TWI396111B

TWI396111B - Single bone region separation method

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Publication number: TWI396111B
Application number: TW98145986A
Authority: TW
Original assignee: Pou Yuen Technology Co Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2013-05-11
Also published as: TW201122889A

Description

單一骨骼區域分離方法

本發明係與電腦斷層掃描影像之區域分離有關，特別是指一種單一骨骼區域分離方法。

電腦斷層掃描是以放射線穿透的方式，再經過電腦計算過後得到人體內所對應的每個位置的放射線吸收量，最後將其轉換成灰階值後即可輸出成影像檔。因此，電腦斷層掃描序列式影像內每個像素的灰階值代表的是這個位置的組織對放射線的吸收程度，使用者並不能從影像中得到各像素所對應的組織為何，僅能臆測。第二圖是多張單一切層的電腦斷層掃描影像，位置在腹部。從圖上灰階差異較大的地方可以約略看出一些輪廓，也可以看出某些組織較亮，某些較暗。若要分離這些組織，由肉眼進行輪廓及組織區塊的辨識就已經不太容易了，若是要由電腦從這組只有灰階值高低的影像中，要分離出各種組織更是一件困難的事情，同樣的情況也可以套用在骨骼區域的區分。但一組序列式電腦斷層掃描影像動輒數百張影像，若要以手動進行所有切層的骨骼區域區分會太過耗時，因此勢必要以電腦進行全自動或半自動的組織分離，才能達到完整、快速的組織擷取。

本發明之主要目的在於提供一種單一骨骼區域分離方法，其不需依靠手動方式區分骨骼區域就可自動分離單一骨骼區域。

緣是，為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種單一骨骼區域分離方法，包含有下列步驟：a)取得三維影像資料：使用一掃描器對一患者的待掃描部位進行斷層掃描，藉以取得複數二維影像，並將該等二維影像儲存於一資料庫中，該等二維影像中具有複數體素點，且該等二維影像堆疊形成一三維影像資料；b)骨骼區域成長及擷取：一骨骼區域成長，係於該三維影像中欲選取的骨骼上設定一該體素點為一起始種子點，再設定一起始閾值為成長條件，從該起始種子點開始向外成長，只要該起始種子點鄰近之各該體素點灰階值高於該起始閾值，即標記成為一新種子點，各該新種子點會繼續向外成長出其它符合灰階值高於該起始閾值之新種子點，直到無新種子點產生即完成該骨骼區域成長而形成一骨骼區域；該骨骼區域具有一外輪廓，也可具有至少一內輪廓，記錄該外輪廓和該內輪廓於該電腦；接著，檢查該骨骼區域是否產生溢出現象；若無溢出，則該起始閾值減少一間隔值成為一第一閾值並重新成長，這般地成長過程會持續重複，直到以一目標閾值為成長條件時而該骨骼區域成長結束且擷取一骨骼區域；若有溢出產生，記錄產生溢出前的一溢出前閾值與一溢出前骨骼區域，接著設定與該溢出前骨骼區域的相鄰且未被成長的各該體素點分別為一溢出成長點，由所有的該溢出成長點以該溢出前閾值減少該間隔值進行成長，並將成長出於溢出骨骼區域的骨骼區域記錄為一限制骨骼區域；之後，重新以該起始種子點，以及該溢出前閾值為條件成長，而此時該限制骨骼區域將不予成長，直到以該目標閾值為成長條件時而骨骼區域成長結束，擷取該骨骼區域。藉此，不需依靠手動方區分骨骼區域就可自動建構單一骨骼區域，取得骨骼區域資料。

為了詳細說明本發明構造及特點所在，茲舉以下之一較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：請參閱第一圖所示，本發明較之佳實施例所提供之一種單一骨骼區域分離方法，主要具有下列步驟：

a)取得三維影像資料：使用一掃描器對一患者的待掃描部位進行斷層掃描，藉以取得複數二維影像，如第二圖所示，並將該等二維影像儲存於一資料庫中，該等二維影像中具有複數體素點，且該等二維影像堆疊形成一三維影像資料，如第三圖所示。

