用于定位脊柱的方法、設備和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在人或動物身體的圖像(特別地，計算機斷層掃描(CT)圖像)中定位脊柱的方法以及對應設備和系統(tǒng)，一方面允許減少對計算能力和/或存儲器的需要并且另一方面確保脊柱的可靠定位。根據(jù)本發(fā)明的方法包括下面的步驟：a)獲取人或動物身體的至少一部分的多個切片圖像(20–22)，和b)通過考慮表征所述獲取的切片圖像(20–23)中的骨頭(1–4)的分布的至少一個參數(shù)(μz，νz，σz，Λz)，從獲取的多個切片圖像(20–22)自動地選擇切片圖像和/或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于脊柱的圖像信息。
【專利說明】用于定位脊柱的方法、設備和系統(tǒng)
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨立權利要求的用于在人或動物身體的圖像（特別地，計算 機斷層掃描（CT)圖像）中定位脊柱的方法以及對應設備和系統(tǒng)。
[0002] 通常，獲取身體的多個軸向CT圖像，并且這些CT圖像隨后被存儲、評估和/或以 二維和/或三維表示方式進行顯示。由于大量的獲取的圖像數(shù)據(jù)，CT圖像中的脊柱的自動 定位是計算密集并且存儲器要求型任務。
[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于在人或動物身體的圖像（特別地，CT圖像）中定 位脊柱的方法以及對應設備和系統(tǒng)，從而一方面允許減少對計算能力和/或存儲器的需要 并且另一方面確保脊柱的可靠定位。
[0004] 這個目的由根據(jù)獨立權利要求的方法以及對應設備和系統(tǒng)實現(xiàn)。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的方法包括下面的步驟：獲取人或動物身體的至少一部分的多個切片 圖像，和通過考慮表征所述獲取的切片圖像中的骨頭的分布的至少一個參數(shù)，從獲取的多 個切片圖像自動地選擇切片圖像和/或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或 切片圖像的部分包括關于脊柱的圖像信息。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的對應方法包括：通過考慮表征所述獲取的切片圖像中的骨頭的分布 的至少一個參數(shù)，從多個切片圖像自動地選擇切片圖像和/或切片圖像的部分，已獲取的 所述切片圖像涉及人或動物身體的至少一部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像 的部分包括關于脊柱的圖像信息。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的設備包括：圖像處理單元，通過考慮表征所述獲取的切片圖像中的 骨頭的分布的至少一個參數(shù)，從人或動物身體的至少一部分的多個切片圖像自動地選擇切 片圖像和/或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于 脊柱的圖像信息。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括：圖像采集單元，特別地，計算機斷層掃描單元，用于獲取 人或動物身體的至少一部分的多個切片圖像；和圖像處理單元，通過考慮表征所述獲取的 切片圖像中的骨頭的分布的至少一個參數(shù)，從獲取的多個切片圖像自動地選擇切片圖像和 /或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于脊柱的圖 像息。
[0009] 本發(fā)明基于這樣的方案：基于對關于獲取的切片圖像中的骨頭的分布的獲取的切 片圖像的切片方式（slice-wiseXS卩，逐切片）分析，從獲取的身體的多個切片圖像自動地 選擇切片圖像和/或其部分。根據(jù)分析的結果，選擇包含關于脊柱的圖像信息的切片圖像 和/或其部分，和/或舍去不包含關于脊柱的圖像信息的切片圖像。對獲取的切片圖像的 切片方式分析基于存在于切片中的骨結構的統(tǒng)計和分布特征。優(yōu)選地，對獲取的切片圖像 中的骨分布圖的分析僅發(fā)生在一個行程中，即獲取的切片圖像被逐切片地分析，例如開始 于與頸部相關的切片圖像并且結束于與腿相關的切片圖像。
