專利名稱：半自動主動脈瘤分析用的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于根據(jù)計算機斷層血管造影采集進行主動脈切面自動分割的方法。

背景技術(shù)：
主動脈是體內(nèi)最大的動脈并且是含氧血的主要導(dǎo)管。主動脈瘤(AA)是該脈管的一種永久性和不可逆性的局部膨脹，而且如果不予以治療，將會逐漸擴張直至破裂，在90％的病例中導(dǎo)致死亡。在美國，主動脈瘤是第13位主要死因。標準療法根據(jù)最大主動脈直徑來評估動脈瘤破裂的風險。用于獲取這些測量的當前臨床手段需要大量的用戶交互并且可能非?；ㄙM時間。
對這種病癥的治療(例如開放性修復(fù))冒相當大的風險，包括感染、假動脈瘤形成、以及繼發(fā)性陽痿。血管內(nèi)擴張修復(fù)(endovascular stent repair)正獲得普及，但這種療法的遠期結(jié)果仍是未知的，而且并非所有的主動脈瘤都是擴張用的候選。因此，對于不被認為有危急破裂風險的主動脈瘤而言，認為監(jiān)視優(yōu)于立即的侵入性治療。這對于遭受這種病癥影響的最大群體、超過65的男性來說尤其適用，因為其它原因的發(fā)病可能在破裂之前出現(xiàn)。
可是如何確定主動脈瘤的破裂風險仍然是一個未解決的問題。所提出的指標多種多樣壁應(yīng)力、壁勁度、血管內(nèi)血栓厚度、以及壁張力所有都已經(jīng)被提出過。但是，當最大直徑超過5.5cm時標準療法需要介入(開放性修復(fù)或擴張)。最大直徑隨時間的變化也已經(jīng)被提出作為一種預(yù)測量度。
目前有兩種常見的主動脈直徑測量方法。第一種包括對圖像體積的最大強度投射(Maximum Intensity Projection，MIP)進行線性測量。但是，MIP投射角度的選擇可能在這種測量中引入高度主觀性。第二種采用雙斜位(doubleoblique)MPR以獲取與對其進行測量的脈管路徑正交的重構(gòu)圖像。這種方法的缺點是耗費時間并且因此主動脈由于分析持續(xù)時間的實際限制而可能稀少地被采樣。另外，在人工執(zhí)行時，正交平面可能不是正確的，從而引入誤差。在縱向研究中再現(xiàn)相同的正交切面方位也可能被證明是困難的。最后，所進行的人工測量可能不是正確的，因為它依賴于用戶主觀確定連通哪些點來形成最大直徑。
一種方法采用三維水平集來分割管腔以及脈管邊界。對于脈管邊界采用一種停止準則，該停止準則基于主動脈表面是平滑和圓形的假設(shè)。生成中心線以計算正交MPR。
另一種方法是一種主動形狀模型公式化(active shape model formulation)，其中通過使鄰接的切片相關(guān)而不是訓(xùn)練數(shù)據(jù)來限定界標。該模型人工地被初始化并且兩切片模型沿主動脈一次爬移一個切片。焦點在腹主動脈上，其中脈管的中心軸大約垂直于圖像層疊，并且因此不需要計算中心線，但需要訓(xùn)練集并且由于主動脈切面通常為圓形的而冒變化模式簡并的風險。
另一種方法是利用結(jié)合基于非參數(shù)區(qū)域信息的測地線主動區(qū)域模型(Geodesic Active Region Model)來分割腦中的動脈瘤。然而，在該領(lǐng)域中，挑戰(zhàn)來自于脈管的形態(tài)學(xué)，相比于主動脈，腦血管更詳細和復(fù)雜，并且不致力于血栓癥的論點。


發(fā)明內(nèi)容
這里所描述的本發(fā)明的示例性實施例主要包括用于通過半自動地確定主動脈(管腔)的中心線并重構(gòu)一系列正交于該中心線的圖像來自動分割主動脈切面的方法和系統(tǒng)。利用修改的等周分割算法自動分割脈管切面。由于血栓癥、鈣化、以及脈管壁和周圍結(jié)構(gòu)之間在灰度方面的相似性引起的挑戰(zhàn)，分割可能是用戶編輯的。從所編輯的分割來構(gòu)建主動脈的三維模型。最后，記錄兩個圖像體積以利于后續(xù)研究。
依據(jù)本發(fā)明的實施例，達到完全覆蓋主動脈是可能的。對于一個實習(xí)臨床醫(yī)生被約束僅僅幾分鐘檢查一項研究不是罕見的。采用依據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)，臨床醫(yī)生在數(shù)秒內(nèi)可獲取整個脈管的一系列最佳的、可再現(xiàn)的正交切面，所述整個脈管對于任何不規(guī)則性都可能可視地被診察。另外，用戶可以分割這些切面并使自動計算所保證的最大直徑。隨著三維模型的產(chǎn)生，估計壁應(yīng)力、壁勁度等的功效、以及容量特征成為可能。在三維模型被構(gòu)建后，擴張規(guī)劃是可能的并且該階段被設(shè)置用來計算破裂風險指標，例如壁應(yīng)力(結(jié)合血壓讀數(shù))。最后，通過配準，同一主動脈在不同時間點的并排比較變得簡明。由于監(jiān)控有風險的主動脈瘤和修復(fù)過的主動脈都是平常事，所以這個特征是有價值的。
