專(zhuān)利名稱(chēng)：用于分割多維數(shù)據(jù)集中的表面的方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序的制作方法
用于分割多維數(shù)據(jù)集中的表面的 方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序
本發(fā)明涉及一種分割(segment )在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的 表面的方法。
本發(fā)明還涉及一種用于使能分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的 表面的系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及一種用于分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的表面 的計(jì)算機(jī)程序。
在開(kāi)頭段落中陳述的方法的實(shí)施例是從出版物J.Weese等人的 "Shape Constrained Deformable Models for Medical Image Segementation (用于醫(yī)學(xué)圖像分割的形狀受約束的可變形模型)"， Proc. IPMI 380-387, 2001獲知的。該已知的方法具體被安排成通過(guò)使 用有關(guān)被設(shè)想來(lái)進(jìn)行分割的目標(biāo)的先驗(yàn)形狀信息，來(lái)改進(jìn)圖像分割方法 的魯棒性。在該已知的方法中，形狀信息被嵌入到可彈性變形的表面形 狀模型，由此對(duì)圖像的適配由從局部表面檢測(cè)得出的外部能量和內(nèi)部能 量來(lái)支配，這把可變形的表面限制為保持靠近由形狀模型定義的子空 間。
該已知方法的缺點(diǎn)在于，它的可靠性高度依賴(lài)于被安排來(lái)描述可移 動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)的彈性約束條件的精度。為了對(duì)相應(yīng)的方程求解，需要大 量的計(jì)算時(shí)間，這在日常的臨床實(shí)踐中是不能接受的。
本發(fā)明的目的是提供一種用于分割多維數(shù)據(jù)集中的表面的方法，由 此該方法被安排成從原始圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)學(xué)習(xí)局部形狀和外觀，因此提高 了分割精度并且減小了分割表面所必需的計(jì)算時(shí)間。
為此，按照本發(fā)明的方法包括以下步驟
-選擇基于可變形表面模型的圖像分割算法，該可變形表面模型包 括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓樸模型，由此該形狀模型由第一 參數(shù)表征而該拓樸模型由第二參數(shù)表征；
-訪問(wèn)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)；
-基于該形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和第二參數(shù)，從而
產(chǎn)生經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二參數(shù)；
-使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二 參數(shù)，來(lái)分割多維數(shù)據(jù)集中的表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像的表 面的各個(gè)部分；
-跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空間對(duì) 應(yīng)關(guān)系。
本發(fā)明的技術(shù)措施是基于這樣的觀點(diǎn)為了使能精確地檢測(cè)和測(cè)量 器官的運(yùn)動(dòng)，必須解決兩個(gè)分開(kāi)的任務(wù)。首先，感興趣的器官必須從構(gòu) 成多維數(shù)據(jù)集的每個(gè)圖像分割出來(lái)，其次，至少對(duì)于屬于目標(biāo)器官的那 些圖像部分，必須在圖像系列的時(shí)間線上建立圖像部分之間的正確的對(duì) 應(yīng)關(guān)系。按照本發(fā)明的方法對(duì)于任何給定時(shí)間點(diǎn)使用目標(biāo)器官的一次建 立的分割，以及從它來(lái)構(gòu)建表面模型。