[0010] 通過這個方案，在CT圖像的許多情況下，大部分的CT圖像數(shù)據(jù)能夠被省去，例如 非常經(jīng)常需要總數(shù)據(jù)量的一半的身體的腿區(qū)域的切片圖像。特別地，CT圖像數(shù)據(jù)的這種部 分能夠在相應的脊柱圖像的體積重構期間被從獲取的切片省去。此外，與脊管相距太遠的 部分能夠在椎間盤和脊椎標記的搜索期間被遮蔽并且忽略。因此，為了二維和/或三維圖 像重構而對計算能力和存儲器的需要能夠顯著減少而不損失與脊柱相關的相關圖像信息， 從而能夠確保選擇的圖像中的脊柱的可靠定位。后者特別地適用于可能在特定選擇的切片 圖像中發(fā)現(xiàn)什么椎間盤的隨后的估計。
[0011] 本發(fā)明的含義中的術語"選擇切片圖像"不僅涉及選擇切片圖像，還涉及拒絕切片 圖像或遮蔽其一部分。因此，本發(fā)明的含義中的"選擇的切片圖像"分別是選擇的切片圖像 和/或其一部分或者未被舍去或遮蔽的切片圖像和/或其一部分。
[0012] 本發(fā)明的含義中的切片圖像中的"骨頭的分布"涉及與切片圖像中的骨頭相關的 強度值或像素的分布或散布。優(yōu)選地，以Hounsfield單位（HU)的Hounsfield標度給出切片 圖像的強度值和/或切片圖像的強度值被變換為Hounsfield單位（HU)的Hounsfield標度， 其中強度值散布在間隔^? [350 ;1050] HU上以使得骨頭能夠因此大體上由間隔閾值分割。
[0013] 本發(fā)明的含義中的"表征骨頭的分布的參數(shù)"涉及切片圖像內(nèi)的骨頭結構的分布 的一個或多個性質(zhì)。優(yōu)選地，能夠從骨分布獲得該參數(shù)，和/或它能夠是例如與骨頭相關的 強度值或像素的平均值或中值、骨分布的散布、寬度、方差或標準偏差。如以下將會詳細闡 述的，存在許多另外的表征骨頭的分布的優(yōu)選參數(shù)。
[0014] 優(yōu)選地，脊柱具有縱向軸線，并且相應切片圖像的圖像平面基本上垂直于脊柱的 縱向軸線。因此，本發(fā)明的含義中的切片圖像被稱為軸向圖像。
[0015] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述至少一個參數(shù)涉及與切片圖像中的骨頭相關的像 素的重心。與切片圖像中的骨頭相關的像素的重心涉及與切片圖像內(nèi)的骨頭相關的像素的 分布的平均位置。假設切片圖像僅包含脊柱的或多或少對稱的脊椎的剖視圖像，則重心將 會近似位于脊椎的剖視圖像的中心。通過這種方式，實現(xiàn)切片圖像內(nèi)的脊柱的簡單而可靠 的定位和對切片圖像的相應選擇。
[0016] 在本發(fā)明的含義中，術語"像素"表示圖像的最小元素，特別地，切片圖像的圖畫元 素。優(yōu)選地，在已應用間隔閾值之后，每個像素表現(xiàn)出0或1的強度值。
[0017] 在另外的骨頭（例如，骨盆或肋骨）對脊柱的切片圖像中的骨分布做出貢獻的情 況下，強度值的重心將會從脊椎的中心區(qū)域移開。為了計及這一點，優(yōu)選地，所述至少一個 參數(shù)代表與位于切片圖像中的提煉窗口內(nèi)的骨頭相關的像素的提煉的重心，其中提煉窗口 在與切片圖像中的骨頭相關的像素的原始的重心周圍伸展。在這個實施例中，如上所述，確 定切片圖像中強度值的原始的重心。接下來，不對稱的提煉窗口被疊加到切片圖像上，其中 優(yōu)選地自動選擇提煉窗口的大小和位置，以使得脊柱或其一部分的剖視圖像位于提煉窗口 內(nèi)，而另外的骨頭（例如，骨盆或肋骨）位于提煉窗口外面。在另一步驟中，僅通過考慮與 位于提煉窗口里面的骨頭相關的像素來獲得提煉的重心。以這種方式，在包含關于另外的 骨頭的圖像信息的切片圖像中也能夠實現(xiàn)脊柱的可靠而快速的定位。
[0018] 在特別優(yōu)選的實施例中，通過考慮原始的重心和提煉的重心之差來選擇切片圖 像。因為在除了脊柱之外還對另外的骨頭成像的情況下，提煉的重心將會偏離原始的重心， 所以原始的重心和提煉的重心之差與種子的可靠性相關，種子是在脊椎主體里面或接近脊 椎體的點，特別地，是用于隨后的分割算法的初始化點。因此，該差越小，種子越可靠地與脊 柱對齊。