依據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于自動分析主動脈瘤的方法，其包括提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，其中所述圖像包含在三維體素網(wǎng)格上所定義的多個強度，確定所述圖像內(nèi)的哪些體素很可能為管腔體素，確定所述管腔體素距主動脈邊界的距離，基于所述管腔體素距離在所述圖像體積中找到主動脈的中心線，構(gòu)建一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面，在每個所述MPR圖像平面內(nèi)分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每個MPR圖像內(nèi)，并且從主動脈壁位置構(gòu)建主動脈的三維模型。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法包括在所述主動脈中提供兩個輸入體素以初始化所述中心線。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，其中所述體素之一在主動脈基底(base)附近，而另一體素在髂骨(iliac)分叉附近。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，確定哪些體素可能是管腔體素包括利用對在每個輸入體素附近的強度分布的高斯估計量來計算直方圖，并相對于屬于主動脈管腔的似然性來閾值化(thresholding)每個體積體素。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，找到主動脈的中心線包括在來自與所述主動脈邊界具有最大距離的那些管腔體素的所述輸入體素之間形成一條路徑。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法包括平滑所述中心線。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述MPR圖像平面中分割主動脈切面包括確定使所述主動脈的切面和其邊界的等周比最小的圖像劃分S、
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，使所述等周比最小包括通過拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度，所述拉普拉斯矩陣L的元由像素i、j通過由拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度來定義，所述拉普拉斯矩陣L的元由像素i、j通過
來定義，其中eij表示連通相鄰體素i，j的邊，w(eij)是邊eij的由所定義的加權(quán)，其中DL是所估計的管腔分布，DT是所估計的血栓分布，di是體素i的通過累加連通所述體素的邊的加權(quán)所定義的度，和最小化成本函數(shù) 其中d是體素度的矢量，x是通過
所定義的劃分指標函數(shù)，U表示具有一致加權(quán)的拉普拉斯矩陣，u表示具有一致加權(quán)的圖形的度的矢量，并且γ是圓度參數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，最小化所述成本函數(shù)包括選擇對應(yīng)于中心線與MPR的相交的節(jié)點作為基本體素(ground voxel)vg，消除對應(yīng)于vg的行/列以形成簡化的拉普拉斯和度矢量L0、d0，解L0x0＝d0求x0容許x取任何實數(shù)值，并且在產(chǎn)生對應(yīng)于最低等周比的劃分的值處閾值化劃分指標x。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，該方法包括利用K均值方法使管腔和血栓體素與背景體素分離。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種自動分析主動脈瘤的方法，其包括提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，其中所述圖像包含在三維體素網(wǎng)格上所定義的多個強度，在所述圖像體積內(nèi)找到主動脈的中心線，構(gòu)建一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面，采用K均值方法使主動脈管腔和血栓體素與背景體素分離，通過找到使所述主動脈切面和其邊界的等周比最小的圖像劃分S、

