碘的区域中才具有均匀分布。

图7示出改进的分割的第二结果图像，其中除了图5中采用的分割准则之外还采用作为均匀性度量的特征参数H。通过每个被分类为第二物质3碘的图像元素也必须具有相应高的均匀性，基本上避免了错误分类。

本发明的思想可以总结如下：

本发明涉及一种用于确定图像区域1中作为对象4中物质2、3的均匀性度量的特征参数H的方法，以及一种在采用特征参数H作为附加分割准则的图像中分割出物质2、3的方法，其中针对X射线的两个不同能量E1、E2采集至少两幅X射线图像5、6，在图像区域1中由衰减值Di(E1)，Di(E2)的统计分布确定特征参数H，其中i＝1，...N，从而以简单方式避免分割时的错误分类7。

Claims (13)

1.一种用于为X射线装置在图像区域(1)中确定作为对象(4)中物质的均匀性度量的特征参数H的方法，其中，

a)针对X射线的至少两种不同能量E1、E2采集两幅具有衰减值Di(E1)、Di(E2)，i＝1，…N的X射线图像(5，6)，这些衰减值表示X射线穿过对象(4)的衰减，

b)在该图像区域(1)中，从针对X射线的第一能量E1采集的X射线图像(5)的衰减值Di(E1)和针对X射线的第二能量E2采集的X射线图像(6)的衰减值Di(E2)中为对应的图像元素Di形成测量值对(D1(E1)，D1(E2))，…，(DN(E1)，DN(E2))，

c)通过分析这些测量值对(D1(E1)，D1(E2))，…，(DN(E1)，DN(E2))在该图像区域(1)中的统计分布来确定作为该对象(4)的物质的均匀性度量的特征参数H。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对统计分布的分析包括用于计算所述分布的两个主轴的本征值EV1，EV2的主轴变换。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述特征参数H由两个本征值EV1，EV2的商来计算，其中通过将两个本征值EV1，EV2中较小的作为分子而将两个本征值EV1，EV2中较大的作为分母来形成该商。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述图像区域(1)在每个图像维度上至少覆盖5个图像元素。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所采集的X射线图像(5，6)是对象(4)的断层图像。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所采集的X射线图像(5，6)是对象(4)的立体图像。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述X射线的第一能量E1在X射线电压设置为80kV时产生，而X射线的第二能量E2在X射线电压设置为140kV时产生。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，在所述方法步骤b)之前这样对所述两幅X射线图像(5，6)在所述图像区域(1)中的衰减值Di(E1)、Di(E2)分别进行标准化，即从各衰减值中分别减去计算出的各X射线图像(5，6)在该图像区域(1)中的平均衰减值DM1、DM2。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在所述方法步骤b)之前识别并除去不属于所述物质(2；3)的图像元素(7)的衰减值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述识别这样实现，即将对应图像点的衰减值相互折算，并与阈值比较。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，为其计算特征参数H的物质(2)是骨骼。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，为其计算特征参数H的物质(3)是碘。

13.一种用于为X射线装置从由该X射线装置采集的图像中分割出物质的方法，该方法具有作为组成部分的分割准则，其中根据权利要求1至12中任一项所述的方法确定在图像区域(1)中作为该物质(2；3)的均匀性度量的特征参数H。

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