CN1981706A - 可视化用于评估的气道的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于可视化胸部图像中的气道的方法包括：计算所分割的支气管树的距离图，(215)；利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据，(220)；以及根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的三维(3D)图像(225)。

Description

可视化用于评估的气道的系统和方法

技术领域

本发明涉及医学图像处理，并且更特别地涉及用于可视化用于评估的气道的系统和方法。

背景技术

本申请要求于2005年9月16日提交的美国临时申请No.60/717,629的权益，该临时申请的副本在此引入作为参考。

从高分辨率计算机断层扫描(HRCT)扫描仪中所获得的胸部扫描包含需要耗费医生大量时间去解释的丰富数据。例如，HRCT数据集中为每个患者所采集的切片数量使医生很难及时评价诸如支气管扩张、哮喘或肺气肿等某些肺部疾病的程度。

这些肺部疾病的特点是气道尺寸的异常，包括气道壁厚和管腔直径。HRCT已经成为描绘这些异常的主要方式之一，因为高分辨率近各向同性的数据能够评价与扫描平面倾斜的多个角度的气道。然而，气道的临床评价通常受到视觉检查的限制。

虽然已经研发了各种工具来执行诸如气道壁厚和管腔直径的气道测量，但是这些工具中的大多数依靠手动选择感兴趣点。此外，即使执行全自动测量，通常仍以二维(2D)形式来可视化这种定量数据。

发明内容

在本发明的示范性实施例中，用于可视化胸部图像中的气道的方法包括：计算所分割的支气管树的距离图；利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据；以及根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的三维(3D)图像。

该方法进一步包括手动或自动分割支气管树。该方法进一步包括：当自动分割该支气管树时，从支气管树的气管中的点开始执行自适应区域生长。从所分割的支气管树中所提取的数据是支气管树中的每个气道的内气道直径或气道壁厚。

内气道直径通过以下步骤进行计算：测量从每个气道体素到距离图的背景中的最近点的距离；确定邻近体素是否具有更大的距离；以及将体素及其邻近体素的最大距离分配给该体素及其邻近体素，其中内气道直径对应于该最大距离。气道壁厚通过以下步骤进行计算：估计气道的外直径；以及从气道的外直径减去内气道直径，其中气道壁厚对应于该减法的结果。根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像包括：将色值分配给所提取的数据；以及根据他们的色值将所提取的数据映射到所分割的支气管树。

该方法进一步包括：在3D图像的可视化中选择气道；以及在所选择的气道中分析所提取的数据。该方法进一步包括利用3D成像技术来采集支气管树的图像数据。

在本发明的示范性实施例中，用于可视化胸部图像中的气道的系统包括：用于存储程序的存储装置；与该存储装置进行通信的处理器，该处理器执行该程序来：计算所分割的支气管树的距离图；利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据；以及根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像。

该处理器进一步执行该程序来自动分割该支气管树。当自动分割该支气管树时，该处理器进一步执行该程序来从支气管树的气管中的点开始执行自适应区域生长。从所分割的支气管树中所提取的数据是支气管树中的每个气道的内气道直径或气道壁厚。

当计算内气道直径时，该处理器进一步执行该程序来：测量从每个气道体素到距离图的背景中的最近点的距离；确定邻近体素是否具有更大的距离；以及将体素及其邻近体素的最大距离分配给该体素及其邻近体素，其中内气道直径对应于最大距离。当计算气道壁厚时，该处理器进一步执行该程序来：估计气道的外直径；以及从气道的外直径减去内气道直径，其中气道壁厚对应于该减法的结果。当根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像时，该处理器进一步执行该程序来：将色值分配给所提取的数据；以及根据所提取的数据的色值将所提取的数据分配给所分割的支气管树。

