專利名稱：包括局部加權插值的擴散量磁共振成像的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維成像技術。本發(fā)明尤其涉及通過擴散張量磁共振成像(DT-MRI)對神經(jīng)纖維及纖維束的成像、跟蹤和顯示，并將以其為具體參照來進行描述。但是，本發(fā)明還可在結合其它類型纖維結構的跟蹤和圖形再現(xiàn)上找到應用，同樣還可以應用在諸如單光子發(fā)射計算機體層攝影成像(SPECT)、計算機體層攝影(CT)、正電子發(fā)射體層顯像(PET)等等之類其它成像的物理方式上。
背景技術：
人類和其它哺乳動物的神經(jīng)組織包括多個具有伸長的軸突部分的神經(jīng)元，所述伸長的軸突部分被安排形成神經(jīng)纖維或纖維束，沿著它們傳送電化學信號。例如在腦子里，由很高神經(jīng)密度所確定的功能區(qū)典型地是由結構上復雜的軸突纖維束的神經(jīng)網(wǎng)絡連接的。所述軸突纖維束和其它纖維材料主要被其它組織所包圍。
神經(jīng)疾病的診斷、腦部手術的計劃和其它與神經(jīng)上相關的臨床活動以及腦功能研究都能從所述軸突纖維和纖維束的非侵入性成像和跟蹤中獲益。特別地，擴散張量磁共振成像(DT-MRI)已表明，可以提供與軸突纖維束相關的圖像對比度。在所述DT-MRI技術中，在激勵/成像序列中要施加擴散敏感的磁場梯度，以便所述磁共振圖像包括與水或其它流體分子的擴散有關的對比度。通過在所述激勵/成像序列的選定方向上施加所述擴散梯度，可以獲得擴散的加權圖像，從所述圖像可以得到在圖像空間上每個體素位置的表面擴散張量系數(shù)。
與沿著和所述軸突纖維束部分或完全垂直的方向相比，流體分子沿著所述軸突纖維束的方向更容易擴散。因此，所述表面擴散系數(shù)的方向性和各向異性傾向于與所述軸突纖維和纖維束的方向有關。
從DT-MRI圖像提取纖維結構信息的計算量很大，對于臨床上有價值的圖像、體積、模型或參數(shù)，其處理時間典型地從幾十分鐘延續(xù)到一個小時。為了使得處理時間保持在合理范圍內并提高信噪比，對于纖維結構跟蹤通常獲取相對較低分辨率的圖像。例如，典型情況是體積為30-40個斷層，每層具有線性重構體素維度大約為2mm的128×128個體素，斷層分辨率是2mm。這種相對較粗的分辨率在顯示再現(xiàn)時影響所跟蹤纖維表示的外觀。由于所述纖維結構跟蹤通常以三維的方式執(zhí)行，所以在所獲圖像分辨率中的每個因子增加為2倍，則相應地在計算時間和存儲器使用率上增加為大約8倍。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種克服了上述及其它缺點的改進的裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了用于對包括各向異性結構的受驗對象成像的成像方法。對于包括至少若干各向異性結構的受驗對象，獲得至少它的一部分的三維表面擴散張量圖。表面擴散張量是在體素上進行處理的，以便得到特征矢量和特征值。三維纖維表示的提取使用了所述特征向量和特征值。在所述提取過程中，在所述纖維表示附近的至少一個所選的維度上對各體素進行局部插值。所述插值包括用一個表示局部各向異性的參數(shù)對所插值的體素加權。所述插值產(chǎn)生一個比所獲張量圖有更高分辨率的三維纖維表示。產(chǎn)生所述三維纖維表示的人們可視的顯示。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于在受驗對象內跟蹤纖維結構的裝置。提供了用于獲得擴散張量圖的裝置。提供了用于確定對應于各體素的所述擴散張量的有序特征值和特征向量的裝置。提供了用于根據(jù)體素特征值和特征向量以及對至少一個起始體素的選擇來計算纖維結構表示的跟蹤裝置。提供了與所述跟蹤裝置協(xié)作的插值裝置，該插值裝置用于在計算所述纖維結構表示期間通過對所述纖維結構附近的各體素作局部插值來提高所述纖維表示的分辨率。提供了用于以人們可視的方式顯示所述纖維結構表示的至少一部分的顯示裝置。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于改進了所述被跟蹤的纖維表示的平滑度。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于提高了計算速度，并減少了存儲器的用量。
