用于3d計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)骨骼分割的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的用于=維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)骨骼分割 的方法和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0002] 本公開總地設(shè)及計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)領(lǐng)域，并且更具體地設(shè)及利用計(jì)算機(jī)斷層 掃描的自動(dòng)的骨骼分割。
【背景技術(shù)】
[0003]CT可W掃描患者體積。不同的對(duì)象在體積中可能是相互鄰近的。來自掃描的CT 數(shù)據(jù)表示兩個(gè)對(duì)象。為輔助診斷、規(guī)劃或植入設(shè)計(jì)，對(duì)象可W被分割。例如，來自=維（3D) CT圖像的人的骨骼的分割對(duì)許多臨床應(yīng)用是重要的，所述臨床應(yīng)用諸如可視化增強(qiáng)、疾病 診斷、植入設(shè)計(jì)、切割導(dǎo)向設(shè)計(jì)和手術(shù)上的規(guī)劃。與每個(gè)對(duì)象相關(guān)聯(lián)的位置或體素（voxel) 被確定。
[0004] 特別是在=維中，對(duì)對(duì)象的手動(dòng)追蹤是耗時(shí)間的。由于骨骼結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜 性、骨骼組織的非均勻的密度、由于部分體積效應(yīng)而模糊和薄弱的骨骼界限、W及諸如骨質(zhì) 疏松癥的病理學(xué)情況，自動(dòng)的檢測仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。具體地，當(dāng)相鄰骨骼相互 靠的太近時(shí)，因?yàn)楣趋篱g的間隙極度地窄，或者如果骨骼相互接界則所述骨骼間的間隙甚 至消失，所W分開該些骨骼變得非常困難。因此，傳統(tǒng)的分割方法常常產(chǎn)生重疊的界限。圖 1示出了具有得到重疊的界限的區(qū)域40的自動(dòng)的分割的股骨（上）和膠骨（下）。由于該 重疊錯(cuò)誤，分割可能是不準(zhǔn)確的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] W介紹的方式，下文所述的優(yōu)選實(shí)施例包括用于=維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象 分割的方法、系統(tǒng)、指令和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。鄰近的對(duì)象被單獨(dú)地分割?？蒞識(shí)別被指定為 屬于兩個(gè)對(duì)象的重疊的區(qū)域或位置。單獨(dú)的分割的置信圖被用于將重疊的位置標(biāo)記為屬于 對(duì)象中的一個(gè)或另一個(gè)，而不是兩者。該重新分割被應(yīng)用于重疊的局部，而不是其它位置。 僅對(duì)重疊位置的重新分割和應(yīng)用中的置信圖可W相互獨(dú)立地或組合使用。
[0006] 在第一方面中，提供一種用于=維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)骨骼分割的方法。接收 表示患者的第一和第二骨骼的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)數(shù)據(jù)。處理器分別分割第一和第二骨 骼。所述處理器細(xì)化作為所述分割的第一置信圖的函數(shù)的所述第一骨骼的分割W及作為所 述分割的第二置信圖的函數(shù)的所述第二骨骼的分割。所述處理器共同地調(diào)整作為所述第一 和第二置信圖的函數(shù)的所述第一和第二骨骼的分割的結(jié)果。示出具有所述分割的調(diào)整的結(jié) 果的所述第一和第二骨骼的圖像被輸出。
[0007] 在第二方面中，在非暫時(shí)的計(jì)算機(jī)可讀貶存介質(zhì)中貶存表示指令的數(shù)據(jù)，所述指 令由用于=維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的編程的處理器執(zhí)行。所述貶存介質(zhì)包括指 令用于：將計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)的第一體素標(biāo)記為屬于具有第一界限的第一分割，將計(jì)算 機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)的第二體素標(biāo)記為屬于具有第二界限的第二分割，所述第二體素的至少一 些還被標(biāo)記為屬于所述第一分割，計(jì)算從所述第一體素到所述第一界限的第一距離，計(jì)算 從所述第二體素到所述第二界限的第二距離，最小化作為所述第一和第二距離和空間排除 約束的函數(shù)的能量函數(shù)使得所述第一體素專用于所述第一分割并且所述第二體素專用于 所述第二分割，W及在所述最小化之后產(chǎn)生所述第一和第二分割的圖像。
