CN1961825A - 自动分析侧向对称的器官系统三维图像的方法和拍摄系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分析侧向对称的器官系统(11)的三维图像(1)的方法。在三维图像(1)中分割器官系统(11)之后，对所分割的器官系统(11)进行变形，使得变形后的器官系统(11′)具有就其外部形状镜向对称的两半。根据一半与另一半的比较确定变形后的器官系统(11′)的镜向对称的两半之间的差别(17)。或者，不是对所分割的器官系统进行变形，而是这样将器官系统(21，23)的镜向对称的正常模型(25)在器官系统(21，23)上(或者反之)进行变形，从而根据该正常模型(25)确定器官系统的两半的对应区域的差别。为用户显示所确定的差别(17)。此外，本发明还涉及用于实施这类方法的一种医疗图像拍摄系统和一种计算机程序。

Description

自动分析侧向对称的器官系统三维图像的方法和拍摄系统
技术领域
本发明涉及一种用于自动分析侧向对称的器官系统的三维图像的方法，以及用于该方法的医疗图像拍摄系统和计算机程序。
背景技术
用来生成待检查患者的器官系统的三维图像的成像方法，由于优越的诊断可能性而在医疗成像中牢固地建立。其中，在此所采用的方法(例如计算机断层造影或磁共振断层造影)产生了巨大的数据量。例如，现代的计算机断层造影在数百毫秒之内完成若干个断面拍摄。形成的大量的拍摄使得放射医师经常要利用极大的时间开销才可以来分析。此外，在对较大数据量的分析中提高了忽视结果的危险。
在对处于侧向对称的器官的分析中，将器官的两侧相互比较地进行分析对于放射医师来说是有帮助的，甚至经常是必需的。经常地，一种侧向不同的结果显示了病理，或者，在相反的情况下，在器官系统的一半中似乎可疑的结果当其在该器官系统的另一半也出现时则表示为无害的正常变形。
特别是在肿瘤学的问题中必须分析大的数据量，因为经常要对患者的整个身体或者身体的至少大部分寻找典型的转移性损害。一个典型的例子是可以在骨骼的多个位置上表现出来的浆细胞瘤(Plasmozytom)。在此，侧向不同的结果就可能的转移而言是特别值得怀疑的。
从中造成了对自动分析方法越来越增加的需求，这些方法通过特别地标注出用户随后特别注意到的怀疑部位，为用户、特别是放射医师提供支持。
在DE 10357205A1和对应的US 2005/0148852A1中分别公开了一种用于根据断层图像数据自动产生检查对象的结果图像的方法。在此，首先根据诊断上的问题确定一个目标结构，并且自动地与一个其几何形状可以根据模型参数改变的正常解剖模型进行匹配。在该匹配后的正常模型的基础上进行分割，并且通过借助于该正常模型识别出所述结构，来分离出检查对象的针对诊断上的问题的重要解剖结构。然后，将这些重要的解剖结构单独地显示和/或为随后的显示而存储。
DE 19920300A1公开了一种用于在使用磁共振扫描仪的条件下发现人体中病态改变的方法，其中，将3D图像数据组自动地与同一位患者的旧的图像数据组和/或与解剖图集进行比较，以便确定病变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，利用该方法使得对侧向对称的器官系统的三维图像的分析大部分自动化，特别是用于自动检测侧向不同的结果。此外，本发明要解决的技术问题还在于，提供一种医疗图像拍摄系统和一种计算机程序，利用其使得对侧向对称的器官系统的三维图像的分析大部分自动化，特别是用于自动检测侧向不同的结果，使得以有效的方式支持用户。
按照本发明，该用于分析侧向对称的器官系统的三维图像的方法包括下列方法步骤：
-在三维图像中分割器官系统，
-对所分割的器官系统进行变形，使得变形后的器官系统具有就其外部形状镜向对称的两半，
-根据一半与另一半的比较确定变形后的器官系统的两个镜向对称的一半之间的差别，以及
-显示所确定的差别。
根据该方法，在第一步骤中在三维图像中分割器官系统，以便得到器官系统的形状。所分割的侧向对称器官系统尽管在很大程度上镜向对称，不过可能还无法对器官系统的两半进行直接的比较，因为由于两半的自然的侧向变化只有在极少的情况下其形状是重合的。例如，在轻微的脊柱侧凸的条件下脊柱是倾斜的，使得其尽管在原则上是侧向对称的，但在这个特殊的情况下不是镜向对称的。