[0019] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，所述至少一個參數(shù)代表與切片圖像中的骨頭相關 的像素的標準偏差。強度值的標準偏差表征從切片圖像內(nèi)的骨頭的強度值分布中的平均強 度值的變化或"離散度"。例如，低標準偏差指示數(shù)據(jù)點傾向于非常接近平均值，而高標準 偏差指示數(shù)據(jù)點散布在大范圍的值上。因此，標準偏差代表可容易地獲得的并且可靠的參 數(shù)，該參數(shù)用于確定切片圖像是否主要包含脊柱的圖像信息或者它是否還包含關于另外的 骨頭的信息。
[0020] 在本發(fā)明的含義中，術語"與骨頭相關的像素的標準偏差"表示骨頭像素相對于閾 值化的切片圖像的質(zhì)心的空間偏差。
[0021] 特別優(yōu)選地，選擇標準偏差位于預定義的范圍內(nèi)的切片圖像。已發(fā)現(xiàn)：身體的腰部 的軸向切片圖像表現(xiàn)出其主要由切片中成像的通常25 mm的脊椎的尺寸表征的標準偏差。 因此，表現(xiàn)出與位于大約20至40 mm(特別地，25至35 mm,特別地，25至30 mm)的區(qū)域中 的骨頭相關的像素的標準偏差的切片圖像能夠被分派給身體的腰柱的切片圖像，而表現(xiàn)出 大于40 _的標準偏差的切片圖像指示非脊椎骨（例如，肋骨或骨盆）的存在。
[0022] 在另一優(yōu)選實施例中，所述至少一個參數(shù)涉及沿左到右方向（LR)和/或前后方向 (AP)與切片圖像中的骨頭相關的像素的至少一個直方圖。本發(fā)明的含義中的直方圖涉及強 度值的概率分布的表示，強度值被分類為預定義數(shù)量的分開的種類（所謂的直條）。因此， 直方圖在預定義的直條（即，強度種類）內(nèi)代表與切片圖像中的骨頭相關的相應像素的概 率值。優(yōu)選地，所述至少一個直方圖位于提煉的重心，特別地，以提煉的重心為中心。替代 地或附加地，還優(yōu)選的是，所述至少一個參數(shù)涉及至少一個4直條直方圖。通過考慮沿LR 和/或AP方向上的至少一個直方圖，能夠實現(xiàn)與包含身體的腿的圖像相關的切片圖像的可 靠識別。因為腿切片圖像不包含關于脊柱的信息，所以它們能夠隨后被舍去。通過這種方 式，對切片圖像的可靠選擇（即，舍去）和對選擇（即，未舍去）的切片圖像中的脊柱的隨 后的定位是可能的。
[0023] 此外，優(yōu)選的是，示出與在左到右方向上占優(yōu)勢的骨頭相關的像素的直方圖的切 片圖像被舍去。替代地或附加地，還優(yōu)選的是，示出與在前后方向上基本上沒有貢獻的骨頭 相關的像素的直方圖的切片圖像被舍去。通過這些規(guī)定，能夠實現(xiàn)包含來自身體的腿的圖 像的切片圖像的非?？煽康淖R別及其隨后的舍去。
[0024] 如以上已經(jīng)示例性解釋的，本發(fā)明的一個優(yōu)選方面在于：在其中選擇切片圖像的 選擇步驟還包括舍去分派給身體的另一部分（特別地，分派給腿）的切片圖像。替代地或附 加地，還優(yōu)選的是，選擇步驟包括舍去來自切片圖像的圖像信息，特別地，舍去來自選擇的 切片圖像的圖像信息，其中所述舍去的圖像信息被分派給超出脊柱周圍的體積的區(qū)域。優(yōu) 選地，所述脊柱周圍的體積由矩形棱柱給出。通過這種方式，總數(shù)據(jù)量顯著減少，以使得用 于顯示和/或分析選擇的切片圖像的計算能力和存儲器要求能夠顯著降低，而不會不利地 影響選擇的切片圖像中的脊柱的定位。
[0025] 如以上已經(jīng)提到的，能夠為了診斷目的而顯示和/或分析選擇的切片圖像。優(yōu)選 地，在切片圖像的體積重構中顯示選擇的切片圖像。替代地或附加地，通過搜索脊柱的至少 一部分，特別地搜索椎間盤和/或脊椎，為了診斷目的而分析選擇的切片圖像。
[0026] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過使與切片圖像中的骨頭相關的像素的標準偏差與 全身體掃描的模型相關聯(lián)，分析獲取的切片圖像（特別地，選擇的切片圖像）。優(yōu)選地，考慮 的全身體掃描的模型取決于與被掃描的特定身體相關的參數(shù)，例如性別和/或身高和/或 體重。也就是說，考慮的全身體掃描的模型包含對于相應類型的身體（例如男性、身高160 至180 cm的范圍、體重60至80 kg的范圍）而言典型的骨分布的預定義的標準偏差值。當 然，還能夠考慮其它類型的全身體掃描的模型。優(yōu)選地，當使與切片圖像中的骨頭相關的像 素的標準偏差與全身體掃描的模型相關時，針對多個切片圖像確定至少一個相關度參數(shù)， 并且隨后分析所述至少一個相關度參數(shù)。以這種方式，可實現(xiàn)多個切片圖像中的脊柱或其 部分的可靠定位，而在許多情況下沒有操作人員的介入并且沒有身體中或身體上的特殊標 記。