该处理器进一步执行该程序来可视化所选择的气道的所提取的数据。该处理器进一步执行该程序来从3D成像装置中接收支气管树的图像数据。

在本发明的示范性实施例中，用于在从胸部图像数据中所提取的支气管树内交互式地显示多个定量气道测量结果的方法包括：分割支气管树；计算所分割的支气管树的距离图；沿所分割的支气管树进行定量的气道测量；根据该测量结果显示彩色编码的所分割的支气管树的型式；接收用于局部评价的气道选择；以及显示包括针对所选择的气道的定量气道测量结果的窗口或沿所选择的气道进行附加定量测量。

在本发明的示范性实施例中，用于可视化胸部图像中的气道的系统包括：用于采集胸部的图像数据的扫描装置；和可视化模块，用于分割该图像数据中的支气管树，用于计算所分割的支气管树的距离图，用于利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据，以及用于根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像。

前述特征是有代表性的实施例并且被呈现来帮助理解本发明。应当理解的是，这些特征并非试图认为是对如权利要求所限定的本发明的限制，或者对权利要求的等同物的限制。因此，这些特征的概述在确定等同物时不应被认为是决定性的。本发明的附加的特征将在以下描述中从附图和权利要求中变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的示范性实施例的用于可视化用于评估的气道的系统的框图；

图2是阐明了根据本发明的示范性实施例的用于可视化用于评估的气道的方法的流程图；

图3是阐明了根据本发明的示范性实施例的彩色编码的支气管树的图像；和

图4是阐明了根据本发明的示范性实施例的彩色编码的支气管树的图像。

具体实施方式

图1是阐明了根据本发明的示范性实施例的用于可视化用于评估的气道的系统100的框图。如图1中所示，系统100包括采集装置105、PC 110和通过有线或无线网络120所连接的操作者控制台115。

采集装置105可是高分辨率计算机断层扫描(HRCT)成像装置或者是诸如磁共振(MR)扫描仪的任何其他三维(3D)高分辨率成像装置。

可以是便携式或者膝上型计算机、医疗诊断成像系统或者影像存档与通信系统(PACS)数据管理站的PC110包括CPU125以及被连接到输入装置150和输出装置155的存储器130。该CPU125包括可视化模块145，该可视化模块145包括参考图2-4在下文中将要讨论的用于可视化用于评估的气道的一种或多种方法。虽然在CPU125的内部示出可视化模块145，但是可视化模块145仍能位于CPU125的外部。

存储器130包括RAM135和ROM140。存储器130也可包括数据库、磁盘驱动器、磁带驱动器等等或者是他们的组合。RAM135起着存储在运行CPU125中的程序期间所用的数据的数据存储器的作用并被用作工作区。ROM140起着程序存储器的作用，用于存储CPU125中所运行的程序。输入150由键盘、鼠标等组成，而输出155由LCD、CRT显示器、打印机等组成。

系统100的运行可由操作者控制台115来控制，该操作者控制台115包括例如键盘的控制器165和显示器160。操作者控制台115与PC110和采集装置105进行通信，使得由采集装置105所收集的图像数据可由PC110再现并在显示器160上进行观看。在缺少操作者控制台115的情况下，通过利用例如输入装置150和输出装置155运行由控制器165和显示器160所执行的某些任务，可将PC110配置来操作和显示由采集装置105所提供的信息。

操作者控制台115可进一步包括能处理所采集的图像数据集(或其部分)的数字图像数据的任何合适的图像再现系统/工具/应用程序，以在显示器160上生成并显示图像。更准确地说，该图像再现系统可以是提供医学图像数据的再现和可视化的应用，并且该应用可在通用或者专用计算机工作站上运行。PC110还包括上述图像再现系统/工具/应用程序。

图2是阐明了根据本发明的示范性实施例的用于可视化用于评估的气道的方法的流程图。如图2中所示，从患者采集支气管树的3D图像数据，(205)。这例如通过使用采集装置105来实现，该采集装置105在操作者控制台115处操作，以扫描患者的胸部，从而生成一系列与胸部相关联的2D图像切片。接着将这些2D图像切片进行组合，以形成支气管树的3D图像。