在此須說明，電腦斷層掃描(CT)影像中不同的人體組織會以不同的灰階值呈現。一般而言，最外層為皮膚，往內依序為脂肪、肌肉與骨骼，對於更細膩的64切電腦斷層掃描(CT)影像，動靜脈、心臟、腎臟、肝臟等器官，都可藉由調整灰階值顯示範圍而個別呈現。本實施例提供一等位面調整介面，用以快速切換該三維影像灰階值顯示範圍，如第四圖所示，若電腦螢幕隨即更新顯示之三維影像，即可切換成皮膚、脂肪、肌肉、骨骼或其它軟組織之顯示狀態。請參閱第五圖至第六圖所示，為切換成皮膚和骨骼顯示模式之立體渲染結果。若TL與TH分別代表灰階值顯示範圍的一下限值與一上限值，則皮膚、脂肪、肌肉與骨骼之TL與TH分別為：(1)皮膚TL=-500、TH=-130，(2)脂肪TL=-130、TH=-30，(3)肌肉TL=-30、TH=180，(4)骨骼TL=180、TH=Tmax，其中Tmax為影像灰階值的最大值。對於其它器官或組織，可藉由TL與TH範圍的調整而呈現其三維影像。

b)骨骼區域成長及擷取：在此要先說明的是，本實施例中的種子點(Seed Point)，係指某個被標記之體素點作為成長的起始點。鄰近關係，是每個體素點會有上下左右前後共六個鄰近體素點。成長條件，從種子點依據鄰近關係向外生長時，成長條件就會限制區域不會生長到條件外的體素點。所謂區域(Region)是指體素點的集合，而區域成長(Growing)則是區域會依據鄰近關係及成長條件不斷納入體素點而增生，進而構成一完整的區域。將區域中的任意體素點為生長種子點時，只要在相同的成長條件下，都會成長成同一區域，不會因種子點的改變而產生差異。骨骼區域成長，係於該三維影像中設定屬於該骨骼區域之一體素點為一起始種子點 P _i ，再設定一閾值T ，而從該起始種子點 P _i 開始，只要該起始種子點 P _i 之六鄰近體素點灰階值高於該閾值T 即標記成一新種子點 P _n ，各該新種子點 P _n 會繼續向外成長出其它符合灰階值高於該閾值T 之新種子點 P _n 。這樣流程會持續進行，直到無新的種子點 P _n 產生，即形成一骨骼區域R ，該骨骼區域R 具有一外輪廓且可有至少一內輪廓。取得該骨骼區域R 資料後，需記錄該外輪廓以及該等內輪廓於該電腦，以便後續使用。

此外，於該步驟b)後係能夠由該起始種子點 P _i 得到該骨骼區域R ，但該骨骼區域R 仍非完整的骨骼區域，主要原因在於骨骼區域與骨骼區域之間的間隙小且影像模糊，導致在成長該骨骼區域R 時容易產生溢出現象。為了防止成長過程發生溢出，本實施例另判斷該骨骼區域R 是否產生溢出，若是發生溢出則開始進行一溢出消除步驟來限制該骨骼區域R 溢出的現象。

請參閱第七至十一圖所示，如第七圖所示圖中線交叉的位置設定該起始種子點 P _i ，第八圖顯示該骨骼區域R 成長後尚未發生溢出的情形。請參閱第九圖所示，當該閾值T 降低時，則該骨骼區域R 開始發生溢出現象。判斷該骨骼區域R 是否溢出，係以溢出前後該骨骼區域R 體素點數量之一比值做為依據，若該比值大於一預設值時，表示已經發生溢出，本實施例之該預設值為3/4。請參閱第十圖所示，當溢出情形發生後，記錄的一溢出前閾值T _c 與一溢出前骨骼區域R _c ，接著以該溢出前骨骼區域R _c 的一周圍點群 P ₀ 作為限制骨骼區域的成長點，由該點群 P ₀ 配合該閾值T _c 減去一間隔值ΔT ，在本實施例中，該間隔值ΔT 為1，進行成長，在本實施例中的該點群 P ₀ 有二溢出成長點 P _c 於該溢出前骨骼區域R _c 成長時會成長出溢出的骨骼區域。如第十一圖所示，一該溢出成長點 P _c 於成長後皆會形成溢出的骨骼區域，但將限制不成長至溢出前的該臨界骨骼區域R _c ，第十圖顯示由該點群 P ₀ 所成長一限制骨骼區域R _r 。在實際的影像中，透過以上方法得到該限制骨骼區域R _r 後，係以該初始種子點 P _i 和繼續降低該T 閾值來執行該骨骼區域R 成長，而成長過程會避開該限制骨骼區域R _r 避免溢出，以上為骨骼區域溢出的判斷以及避免方法。

