專利名稱：基于運(yùn)動模型的組間圖像配準(zhǔn)的制作方法
基于運(yùn)動模型的組間圖像配準(zhǔn)下文總體涉及圖像處理，并且尤其應(yīng)用于計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)。然而，其還適用于其他醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用和非醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。對于成像應(yīng)用，其中受檢者體內(nèi)的感興趣結(jié)構(gòu)(例如，腫瘤、器官等)由于受檢者的周期性運(yùn)動結(jié)構(gòu)(例如，肺)而相對于受檢者隨時(shí)間移動，四維GD)圖像序列能夠用于估計(jì)運(yùn)動周期期間感興趣結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。這有用的一種特定應(yīng)用是對肺中腫瘤的放射治療。 在這樣的應(yīng)用中，腫瘤的相對位置可能隨著呼吸周期而變化。為了計(jì)算劑量，腫瘤的隨時(shí)間變化的相對位置應(yīng)當(dāng)被考慮到并且可以通過4D圖像序列來確定。利用一種4D成像技術(shù)，在若干運(yùn)動周期期間同時(shí)采集圖像投影和呼吸信號。呼吸信號按時(shí)間映射到數(shù)據(jù)采集，并用于基于常見的呼吸相位(Phase)對圖像投影分組。然后在呼吸周期的不同相位上重建三維(3D)圖像集。然后為了計(jì)算放療劑量，在呼吸周期的不同相位中分割感興趣的腫瘤。在一種情況下，醫(yī)師在每幅圖像中分割腫瘤。遺憾的是，這會是耗時(shí)并且繁瑣的任務(wù)，因?yàn)橐豁?xiàng)研究可能有數(shù)十或數(shù)百幅圖像。在另一種情況下，基于相鄰圖像的經(jīng)配準(zhǔn)的成對(pair-wise)圖像被用來從一個(gè)圖像幀到下一圖像幀的迭代地傳遞表示腫瘤的輪廓(contour)。根據(jù)成對的配準(zhǔn)，能夠獲得呼吸周期期間的運(yùn)動圖并且可以將所述運(yùn)動圖用于估計(jì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。遺憾的是，成對的配準(zhǔn)對局部圖像偽影敏感，這會導(dǎo)致感興趣結(jié)構(gòu)的圖像在形狀和尺寸上發(fā)生錯(cuò)誤的變化?；蛘撸梢允褂媒馄誓Ｐ蛡鬟f輪廓，在解剖模型中，感興趣結(jié)構(gòu)的當(dāng)前有效(active)形狀模型從一個(gè)呼吸相位傳遞到下一呼吸相位。類似地，基于解剖模型的傳遞對例如由于解剖模型和實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)之間的差異而造成的誤差敏感。本申請的各方面解決了上述問題和其他問題。根據(jù)一個(gè)方面，一種方法，包括基于在圖像、圖像序列中的至少一個(gè)內(nèi)識別的受檢者或?qū)ο蟮母信d趣區(qū)域和指示對采集圖像序列期間受檢者或?qū)ο蟮倪\(yùn)動的估計(jì)的運(yùn)動模型，根據(jù)時(shí)間序列的圖像生成組間(group-wise)配準(zhǔn)的圖像的集合。在另一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)，包括感興趣區(qū)域識別器，其識別在移動對象的一系列圖像中的至少一幅圖像內(nèi)的感興趣區(qū)域；模型庫，其包括指示移動對象的周期運(yùn)動的一個(gè)或多個(gè)模型；以及配準(zhǔn)部件，其基于來自模型庫的運(yùn)動模型組間配準(zhǔn)圖像。在另一實(shí)施例中，一種包含指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作獲取移動對象或受檢者時(shí)序圖像序列；獲取指示對象或受檢者的運(yùn)動的運(yùn)動模型；在圖像序列的圖像中限定感興趣區(qū)域；以及利用運(yùn)動模型基于圖像的組間配準(zhǔn)而將感興趣區(qū)域傳遞到圖像序列中的一幅或多幅圖像。在另一實(shí)施例中，一種包含指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作獲取移動對象或受檢者的時(shí)序圖像序列；獲取指示對象或受檢者的運(yùn)動的運(yùn)動模型；在圖像序列的圖像中限定感興趣區(qū)域；以及基于圖像序列、運(yùn)動模型和感興趣區(qū)域使圖像組間配準(zhǔn)。本發(fā)明可以具體化為不同的部件或部件布置，以及具體化為不同的步驟和步驟安排。附圖僅用于圖示說明優(yōu)選實(shí)施例，而不應(yīng)解釋為是對本發(fā)明的限制。


