專(zhuān)利名稱：在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動(dòng)確定左心室位置和取向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動(dòng)確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，心臟的三維數(shù)據(jù)組例如是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法、特別是計(jì)算機(jī)斷層造影記錄的。
背景技術(shù)：
利用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)斷層造影、特別是多層計(jì)算機(jī)斷層造影的技術(shù)，使得除了迄今進(jìn)行的冠狀心臟疾病的可視化之外還可以為了進(jìn)行功能性的分析而可視化心臟。在此，在注射造影劑的條件下進(jìn)行心臟的3D數(shù)據(jù)的圖像記錄，以便能夠?qū)⒐嘧?durchbluten)后的和由此積聚了造影劑的區(qū)域明顯地與未灌注的結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)來(lái)。
根據(jù)斷層造影模態(tài)的3D圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行功能性心臟分析的基本前提是對(duì)圖像數(shù)據(jù)的適當(dāng)?shù)目梢暬谠摽梢暬杏^察者隨時(shí)可以識(shí)別和/或詢問(wèn)由其在圖像中標(biāo)記的心臟中的任意位置的精確狀態(tài)。這點(diǎn)首先要求在左心室、右心室和心肌之間正確地分界。
對(duì)于這樣的分界要求將3D圖像數(shù)據(jù)分割為心臟的單個(gè)區(qū)域。為此，最近更多地采用基于模型的方法，例如在所謂的“Active Shape Models(活躍形狀模型)”(ASM)或者所謂的“Point Distribution Models(點(diǎn)分布模型)”(PDM)。對(duì)于這些基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立并與出現(xiàn)的3D圖像數(shù)據(jù)匹配的模型的細(xì)節(jié)，例如見(jiàn)T.Cootes等人的“Statistical Models of Appearance forComputer Vision”，University of Manchester，5.December 2000。不過(guò)，迄今為止利用這種模型在心臟的3D圖像數(shù)據(jù)中對(duì)左心室以及心肌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，僅僅在使用者的費(fèi)時(shí)的手動(dòng)交互的條件下才可以進(jìn)行。同樣，對(duì)于按照段模型(例如美國(guó)心臟協(xié)會(huì)的17段段模型、即AHA模型)的心臟各個(gè)區(qū)域的分配，迄今為止要求與使用者的手動(dòng)交互。在這些手動(dòng)交互中使用者必須在所示出的圖像中標(biāo)記隔膜的邊界點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上結(jié)合已經(jīng)分割出的圖像數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對(duì)段模型的分配。這種段模型將心臟分成定義在基部的、中間心室的以及頂上的區(qū)域，這些區(qū)域在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中描述心臟時(shí)分別作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動(dòng)確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，其中，這種確定是在沒(méi)有與用戶的費(fèi)時(shí)的交互的條件下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。
在按照本發(fā)明的方法中，3D數(shù)據(jù)組、尤其是心臟的CT圖像數(shù)據(jù)組例如是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的。在該3D數(shù)據(jù)組中首先利用圖像處理算法對(duì)左心室至少進(jìn)行粗略的分割，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長(zhǎng)主軸。從該主軸出發(fā)利用輻射狀的搜索射線在至少一個(gè)垂直于主軸的平面內(nèi)檢測(cè)隔膜的邊界線的兩個(gè)端點(diǎn)。該檢測(cè)可以通過(guò)閾值方法完全自動(dòng)地進(jìn)行。基于分割出的圖像數(shù)據(jù)、已知的長(zhǎng)主軸和檢測(cè)出的端點(diǎn)的位置，確定左心室的位置和取向。