本發(fā)明的再一優(yōu)點在于利用更高的分辨率提高了跟蹤精度。
對于本領域的普通技術人員來說，在讀了后面優(yōu)選實施例的詳細描述的之后，本發(fā)明的許多另外的優(yōu)點和好處將變得顯而易見。
本發(fā)明可以具體化為各種組件和各組件的配置的形式，以及以各種步驟和各步驟的安排的形式。所述附圖只是為了說明優(yōu)選實施例的目的，而不應解釋成為限制本發(fā)明。


圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示范性的磁共振(MRI)成像技術。
圖2圖示說明了所述擴散系數(shù)張量的特征向量和特征值以及它們與軸突纖維或纖維束的關系。
圖3是所述纖維跟蹤的二維圖解表示。
圖4示出了一個示范性過程，該過程用于獲得磁共振成像數(shù)據(jù)的擴散張量和用于計算表面擴散系數(shù)張量圖、得到特征值和特征向量并對其排序、以及作出各向異性圖。
圖5示出包括局部加權插值的示范性纖維跟蹤過程。
具體實施例方式
參考圖1，磁共振成像(MRI)掃描儀10典型地包括超導或電阻性磁體12，所述磁體12沿著z軸穿過檢查區(qū)14產(chǎn)生一個充分均勻、時間上恒定的主磁場B0。盡管圖1示出的是腔型磁體，但是本發(fā)明同樣適用于開放式磁體系統(tǒng)和其它類型的MRI掃描儀。成像的進行是通過執(zhí)行一個磁共振激勵，并執(zhí)行關于正被成像的受驗對象的一個讀出序列，所述受驗對象例如是病人16，他至少部分被放置在所述檢查區(qū)14里面，典型地在所述磁體等值中心的相關區(qū)域。對于腦區(qū)域的擴散張量MRI成像，所述病人的頭優(yōu)選地放置于正如所示出的所述等值中心。
所述磁共振序列包括一系列RF和磁場梯度脈沖，它們被施加到所述受驗對象16上，以便翻轉或激勵磁自旋、引起磁共振、對磁共振重聚焦、操作磁共振、空間編碼、對磁共振進行流動或擴散編碼、使自旋飽和等等。更具體地，梯度脈沖放大器20對梯度線圈組22的整體施加電流脈沖，以便沿著所述檢查區(qū)14的x、y和z軸產(chǎn)生磁場梯度。在擴散加權MRI中，應用選擇的磁場梯度以便在所選方向上提供對流體分子運動敏感的運動相關對比度。
RF發(fā)射機24優(yōu)選是數(shù)字式的，它施加RF脈沖或脈沖群到整體RF線圈26，以便發(fā)射RF脈沖進入所述檢查區(qū)。一個典型的RF脈沖由具有很短的持續(xù)時間的直接相鄰脈沖段的脈沖群組成，它們彼此在一起并和任何施加的梯度一起實現(xiàn)所選擇的磁共振操作。所述RF脈沖用來在所述檢查區(qū)的所選部分使共振飽和、激勵共振、翻轉磁化、使共振重聚焦、或操作共振。
對于整體應用，由所選擇的操作產(chǎn)生的所得共振信號也被所述整體RF線圈26所拾取。替代地，為了在所述受驗對象的有限區(qū)域內產(chǎn)生RF脈沖，把本地RF線圈放置成與所選區(qū)域相鄰。例如，在腦成像中可選地采用了可插入的頭部線圈28。
不管所述RF線圈配置及其應用如何，由所述RF線圈中的一個或另一個所拾取到的所得RF磁共振信號被RF接收機30接收并解調，所述RF接收機30優(yōu)選是數(shù)字式接收機。序列控制處理器32控制所述梯度脈沖放大器20、所述RF發(fā)射機24和所述RF接收機30以產(chǎn)生合成MRI脈沖序列和讀出波形，它們產(chǎn)生所述磁共振信號和任選的回波、對該所得的MR響應進行空間和擴散編碼提供合適的編碼梯度、以及協(xié)調MR拾取和接收操作。