圖1圖示說明了范例成像系統(tǒng)。圖2圖示說明了范例方法。下文總體涉及基于運(yùn)動模型對受檢者或?qū)ο蟮母信d趣區(qū)域(ROI)的序列圖像或時(shí)序圖像的組間配準(zhǔn)，所述運(yùn)動模型估計(jì)或建模數(shù)據(jù)采集期間受檢者或?qū)ο蟮倪\(yùn)動。這樣的配準(zhǔn)能夠減小選通偽影，選通偽影可能在配置中發(fā)生，在配置中，執(zhí)行成對的、基于解剖模型的或者其他類型的圖像配準(zhǔn)。這樣一來，經(jīng)配準(zhǔn)的圖像很適合于將在至少一幅圖像中識別的諸如輪廓、網(wǎng)格等的ROI自動傳遞到圖像序列中的一幅或多幅其他圖像。下文中，在 CT成像的背景下描述組間配準(zhǔn)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這樣的配準(zhǔn)還能夠結(jié)合諸如MR、US等其他成像模態(tài)而使用。圖1圖示了成像系統(tǒng)或CT 100。成像系統(tǒng)100包括固定機(jī)架102和旋轉(zhuǎn)機(jī)架104， 旋轉(zhuǎn)機(jī)架104由固定機(jī)架102可旋轉(zhuǎn)地支撐并關(guān)于縱軸或ζ軸繞檢查區(qū)域106旋轉(zhuǎn)。諸如 χ射線管的輻射源108由旋轉(zhuǎn)機(jī)架104支撐并發(fā)射貫穿檢查區(qū)域106的輻射。輻射敏感的探測器陣列110在跨越檢查區(qū)域106與輻射源108的對側(cè)呈一角度弧并探測貫穿檢查區(qū)域 106的輻射。探測器陣列110生成指示探測到的輻射的信號。重建器112重建來自探測器陣列110的信號并生成指示所述信號的體積圖像數(shù)據(jù)。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)充當(dāng)操作員控制臺 114。駐留在控制臺114上的軟件允許操作員控制系統(tǒng)100的操作。諸如床的患者支撐物 116在檢查區(qū)域106中支撐諸如人類患者的對象或受檢者。在圖示說明的實(shí)施例中，成像系統(tǒng)100用于生成在逐個(gè)運(yùn)動周期期間發(fā)生移動的受檢者或?qū)ο蟮母信d趣結(jié)構(gòu)或區(qū)域的時(shí)間序列圖像。例如，在一種情況下，系統(tǒng)100用于生成在一個(gè)或多個(gè)呼吸和/或心搏周期期間腫瘤、器官、總靶區(qū)體積(GVT)等的選通的4D-CT 圖像的序列。在多個(gè)運(yùn)動周期中，這樣的圖像序列可以包括數(shù)十、數(shù)百等數(shù)目的圖像。ROI識別器118識別圖像序列的一幅或多幅圖像中的一個(gè)或多個(gè)R0I。特定的圖像可以由用戶手動選擇，或者基于預(yù)定的協(xié)議自動選擇，或者以其他方式選擇。所選擇的圖像可以在序列的一端或者接近序列的一端、在序列的中間或者接近序列的中間，包括感興趣結(jié)構(gòu)的特定視圖，等等。ROI可以通過諸如能夠被調(diào)整大小、旋轉(zhuǎn)和/或以其他方式操縱的預(yù)先界定的輪廓(例如，圓形、矩形等)多樣性工具、徒手輪廓繪制工具、基于體素值、梯度等作輪廓的自動作輪廓工具和/或其他工具。配準(zhǔn)部件120配準(zhǔn)圖像序列中的圖像。如上文簡要提到的，這包括基于識別的(一個(gè)或多個(gè))R0I、合適的運(yùn)動模型和圖像對組間配準(zhǔn)圖像。以下文更為詳細(xì)地描述，在一種情況下，配準(zhǔn)部件120基于整幅圖像或者圖像的預(yù)定的子部分同時(shí)確定運(yùn)動模型的一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)，并且基于ROI和運(yùn)動模型局部地組間配準(zhǔn)圖像。在其中ROI是在多于一幅圖像中被識別的情況下，可以針對配準(zhǔn)將不同的ROI進(jìn)行加權(quán)。權(quán)值可以基于在相應(yīng)時(shí)間處的ROI的空間距離(例如，網(wǎng)格到網(wǎng)格的距離)。模型庫122包括一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動模型，所述模型對呼吸運(yùn)動、心搏運(yùn)動和/或其他運(yùn)動進(jìn)行建模。以下文更為詳細(xì)地描述，可以利用一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)將這樣的運(yùn)動建模為多條周期軌線(trajectory)，所述周期軌線從參考位置延伸通過圖像序列。這樣的模型可以建模為傅里葉(Rnirier)級數(shù)或其他周期模型。如上文簡要提到的，在配準(zhǔn)期間，基于整幅圖像或者圖像的預(yù)定的子部分確定所述運(yùn)動模型的一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)。對照點(diǎn)(或參考位置)識別器IM識別關(guān)于ROI的對照點(diǎn)(或參考位置)的有限集合。這樣的點(diǎn)可以定位在ROI外部、ROI內(nèi)部和/或ROI的周界上。