[000引在第=方面中，在非暫時(shí)的計(jì)算機(jī)可讀貶存介質(zhì)中貶存表示指令的數(shù)據(jù)，所述指 令由用于=維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的編程的處理器執(zhí)行。所述貶存介質(zhì)包括指 令用于：從計(jì)算機(jī)斷層掃描信息識(shí)別第一對(duì)象的位置，從計(jì)算機(jī)斷層掃描信息識(shí)別第二對(duì) 象的位置，確定重疊的所述第一和第二對(duì)象的所述位置，修改所述重疊的位置的每一個(gè)W 使得專用于所述第一或第二對(duì)象，W及避免修改所述重疊之外的位置。
[0009] 本發(fā)明由下述權(quán)利要求限定，并且在本部分中沒有什么應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)該些權(quán)利要 求的限制。本發(fā)明進(jìn)一步的方面和優(yōu)點(diǎn)在下文中結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例被討論，并且可能在之后 獨(dú)立地或組合地被要求保護(hù)。
【附圖說明】
[0010] 所述組件和附圖并不一定成比例，而是重點(diǎn)說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中， 相似的參考標(biāo)號(hào)表示貫穿不同視圖的相應(yīng)的部件。
[0011] 圖1是具有兩個(gè)對(duì)象的分割的、示出對(duì)象的重疊的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像；
[0012] 圖2示出了用于S維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的方法的一實(shí)施例；
[0013] 圖3是用于S維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的方法的另一實(shí)施例的流程圖；
[0014] 圖4A、4B和4C是表示分割的不同的階段的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像；
[0015] 圖5示出了具有重疊的分割W及重疊的重新分割校正的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像；W 及
[0016] 圖6示出了用于S維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的系統(tǒng)的一實(shí)施例的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 提供多個(gè)鄰近的對(duì)象的自動(dòng)的分割。由計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)數(shù)據(jù)表示的任何對(duì) 象可W被分割。例如，分割兩個(gè)不同的器官。在用在該里所討論的實(shí)施例中的另一示例中， 鄰近的骨骼被分割。由CT數(shù)據(jù)表示的位置被標(biāo)記為屬于諸如膠骨或股骨的骨骼的一個(gè)或 另一個(gè)。自動(dòng)地從S維（3D)CT圖像進(jìn)行共同的多個(gè)骨骼的分割。
[001引從3DCT圖像的自動(dòng)的骨骼分割在許多臨床應(yīng)用中是有用的但充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。 具體地，當(dāng)在人的關(guān)節(jié)周圍的相鄰骨骼非常靠近甚至相互接觸時(shí)，傳統(tǒng)的骨骼分割方法易 于產(chǎn)生重疊錯(cuò)誤，特別是如果骨骼被單獨(dú)分割。提供了用于多個(gè)骨骼分割的完全自動(dòng)的、 計(jì)算機(jī)高效率的并且準(zhǔn)確的共同分割系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，每個(gè)骨骼通過用邊緣空間學(xué)習(xí) (MSL)架構(gòu)初始地分割W用于姿態(tài)估計(jì)W及非剛性界限變形。為消除分割重疊，用從初始 分割結(jié)果和在馬爾可夫隨機(jī)場（MRF)中相鄰骨骼之間的空間排除約束得出的置信圖重新 分割骨骼。因此，通過重新分割重疊被有效地消除。此外，由于重新分割僅被應(yīng)用于初始分 割結(jié)果的局部重疊的區(qū)域，所W重新分割僅具有輕簡的計(jì)算成本。該共同的分割通過大約 1秒的額外的計(jì)算相比于地面實(shí)況（groundtruth)可W減少分割重疊錯(cuò)誤多達(dá)100%。