在采集支气管树的3D图像数据之后，分割该支气管树，(210)。该分割可通过一些不同的方法手动或者自动执行。例如，如在A.P.Kiraly、E.A.Hoffman、G.McLennan、W.E.Higgins、和J.M.Reinhardt时“3D human airwaysegmentation methods for virtual bronchscopy”(Academic Radiology，第9卷，第10期，第1153-1168页，2002年10月)和C.I.Fetita、F.Preteux、C.Beigelman-Aubry、和P.Grenier的“Pulmonary airways：3-D reconstruction from multislice CT andclinical investigation”(第23卷，第11期，IEEE Trans.Medical Imaging，2004年11月)中所描述的那样自动执行该分割。这些参考文献的副本在此全文引入作为参考。

在A.P.Kiraly、E.A.Hoffman、G.McLennan、W.E.Higgins、和J.M.Reinhardt的“3D human airway segmentation methods for virtual bronchscopy”(AcademicRadiology，第9卷，第10期，第1153-1168页，2002年10月)中所描述的方法中，使用区域生长和滤波来获得该分割。该区域生长从气管中的种子点开始，该气管是通过围绕第一切片的中心标记空气状的区域和跨越切片寻找区域尺寸的稳定性而自动确定的。使用尺寸变化的公差ξ来确定尺寸稳定性，

S_i+1-S_i＜ξ，

S_i和S_i+1分别是切片i和i+1的面积。

给出所分割的支气管树，计算所分割的支气管树的距离图，(215)。接着收集关于支气管树中的气道的定量数据，(220)。可以手动或自动收集这一数据。存在几种方法来获得气道的不同的定量值。这一数据的一些例子是内气道直径或半径以及气道壁厚。

如在A.P.Kiraly、J.M.Reinhardt、E.A.Hoffman、G.McLennan和W.E.Higgins的“Virtual Bronchoscopy for Quantitative Airway Analysis”(SPIE Medical Imaging2005：Physiology，Function，and Structure from Medical Images，SPIE Proceedings第5746卷，2005年2月)以及S.Matsuoka、Y.Kubrihara、Y.Nakajima、H.Niimi、H.Ashida、和K.Kaneoya的“Serial change in airway lumen and wall thickness atthin-section ct in asymptomatic subjects”(Radiology，2004年12月10月)中所描述的半幅值全宽法利用灰度等级数据来测量内和外气道壁直径。这些方法需要自动或手动限定的中心点。这些参考文献的副本在此全文引入作为参考。

利用所分割的支气管树，可通过利用该分割的距离图自动估计内壁直径。这种情况的例子被描述在E.Pichon、C.L.Novak、A.P.Kiraly、D.P.Naidich的“A novel method for pulmonary emboli visualization from high-resolution CTimages”(SPIE Medical Imaging 2004，5367，2004年)和题为“System and methodfor visualization of pulmonary emboli from high-resolution computed tomographyimages”的美国专利申请公开文献No.20050240094。在这些例子中，采用中心处的标记作为距离值，因为支气管树表面上的每个体素跟着最陡下降到中心。这些参考文献的副本在此全文引入作为参考。

此外，如在A.P.Kiraly、J.P.Helferty、E.A.Hoffman、G.McLennan和W.E.Higgins的“3D Path Planning for Virtual Bronchoscopy”(第23卷，第11期，IEEE Trans.Medical Imaging，2004年11月)中所描述的树模型也司被用作将测量结果的位置居中的基础，该文献的副本在此全文引入作为参考。

一旦已经收集了定量数据，通过将彩色编码的所测量的数值的型式拟合到分割中，在所分割的支气管树的3D图像中可视化这些定量数据，(225)。在题为“System and method for tree-model visualization for pulmonary embolismdetection”的美国专利申请公开文献No.20060023925中描述了将每个所测量的值拟合到分割中的例子，该专利文献的副本在此全文引入作为参考。在这一方法中，通过将来自色表中的颜色(例如0-255)分配给所测量的值来完成拟合，较大的值被赋以较高的色值(例如，红色)而较小的值被赋以较小的色值(例如，深蓝或紫色)，接着，通过将数值放置在获得他们的所分割的支气管树的同一位置上来将彩色编码的值映射到所分割的支气管树。因此，该分割在视觉上被修改，以反映测量结果的值。