所述MRI序列典型地包括一個由梯度放大器20產(chǎn)生的磁場梯度脈沖和/或掃描脈沖的復合系列、還有由RF線圈26、28所產(chǎn)生的所選的RF脈沖，它們一起產(chǎn)生了映射到k空間的磁共振回波。所得的磁共振數(shù)據(jù)由分類器34進行分類并存儲在k空間存儲器36。對于擴散張量磁共振成像(MRI)，獲得的數(shù)據(jù)沒有擴散加權，其索引為0，而在N個方向有擴散加權，其索引為1...N。優(yōu)選的是N≥6。所述靜態(tài)和擴散加權數(shù)據(jù)被獲得并被分類至對應的k空間存儲器360，361，...，36N。用于所述靜態(tài)的和每個擴散加權圖像的所述k空間存儲器360，361，...，36N由重構處理器38所處理以產(chǎn)生重構圖像表示S0，S1，...SN400，401，...40N，所述重構處理器38典型地是逆傅里葉變換處理器或本領域已知的其它重構處理器。典型地，獲得的圖像S0400沒有擴散加權。
對于DT-MRI，通過具有不同擴散加權的圖像的線性回歸獲得在所選方向上的表面擴散系數(shù)(ADC)。對于所選方向(i，j)上ADC是通過獲得在所述(i，j)方向上作擴散加權的擴散加權圖像Si，j而確定的。所述擴散加權圖像Si，j與所述未加權圖像S0400的關系是依據(jù)下式Si,j=S0e-B*ADCi,j---(1),]]>
其中B是磁場參數(shù)，ADCi，j是所述(i，j)方向上的表面擴散系數(shù)。所述ADC可按公式(1)作如下計算ADCi,j=-1Bln(Si,jS0)---(2).]]>由諸如T1、T2、T2*之類的擴散加權機制以及類似的圖像對比度機制之外的各種機制產(chǎn)生的圖像對比度，可以被所述線性回歸有益地充分去除。擴散張量處理器42根據(jù)公式(2)計算基于每個體素的多個ADC值以便構建擴散張量圖44。六個擴散方向典型地提供了足夠的信息以便在每個體素上建立所述擴散張量。
繼續(xù)參考圖1并進一步參考圖2，特征向量/特征值排序處理器46對體素的所述擴散張量特征向量和特征值進行排序。正如圖2所見，所述擴散張量的所述有序特征值λ1、λ2、λ3(特征值按從大到小排序)和對應的特征向量e1、e2、e3具有有用的物理意義。所述最大特征值在圖2中表示為λ1。所述對應的特征向量e1稱為主特征向量，并與具有所述最大擴散系數(shù)的空間方向對齊。所述剩余的特征值λ2、λ3具有相應的特征向量e2、e3，所述特征向量e2、e3在圖2中稱為中和小特征向量。這些特征向量e2、e3與e1正交，并與具有所述較小擴散系數(shù)的空間方向對齊。所述特征值λ1、λ2、λ3的相對值表示了所述擴散張量各向異性的空間方向和幅度。
繼續(xù)參考圖2，所述特征向量和特征值在幾何學上表示為橢球體100，所述橢球體100的長軸與特征向量e1對齊，即與所述最大表面擴散系數(shù)的方向對齊。所述橢球體100與一個理想球體的偏離度表示為所述擴散張量的各向異性。各向異性擴散系數(shù)張量可以反映神經(jīng)纖維束102的影響，所述神經(jīng)纖維束102傾向于抑制在與所述纖維束102部分或完全正交方向上的擴散，例如特征向量e2、e3的方向。相反地，與所述纖維束102平行的擴散，即沿著所述主特征向量e1的方向上導引的擴散則被增強，并比沿著所述e2、e3方向上的更大。
返回來參考圖1，各向異性圖50，例如本領域已知的部分各向異性圖或強調所述各向異性幅度的另一各向異性圖像的圖，可選地從所述有序的特征向量和特征值來計算。在適當?shù)膶嵤├?，基于每個體素的各向異性圖的計算是根據(jù)FA=3Σi=1,2,3(λi-λavg)22Σi=1,2,3λi2,13(λ12+λ22+λ32)≥0.100.10,13(λ12+λ22+λ32)<0.10---(3),]]>其中λavg=λ1+λ2+λ33---(4).]]>公式(3)和(4)的各向異性圖被發(fā)現(xiàn)尤其適合用于在擴散纖維跟蹤時選擇纖維區(qū)域。正如本領域熟練的技術人員所知，所述各向異性圖50提供了所述各向異性幅度的適宜的的圖像表示。但是，它并不包括方向的信息，這使得從在諸如腦或脊柱之類在神經(jīng)學上是復雜區(qū)域的大量交叉、分枝、盤繞、或以不同方式重疊的纖維和纖維束中對所選的軸突纖維束進行跟蹤或分段變得不合適。