[0027] 通過下面對下面的圖的描述，本發(fā)明的另外的優(yōu)點、特征和例子將是顯而易見 的： 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的設備的例子； 圖2示出切片圖像的三個例子，其中分別指示重心、提煉窗口和提煉的重心； 圖3示出4直條（bin)直方圖以及切片圖像的例子； 圖4示出直方圖分布圖和與軸向CT切片圖像偏離的標準偏差分布圖以及相應冠狀投 影的例子； 圖5示出多個選擇的軸向CT切片圖像與全身體軸向CT掃描的模型之間的相關性的例 子。
[0028] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的設備10的例子。包括身體的多個圖像（特別地，軸向切片 圖像）的醫(yī)療數(shù)據(jù)集11由醫(yī)療成像設備12(特別地，CT設備）獲取，并且被饋送給控制單 元13 (優(yōu)選地，計算機），控制單元13被配置為控制和/或執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。 多個圖像的圖像數(shù)據(jù)能夠被直接饋送給控制單元13。替代地或附加地，還能夠經(jīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 18傳送圖像數(shù)據(jù)，成像設備12和控制單元13兩者都至少暫時地連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡18。
[0029] 設備10優(yōu)選地包括顯示器14(例如，TFT屏幕）用于顯示醫(yī)療數(shù)據(jù)集的切片視圖 和/或體積視圖。在圖1中給出的例子中，顯示人體的冠狀CT切片圖像15和身體的腰部 的對應軸向CT切片圖像23。優(yōu)選地，控制單元13還被配置為在顯示器14上產(chǎn)生切片圖像 15、23(特別地，自動選擇的軸向切片圖像）的體積重構。
[0030] 如上面已經(jīng)提到的，本發(fā)明基于如下的方案：在定位或標記CT掃描中的脊柱之 前，大量的數(shù)據(jù)被刪去，以使得用于脊柱定位或標記的相應方法和設備的時間和存儲器性 能兩者都能夠顯著增強。在下面，示例性地描述一種用于算出CT數(shù)據(jù)的什么部分能夠被從 DIC0M到體積重構中省去并且估計可能在什么切片中發(fā)現(xiàn)什么椎間盤的一行程、切片方式 的方法。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明，在許多情況下，大部分的CT數(shù)據(jù)能夠被舍棄。例如，腿切片（經(jīng)常地， 數(shù)據(jù)的一半）已經(jīng)能夠在從DIC0M切片的體積重構期間被省去。此外，與脊管相距太遠的 部分能夠在椎間盤和脊椎標記的搜索期間被遮蔽并且忽略。為了處理以上情況，本發(fā)明提 供一種基于存在于特定切片中的骨結構的統(tǒng)計和分布特征的一行程、切片方式的方法。本 發(fā)明還提供一種用于執(zhí)行提及的方法的相應設備和系統(tǒng)。
[0032] 優(yōu)選地，輸入掃描和伴隨的DIC0M場滿足下面要求中的至少一個，優(yōu)選地滿足所 有要求： -具有Hounsfield標度的CT，其中假設存在針對Hounsfield強度變換的RAW數(shù)據(jù)， -軸向CT切片，以使得能夠執(zhí)行切片方式的迭代， -病人的頭向前臉向上（仰臥）方位或用于產(chǎn)生這種方位的變換，和 -以毫米為單位給出的像素/體素尺寸，或來自DICOM的對應標度信息。
[0033] 術語"RAW數(shù)據(jù)"涉及具有以CT值計的強度的原始銷售商的切片。這是由CT掃描 儀產(chǎn)生并且存儲的數(shù)據(jù)，其中像素強度的范圍由CT掃描儀的銷售商預設并且可根據(jù)掃描 協(xié)議而不同。
[0034] 另外，優(yōu)選地，強度值散布在Hounsfield單位（HU)的間隔g [350 ;1050]上，以使 得骨頭能夠因此大體上由間隔閾值分割。因此，對于檢測骨頭的切片z內(nèi)的3D位置/7的集 合足，其應用：
【權利要求】