在第二方法步骤中，这样对所分割的器官系统进行变形，使得器官系统具有就其外部形状镜向对称的两半。在此，这种变形可以借助于所谓的非刚性配准算法(“nonrigid-registration”)进行，如在US 2005/0190189A1中描述的那样。
因为在变形之后器官系统具有关于其形状镜向对称的两半，可以在第三步骤中按照简单的方式对变形后的器官系统的两半进行比较。通过对两半的比较发现两半之间的差别并为用户显示。此时所确定差别可以引起用户的特别注意，从而该方法为其在评价图像时提供支持。
在一种优选的实施方式中，如下进行对所分割的器官系统的变形：将所分割的器官系统的两个一半中的一个进行镜像变换并且这样变形，使得其与另一半就其外部形状而言相对应。在另一种优选的实施方式中，如下进行对所分割的器官系统的变形：将所分割的器官系统的两半中的一半进行镜像变换，并且将另一半这样变形，使得其与被镜像变换的一半就其外部形状而言相对应。两种实施方式具有如下的优点：仅仅对所分割器官系统的一半进行变形，从而节省了计算时间。
在一种实施方式中，所分割器官系统的一半的镜像变换如下进行：自动确定一个镜面，在该镜面上进行镜像变换。
在一种特别优选的实施方式中，所述镜面通过下列方法步骤确定：
-从器官系统的图像中提取出二维的层图像，
-确定这些二维的层图像的平面重心，以及
-根据这些平面重心确定所述镜面。
该实施方式具有如下的优点：器官系统相对于这样确定的镜面具有进一步的对称。在其中对两半中的一个进行变形使得其按照形状与另一半重合的方法步骤可以按照较简单的方式构成，因为不必再考虑(或者至少仅仅按照极小的规模考虑)变形前可能的旋转和平移。
在另一种优选的实施方式中，在器官系统的镜向对称的正常模型上进行对所分割的器官系统的变形。这种正常模型例如可以从患者群体中建立，使得实际成像的器官系统已经在很大程度上与该正常模型对应。在该实施方式中不需要对器官系统的一半的镜像变换。
按照本发明，一种用于分析侧向对称的器官系统的三维图像的方法具有下列方法步骤：
-在三维图像中分割器官系统，
-在将镜向对称的正常模型与器官系统进行拟合的条件下对器官系统的镜向对称的正常模型进行变形，
-根据该器官系统的两半的对应区域的比较，确定该器官系统的两半之间的差别，其中，根据变形后的正常模型确定该对应区域，以及
-显示所确定的差别。
在该方法中器官系统本身不变形，而是在器官系统上对一个镜向对称的正常模型进行变形。由于未变形的正常模型是侧向对称的，因而该正常模型相对于镜向对称的对应区域是已知的。该对应区域通过正常模型的变形同样被变形，并且在器官系统中用来确定在器官系统中的对应区域。这样，可以按照简单的方式确定器官系统两半之间的差别。
两种本发明的方法是以这样的上位问题为基础的：只有在已知并识别出两半中的对应区域的条件下，才可以进行两半之间的比较。这点在一种情况下是通过对器官系统的图像的变形实现的，而在另一种情况下是通过对镜向对称的正常模型的变形实现的。
在该方法的一种实施方式中，所述差别的确定是通过将一半与另一半的对应体素、特别是其信号强度的比较来进行的。由此，可以将两半之间的差别按照与体素对应的分辨率来确定。除了图像上的显示之外，还可以将从两半的按照体素方式进行的对比中确定的数据存储在计算机单元中，并且对这些数据在别处进行分析。例如，可以从中确定一个定量地标记出两半之间的差别的值。
在该方法的一种优选的实施方式中，按照减法图像的形式来显示两半之间的差别。在减法图像中将变形后的器官系统的一半从另一个镜像变换的一半中减去。按照这种方式可以尤其突出地显示出侧向不同的结果，因为通过减法在图像中消除了侧向相同的结果。
在该方法的另一种优选的实施方式中，如下地在图像中对差别进行显示：在显示中特别地标记出具有两半之间的差别的区域。优选地，对应于差别的强度而彩色编码地显示该具有两半之间的差别的区域。按照这种方式，放射医师可以立刻看出在哪些区域中特别地出现了侧向不同的结果。
在显示的一种特别优选的实施方式中，根据一个阈值来进行对具有差别的区域的标记，其中，仅仅标记出器官系统的其差别大于该阈值的区域。按照这种方式，可以淡出以自然的侧向改变为基础的并因此不强列地凸显的较小的侧向不同的结果。优选地，该阈值在显示中可以由用户交互地改变。