在每個所述MPR圖像平面內(nèi)分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每個MPR圖像內(nèi)，并且從所述主動脈壁位置構(gòu)建主動脈的三維模型。
依據(jù)本發(fā)明的再一方面，找到所述主動脈中心線包括在所述主動脈中提供兩個輸入體素以初始化所述中心線，利用對在每個輸入體素附近的強度分布的高斯估計量來計算直方圖，相對于屬于主動脈管腔的似然性來閾值化每個體積體素，其中管腔(luimen)體素被識別，確定所述管腔體素與主動脈邊界之間的距離，并且在來自距所述主動脈邊界具有最大距離的那些管腔體素的所述輸入體素之間形成一條路徑，其中所述路徑形成中心線。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供計算機可讀程序存儲裝置，有形地體現(xiàn)計算機可執(zhí)行的指令的程序以執(zhí)行用于自動分析主動脈瘤的方法步驟。



圖1(a)-(c)描述了依據(jù)本發(fā)明實施例的分割過程的連續(xù)階段。
圖2為一表格，顯示依據(jù)本發(fā)明實施例用于評估原型的采樣結(jié)果。
圖3描述了依據(jù)本發(fā)明實施例從圖2的表格內(nèi)的數(shù)據(jù)重建的主動脈。
圖4是依據(jù)本發(fā)明實施例的中心線計算方法的流程圖。
圖5是依據(jù)本發(fā)明實施例被應(yīng)用于圖像分割的等周算法的流程圖。
圖6是依據(jù)本發(fā)明實施例用于實施根據(jù)計算機斷層血管造影采集自動分割主動脈切面的方法的示例性計算機系統(tǒng)的框圖。

具體實施例方式 這里描述的本發(fā)明的示例性實施例通常包括用于根據(jù)計算機斷層血管造影術(shù)采集自動分割主動脈切面的系統(tǒng)和方法。因此，盡管本發(fā)明易于有各種變型和替代形式，但在附圖中以實例的方式顯示其特定的實施例并將在這里進行詳細描述。但是，應(yīng)當明白的是，無意于將本發(fā)明限定到所公開的特定形式，而相反，本發(fā)明將涵蓋落入本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有變型、等價方案和替代方案。
如同這里使用的，術(shù)語“圖像”指由離散圖像元素(例如，二維圖像的像素和三維圖像的體素)組成的多維數(shù)據(jù)。例如，圖像可以是計算機X線斷層攝影、磁共振成像、超聲、或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何其它醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)所收集的患者醫(yī)學(xué)圖像。該圖像也可以被提供自非醫(yī)學(xué)上下文，比如舉例來說，遙感系統(tǒng)、電子鏡檢術(shù)等等。盡管可以認為圖像是R3到R的函數(shù)，但本發(fā)明的方法并不局限于這些圖像，并可以用于任何維數(shù)的圖像，例如，二維圖片或三維體積。對于二維或三維圖像，圖像的域典型地是二維或三維矩形陣列，其中可以參照一組2個或3個相互正交的軸對每個像素或體素定址。如同這里使用的術(shù)語“數(shù)字的”和“數(shù)字化的”將涉及通過數(shù)字采集系統(tǒng)或通過從模擬圖像的轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)字或數(shù)字化格式的圖像或體積，視情況而定。
依據(jù)本發(fā)明實施例，用于自動分割主動脈切面的方法確定主動脈(管腔)的中心線，重構(gòu)與該中心線正交的一系列圖像，并且利用修改的等周分割算法自動分割脈管切面。
圖4是依據(jù)本發(fā)明實施例的中心線計算方法的流程圖。在步驟41通過交互式地提供兩個點來初始化中心線計算，其中一個在主動脈基底處，而另一個在髂骨分叉附近。從這兩個點，在步驟42利用對輸入點的小鄰域內(nèi)的強度分布的標準高斯核估計量來估計管腔強度的強度分布。繼管腔強度分布估計之后，在步驟43相對于每個體素強度屬于主動脈管腔的似然性來閾值化體積內(nèi)的體素。對于被認為是管腔體素的那些體素，在步驟44計算距離變換，該距離變換估計每個管腔體素距主動脈邊界的距離。主動脈中心線將包括那些具有最大距離值的體素，并且在步驟45可以從那些具有最大距離值的管腔體素中構(gòu)建在兩個輸入點之間的路徑。該路徑作為主動脈管腔中心線被輸出，所述主動脈管腔中心線然后在步驟46被平滑。
在步驟47將圖像體積重新采樣成法向于中心線的一系列多平面重構(gòu)(MPR)。中心線與這些圖像的相交在管腔的中心、主動脈的通道部分中形成一個點。這用作主動脈邊沿分割的輸入。