請再參閱第十二圖所示，該溢出消除步驟的流程如下：

(1)首先將該起始種子點 P _i 設定於該骨骼區域R ，由設定該閾值T 等於一起始閾值T _i 開始進行該骨骼區域R 成長。此外也需設定一目標閾值T _t 。

(2)檢查該骨骼區域R 是否產生溢出現象。若無溢出，則該閾值T 減少該間隔值ΔT 並重新成長，直到該閾值T 等於到一目標閾值T _t 時，結束成長。

(3)若於該閾值T 進行成長該骨骼區域R 時，產生溢出的現象，定義該產生溢出前的臨界閾值T _c 等於閾值T 增加間隔值ΔT 。並記錄於該臨界閾值T _c 下所成長的該臨界骨骼區域R _c ，而該臨界骨骼區域R _c 相鄰所有未被成長的體素點設為該點群 P ₀ 。

(4)由所有該點群 P ₀ 與該臨界閾值T _c 減少間隔值ΔT 進行該骨骼區域R 成長，並將成長出溢出骨骼區域的骨骼區域記錄為該限制骨骼區域R _r 。

(5)重新以該起始種子點 P _i 與該閾值T 等於該臨界閾值T _c 執行骨骼區域成長，而此時該限制骨骼區域R _r 將不予成長。

(6)該閾值T 減少間隔值ΔT 並重新成長。

(7)重複上述步驟2至6，直到該閾值T 等於該閾值T _t 時，成長結束。

然而，一般在電腦斷層掃描二維影像中，密度較高的硬質骨會有較高的灰階值，鬆質骨的灰階值則是會偏低。而影像上有些部分的骨骼雖然是硬質骨，但受限於影像解析度或是厚度太薄的硬質骨，在電腦斷層掃描影像上的灰階值也會偏低。對此本發明更提供以下處理步驟：

c)骨骼區域補償：請參閱第十三、十四圖。該骨骼區域補償步驟，具有一骨骼區域膨脹、一骨骼區域收縮和一骨骼區域填滿。

該骨骼區域膨脹法是將該骨骼區域R 向外擴張，亦即各該骨骼區域R 中的各該體素點都沿其六鄰近體素點向外長出一個體素點。從六鄰近體素點來看，若單一骨骼區域體素點擴張，則鄰近該體素點的六體素點都會變成該骨骼區域R 體素點。將現有各該骨骼區域R 體素點朝六鄰近向外生長後就完成此骨骼區域R 的膨脹。

該骨骼區域收縮法是將各該骨骼區域R 向內縮小，即與該骨骼區域R 以外的各該體素點鄰接的該骨骼區域R 中的體素點，都要被變更成該骨骼區域R 以外的體素點。各該骨骼區域R 內每個體素點皆須檢查其六鄰近體素點是否有任一體素點為該骨骼區域外的體素點，若有則將該體素點變為該骨骼區域外的體素點，若無則保留為該骨骼區域內體素點。

經由該骨骼區域膨脹法與該骨骼區域收縮法的處理，讓骨骼區域R 邊界輪廓更為平順。惟，該骨骼區域膨脹法和該骨骼區域收縮法僅能修正該骨骼區域R 內、外輪廓的資料，該骨骼區域R 內部仍會有複數大小不一的孔洞，而該骨骼區域填滿是要針對各該內部孔洞進行補償。