1. 用于在人或動物身體的圖像中，特別地在計算機斷層掃描（CT)圖像中定位脊柱的 方法，所述方法包括下述步驟： a) 獲取人或動物身體的至少一部分的多個切片圖像（20 - 23)，和 b) 通過考慮表征所述獲取的切片圖像（20 - 23)中的骨頭（1 - 4)的分布的至少一個參 數(shù)vz、〇z、Az)，從獲取的多個切片圖像（20 - 23)自動地選擇切片圖像和/或切片圖 像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于脊柱的圖像信息。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個參數(shù)涉及與切片圖像（20 - 23)中的骨 頭（1 _ 4)相關的像素的重心（h)。
3. 如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個參數(shù)代表與切片圖像（20 - 23)中的提 煉窗口（17)內(nèi)的骨頭（1-4)相關的像素的提煉的重心（vz)，其中所述提煉窗口（17)在 與切片圖像（20 - 23)中的骨頭（1-4)相關的像素的原始的重心〇?〇的周圍伸展。
4. 如權利要求3所述的方法，其中通過考慮原始的重心（h)和提煉的重心（vz)之差 (h _vz)來選擇切片圖像。
5. 如前面權利要求中任何一項所述的方法，其中所述至少一個參數(shù)代表與切片圖像 (20 - 23)中的骨頭（1-4)相關的像素的標準偏差（〇z)。
6. 如權利要求5所述的方法，其中選擇標準偏差（〇z)位于預定義的范圍內(nèi)的切片圖 像。
7. 如前面權利要求中任何一項所述的方法，其中所述至少一個參數(shù)（Az)涉及沿左到 右方向（LR)和/或前后方向（AP)與切片圖像（20 - 23)中的骨頭（1 - 4)相關的像素的至 少一個直方圖義，〇。
8. 如權利要求7所述的方法，其中舍去示出與沿左到右方向（LR)占優(yōu)勢和/或沿前后 方向（AP)基本上沒有貢獻的骨頭（1-4)相關的像素的直方圖的切片圖 像（20 - 23)。
9. 如前面權利要求中任何一項所述的方法，其中步驟b)包括舍去來自切片圖像（20- 23)的圖像信息，特別地，舍去來自選擇的切片圖像的圖像信息，其中所述舍去的圖像信息 被分派給超出脊柱周圍的體積的區(qū)域。
10. 如權利要求9所述的方法，其中所述脊柱周圍的體積由矩形棱柱給出。
11. 如前面權利要求中任何一項所述的方法，其中所述選擇的切片圖像特別地通過體 積重構來顯示。
12. 如前面權利要求中任何一項所述的方法，其中通過搜索脊柱的至少一部分，特別地 搜索脊柱間盤和/或脊椎，為了診斷目的而分析所述選擇的切片圖像。
13. 如權利要求5所述的方法，其中通過使與切片圖像（20 - 23;Colon_buik)中的骨 頭（1 _ 4)相關的像素的標準偏差（〇 z)與全身體掃描的模型（模型）相關聯(lián)來分析所述 切片圖像。
14. 用于在圖像中定位脊柱的設備，特別地，在計算機斷層掃描（CT)圖像中定位脊柱 的設備，所述圖像包括人或動物身體的至少一部分的多個切片圖像（20 - 23)，所述設備包 括： 圖像處理單元（13)，通過考慮表征獲取的切片圖像（20 - 23)中的骨頭（1-4)的分布 的至少一個參數(shù)（h、vz、〇z、Az)，從所述獲取的多個切片圖像（20 - 23)自動地選擇切片 圖像和/或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于脊 柱的圖像信息。
15.用于在人或動物身體的圖像中，特別地，在計算機斷層掃描（CT)圖像中定位脊柱 的方法，所述方法包括： 圖像采集單元（12)，特別地，計算機斷層掃描單元，用于獲取人或動物身體的至少一部 分的多個切片圖像（20 - 23);和 圖像處理單元（13)，通過考慮表征所述獲取的切片圖像（20 - 23)中的骨頭（1-4)的 分布的至少一個參數(shù)（Mv vz，〇z，Az)，從獲取的多個切片圖像（20 - 23)自動地選擇切 片圖像和/或切片圖像的部分，其中所述選擇的切片圖像和/或切片圖像的部分包括關于 脊柱的圖像信息。
【文檔編號】G06T7/00GK104395930SQ201380014219
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權日:2012年3月15日
【發(fā)明者】J.赫拉杜卡, D.馬喬, K.貝勒 申請人:愛克發(fā)醫(yī)療保健公司, Vrvis 虛擬現(xiàn)實和形象化研究中心有限責任公司, Avl利斯特有限責任公司, Imp分子病理研究所有限責任公司