在另一种优选的实施方式中，将所述阈值构造成一个可变的阈值，其值根据在器官系统中的不同位置而改变。按照这种方式，可以将一个在器官系统的一定区域中的由于非生理的过程被认为非病变的一定强度的差别，与一个在器官的另一个区域中的但被认为是病变的相同强度的差别，也不同地分析和显示。例如，惯用右手的人的右手和左手的骨骼可能由于两只手的不同习惯而具有比例如上臂明显更大的生理差别。这点可以通过可变的阈值加以考虑。
在另一种实施方式中，可以在差别的显示中将具有最小和/或最大差别的区域进行特别地标记。
在该方法的不同实施方式中，借助于磁共振断层造影、计算机断层造影、超声波成像或者光学断层造影建立所述三维图像。
本发明的医疗图像拍摄系统包括一个计算机单元，其构造用于实施根据本发明的方法。
本发明的计算机程序，在计算机单元执行时实施根据本发明的方法。
附图说明
下面结合附图所示的实施例对该方法以及优选的实施方式作进一步说明，不过本发明并不局限与此。图中：
图1是以大腿骨的一幅图像为例的本发明的方法步骤的示意图，
图2是为了得到镜向对称的两半图像的对大腿骨的变形的一个实施方式，
图3是为了得到镜向对称的两半图像的对大腿骨的变形的另一个实施方式，
图4示出了用于得到相对其器官系统基本上镜向对称的对称平面的方法，
图5示出了对镜向对称的两半的比较，以及
图6至8示出了所得到的结果的不同显示方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了被用在对侧向对称的器官系统的分析中的方法步骤。在此根据附图解释的实施例是以骨骼系统的一部分(更确切为大腿骨11)说明的，不过，其按照类似的方式可以在所有侧向对称的器官系统(例如大脑或者肌肉中)中起作用，即使器官侧向对称但不是成对分布的、例如脊柱。该方法的目标是，针对侧向不同的结果进行器官系统的自动分析。例如，侧向不同的结果在病理问题中是具有中心意义的，因为其显示出肿瘤可能的转移以及因此疾病的可能需要治疗的发展。
该方法的出发点是侧向对称的器官系统(在本例中是两个大腿骨11)的一幅三维图像1。该图像除了待分析的器官结构，即两个大腿骨11之外，还包含其它的器官和组织类型，例如肌肉13和脂肪组织15。在第一方法步骤3中将待检查的大腿骨11在图像中分割出来，以便将大腿骨11与对于分析不重要的结构分离。通过分割，侧向对称的大腿骨11与其它诸如肌肉13和脂肪组织15的结构分离地出现。
两个大腿骨11尽管是侧向对称的，但是在自然界中实际上不会出现绝对的侧向对称。因此，在第二方法步骤5中将大腿骨11这样变形，使得变形后的大腿骨11′具有按照其外部形状重合的、镜向对称的两半。
在第三方法步骤7中，可以根据变形后的两半以简单的方式确定侧向不同的差别17。标记并为例如放射医师的用户显示该差别17。
图2和图3示出了大腿骨21、23的图像变形的可能的实施方式，以便使得大腿骨21、23的图像由按照其外部形状一致的、镜向对称的两半组成。
在图2中明显地看出，经镜像变换的右侧大腿骨21′不完全与左侧大腿骨23一致。为了平衡该侧向差别，将左侧大腿骨23借助于例如在US 2005/0190189A1中描述的非刚性配准算法(“nonrigid-registration”)进行变形，并且与经镜像变换的右侧大腿骨21′相拟合。由此，左侧大腿骨23与右侧大腿骨21在其外部形状上一致。由此，可以按照简单的方式通过将右侧大腿骨21与变形后的左侧大腿骨的比较而检测出侧向不同的结果。
在这些示出的例子中对左侧大腿骨23进行变形，以便其形状与被镜像变换的右侧大腿骨21′一致。同样，为了实现一致，也可以对被镜像变换的右侧大腿骨21′进行变形。
在图3中将两个大腿骨21、23与镜向对称的正常模型25进行拟合。在此，也优选地借助于非刚性配准算法进行该拟合。通过将两个大腿骨21、23与模型25对应地进行变形，它们按照外部形状而镜向对称。此时可以按照简单的方式通过两个一半的比较而发现在骨骼结构中的不同。