該骨骼區域填滿，係以三維方式進行，其當各該骨骼區域R 內部一體素點填滿後，後續會有一填滿測試依該體素點之六鄰近體素點進行測試。若有一該體素點係超出該骨骼區域邊界，則代表該骨骼區域R 為開放式，不應被填滿，而該骨骼區域R 已被體素點填滿的部份將會回復成未填滿狀態；若該體素點測試未超出該骨骼區域R 邊界，則代表該體素點在三維空間中完全被骨骼區域包覆，因此可被填滿。請參閱第十五圖至第十八圖所示，第十五圖是一體素資料中的一層，並依上述方法擷取出單一骨骼區域，如第十六圖所示；該骨骼區域於此切層上有許多孔洞，但其中有三個是屬於不可被填滿的孔洞；第十七圖是僅依照此張二維影像的資訊進行二維內部填滿的結果，第十八圖則是以上述三維內部填滿後之結果；該骨骼區域填滿法雖然可以有效地將該骨骼區域內部孔洞消除，但受限於成長出的骨骼區域孔洞必須是封閉的。若要不能改變該骨骼區域外型，同時要讓未封閉的孔洞變成封閉，就要讓骨骼區域膨脹後、內部填滿完而再進行骨骼區域收縮，因此，本實施例之骨骼區域補償步驟，係先採用該骨骼區域膨脹和該骨骼區域填滿再運用該骨骼區域收縮。