使用軟件應(yīng)用程序， 可以通過經(jīng)由鼠標(biāo)或其他定點(diǎn)(pointing)裝置點(diǎn)擊圖像上的位置或者以其他方式來識別這樣的點(diǎn)。配準(zhǔn)部件120應(yīng)用具有一個(gè)或多個(gè)參考位置的模型。例如，參考位置可以用作初始條件，以確定模型的自由參數(shù)以及配準(zhǔn)圖像。樣本點(diǎn)識別器126識別關(guān)于對照點(diǎn)的點(diǎn)的有限集合。樣本點(diǎn)可以用于最小化或降低所傳送的圖像信息(例如，軌線周邊灰度值的平均方差)的變異性。采樣點(diǎn)可以手動地或自動地識別，并且通常位于相應(yīng)的參考位置的周邊或接近相應(yīng)的參考位置，諸如在相應(yīng)的參考位置的預(yù)定距離內(nèi)。使用諸如平方和等的已知技術(shù)能夠在圖像間使變異性最小化。輪廓傳遞部件1 將ROI傳遞到圖像序列中經(jīng)配準(zhǔn)的圖像的一幅或多幅。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，所述ROI可能位于圖像序列的一端并通過圖像序列傳遞；位于圖像序列的中間附近并通過圖像序列沿兩個(gè)方向傳遞；或者備選地定位并且通過圖像序列傳遞。圖2圖示了基于運(yùn)動模型執(zhí)行組間配準(zhǔn)的方法。在202處，獲取了在一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動周期期間的感興趣結(jié)構(gòu)的時(shí)間系列圖像。如上所述，可以利用由CT、MRI、US或其他成像掃描器采集的數(shù)據(jù)生成所述時(shí)間系列。這樣的系列的范例是一個(gè)或多個(gè)呼吸周期內(nèi)肺中的腫瘤或其他感興趣結(jié)構(gòu)的一系列圖像。在204處，在圖像的至少一幅中限定R0I。這可以包括識別表示腫瘤或其他結(jié)構(gòu)的ROI。在206處，獲取合適的運(yùn)動模型。如本文所述，這樣的運(yùn)動模型可以是周期性的并限定通過患者的軌線。在208處，關(guān)于ROI限定參考位置或?qū)φ拯c(diǎn)的集合。每個(gè)對照點(diǎn)提供每條軌線延伸通過圖像序列的點(diǎn)。在210處，在對照點(diǎn)的周邊限定樣本點(diǎn)的集合集并將其用于降低或最小化沿軌線的變異性。在212處，基于R0I、參考位置的集合、樣本點(diǎn)的集合和/或圖像而確定運(yùn)動模型的一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)，并且基于所述運(yùn)動模型對圖像進(jìn)行組間配準(zhǔn)。在214處，該ROI被傳遞到經(jīng)配準(zhǔn)的圖像序列中的一幅或多幅圖像。下文論述非限制的范例。為了解釋說明，所論述的運(yùn)動模型是周期性的時(shí)空模型。 然而，本文也想到了其他模型。在圖示說明的模型中，根據(jù)等式1和2使用#^介傅里葉級數(shù)在有限維空間逼近通
過圖像序列的軌線
權(quán)利要求
1.一種方法，包括基于在圖像、圖像序列中的至少一個(gè)內(nèi)識別的受檢者或?qū)ο蟮母信d趣區(qū)域和指示對采集所述圖像序列期間所述受檢者或?qū)ο蟮倪\(yùn)動的估計(jì)的運(yùn)動模型，根據(jù)時(shí)間序列的圖像同時(shí)生成組間配準(zhǔn)的圖像的集合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括限定關(guān)于所述感興趣區(qū)域的參考位置的集合；以及向參考位置應(yīng)用所述運(yùn)動模型，其中，所述運(yùn)動模型指示基于所述參考位置通過所述圖像序列的軌線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述軌線估計(jì)通過所述圖像序列的所述參考位置的逐幅圖像的運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2到3中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括限定關(guān)于所述參考位置的樣本點(diǎn)的集合；以及基于所述樣本點(diǎn)的集合使傳送的圖像信息的變異性最小化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，使所述變異性最小化包括使通過所述圖像序列的所述軌線周邊的灰度值的平均方差最小化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述運(yùn)動模型是基于周期運(yùn)動的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述運(yùn)動模型包括一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)，并且還包括在配準(zhǔn)期間基于所述圖像確定所述一個(gè)或多個(gè)自由參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括通過組間配準(zhǔn)的圖像序列傳遞所述感興趣區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述運(yùn)動模型對呼吸周期或心搏周期中的至少一個(gè)進(jìn)行建模。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述組間配準(zhǔn)對于所述感興趣區(qū)域是局部性的。