在图3中示出的模型25也可以应用于本发明的另一种实施方式中。在此，不是将大腿骨21、23在模型25上进行变形，而是反过来。由于在未变形的模型25中的对应的、镜向对称的区域是已知的，因而在变形的模型25中的对应区域同样已知，并且由此两个大腿骨21、23的对应区域也是已知的。
图4中描述了用来找出相对于器官系统的对称平面的方法。通过该对称平面实现了一半尽可能地与另一半重合的镜像变换。这样，变形算法可以更简单地构成，因为仅仅还必须考虑非刚性的变形。在使用算法之前的可能的平移和/或旋转，如果确实需要的话，仅仅需要以极其小的规模进行。
在此，利用了这样的事实：在垂直于对称平面27生成的层图像中的两个大腿骨21、23，基本上对称地显示。在相对于矢状面侧向对称的两个大腿骨21、23的条件下，在横向平面和在(这里未示出的)正面平面中生成的层图像29a、29b、29c基本上对称。
在这些层图像29a、29b、29c的每个中确定一个平面重心31a、31b、31c。然后，这样通过平面重心31a、31b、31c设置一个平面27，使得这些平面重心31a、31b、31c相对于平面27的距离平方之和最小。相对于这样得到的平面27两个大腿骨21、23已经具有了高度的对称，从而为了获得完全的镜向对称仅仅需要根据所述的算法进行对轻微侧向不同的形状的多个较小的校正。
在将两个大腿骨21、23这样变形、使得它们按照其外部形状镜向对称之后，可以按照简单的方式进行两侧的比较。这点在图5中示出。两侧的比较可以按照体素的方式进行，或者也可以通过一个较大的区域的比较进行。这样，发现了并可以随后为用户显示侧向不同的结果，例如在此位于骨干(Knochenschaft)中的由于转移引起的损害41、43或者承重诱发的差别45。
图6至8示出了显示差别的可能形式。在图6中，如果侧向不同的结果的差别处于特定的阈值51之上，才将其特殊标记地显示出。在这里示出的例子中，在骨干区域中的转移性损害41、43中是这种情况，而承重诱发的差别45在远侧的骨骼凸起(Knochenvorsprung)中这样微小，以至于其低于阈值51并且因此不被特殊地标记。
在图6中示意性示出的阈值51也可以构造成一个可变的阈值53，其中，阈值53根据在器官系统中的不同位置而采用一个不同的值。例如，在这里示出的大腿骨21的情况下，优选的是将阈值53在远侧的骨骼凸起中选择得比在骨干的区域中更大。例如，通过将右侧和左侧腿作为跳越腿和站立腿的不同的习惯，在远侧的骨骼凸起中可以有(通过不同的承重诱发出)比在骨干区域中更大的生理差别。通过该可变地构成的阈值53可以考虑到该事实。
图7示出了显示侧向不同的结果的另一种可能，其中，将差别根据不同强度彩色编码地显示。此外，在该显示中特别地标记出具有最大差别47和最小差别49的区域。
在另一种实施方式中，在此未示出的用户可以通过观察显示而交互地改变阈值51。由此，用户可以按照简单的方式确定，从哪个阈值51开始两侧之间的差别是重要的。
图8示出了借助于相减方法显示侧向不同的结果的可能。在相减方法中，将变形后的器官系统的被镜像变换的一半从另一半中“减掉”，从而在减法图像中相互消除侧向相同的结果，并且在显示中显著地显现出不同。

Claims (21)

1.一种用于分析侧向对称的器官系统(11)的三维图像(1)的方法，包括：
-在三维图像(1)中分割所述器官系统(11)，
-对所分割的器官系统(11)进行变形，使得变形后的器官系统(11′)具有就其外部形状镜向对称的两半，
-根据一半与另一半的比较确定变形后的器官系统(11′)的镜向对称的两半之间的差别(17)，以及
-显示所确定的差别(17)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如下进行对所分割的器官系统(21，23)的变形：将所分割的器官系统(21，23)的两半中的一个(21)进行镜像变换并且这样变形，使得其与另一半(23)就其外部形状而言相对应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如下进行对所分割的器官系统(21，23)的变形：将所分割的器官系统(21，23)的两半中的一个(21)进行镜像变换，并且将另一半(23)这样变形，使得其与被镜像变换的一半(21′)就其外部形状而言相对应。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述一半(21)的镜像变换在一个自动确定的镜面(27)上进行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述镜面(27)通过下列方式确定：