分割整個脈管邊沿以確定最大主動脈直徑。在存在血栓(血栓為主動脈內(nèi)血凝塊)的情況下，由于主動脈(包括尖銳的內(nèi)邊界)內(nèi)強度的雙峰分布以及附近混雜結(jié)構(gòu)(例如膈膜、靜脈、分支脈管)的存在，這種邊沿分割是具有挑戰(zhàn)性的。
依據(jù)本發(fā)明實施例的分割方法考慮下列因素(1)可以估計管腔和血栓強度；(2)應(yīng)當采用一種能夠切割弱連通混雜結(jié)構(gòu)的算法；(3)可以假定主動脈切面通常為圓形的；以及(4)可以得到在管腔中來自中心線相交的點。
為了從背景體素中分離出管腔和血栓體素，采用K均值(K-means)算法以在圖像中聚類不同的強度組。K均值算法是基于屬性將對象聚類成k劃分的算法。其是期望最大化算法的變型，其中目標是確定從高斯分布所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的k均值。算法的目的是最小化總簇內(nèi)方差(intra-cluster variance)或平方誤差函數(shù) 其中有k個組Si，i＝1，2，...，k，和μi是所有點xj∈Si的形心或均值點。通過將輸入點劃分成k個初始集，隨機地或利用一些啟發(fā)式數(shù)據(jù)來開始該算法。然后計算每個集的均值點或形心。通過使每個點與最近的形心相關(guān)聯(lián)來構(gòu)建新的劃分。然后為新的簇重新計算形心，并且通過交替應(yīng)用這兩個步驟重復(fù)算法直到收斂為止，其中當這些點不再變換簇時或可替代地當形心基本不變化時，達到該收斂。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在“Isoperimetric Graph Partitioning for ImageSegmentation”(Leo Grady和Eric L.Schwartz，IEEE Trans.on Pattern Analysisand Machine Intelligence，vol.28，no.3，pp.469-475，March 2006，其內(nèi)容在此結(jié)合引用)中所公開的等周分割算法是很好的候選，因為其將輸入作為單一點并且能夠正確地切割弱連通混雜結(jié)構(gòu)。不過，該算法并不能(在加權(quán)圖上)促進分割的圓度，并且因此需要修正。
在圖形理論概念方面描述了等周分割算法，因此下面描述這些概念。圖像能夠被公式化為圖形G＝(V，E)，具有對應(yīng)于頂點(節(jié)點)v∈V和邊e∈EV×V的體素?？邕^兩個頂點vi和vj的邊e由eij表示。令n＝|V|和m＝|E|，其中||表示基數(shù)(cardinality)。加權(quán)圖具有被分配給每個邊的被稱為加權(quán)的值(一般為非負和實數(shù))。邊eij的加權(quán)由w(eij)或wij來表示。頂點vi的度表示為di，為示例性的邊加權(quán)根據(jù)由邊跨過的兩個節(jié)點(體素)的強度差來定義。
對于固定面積，典型的等周問題試圖找到具有最小周長的區(qū)域。更正式地，等周常數(shù)是在所有可能區(qū)域S上區(qū)域S的邊界的面積與其體積之比的最小值 直觀地，劃分尋求提供與其外界有小邊界的大的區(qū)域。也就是說，其切割弱連通結(jié)構(gòu)，例如瓶頸。集S的邊界被定義為其中

表示該集的補集，并且 圖形的體積可以被定義為其中di是以上所定義的頂點度。在計算等周比中，一致強度的區(qū)域優(yōu)選于擁有大量像素的區(qū)域。
等周比可以表示成矩陣形式。開始，定義一個指標矢量x，其在每一節(jié)點處取二進制值
注意的是，x的規(guī)定可以被認為是一種劃分(partition)。定義圖形的n×n矩陣L為
符號Lvivj或更簡單地Lij用于表示矩陣L是通過頂點vi和vj來進行索引的。該矩陣不同地被公知為導(dǎo)納矩陣(admittance matrix)或拉普拉斯矩陣。
于是，通過定義L，|S|＝xTLx，和Vols＝xTd，其中d是節(jié)點度的矢量。因此在集S具有固定體積Vols＝xTd＝k的約束條件下，圖形G的等周比可以根據(jù)指標矢量被重寫為 給定指標矢量x，h(x)表示與由x所規(guī)定的劃分相關(guān)的等周比。主動脈壁的分割包括找到劃分S，其中SV將主動脈上皮層從周圍組織中分離出來。
可以表明，如上通過利用一致的有關(guān)(incident)加權(quán)最小化h(x)所給出的解獲得一個圓、即等周問題的典型解，由其啟發(fā)了算法。因此，可以將來自等周算法的上述項與圓度項 相結(jié)合，其中U表示具有一致加權(quán)的拉普拉斯矩陣，而u表示具有一致加權(quán)的圖形的度矢量。該最小化導(dǎo)致具有通過將常數(shù)γ加到所有加權(quán)上所修改的加權(quán)的標準等周算法的解。參數(shù)γ控制強加在解上的圓度的水平，其中在圖像的內(nèi)容方面，γ＝0表示對于圓不優(yōu)選，而γ＝∞迫使解為圓。依據(jù)本發(fā)明的實施例，通過設(shè)定γ＝0.03能夠?qū)崿F(xiàn)很好的平衡。