繼續(xù)參考圖1，纖維跟蹤/插值處理器52對在所述擴散張量圖44中的軸突纖維或纖維束進行分段或跟蹤，以便產(chǎn)生存儲于纖維表示存儲器54的纖維表示。所述纖維跟蹤/插值處理器52啟動在由相關用戶選擇的一個或多個起始體素上的跟蹤。
在一個適當選擇的過程中，所述用戶操作用戶接口設備58，例如包括圖形顯示器60、鍵盤62、鼠標或其它定點設備64、和/或類似輸入或輸出單元的個人計算機或工作站。所述顯示器60顯示所述受驗對象16的圖像表示，例如由斷層提取器68通過所述各擴散加權圖像中的一幅、例如所述S0圖像400或所述各向異性圖50提取的斷層66或其它二維表面。所述顯示器60還顯示了疊加的交互式指示器69或其它可由用戶通過操作所述定點設備64、所述鍵盤62、或其它輸入設備的圖形選擇工具來選擇一個或多個起始體素。
繼續(xù)參考圖1、返回來參考圖2、并進一步參考圖3，圖3示出了示范性的二維擴散系數(shù)特征向量/特征值圖110，在圖110中所述各向異性在幾何學上表示為橢球體100，所述跟蹤/插值處理器52利用由所述起始體素和每一個后續(xù)體素的擴散張量的主特征向量e1給出的跟蹤方向反復跟蹤纖維。圖3示出了開始于起始體素1001的第一纖維表示軌跡112，以及開始于起始體素1002第二纖維表示軌跡114。
盡管圖3示出的是單向跟蹤，但是將會理解跟蹤能夠可選地發(fā)生在雙向上，即沿著所述e1和-e1的方向，以便提供更全面的纖維跟蹤。此外，盡管圖3示出的是體素的示范性二維排列，但是將會理解所述跟蹤通常是利用所述三維擴散張量圖44以三維的方式發(fā)生的。
繼續(xù)參考圖1，除了在方向上跟蹤以外，所述纖維跟蹤/插值處理器52與所述特征向量/特征值排序處理器46一起還執(zhí)行張量體素的局部插值。所述插值被局部化到所述跟蹤前端周圍的區(qū)域，以便減少計算時間和存儲器負載。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在成像斷層平面上，二等分插值在所述跟蹤纖維表示方面提供了明顯的平滑化。為了提高跟蹤精度，進行插值的體素優(yōu)選地由與所述擴散系數(shù)張量各向異性相關的參數(shù)來加權，例如通過對鄰近體素的所述特征向量和特征值求平均值、或者給進行插值的體素指定一個對應于鄰近各體素的主特征向量方向加權平均的擴散方向。
為了在所述圖形顯示設備60或其它輸出設備上進行用戶可見顯示，所述纖維表示54在圖形上被再現(xiàn)處理器70格式化。在諸如所述各向異性圖50或其一部分、所述靜態(tài)圖像400、所述擴散加權圖像401，...40N中的一幅、均勻的黑色或白色屏幕等等之類的背景上所述纖維表示54，被表示為線條、管道、線框、或其它圖形表示。優(yōu)選地，所述再現(xiàn)處理器產(chǎn)生一個3D的再現(xiàn)，所述3D再現(xiàn)可以由用戶通過所述鼠標64、鍵盤62或其它輸入設備而旋轉、調整大小、或進行另外的操作。
參考圖4，描述了一種適當?shù)姆椒?50，用于獲取擴散張量磁共振成像(DT-MRI)數(shù)據(jù)以及用于產(chǎn)生相關空間映射和圖像表示。在步驟152，受驗對象被放置并固定在磁共振成像(MRI)掃描儀內。因為所述DT-MRI成像包括經(jīng)過一段相當長的時間來采集大量圖像，所以所述受驗對象優(yōu)選地被固定，以便把在圖像采集期間的由運動導致的圖像模糊或重合不良減少到最低程度。