優(yōu)選地，將左心室的確定的位置和取向用于將段模型(特別是AHA段模型)與3D圖像數(shù)據(jù)或者從中分割出的圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。這樣，觀察者可以通過(guò)在各自示出的圖像內(nèi)部點(diǎn)擊或者標(biāo)記對(duì)應(yīng)的點(diǎn)或者區(qū)域，而獲得按照該段模型所對(duì)應(yīng)的段的信息。
在本發(fā)明的另一個(gè)非常優(yōu)選的擴(kuò)展中，通過(guò)模型與3D圖像數(shù)據(jù)的匹配，對(duì)所述粗略分割進(jìn)行細(xì)化，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中、也就是由主軸的狀態(tài)、隔膜邊界線的端點(diǎn)以及左心室的粗略分割得到粗略分割的起始參數(shù)，即起始位置、起始縮放比例和圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)方向。通過(guò)這種方式避免了為了進(jìn)行模型匹配而進(jìn)行費(fèi)時(shí)的與使用者的手動(dòng)交互。
在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用者僅僅通過(guò)在心臟的圖像顯示中在主動(dòng)脈上進(jìn)行點(diǎn)擊來(lái)設(shè)置一個(gè)起始點(diǎn)，從該起始點(diǎn)出發(fā)完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的其它步驟。使用者可以在確定3D圖像數(shù)據(jù)組中左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向之后，按照本發(fā)明的方法使得任意的圖像被顯示出來(lái)，并且隨時(shí)被告知關(guān)于各個(gè)顯示的圖像區(qū)域的精確位置。這使得可以在沒(méi)有與用戶的費(fèi)時(shí)的交互的條件下，基于斷層造影的3D圖像數(shù)據(jù)、特別是CT圖像數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行功能性的心臟分析。


下面結(jié)合附圖在不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍的條件下根據(jù)實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖中圖1表示對(duì)于在實(shí)施本發(fā)明的方法中各個(gè)方法步驟的例子；圖2表示在分割主動(dòng)脈時(shí)區(qū)域增長(zhǎng)算法的例子；圖3表示在左和右心室之間進(jìn)行分離的例子；圖4說(shuō)明對(duì)隔膜的邊界線的端點(diǎn)的檢測(cè)；圖5表示對(duì)AHA段模型以及圖像數(shù)據(jù)的極圖的例子；以及圖6表示在中間心室平面中的隔膜邊界線的端點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了對(duì)于在實(shí)施本發(fā)明的方法中各個(gè)方法步驟的例子。下面還將逐個(gè)再次詳細(xì)地解釋各個(gè)方法步驟。首先，提供心臟的3D數(shù)據(jù)組，其是在注射造影劑的條件下利用計(jì)算機(jī)斷層造影方法記錄的。在此，為功能性心臟分析而對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的分割應(yīng)該通過(guò)將描述心外膜表面和心內(nèi)膜表面的ASM與3D圖像數(shù)據(jù)組的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了為模型的匹配自動(dòng)地確定起始參數(shù)而采用一種算法，該算法的啟動(dòng)僅僅需要使用者在3D圖像數(shù)據(jù)的圖像顯示中的主動(dòng)脈的上部區(qū)域點(diǎn)擊一個(gè)位置。從通過(guò)這種方式標(biāo)記的圖像點(diǎn)出發(fā)，在3D圖像數(shù)據(jù)組的第一斷層中計(jì)算圍繞該標(biāo)記點(diǎn)的預(yù)定區(qū)域內(nèi)部的平均強(qiáng)度。然后啟動(dòng)區(qū)域增長(zhǎng)算法，該算法在該斷層中對(duì)所有分別相鄰的體素檢查它們是否處在圍繞該平均強(qiáng)度值的一個(gè)預(yù)定閾值區(qū)間之內(nèi)。所有處在該區(qū)間內(nèi)部的體素被計(jì)數(shù)和對(duì)應(yīng)地標(biāo)記為主動(dòng)脈。同樣的過(guò)程對(duì)于下一個(gè)分別處于下方的斷層進(jìn)行，其中，此次根據(jù)在上面斷層中標(biāo)記的體素的平均強(qiáng)度來(lái)計(jì)算平均強(qiáng)度值。圖2中示意地示出了該區(qū)域增長(zhǎng)算法的逐層實(shí)施，其示意地示出了主動(dòng)脈18以及在區(qū)域增長(zhǎng)算法中依次通過(guò)的各個(gè)斷層19。