經(jīng)由引入拉格朗日乘數(shù)λ并且放寬對x的二進制定義以取非負實數(shù)值通過最小化成本函數(shù) Q(x)＝xTL′x-λ(xTd-k) 來使等周比的約束優(yōu)化自由變化。
因為L′是正的半無限的和xTd是非負的，Q(x)對于任何臨界點將是最小的。相對x對Q(x)求微分并且設(shè)置為最小值得到 (1)2L′x＝λd。
因此，找到使Q(x)最小(最小劃分)的x簡化到求解線性系統(tǒng)。由此標量乘數(shù)2和標量λ被略去，因為只有解的相關(guān)值是重要的，并且L上的撇號被消除。
不幸的是，矩陣L是奇異的所有行和列共計為零，因此找到對(1)的唯一解需要另外的約束條件。
假設(shè)圖形是連通的，因為如果曲線圖是非連通的(即，g(x)＝0)，那么最佳劃分顯然是分別連通的分量。注意的是，通常具有c個連通分量的圖形將對應(yīng)于一個具有秩(n-c)的矩陣L。如果任意指定節(jié)點vg以包含在S中(即固定xg＝0)，則在(1)中通過消除L的第g行和列(由L0表示)、x和d的第g行(由x0和d0表示)來反映，使得 (2)L0x0＝d0， 它是非奇異的方程組。
解(2)求x0得到通過設(shè)定閾值可被轉(zhuǎn)換成劃分的實數(shù)值解?？梢员砻?，對于任何選定的閾值，包含該對應(yīng)于L的所消除的行和列的節(jié)點的劃分必須是連通的，即對應(yīng)于小于所選擇的閾值的x0值的節(jié)點形成連通分量。
依據(jù)本發(fā)明實施例，圖5是被應(yīng)用于圖像分割的等周算法的流程圖。參照該圖，該算法開始于在步驟51提供法向于中心線的二維MPR圖像。
在步驟52，K均值算法被應(yīng)用于使管腔和血栓體素與背景體素分離。K的示例性的非限制性值為5。從中心線點的位置獲知對應(yīng)于管腔強度的均值，并且通過尋找靠近中心線、但不屬于管腔均值的均值來選擇血栓均值。如果屬于該均值的體素數(shù)太小或落在似是而非的血栓強度的所知道的范圍之外，則均值被舍棄不表示血栓。
在步驟53，相鄰像素i和j之間的加權(quán)(相似性)由 來定義，其中DL為所估計的管腔分布，DT為所估計的血栓分布，而γ為以上所定義的圓度，并且L矩陣從加權(quán)被建立。注意的是，將低加權(quán)給予連通管腔或血栓頂點與非管腔或非血栓頂點的邊。
在步驟54，選擇基本節(jié)點為在中心線上與切片相交的點并且從拉普拉斯中排除相應(yīng)的行和列以確定L0和d0。在步驟55解公式L0x0＝d0來求x0。
在步驟56，在給予對應(yīng)于最低等周比的劃分的值時來閾值化勢(potential)x。在步驟58，該算法循環(huán)來為剩余MPR重復(fù)步驟51-56。最后，在步驟59，從所分割的MPR序列構(gòu)建主動脈的三維模型。
為了在步驟55中求解L0x0＝d0，x的二進制定義可以被擴展到實數(shù)。因此，為了將解x轉(zhuǎn)換為劃分，執(zhí)行步驟56。利用閾值可以完成勢矢量向劃分的轉(zhuǎn)換。切割值為值α，使得S＝{vi|xi≤α}并且S和

這種方式的劃分可以被稱為切割。這種閾值化操作從勢矢量x產(chǎn)生了劃分。應(yīng)當注意的是，連通圖對應(yīng)單調(diào)的L0，因此L0-1≥0。這個結(jié)果于是意味著X0＝L0-1d0≥0。然后，選擇一個閾值使得所得到的劃分具有最低的可用等周比(比例切割)。
圖1(a)-(c)說明了分割過程的連續(xù)階段。左邊圖像、圖1(a)顯示了展示血栓形成的主動脈的輸入圖像、切面圖像。中心圖像、圖1(b)顯示了像素屬于主動脈的(聯(lián)合)概率圖(加權(quán)基于所述概率圖，即這是通過修改的等周算法的圖像)。最右邊的圖、圖1(c)顯示了具有所包含的初始中心點的圖像的分割，其中斑點11表示中心線的穿入的位置，而環(huán)12表示所得到的分割邊沿的位置。注意的是，最右邊的圖像已經(jīng)變白以提高與該分割的對比。
根據(jù)本發(fā)明實施例的方法利用各自分別在六個月到1.5年所獲得的(時間1和時間2)兩個圖像體積在四個病人身上得到確認。在2002年2月到2005年12月之間利用4切片(Volume Zoom，Siemens Medical Solutions)、16切片(Sensation 16，Siemens)和/或64切片(Sensation 64，Siemens)CT系統(tǒng)對病人成像至少兩次。對比增強的、非門控螺旋檢查通常用于在單次屏氣中對胸主動脈成像。不相重疊的3mm厚的切片被重構(gòu)。