在步驟154，利用諸如自旋-回波序列之類的成像序列來獲取所述DT-MRI成像數(shù)據(jù)，所述自旋-回波序列包括產(chǎn)生所選擴散加權的附加磁場梯度脈沖。優(yōu)選的是使用多次回波序列，在所述多次回波序列中獲得了具有若干擴散加權156的圖像，所述若干擴散加權156對應于所述擴散系數(shù)張量的所選的表面擴散系數(shù)(ADC)分量。六個表面擴散系數(shù)通常足以描述所述張量。在示出的實施例中，采集了六個擴散加權156，在所述(x，0，0)、(0，y，0)、(0，0，z)、(x，-y，0)、(x，0，-z)和(0，y，-z)方向上連同未加權圖像(0，0，0)上施加磁場梯度脈沖。然而，替代地可以使用擴散加權的其它組合。使用多次回波序列有利于減少數(shù)據(jù)采集時間并把由運動導致的圖像模糊或重合不良減少到最低程度。為了提高信噪比，優(yōu)選地對于每個擴散加權采集多個圖像的數(shù)據(jù)。所述成像序列可選地還包括附加RF脈沖或磁場梯度脈沖或掃描脈沖，以便補償由磁場梯度導致的渦流和其它圖像上的人工產(chǎn)物。
在步驟154采集的圖像數(shù)據(jù)在步驟158被重構，以便形成擴散加權圖像重構S0和Sijk，其中ijk表示所述各種加權156。盡管其它重構方法也可以采用，但是采用本領域已知的逆傅里葉變換重構是合適的。
對于獲得和重構的所述擴散加權圖像，根據(jù)公式(2)利用線性回歸或另外的方法計算在每個體素的所述表面擴散系數(shù)(ADC)，并在步驟162構建所述表面擴散系數(shù)張量圖。在步驟164提取所述特征值和特征向量166。
在步驟168，例如根據(jù)公式(3)和(4)可選地計算各向異性圖。所述各向異性圖優(yōu)選地在步驟170呈現(xiàn)，例如通過基于所述各向異性值給體素進行上色，以便獲得用于顯示給相關用戶的彩色各向異性圖像172。所述各向異性圖像172給用戶為了纖維跟蹤選擇感興趣區(qū)域提供了方便的手段。
參考圖5，描述了在所述DT-MRI圖像中用于跟蹤纖維的適當方法190。在步驟192，所述用戶選擇感興趣的起始區(qū)域。在適當?shù)膶嵤├校@種選擇192是參考在圖4的所述DT-MRI成像方法150中可選地獲得的所述各向異性圖像172而進行的。所選擇的感興趣起始區(qū)域優(yōu)選地由所述用戶以圖形方式利用鼠標指點器或其它圖形選擇設備來指明。所選擇的感興趣區(qū)域可以是單個體素、體素的平面區(qū)域、或體素的三維區(qū)域?？蛇x地，用戶還可以選擇感興趣的結束區(qū)域。這樣的選擇典型地用于跟蹤在兩個深層白質的腦功能區(qū)之間延伸的纖維。
在步驟196選擇了在所選感興趣的起始區(qū)域內的起始體素。從這個體素開始，局部方向在步驟198被確定，所述局部方向對應于所述主特征向量e1的方向(見圖2)，例如通過對所述特征值排序、確定最大或主特征值λ1、并確定所述相應主特征向量e1的方向。在步驟200確定后續(xù)體素，所述后續(xù)體素是沿著所述局部方向(見圖3)靠近所述當前體素的。在優(yōu)選實施例中，通過在正的和負的局部擴散(e1)方向上都認定后續(xù)體素來執(zhí)行正向和負向(雙向)跟蹤。當所述跟蹤雙向進行時，通過在所述正的局部方向上連續(xù)認定體素使得正的纖維末端不斷增長，而通過在所述負的局部方向上連續(xù)認定體素使得負的纖維末端不斷增長。單向纖維跟蹤也可用于某些情況下，例如跟蹤從深層白質的大而密集區(qū)域向外延伸的纖維。
在步驟202，在所述當前跟蹤的一個或多個前端附近，即在所述后續(xù)一個或多個體素附近執(zhí)行局部插值。所述插值被局部化在所述跟蹤前端(或在雙向跟蹤的多個前端)周圍的區(qū)域，以便減少計算時間和存儲器負載。在優(yōu)選實施例中，在獲得所述特征向量和特征值時在所述張量內執(zhí)行所述插值，以便使所述跟蹤一個或多個前端在更高分辨率的局部擴散張量空間內進行。所得跟蹤的纖維表示將對應于所述源張量圖的更高插值局部分辨率而具有提高的分辨率和平滑度。
為了在經(jīng)插值后的更高分辨率局部擴散張量空間保持跟蹤精度，經(jīng)插值的體素優(yōu)選地由與所述局部各向異性相關的參數(shù)進行加權。例如，適當選擇插值體素的所述特征向量和特征值作為附近體素的特征向量和特征值的平均值，以便使所插值體素反映所述局部的各向異性。然而，對多個特征值和特征向量加權在計算上是代價昂貴的。為了提高跟蹤纖維的速度，已發(fā)現(xiàn)選擇具有對應于鄰近體素的主特征向量方向的加權平均值方向上的經(jīng)插值的體素主特征向量就已足夠。可選地，所選主特征向量包括對應于所述分部各向異性和另一各向異性參數(shù)的幅度加權。