在图3和4中示出了根据本发明的示范性实施例的用于可视化用于评估的气道的方法的例子。此处，利用自适应区域生长获得气道分割。通过利用距离图测量从表面到分割中心的距离，直接在该分割上完成测量。接着根据测量结果的值将这些测量结果映射到颜色并将这些测量结果放置在获得他们的相同的实际位置上。

图3利用代表不同直径的彩色编码示出了患有轻度支气管扩张的患者的气道树，该彩色编码从红色(例如，＞10mm直径)变化到紫罗兰色(例如，大约0.1mm直径)。由于图3是黑白图像，颜色红色通常指示接近气管的直径，而颜色紫罗兰色通常指示从主支气管分支的气道的直径。白箱(white box)指示为进行局部评价所选择的气道。

在根据本发明的示范性实施例的界面中，用户可利用滑杆调整在可视化上着色的最大直径。这允许更好地利用气道在气管和主支气管之外的颜色范围，从而更容易在整个支气管树上发现扩张的或非渐细的气道。在图4中示出了这样一个例子。此处，用较低的直径颜色限制显示了如图3中所示的同一气道树。将所排除的直径点着色成灰色(例如，气管和大多数主支气管)，而小气道显示出更好的彩色分辨率。

如以前所提及的那样，除了直径之外，其他测量结果(诸如用于检测存在黏液堵塞物(mucus plug)的壁厚或者与相对应的动脉直径的比率)可根据本发明的示范性实施例进行可视化。由于在气道树的环境内表示这一数据，所以允许简单且直观的界面。可立即检查在可视化上所点击的任何点，用于进一步分析。可执行关于测量的更多细节或者更全面的评价，以收集所选地点上的附加信息。例如，当用户选择一可疑点时，该系统在弹出的窗口中自动实时报告代表性的气道直径和壁厚。

根据本发明的示范性实施例，在气道树上可视化几种不同的测量结果，以考虑定量数据的交互式3D模型，以比简单列出分类器的最终输出的数量更加直观的方式来查询和分析该定量数据。容易实现数据中的趋势，因为用户可观看几乎整个数据集。该用户界面还考虑对用户所选择的点处的数据进行更全面的检查。

应理解的是，虽然关于气道已经描述了根据本发明的示范性实施例的用于可视化多个定量测量结果的方法，但是该方法还可被用于诸如脑、肺和肾的其他身体结构。

应该理解的是，本发明可以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实施。在一个实施例中，本发明可用如确实被包含在程序存储装置(例如，磁性软盘、RAM、CD ROM、DVD、ROM和闪存)上的应用程序那样的软件来实施。该应用程序可被上载到包括任何适当构造的机器并由该机器来运行。

进一步应理解的是，因为可用软件来实施在附图中所描绘的组成系统部件和方法步骤，所有系统部件(或者过程步骤)之间的实际连接可依据本发明以其来编程的方式而有所不同。给出在此所提供的本发明的教导，本领域技术人员之一将能够想到这些以及与本发明相类似的实施方案或构造。

还应当理解的是，上面的描述仅是说明性实施例的代表。为了方便读者，上面的描述集中于可能的实施例的代表性样例、说明本发明原理的样例。该描述并不试图穷举所有可能的变型。对于本发明的特定部分可能还没有提出可替换的实施例，或者对于一部分可得到更多的未描述的替换方案，但是这并不能被认为是对那些可替换实施例的放弃。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，也可实施其他应用和实施例。因此，本发明并不意图被限于具体描述的实施例，因为可以产生上述实施例的多种置换和组合以及包括对于上述实施例没有创造力的替代，而是本发明是根据所附的权利要求来进行限定的。应理解，许多那些未描述的实施例在所附权利要求和其等同物的文字意思范围之内。

Claims (20)