專家放射科醫(yī)師人工地(通過雙斜位)重排了時間1數(shù)據(jù)集以獲得切面并且人工地利用虛擬測徑儀沿主動脈在9個點測量了主動脈直徑。時間1和時間2數(shù)據(jù)集都被加載到依據(jù)本發(fā)明實施例的原型(prototype)，該原型記錄了這兩個數(shù)據(jù)集并且產(chǎn)生了中心線。專家滾動穿過自動產(chǎn)生的切面到大致與以前相同的點，并人工地測量了直徑以及在兩個時間點產(chǎn)生自動的直徑。在圖2中所描述的表格中示出一個病人的示例性數(shù)據(jù)集。在圖3中示出了利用該數(shù)據(jù)從該病人所構(gòu)建的主動脈的三維模型。
現(xiàn)在參考圖2，從左到右，標記“Man X/Man Diam”的第一列顯示對時間1圖像體積的人工切面/人工直徑測量。標記“Auto X/Man Diam”的第二列顯示對時間1圖像體積的自動切面/人工直徑測量。標記“Auto X/Auto Diam”的第三列顯示對時間1圖像體積的自動切面/自動直徑測量。后兩列以類似方式被標記。
在Man X/Man Diam和Auto X/Man Diam之間的平均差對于時間1而言在全部的病人上是0.197+/-0.152cm。在Man X/Man Diam的情況下平均起來有符號的差較大地是0.136+/-0.209cm。這表明本發(fā)明實施例的自動中心線方法平均起來在找到與脈管正交的圖像平面是更好的。脈管直徑的測量從不小于在真實的正交切面時。對于Auto X\Man Diam和Auto X\Auto Diam在全部圖像體積上的差是0.342+/-0.245cm。每一個圖像平均起來需要0.52修訂。
依據(jù)本發(fā)明的實施例的方法能夠產(chǎn)生時間節(jié)約。平均起來，對于專家放射科醫(yī)師大約花費15分鐘執(zhí)行單一數(shù)據(jù)集的人工雙斜位采樣。利用依據(jù)本發(fā)明的實施例的樣機，專家放射科醫(yī)師能夠在10分鐘內(nèi)可視地分析和測量來自同一病人并且完全覆蓋主動脈的兩個圖像采集。
由專家放射科醫(yī)師所選擇用以比較的點通常位于主動脈的分叉附近。這些分叉點使得當進行人工分析時更容易一致性地比較相同的位置，但是使自動分割更錯綜復(fù)雜，因為該分割可能使出血到鄰接的脈管中。
應(yīng)當理解的是，本發(fā)明能夠以不同的硬件、軟件、固件、專用過程或其組合來實現(xiàn)。在一個實施例中，本發(fā)明能夠以軟件作為在計算機可讀程序存儲裝置上可有形體現(xiàn)的應(yīng)用程序來實現(xiàn)。應(yīng)用程序能夠被上載到包含任何合適體系結(jié)構(gòu)的機器上并且通過其來執(zhí)行。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用以實現(xiàn)根據(jù)計算機斷層血管造影采集自動分割主動脈切面的方法的示例性計算機系統(tǒng)的方框圖?，F(xiàn)在參看圖6，用以實現(xiàn)本發(fā)明的計算機系統(tǒng)61尤其能夠包括中央處理單元(CPU)62、存儲器63和輸入/輸出(I/O)接口64。計算機系統(tǒng)61通常通過I/O接口64耦合到顯示器65和諸如鼠標和鍵盤的各種輸入裝置66。支持電路能夠包括諸如高速緩沖存儲器、電源、時鐘電路的電路和通信總線。存儲器63能夠包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、磁盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器等等或其組合。本發(fā)明能夠作為例行程序67進行實現(xiàn)，該例行程序被存儲在存儲器63中并且通過CPU 62執(zhí)行，以處理來自信號源68的信號。同樣地，計算機系統(tǒng)61是當執(zhí)行本發(fā)明的例行程序67時變成專用計算機系統(tǒng)的通用計算機系統(tǒng)。
計算機系統(tǒng)61也包括操作系統(tǒng)和微指令編碼。在此處所描述的各種各樣的過程與功能或者是微指令編碼的一部分或者是通過操作系統(tǒng)執(zhí)行的應(yīng)用程序(或者其組合)的一部分。此外，各種各樣的其它外圍設(shè)備能夠連接到計算機平臺，諸如附加的數(shù)據(jù)存儲裝置和打印裝置。
應(yīng)當進一步理解的是，因為在附圖中描述的一些組成系統(tǒng)部件和方法步驟能夠以軟件實現(xiàn)，所以在系統(tǒng)部件(或過程步驟)之間的實際連接根據(jù)本發(fā)明被編程的方式可能是不同的。給定這里所提供的本發(fā)明教導(dǎo)，相關(guān)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將能夠預(yù)期本發(fā)明的這些和類似的實施或配置。