在當前的優(yōu)選實施例中，所述插值發(fā)生在所選平面方向上，典型地對應于所獲得圖像斷層的所述平面方向，例如從軸向采集斷層構建的圖像的軸向平面方向。然而，也可以考慮在除了所述主徑向、頭部和軸向體平面方向以外的平面方向上進行插值。例如，所述插值可選地發(fā)生在包含所述主特征向量e1和所述中特征向量e2(見圖2)的平面方向，以便使所述插值沿著最可能對應于所述纖維方向的那些平面發(fā)生。在此所考慮的實施例中，所述平面方向和所述增長的纖維末端的局部各向異性的方向一起移動和旋轉。也可以考慮執(zhí)行三維插值。例如，線性插值可以在每個插值平面方向上使所述平面分辨率加倍，即對一個128×128體素平面作插值以便提供256×256的體素分辨率。可選地，在所述斷層間的方向上執(zhí)行類似插值。
所述方法190反復執(zhí)行所述步驟198、200、202，以便使所跟蹤纖維或單向或雙向增長。優(yōu)選地，在所述迭代循環(huán)內的判定步驟204檢查正在增長的纖維末端的終止。一種適當?shù)睦w維終止標準包括分部的各向異性或其它各向異性幅度參數(shù)低于所選值，該所選值例如是公式(3)中用的閾值FA＝0.10或其以下。由于低的各向異性對應于高的各向同性擴散張量，所以合理的是將下降到所選閾值以下的各向異性參數(shù)值和所跟蹤纖維的終點聯(lián)系在一起。
另一適當?shù)睦w維終止標準是在連續(xù)體素之間的局部方向的變化大于一個所選角度。在局部方向上大的變化很可能對應于纖維分支點?？蛇x地，不是在這種明顯的分支點上終止，而是在所述分支點或其周圍規(guī)定感興趣的新區(qū)域，并對所述感興趣新區(qū)域重復所述跟蹤過程190，以便跟蹤所述分支纖維或纖維束。
還有另一個適當?shù)睦w維終止標準是所述增長的纖維進入了在步驟192由用戶選擇的感興趣的結束區(qū)域。此處描述的所述示例性終止標準的各種結合、以及/或者其它適當終止標準的添加或替代也是可以考慮的。
如果所述判定步驟204表明所述纖維已經(jīng)終止，那么所述方法優(yōu)選地檢查所述感興趣區(qū)域的所有體素是否已經(jīng)在判定步驟206被訪問過。如果在所述感興趣區(qū)域中還存在未訪問過的體素，那么可在步驟196選擇另一起始體素，并反復執(zhí)行所述跟蹤步驟198、200、202、204。在所述感興趣區(qū)域內的每個起始體素開始的重復循環(huán)跟蹤，共同產(chǎn)生了表示一個或多個跟蹤纖維或纖維束的三維跟蹤纖維表示208。在步驟210，所述跟蹤纖維表示優(yōu)選地以圖形方式再現(xiàn)并顯示以供用戶人員看到，例如由用戶使用線網(wǎng)3D再現(xiàn)、3D管狀3D再現(xiàn)、或其它類型再現(xiàn)。所述再現(xiàn)優(yōu)選地是交互式的，以便所述用戶可以加亮所選纖維、旋轉所述三維纖維表示、或以別的方式處理所述數(shù)據(jù)。
已經(jīng)參考腦中的軸突纖維跟蹤描述了本發(fā)明。然而，本領域的熟練技術人員將會理解，本發(fā)明也可以用于其它解剖組織，例如脊柱、腎、以及心臟，在這些解剖組織中存在相當?shù)睦w維或各向異性組織密度。
權利要求
1.一種成像方法，用于對包括各向異性結構(102)的受驗對象(16)成像，所述方法(150，190)包括獲得所述受驗對象(16)的至少一部分的三維表面擴散張量圖(162)，所述受驗對象(16)包括至少一些各向異性結構(102)；處理(164)在體素上的所述表面擴散張量，以便獲得特征向量(e1，e2，e3)和特征值(λ1，λ2，λ3)；利用所述特征向量(e1，e2，e3)和特征值(λ1，λ2，λ3)提取(190)三維纖維表示(208)；在所述提取期間(190)，在所述纖維表示(208)附近的至少一個所選維度上對各體素進行局部插值(202)，所述插值(202)包括用一個表示局部各向異性的參數(shù)對所插值的體素加權，所述插值(202)產(chǎn)生一個比所獲張量圖(162)具有更高分辨率的三維纖維表示(208)；以及產(chǎn)生(210)所述三維纖維表示(208)的人們可視的顯示。