11.一種系統(tǒng)，包括感興趣區(qū)域識別器(118)，其識別移動對象的一系列圖像內(nèi)的至少一幅圖像中的感興趣區(qū)域；模型庫(122)，其包括指示所述移動對象的周期運(yùn)動的一個(gè)或多個(gè)模型；以及配準(zhǔn)部件(120)，其基于來自所述模型庫(12 的運(yùn)動模型和所述圖像組間配準(zhǔn)所述圖像。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括參考位置識別器(IM)，其識別關(guān)于所述感興趣區(qū)域的多個(gè)參考位置，其中，所述模型包括至少一個(gè)自由參數(shù)，并且所述配準(zhǔn)部件(120)基于所述參考位置確定所述自由參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括樣本點(diǎn)識別器(126)，其識別關(guān)于參考位置的多個(gè)樣本點(diǎn)，其中，所述配準(zhǔn)部件(120) 基于所述多個(gè)樣本點(diǎn)使所述參考位置的傳送的圖像信息的變異性最小化。
14.根據(jù)權(quán)利要求11到14中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括感興趣區(qū)域傳遞器(118)，其通過配準(zhǔn)的圖像序列傳遞所述感興趣區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述運(yùn)動模型指示通過所述圖像序列的周期軌線。
16.一種包含指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作獲取移動對象或受檢者的時(shí)序圖像序列；獲取指示所述對象或受檢者的運(yùn)動的運(yùn)動模型；限定所述圖像序列的圖像中的感興趣區(qū)域；以及利用所述運(yùn)動模型基于所述圖像的組間配準(zhǔn)將所述感興趣區(qū)域傳遞到所述圖像序列中的一幅或多幅圖像。
17.一種包含指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作獲取移動對象或受檢者的時(shí)序圖像序列；獲取指示所述對象或受檢者的運(yùn)動的運(yùn)動模型；限定所述圖像序列的圖像中的感興趣區(qū)域；基于所述圖像序列、所述運(yùn)動模型和所述感興趣區(qū)域組間配準(zhǔn)所述圖像。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，還包括這樣的指令，當(dāng)所述指令由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作限定關(guān)于所述感興趣區(qū)域的參考位置以及基于所述參考位置確定所述運(yùn)動模型的自由參數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，還包括這樣的指令，當(dāng)所述指令由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作限定關(guān)于所述參考位置的樣本點(diǎn)的集合以及基于所述樣本點(diǎn)的集合針對所述參考位置使傳送的圖像信息的變異性最小化。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，還包括這樣指令，當(dāng)所述指令由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下動作通過經(jīng)配準(zhǔn)的圖像序列傳遞所述感興趣區(qū)域。
全文摘要
一種方法，包括基于在圖像、圖像序列中的至少一個(gè)內(nèi)識別的受檢者或?qū)ο蟮母信d趣區(qū)域和指示對采集圖像序列期間受檢者或?qū)ο蟮倪\(yùn)動的估計(jì)的運(yùn)動模型，根據(jù)時(shí)間序列的圖像生成組間配準(zhǔn)的圖像的集合。
文檔編號G06T7/20GK102317971SQ201080007212
公開日2012年1月11日 申請日期2010年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者D·貝斯特羅夫, H·舒爾茨, S·M·F·施密特, T·維克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司