雖然參照優(yōu)選實施例詳細描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)當理解的是能夠產(chǎn)生對其的各種各樣的修改和替代而不脫離如所附的權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種自動分析主動脈瘤的方法，包括以下步驟
提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，其中所述圖像包括在三維體素網(wǎng)格上所定義的多個強度；
確定所述圖像中的哪些體素可能是管腔體素；
確定所述管腔體素距主動脈邊界的距離；
基于所述管腔體素的距離在所述圖像體積中找到主動脈的中心線；
構(gòu)建一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面；
在每個所述MPR圖像平面中分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每個MPR圖像中；以及
從所述主動脈壁位置構(gòu)建主動脈三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括在所述主動脈中提供兩個輸入體素以初始化所述中心線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述體素之一靠近主動脈的基底，而另一體素靠近髂骨分叉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中確定哪些體素可能是管腔體素包括利用對在每個輸入體素附近的強度分布的高斯估計量來計算直方圖，并且相對于每個屬于主動脈管腔的似然性來閾值化每個體積體素。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中找到主動脈的中心線包括在來自距所述主動脈邊界具有最大距離的那些管腔體素的所述輸入體素之間形成一條路徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括平滑所述中心線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在所述MPR圖像平面中分割主動脈切面包括找到使所述主動脈的切面和其邊界的等周比最小的圖像劃分S、
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中最小化所述等周比包括通過拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度，所述拉普拉斯矩陣L的元由體素i，j通過由拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度來定義的，所述拉普拉斯矩陣L的元由體素i，j通過
來定義，其中eij表示連通相鄰體素i，j的邊，W(eij)是邊eij的通過
所定義的加權(quán)，其中DL為所估計的管腔分布，DT為所估計的血栓分布，di為體素i的通過累加連通所述體素的邊的加權(quán)所限定的度，并且最小化成本函數(shù)
其中d為體素度的矢量，x為通過
所定義的劃分指標函數(shù)，U表示具有一致加權(quán)的拉普拉斯矩陣，u表示具有一致加權(quán)的圖形的度的矢量，而γ為圓度參數(shù)。
9.權(quán)利要求8的方法，其中最小化所述成本函數(shù)包括選擇對應(yīng)于中心線與MPR的相交的節(jié)點作為基本體素vg，消除對應(yīng)于vg的行/列以形成簡化的拉普拉斯和度矢量L0、d0，解L0x0＝d0求x0容許x取任何實數(shù)值，并且在產(chǎn)生對應(yīng)于最低等周比的劃分的值處閾值化該劃分指標x。
10.權(quán)利要求1的方法，進一步包括利用K均值方法使管腔和血栓體素與背景像素分離。
11.一種用于自動分析主動脈瘤的方法，包括以下步驟
提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，其中所述圖像包含在三維體素網(wǎng)格上所定義的多個強度；
在所述圖像體積內(nèi)找到主動脈的中心線；
構(gòu)建一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面；
利用K均值方法使管腔和血栓體素與背景體素分離；
通過找到使所述主動脈的圓形切面和其邊界的等周比最小的圖像劃分S、
在每個所述MPR圖像平面中分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每個MPR圖像內(nèi)；并且