1、一种用于可视化胸部图像中的气道的方法，该方法包括：

计算所分割的支气管树的距离图；

利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据；和

根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的三维(3D)图像。

2、如权利要求1所述的方法，进一步包括：

手动或自动分割所述支气管树。

3、如权利要求2所述的方法，进一步包括：

当自动分割所述支气管树时，从该支气管树的气管中的点开始执行自适应区域生长。

4、如权利要求1所述的方法，其中，从所分割的支气管树中所提取的数据是支气管树中的每个气道的内气道直径或气道壁厚。

5、如权利要求4所述的方法，其中，所述内气道直径通过以下步骤进行计算：

测量从每个气道体素到所述距离图的背景中的最近点的距离；

确定邻近体素是否具有更大的距离；以及

将所述体素及其邻近体素的最大距离分配给该体素及其邻近体素，

其中，所述内气道直径对应于最大距离。

6、如权利要求4所述的方法，其中，所述气道壁厚通过以下步骤进行计算：

估计气道的外直径；和

从气道的外直径减去内气道直径，

其中，所述气道壁厚对应于所述减法的结果。

7、如权利要求1所述的方法，其中，根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像包括：

将色值分配给所提取的数据；和

根据所提取的数据的色值，将所提取的数据映射到所分割的支气管树。

8、如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在3D图像的可视化中选择气道；和

在所选择的气道中分析所提取的数据。

9、如权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用3D成像技术采集所述支气管树的图像数据。

10、一种用于可视化胸部图像中的气道的系统，该系统包括：

用于存储程序的存储装置；

与所述存储装置进行通信的处理器，该处理器执行该程序来：

计算所分割的支气管树的距离图；

利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据；和

根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的三维(3D)图像。

11、如权利要求10所述的系统，其中，所述处理器进一步执行所述程序来：

自动分割所述支气管树。

12、如权利要求11所述的系统，其中，当自动分割所述支气管树时，所述处理器进一步执行所述程序来：

从所述支气管树的气管中的点开始执行自适应区域生长。

13、如权利要求10所述的系统，其中，从所分割的支气管树中所提取的数据是该支气管树中的每个气道的内气道直径或气道壁厚。

14、如权利要求13所述的系统，其中，当计算所述内气道直径时，所述处理器进一步执行所述程序来：

测量从每个气道体素到所述距离图的背景中的最近点的距离；

确定邻近体素是否具有更大的距离；和

将所述体素及其邻近体素的最大距离分配给该体素及其邻近体素，

其中，所述内气道直径对应于最大距离。

15、如权利要求13所述的系统，其中，当计算所述气道壁厚时，所述处理器进一步执行所述程序来：

估计气道的外直径；和

从气道的外直径减去内气道直径，

其中，所述气道壁厚对应于减法的结果。

16、如权利要求10所述的系统，其中，当根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的3D图像时，所述处理器进一步执行所述程序来：

将色值分配给所提取的数据；和

根据所提取的数据的色值将所提取的数据映射到所分割的支气管树。

17、如权利要求10所述的系统，其中，所述处理器进一步执行所述程序来：

可视化所选择的气道的所提取的数据。

18、如权利要求10所述的系统，其中，所述处理器进一步执行所述程序来：

从3D成像装置中接收支气管树的图像数据。

19、一种用于在从胸部图像数据中所提取的支气管树内交互式显示多个定量气道测量结果的方法，该方法包括：

分割支气管树；

计算所分割的支气管树的距离图；

沿所分割的支气管树进行定量气道测量；

根据该测量结果显示彩色编码的所分割的支气管树的型式；

接收用于局部评价的气道选择；和

显示包括对所选择的气道的定量气道测量结果的窗口或沿所选择的气道进行附加定量测量。

20、一种用于可视化胸部图像中的气道的系统，该系统包括：

用于采集胸部的图像数据的扫描装置；和

可视化模块，用于：分割所述图像数据中的支气管树；计算所分割的支气管树的距离图；利用该距离图从所分割的支气管树中提取数据；以及根据所提取的数据可视化彩色编码的所分割的支气管树的三维(3D)图像。

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