[0019] 圖2和3示出了用于S維計(jì)算機(jī)斷層掃描的多個(gè)對(duì)象分割的方法的實(shí)施例。所述 方法使用圖6的系統(tǒng)、處理器、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和/或不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通常，處理器接收3D CT數(shù)據(jù)并進(jìn)行所述方法的動(dòng)作W輸出用于由3DCT數(shù)據(jù)表示的鄰近對(duì)象的不同位置的指 /J、-〇
[0020] 此外，相比于圖2或3所示出的可W提供不同的或更少的動(dòng)作。例如，提供了訪問 其它類型的數(shù)據(jù)的動(dòng)作、用于發(fā)送輸出的動(dòng)作和/或用于存儲(chǔ)分割的動(dòng)作。作為另一示例， 提供了其它初始分割動(dòng)作（例如，動(dòng)作24-30或44-58被替換）?？蒞使用單獨(dú)的對(duì)象的任 何分割。作為另一示例，在不使用置信圖的情況下，提供了限于重疊的位置的重新分割。W 所示出的順序或不同的順序進(jìn)行所述動(dòng)作。
[0021] 在由圖2所表示的實(shí)施例中，自動(dòng)的分割包括動(dòng)作42中的初始分割和動(dòng)作60中 的共同的重新分割。在動(dòng)作42的初始分割中，每個(gè)骨骼被分別檢測和分割。骨骼首先用動(dòng) 作44中的邊緣空間學(xué)習(xí)被定位。在給定體積中捜索目標(biāo)骨骼的最佳相似性變換或最佳相 似性變換組。在動(dòng)作46中找到方位，然后在動(dòng)作48中找到頂方位候選的定向，并且然后在 動(dòng)作50中找到頂方位+定向候選的比例。然后，在動(dòng)作54中使用基于學(xué)習(xí)的3D界限檢測 器W推導(dǎo)初始形狀并且在動(dòng)作56中在統(tǒng)計(jì)的形狀模型（SSM)空間中引導(dǎo)形狀變形。在動(dòng) 作58中使用基于圖形的分割算法將所得到的形狀進(jìn)一步細(xì)化W更好的適應(yīng)圖像數(shù)據(jù)?？?W使用其它動(dòng)作。
[0022] 由于每個(gè)骨骼被分別分割，分割重疊可能在相鄰骨骼之間產(chǎn)生。為消除重疊錯(cuò)誤， 在動(dòng)作60中進(jìn)行共同的重新分割。在動(dòng)作62中識(shí)別重疊并且在動(dòng)作64中提取重疊的局 部區(qū)域。對(duì)于相鄰骨骼用空間排除約束同時(shí)最優(yōu)化用于重疊區(qū)域的標(biāo)記。
[0023] 圖3表示圖2的相同或相似動(dòng)作。圖2和3的方法在下文中被一起討論。
[0024] 在動(dòng)作20中，接收CT數(shù)據(jù)。所述CT數(shù)據(jù)通過掃描患者而被接收。X光源和檢測 器圍繞患者旋轉(zhuǎn)W獲得穿過患者的體積的X光投影。所檢測到的強(qiáng)度被重構(gòu)為表示體積的 數(shù)據(jù)。在替換實(shí)施例中，從存儲(chǔ)器接收CT數(shù)據(jù)，諸如從DICOM存檔系統(tǒng)值ICOM=醫(yī)學(xué)數(shù)字 成像和通信）加載數(shù)據(jù)。
[0025] CT數(shù)據(jù)表示患者。不同的器官、組織類型、骨骼或其它解剖的結(jié)構(gòu)的部分或全部由 數(shù)據(jù)表示。例如，數(shù)據(jù)表示在膝關(guān)節(jié)處的膠骨和股骨的一部分。其它組織，諸如其它骨骼， 也可W表示在CT數(shù)據(jù)中。
[0026] 3D CT數(shù)據(jù)具有任何格式。在一實(shí)施例中，3D CT數(shù)據(jù)被格式化在笛卡爾坐標(biāo)系中 的常規(guī)網(wǎng)格中。不同的網(wǎng)格位置或體素表示在掃描的患者的體積中的不同的空間位置。接 收的或接收之后的3D CT數(shù)據(jù)可W被處理W消除背景、軟組織、不感興趣的組織或其它預(yù)先 分割操作。
[0027] 在動(dòng)作22和42中，進(jìn)行初始分割。初始分割包括定位動(dòng)作44的對(duì)象或者在動(dòng)作 24中估計(jì)姿態(tài)，并且包括在動(dòng)作52或動(dòng)作26和28中使形狀適應(yīng)。此外，不同的或更少的 手段可W被用于進(jìn)行初始分割。
[002引初始分割被用于單獨(dú)的對(duì)象。在骨骼示例中，膠骨和股骨被檢測并被分割為單獨(dú) 的對(duì)象，而不是共同的對(duì)象。在動(dòng)作22中，多個(gè)對(duì)象被分別分割。一個(gè)對(duì)象的位置利用CT 數(shù)據(jù)被確定。其它對(duì)象的位置利用CT數(shù)據(jù)被確定?？蒞應(yīng)用相同的處理，但是不同的分類 器、輸入或目標(biāo)被用于尋找不同的骨骼。不同的處理可W被用于不同的對(duì)象。每個(gè)骨骼的 體素被定位為分開的對(duì)象，而與其它對(duì)象的任何重疊或位置或方位無關(guān)。一個(gè)對(duì)象被獨(dú)立 于其它對(duì)象而定位。在替換實(shí)施例中，一個(gè)對(duì)象的特征、位置或其它特性被用于分割另一對(duì) 象。盡管關(guān)于一個(gè)對(duì)象的信息被用于分割另一對(duì)象，但是對(duì)兩個(gè)對(duì)象的分割并不為了避免 重疊而空間上受限。因?yàn)橹丿B可能存