為了避免失控地增長(zhǎng)到整個(gè)心臟，為區(qū)域增長(zhǎng)算法設(shè)定增長(zhǎng)界限。這點(diǎn)在本例中如下實(shí)現(xiàn)分別圍繞每個(gè)標(biāo)記的體素設(shè)置一個(gè)矩形范圍，并且檢查在該周?chē)秶鷥?nèi)是否最少數(shù)目的體素成為模板。如果不是，則將該區(qū)域從模板中減去。如果是，則將其引入到模板中。通過(guò)這種方式避免了在區(qū)域增長(zhǎng)中不希望的增長(zhǎng)。作為該所采用的區(qū)域增長(zhǎng)算法的結(jié)果，得到主動(dòng)脈、左心室以及右心室的部分、左和右心庭的模板(Maske)。
為了檢測(cè)心瓣膜的平面對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層的分析。為此，在每個(gè)區(qū)域增長(zhǎng)算法中穿過(guò)的斷層中確定成為模板的體素平面的重心。在主動(dòng)脈至左心室的過(guò)渡處發(fā)生了該重心的較強(qiáng)列的側(cè)向錯(cuò)位，該重心可以根據(jù)分割后的圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定。因此，重心的這種跳躍在圖像數(shù)據(jù)組中確定了主動(dòng)脈的末端。屬于成為模板的平面的體素?cái)?shù)量在該位置處也跳躍地增加。因此，通過(guò)該分析可以在3D圖像數(shù)據(jù)中自動(dòng)地確定從主動(dòng)脈至左心室的過(guò)渡。
因?yàn)閰^(qū)域增長(zhǎng)算法也可以在右心室中運(yùn)行，必須檢測(cè)到這點(diǎn)并在圖像數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)地隔離出右心室。這種情況可以根據(jù)重心在主動(dòng)脈末端之后的再次跳躍而檢測(cè)到。如果出現(xiàn)了這種跳躍，則表明算法也在右心室中進(jìn)行了。在這種情況下，在其中檢測(cè)到該再次跳躍的斷層顯示中在左心室(LV)和右心室(RV)之間設(shè)置分離線23。這點(diǎn)在圖3中表示出。該分離線23的定位這樣進(jìn)行在前面斷層中成為模板的平面恰好不與該分離線相切。該分離線的取向可以從3D圖像數(shù)據(jù)的附加信息中得到，該附加信息以DICOM格式出現(xiàn)。從該圖像數(shù)據(jù)中已知患者在圖像拍攝時(shí)的取向，通過(guò)該取向也確定分離線的取向。所有在分離線23(見(jiàn)圖3)以上的體素被切除，并且不用于制成模板。
作為上面方法步驟的結(jié)果得到左心室的二進(jìn)制模板，在其基礎(chǔ)上可以確定ASM的取向和縮放比例作為起始參數(shù)。
不過(guò)，對(duì)于模型的快速和精確的匹配來(lái)說(shuō)，該縮放比例和定位是不夠的。圍繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)還沒(méi)有因此固定，同樣還需要確定。這在上述方法中不是通過(guò)手動(dòng)確定隔膜的對(duì)應(yīng)邊界點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的。這些邊界點(diǎn)更多是按照下列方式自動(dòng)確定的。
從上面對(duì)左心室的組成部分的分析中已知了長(zhǎng)主軸24。此外，從DICOM信息中已知了患者的取向，并且可以在搜索隔膜時(shí)用于在圖4示出的圖像顯示中排除右側(cè)區(qū)域25。該搜索僅僅在左半部分進(jìn)行。為此，從已知的主軸24出發(fā)以輻射狀的方向在該斷層中通過(guò)圖像數(shù)據(jù)發(fā)出搜索射線26。通過(guò)分析沿著各個(gè)搜索射線26的分別相鄰的體素之間的梯度，可以采集隔膜的邊界線27。在此，僅僅搜索處于預(yù)定閾值之上的梯度。為了匹配該邊界線27可以額外地進(jìn)行數(shù)學(xué)上的曲線匹配。通過(guò)這種方式采集并平滑該邊界線。感興趣的僅僅是該邊界線27的端點(diǎn)28，在這些端點(diǎn)上梯度下降到閾值以下。這些端點(diǎn)28被用于確定左心室圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)方向。隨后通過(guò)對(duì)該端點(diǎn)28的了解，可以將3D圖像數(shù)據(jù)與AHA段模型相對(duì)應(yīng)。圖5中的左邊示出了該模型。圖5的右邊示出了心臟圖像數(shù)據(jù)的極點(diǎn)圖表示29(也稱為“Bull Eyes Projection”)，其代表了對(duì)應(yīng)于AHA段模型的視圖。這種極點(diǎn)圖表示可以由使用者提出，并且可以容易地從3D圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生。