TL．．．上限值

TH．．．下限值

P _i ．．．起始種子點

T ．．．閾值

P _n ．．．新種子點

R ．．．骨骼區域

T _c ．．．溢出前閾值

R _c ．．．溢出前骨骼區域

ΔT ．．．間隔值

R _c ．．．溢出前骨骼區域

P ₀ ．．．周圍點群

ΔT ．．．間隔值

P _c ．．．溢出成長點

R _r ．．．限制骨骼區域

T _i ．．．起始閾值

T _t ．．．目標閾值

第一圖係本發明較佳實施例之步驟流程圖。

第二圖係二維電腦斷層掃描影像顯示示意圖。

第三圖係三維電腦斷層掃描影像顯示示意圖。

第四圖係本發明較佳實施例之示意圖，顯示位面調整之操作介面。

第五圖係本發明較佳實施例之示意圖，切換成皮膚顯示模式之立體渲染結果。

第六圖係本發明較佳實施例之示意圖，切換成骨骼顯示模式之立體渲染結果。

第七圖係本發明較佳實施例之骨骼區域示意圖，顯示設定起始種子點。

第八圖係本發明較佳實施例之骨骼區域示意圖，顯示骨骼區域成長後尚未發生溢出之示意圖。

第九圖係本發明較佳實施例之骨骼區域示意圖，顯示當閾值降低時，則骨骼區域開始發生溢出現象。

第十圖係本發明較佳實施例之骨骼區域示意圖，顯示臨界骨骼區域的周圍點群。

第十一圖係本發明較佳實施例之骨骼區域示意圖，顯示限制骨骼區域。

第十二圖係本發明較佳實施例之溢出消除步驟流程圖。

第十三圖係本發明較佳實施例之示意圖，顯示骨骼區域仍不夠完整。

第十四圖係本發明較佳實施例之示意圖，顯示骨骼區域經過骨骼區域膨脹法、骨骼區域收縮法及骨骼區域填滿法的組合處理後的情況。

第十五圖係本發明較佳實施例之使用示意圖，顯示一頸椎部位之電腦斷層掃描影像，黃色部分係藉由本發明所截取出之骨組織。

第十六圖係本發明較佳實施例之使用示意圖，顯示一擷取後頸椎骨組織之三維顯示影像。

第十七圖係本發明較佳實施例之使用示意圖，顯示一頸椎部位之電腦斷層掃描影像，黃色部分係由本發明之方法所截取出之骨組織，並於擷取後進行傳統的二維內部填滿。以及

第十八圖係本發明較佳實施例之使用示意圖，顯示一頸椎部位之電腦斷層掃描影像，黃色部分係藉由本發明所截取出之骨組織，並於擷取後進行本發明之三維內部填滿。

Claims

一種單一骨骼區域分離方法，包含有下列步驟：a)取得三維影像資料：使用一掃描器對一患者的待掃描部位進行斷層掃描，藉以取得複數二維影像，並將該等二維影像儲存於一資料庫中，該等二維影像中具有複數體素點，且該等二維影像堆疊形成一三維影像資料；b)骨骼區域成長及擷取：一骨骼區域成長，係於該三維影像中欲選取的骨骼上設定一該體素點為一起始種子點，再設定一起始閾值為成長條件，從該起始種子點開始向外成長，只要該起始種子點鄰近之各該體素點灰階值高於該起始閾值，即標記成為一新種子點，各該新種子點會繼續向外成長出其它符合灰階值高於該起始閾值之新種子點，直到無新種子點產生即完成該骨骼區域成長而形成一骨骼區域；該骨骼區域具有具有一外輪廓，也可具有至少一內輪廓，記錄該外輪廓與該內輪廓於該電腦；接著，檢查該骨骼區域是否產生溢出現象；若無溢出，則該起始閾值減少一間隔值成為一第一閾值並重新成長，這般地成長過程會持續重複，直到以一目標閾值為成長條件時，該骨骼區域成長結束並擷取一骨骼區域；若有溢出產生，記錄產生溢出前的一溢出前閾值與一溢出前骨骼區域，接著設定與該溢出前骨骼區域的相鄰且未被成長的各該體素點分別為一溢出成長點，由所有的該溢出成長點以該溢出前閾值減少該間隔值進行成長，並將成長出於溢出骨骼區域的骨骼區域記錄為一限制骨骼區域；之後，重新以該起始種子點，以及該溢出前閾值為條件成長，而此時該限制骨骼區域將不予成長，直到以該目標閾值為成長條件時而骨骼區域成長結束，擷取該骨骼區域。
如申請專利範圍第1項所述之單一骨骼區域分離方法，其中：更包含一步驟c)骨骼區域補償：先採用一骨骼區域膨脹和一骨骼區域填滿再運用一骨骼區域收縮；該骨骼區域膨脹，係將步驟b)所成長之該骨骼區域向外擴張，亦即各該骨骼區域中的各該體素點都沿其六鄰近體素點向外長出一個體素點，即完成該骨骼區域膨脹；該骨骼區域填滿，係當各該骨骼區域之內輪廓的一該體素點填滿後，後續會有一填滿測試來依該體素點之六鄰近體素點進行測試；若該填滿測試中有一該鄰近體素點超出該骨骼區域邊界，則代表該骨骼區域為開放式不應被填滿，而該骨骼區域已被各該鄰近體素點填滿的部份將會回復成未填滿狀態；若該填滿測試中各該鄰近體素點未超出該骨骼區域邊界，則代表該內輪廓之該體素點完全被該骨骼區域包覆可被填滿；該骨骼區域收縮，係將各該骨骼區域向內縮小，即與該骨骼區域以外的各該體素點鄰接之各該骨骼區域中的體素點，都要被變更成該骨骼區域以外的體素點，該骨骼區域收縮運用各該骨骼區域內所有體素點皆須檢查其六鄰近體素點是否有任一體素點係該骨骼區域以外的體素點，若有則將該體素點變為該骨骼區域以外的體素點，若無則保留此體素點為該骨骼區域之體素點。
如申請專利範圍第1項所述之單一骨骼區域分離方法，其中：步驟b)中檢查該骨骼區域是否產生溢出現象，係以溢出前後該骨骼區域體素點數量之一比值做為依據，若該比值大於一預設值時，表示已經發生溢出。
如申請專利範圍第3項所述之單一骨骼區域分離方法，其中：該預設值為3/4。
如申請專利範圍第1項所述之單一骨骼區域分離方法，其中：步驟a)提供一簡單介面以快速切換該三維影像灰階值顯示範圍，若電腦螢幕隨即更新顯示之三維影像，即可切換成皮膚、脂肪、肌肉、骨骼或其它軟組織之顯示狀態。
如申請專利範圍第1項所述之單一骨骼區域分離方法，其中：該間隔值為1。