2.如在權利要求1中提出的所述成像方法(150，190)，其中表示局部各向異性的所述參數(shù)是從一個組中選擇的，所述組包括主擴散張量特征向量(e1)的方向，擴散張量的功能組合，特征值(λ1，λ2，λ3)，特征向量(e1，e2，e3)，以及分部的各向異性(50，172)。
3.如在權利要求1和2中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中三維纖維表示(208)的所述提取(190)包括接收(192)對在所述表面擴散張量圖(162)中起始區(qū)域的選擇；在所述起始區(qū)域選擇(196)一個體素；根據(jù)所選擇體素的所述擴散張量特征向量(e1，e2，e3)和特征值(λ1，λ2，λ3)確定(198)局部方向；認定(200)沿著所述局部方向的下一個體素；以及多次重復(204)對局部方向的所述確定(198)和對下一個體素的所述認定(200)，以便提取所述三維纖維表示(208)。
4.如在權利要求3中提出的所述成像方法(150，190)，其中下一個體素的所述認定(200)包括認定一個經(jīng)插值(202)的體素。
5.如在權利要求3和4中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中在所述纖維表示(208)附近的至少一個選擇維度上對各體素進行的所述局部插值(202)包括在所選體素和另一沿著所述局部方向并在所選體素附近的體素之間(202)至少對一個體素進行插值。
6.如在權利要求3-5中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中對三維纖維表示(208)的所述提取(190)還包括響應于下述中的一個而終止(206)所述重復下一個體素的各向異性的度量小于一個所選擇的閾值，在所述下一個體素的所述局部方向上的變化大于一個所選擇的角度，以及所述下一個體素進入了一個所選擇的感興趣的結束區(qū)域。
7.如在權利要求3-6中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中起始區(qū)域的選擇的所述接收(192)包括產(chǎn)生(170)一個表示所述三維表面擴散張量圖(162)的至少一部分的圖像表示(172)的人們可視的選擇顯示；以及在所選顯示上疊加一個可由相關用戶操作以便選擇所述起始區(qū)域的圖形選擇工具(69)。
8.如在權利要求7中提出的所述成像方法(150，190)，其中所選顯示是從一個組中選擇的，所述組包括磁共振圖像(158)，以及從擴散張量磁共振成像得到的各向異性圖像(172)。
9.如在權利要求1和2中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中三維纖維表示(208)的所述提取(190)包括選擇(196)一個起始體素；以及從所述起始體素開始，從一個體素到另一個體素反復跟隨(198，200，204)對應于最大特征值(λ1)的特征向量(e1)，以便構建一個三維纖維表示(208)。
10.如在權利要求9中提出的所述成像方法(150，190)，其中所述對各體素進行的局部插值(202)包括產(chǎn)生一個包括所述經(jīng)局部插值(202)體素的更高分辨率的局部張量空間，所述的反復跟隨(198，200，204)發(fā)生在所述更高分辨率的局部插值張量空間范圍內。
11.如在權利要求1-10中的任一權利要求提出的所述成像方法(150，190)，其中三維擴散張量圖(162)的獲取包括獲得(154)擴散加權的磁共振圖像表示(158)；以及從所獲得的擴散加權的磁共振圖像表示(158)中計算所述擴散張量圖(162)。