最后，圖6示出了在心臟的中間心室區(qū)域中一個(gè)斷層的光學(xué)顯示，其中表示了對(duì)應(yīng)于段模型的各個(gè)片段以及隔膜邊界線的端點(diǎn)28。
權(quán)利要求
1.一種在心臟的3D數(shù)據(jù)組中自動(dòng)確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，其中，-提供心臟的3D數(shù)據(jù)組，其是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的，-在該3D數(shù)據(jù)組中利用圖像處理算法至少粗略地分割出左心室，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長(zhǎng)主軸(24)，-從該主軸(24)出發(fā)利用輻射狀的搜索射線(26)在至少一個(gè)平面內(nèi)檢測(cè)隔膜的邊界線(27)的兩個(gè)端點(diǎn)(28)，以及-基于分割出的圖像數(shù)據(jù)、長(zhǎng)主軸(24)和端點(diǎn)(28)，確定左心室的位置和取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述分割出的圖像數(shù)據(jù)、長(zhǎng)主軸(24)和端點(diǎn)(28)，將所述3D圖像數(shù)據(jù)或者從中分割出的圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)左心室的段模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)模型、特別是表面模型的匹配來(lái)細(xì)化對(duì)左心室的粗略分割。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過(guò)預(yù)處理確定起始位置和起始縮放比例來(lái)作為所述匹配的起始參數(shù)，其中，在區(qū)域增長(zhǎng)算法的基礎(chǔ)上從主動(dòng)脈(18)的任意可預(yù)先給定的起始點(diǎn)出發(fā)，檢測(cè)從主動(dòng)脈(18)到左心室的過(guò)渡，并且將左心室相對(duì)于右心室進(jìn)行分界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域增長(zhǎng)算法從該起始點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行逐層的分割，其中，在每個(gè)斷層的通過(guò)該分割而成為模板的數(shù)據(jù)組中確定成為模板的平面的重心，并且根據(jù)重心從一個(gè)斷層至下一個(gè)斷層的跳躍性的錯(cuò)位，檢測(cè)從主動(dòng)脈(18)至左心室的過(guò)渡。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述端點(diǎn)(28)用于確定所述模型圍繞所述主軸(24)的起始旋轉(zhuǎn)位置，作為模型匹配的另一個(gè)起始參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述隔膜的邊界線(27)是通過(guò)梯度閾值方法確定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在心臟的3D數(shù)據(jù)組中自動(dòng)確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，該3D數(shù)據(jù)組是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的。在該方法中，首先對(duì)左心室進(jìn)行粗略的分割，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長(zhǎng)主軸(24)。從該長(zhǎng)主軸(24)出發(fā)利用輻射狀的搜索射線(26)在至少一個(gè)平面內(nèi)檢測(cè)隔膜的邊界線(27)的兩個(gè)端點(diǎn)(28)。分割出的圖像數(shù)據(jù)、長(zhǎng)主軸(24)和端點(diǎn)(28)確定圖像數(shù)據(jù)組中左心室的位置和取向。然后，基于這些對(duì)圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，可以對(duì)應(yīng)于一個(gè)段模型和/或?qū)⒂糜诰_分割出圖像數(shù)據(jù)的表面模型與圖像數(shù)據(jù)組匹配。該方法不需要與使用者的費(fèi)時(shí)的交互。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1806758SQ200610006018
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者丹尼爾·林克, 邁克爾·朔伊林 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司