從所述主動脈壁位置構(gòu)建主動脈的三維模型。
12.權(quán)利要求11的方法，其中找到所述主動脈中心線包括
在所述主動脈中提供兩個輸入體素以初始化所述中心線；
利用對在每個輸入體素附近的強度分布的高斯估計量來計算直方相對于屬于主動脈管腔的似然性來閾值化每個體積體素，其中管腔體素被識別；
確定所述管腔體素距主動脈邊界的距離；并且
在來自距所述主動脈邊界具有最大距離的那些管腔體素的所述輸入體素之間形成一條路徑，其中所述路徑形成中心線。
13.計算機可讀程序存儲裝置，有形地體現(xiàn)由計算機可執(zhí)行的指令的程序以執(zhí)行用于自動分析主動脈瘤的方法步驟，包括以下步驟
提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，其中所述圖像包含在三維體素網(wǎng)格上所定義的多個強度；
確定在所述圖像內(nèi)哪些體素可能為管腔體素；
確定所述管腔體素距主動脈邊界的距離；
基于所述管腔體素距離在所述圖像體積中找到主動脈的中心線；
構(gòu)建一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面；
在每個所述MPR圖像平面內(nèi)分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每個MPR圖像內(nèi)；并且
從所述主動脈壁位置構(gòu)建主動脈的三維模型。
14.權(quán)利要求13的計算機可讀程序存儲裝置，所述方法進一步包括在所述主動脈中提供兩個輸入體素以初始化所述中心線。
15.權(quán)利要求14的計算機可讀程序存儲裝置，其中所述體素之一在主動脈基底附近，而另一體素在髂骨分叉附近。
16.權(quán)利要求14的計算機可讀程序存儲裝置，其中確定哪些體素可能是管腔體素包括利用對在每個輸入體素附近的強度分布的高斯估計量來計算直方圖，并相對于屬于主動脈管腔的似然性來閾值化每個體積體素。
17.權(quán)利要求14的計算機可讀程序存儲裝置，其中找到主動脈的中心線包括在來自距所述主動脈邊界具有最大距離的那些管腔體素的所述輸入體素之間形成一條路徑。
18.權(quán)利要求13的計算機可讀程序存儲裝置，所述方法進一步包括平滑所述中心線。
19.權(quán)利要求13的計算機可讀的程序存儲裝置，其中在所述MPR圖像平面中分割主動脈切面包括找到使所述主動脈的切面和其邊界的等周比最小的圖像劃分S、
20.權(quán)利要求19的計算機可讀的程序存儲裝置，其中使所述等周比最小包括通過拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度，所述拉普拉斯矩陣L的元由像素i、j通過由拉普拉斯矩陣L表示所述管腔強度來定義的，所述拉普拉斯矩陣L的元由像素i、j通過
來定義，其中eij表示連通相鄰像素i，j的邊，w(eij)是邊eij的通過所定義的加權(quán)，其中DL是所估計的管腔分布，DT是所估計的血栓分布，di是體素i的通過累加連通所述體素的邊的加權(quán)所定義的度，和最小化成本函數(shù)
其中d是體素度的矢量，x是由
所定義的劃分指標函數(shù)，U表示具有一致加權(quán)的拉普拉斯矩陣，u表示具有一致加權(quán)的圖形的度的矢量，和γ是圓度參數(shù)。
21.權(quán)利要求20的計算機可讀程序存儲裝置，其中最小化所述成本函數(shù)包括選擇對應(yīng)于中心線與MPR的相交的節(jié)點作為基本體素vg，消除對應(yīng)于vg的行/列以形成簡化的拉普拉斯和度矢量L0、d0，解L0x0＝d0求出x0容許x取任何實數(shù)值，并且在產(chǎn)生對應(yīng)于最低等周比的劃分的值處閾值化該劃分指標x。
22.權(quán)利要求13的計算機可讀程序存儲裝置，該方法進一步包括利用K均值方法使管腔和血栓體素與背景體素分離。
全文摘要
一種用于自動分析主動脈瘤的方法包括提供主動脈的數(shù)字化三維圖像體積，確定(42、43)所述圖像中哪些體素可能是管腔體素，確定(44)所述管腔體素與主動脈邊界的距離，基于所述管腔體素的距離在所述圖像體積中找到(45)主動脈的中心線，構(gòu)造一系列與該中心線正交的二維多平面重建(MFR)圖像平面，在每個所述MPR圖像平面中分割主動脈切面，其中主動脈壁位于每一個MPR圖像中，并且從所述主動脈壁位置構(gòu)建主動脈的三維模型。
文檔編號A61B19/00GK101152104SQ20071012885
公開日2008年4月2日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者L·格拉迪, T·奧唐納爾, O·博杜爾, R·M·塞特塞爾, G·芬卡-李, A·E·斯蒂爾曼 申請人:美國西門子醫(yī)療解決公司, 克里夫蘭診所基金會