12.如在權利要求11中提出的所述成像方法(150，190)，其中對所述擴散張量圖(162)的所述計算包括通過線性回歸從所獲得的擴散加權的磁共振圖像表示中確定表面擴散張量分量。
13.一種用于在受驗對象(16)中跟蹤纖維結構(102)的裝置，所述裝置包括一種用于獲得擴散張量圖(44)的裝置(10，38，42)；一種用于確定對應于各體素的所述擴散張量的有序特征值(λ1，λ2，λ3)和特征向量(e1，e2，e3)的裝置(46)；一種跟蹤裝置(52，190)，用于根據(jù)體素特征值(λ1，λ2，λ3)和特征向量(e1，e2，e3)以及對至少一個起始體素的選擇來計算纖維結構表示(54)；一種插值裝置(202)，它與所述跟蹤裝置(52)協(xié)作，用于在計算所述纖維結構表示(54)期間通過對所述纖維結構(54)附近的各體素(202)作局部插值來提高所述纖維結構表示(54)的分辨率；以及一種顯示裝置(60)，用于以人們可視的方式顯示所述纖維結構表示(54)的至少一部分。
14.如在權利要求13中提出的所述裝置，還包括一種各向異性映射裝置，用于計算具有對應于各向異性幅度參數(shù)的各體素的各向異性圖(50)，所述各向異性圖(50)用來選擇所述至少一個起始體素。
15.如在權利要求13和14中任一權利要求提出的所述裝置，其中所述跟蹤裝置(52，190)包括一種方向計算裝置(198)，用于認定對應于與所選體素最大特征值(λ1)相關的特征向量(e1)方向的局部纖維的方向；一種增量裝置(200)，用于沿著所述局部纖維方向在所選體素附近認定一個體素；一種循環(huán)裝置(204)，用于反復調用所述方向計算裝置(198)和所述增量裝置(200)，以便迭代地計算所述纖維結構表示(208)。
16.如在權利要求13中提出的所述裝置，其中所述插值裝置(202)包括一種定位裝置，用于認定插值體素的位置，所述插值體素的位置在所選體素附近的所述擴散張量圖(44)的各鄰近體素之間；以及一種數(shù)值計算裝置，用于對所選體素和鄰近體素中的至少一個的表面擴散張量進行加權組合，以便得到所插值的體素值。
17.如在權利要求15和16中任一權利要求提出的所述裝置，其中所述插值裝置(202)在一個二維表面和一個包含所選體素的體積二者之一中對各體素作局部插值。
18.如在權利要求15-17中任一權利要求提出的所述裝置，其中所述插值裝置(202)包括一種定位裝置，用于在所選體素附近的所述擴散張量圖的各鄰近體素之間認定經(jīng)插值的體素的位置；以及一種方向值計算裝置，用于對各鄰近體素的擴散張量作加權組合，以便得到用于經(jīng)插值的體素的加權方向值。
19.如在權利要求13-18中任一權利要求提出的所述裝置，其中用于獲得擴散張量圖(44)的所述裝置(10，38，42)包括一種成像裝置(10)，用于獲得擴散加權后的成像數(shù)據(jù)；一種重構裝置(38)，用于將所獲取的擴散加權成像數(shù)據(jù)重構成擴散加權后的圖像表示；以及一種用于通過有選擇地組合所選的擴散加權圖像表示(40)來建立擴散張量圖(44)的裝置(42)。
20.如在權利要求19中提出的所述裝置，其中用于建立擴散張量圖(44)的所述裝置(42)包括一種用于執(zhí)行線性回歸以便從所選擴散加權圖像(40)中計算表面擴散張量系數(shù)的裝置。
全文摘要
一種成像方法(150，190)，用于對包括纖維或各向異性結構(102)的受驗對象(16)成像，所述成像方法(150，190)包括獲得具有某些各向異性結構(102)的區(qū)域的三維表面擴散張量圖(162)。對在體素上的所述表面擴散張量進行處理(164)以便獲得特征向量(e
文檔編號G06T15/00GK1653349SQ03810820
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月12日 優(yōu)先權日2002年5月15日
發(fā)明者A·M·C·范穆斯溫克, R·F·J·霍圖伊澤恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司