-从器官系统的图像(1)中提取出二维的层图像(29a，29b，29c)，
-确定这些二维的层图像(29a，29b，29c)的平面重心(31a，31b，31c)，以及
-根据这些平面重心(31a，31b，31c)确定所述镜面(27)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据器官系统(21，23)在该器官系统的镜向对称的正常模型(25)上的变形来进行对所分割的器官系统(21，23)的变形。
7.一种用于分析侧向对称的器官系统的三维图像(1)的方法，包括：
-在三维图像(1)中分割器官系统，
-在将镜向对称的正常模型与器官系统(21，23)进行拟合的条件下对器官系统的镜向对称的正常模型(25)进行变形，
-根据该器官系统(21，23)的两半的对应区域的比较，确定该器官系统(21，23)的两半之间的差别，其中，根据变形后的正常模型(25)确定所述对应区域，以及
-显示所确定的差别(17)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，差别(41，43，45)的确定通过将所述一半与另一半的对应体素的比较来进行。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，按照减法图像的形式来显示两半之间的差别(41，43，45)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在显示中特别地标记出具有两半之间的差别(41，43，45)的区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，彩色编码地显示所述具有两半之间的差别(41，43，45)的区域。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，根据一个阈值(51)来进行对所述具有差别(41，43，45)的区域的标记，其中，仅仅标记出器官系统的其差别(41，43)大于所述阈值(51)的区域。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述阈值(51)在显示中可以由用户交互地改变。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，将所述阈值构造成一个可变的阈值(53)，其值根据在器官系统中的位置而改变。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，在差别的显示中将具有最小和/或最大差别(47，49)的区域进行特别地标记。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，借助于磁共振断层造影建立所述三维图像(1)。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，借助于计算机断层造影建立所述三维图像(1)。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，借助于超声波成像建立所述三维图像(1)。
19.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，借助于光学断层造影建立所述三维图像(1)。
20.一种带有计算机单元的医疗图像拍摄系统，其构造用于实施根据权利要求1至19中任一项所述的方法。
21.一种计算机程序，用于在该计算机程序在计算机单元中运行时实施根据权利要求1至19中任一项所述的方法。
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