優(yōu)選地，分割是通過(guò)使用適當(dāng)?shù)?可變形表面模型實(shí)行的。按照本發(fā)明的方法保存器官的形狀和拓樸屬 性，這些屬性被使用來(lái)產(chǎn)生在其它的、優(yōu)選地是以后時(shí)間點(diǎn)的器官的分 割，其中表面模型界標(biāo)(landmark)遵循解剖特性，因此建立時(shí)間上的 對(duì)應(yīng)關(guān)系.被使用來(lái)分割序列中的其它圖像的可變形表面模型獲益于從 初始圖像取得的形狀模型和拓樸模型。這個(gè)先驗(yàn)知識(shí)被使用來(lái)初始化參 數(shù)以及約束形狀偏差。由于相應(yīng)于模型表面點(diǎn)的局部特性，這些模型點(diǎn) 即使在器官表面發(fā)生變形時(shí)也將遵循器官表面上的解剖界標(biāo)。
本發(fā)明是基于本身已知的、使用可變形模型的圖像分割方法。使用 可變形才莫型的圖像分割方法的例子是從Mclnerney和Terzopoulous， Med. Img. Anal. 1 (2): 91-108， 1996獲知的。在按照本發(fā)明的方法中， 假設(shè)表面網(wǎng)(mesh)被適配于在至少一個(gè)圖像體積中的器官表面。這可 以被自動(dòng)地或交互地完成。這個(gè)網(wǎng)的幾何形狀被用作為參考模型和作為 在其它圖像體積中用于適配過(guò)程的初始化。適配過(guò)程的細(xì)節(jié)在下面給 出。該網(wǎng)由多個(gè)頂角v和三角形t組成。它在拓樸結(jié)構(gòu)上可以是開(kāi)放的 或封閉的。三角形的數(shù)目以及它們的拓樸被假設(shè)為在跟蹤期間不改變。 頂角&的位置構(gòu)成形狀模型。除了這些形狀參數(shù)以外，圖像外觀
(appearance)也被建模。取強(qiáng)度灰度值的向量#, = I (Pi,k)。采樣位置由 Pi,k-nii+RiSk給出，其中mi是三角形的質(zhì)心，以及Ri是旋轉(zhuǎn)矩陣，它把向 量l0，0,ll變換成三角形法線rii。因此，偏移s^l0，0，0l給出Pi,嚴(yán)m(xù)i， 以及sk=| 0， 0， 1 |給出Pi,k-nii+ni，在網(wǎng)之外lmm的位置。這些向量么(每
個(gè)三角形i 一個(gè)向量)組成器官的外觀模型。應(yīng)當(dāng)指出，灰度值的向量g
可被各自歸一化，例如，具有零平均值和1.0的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在這種情形 下，在特征項(xiàng)F(Xi)中的灰度值向量也必須隨之被歸一化。
為了跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以便建立在這樣建立的表面部分之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，接下來(lái)是以下的程序過(guò)程。可變形的表面模型方法被使 用于跟蹤，它也使用如前述的形狀模型和拓樸模型?？勺冃蔚谋砻姹挥?形狀模型的參數(shù)A來(lái)初始化一那是指例如在初始圖像體積中器官的提取 的位置。優(yōu)選地，能量最小化方案被使用于每個(gè)頂角位置Vi的變形。要 被最小化的能量由 E-Eext+aEint 給出。內(nèi)部能量由
^ = SJ|^—^)-(、-"))2給出，其中A是形狀模型頂角位置，而Vj是可
變形的表面網(wǎng)頂角的位置(N(j)給出頂角號(hào)碼j的所有的相鄰索引)。 該特定最佳化方法在每個(gè)步驟中作用到對(duì)于每個(gè)mi的離散數(shù)目的候選
者。外部能量由￡^=1>,2|/給出。附加權(quán)重Wi由Wi-l給出，或由 v^ma4o，F(xiàn)OJ-Spk『}給出，其中^-m,+Z A。最有吸引力的候選者nii， 由m,'-arg^^F(^)-Sl5^1確定。8|p|項(xiàng)使離當(dāng)前位置較遠(yuǎn)的那些候選者 處于不利地位。對(duì)于三角形i在圖像位置Xi處的圖像特征強(qiáng)度F(Xi)由
F(Jf')= "f定義，其中么是來(lái)自外觀模型的灰度值的向量。
參數(shù)是a和5，以及采樣網(wǎng)格(grid)的形狀s和候選點(diǎn)集合o。對(duì)于o， 使用多個(gè)二十面體網(wǎng)格，其導(dǎo)致在所有方向上和在不同距離上圍繞I的 候選點(diǎn)，
在按照本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，該方法包括以下步驟 -通過(guò)使用在表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，在多維空間中重建該 表面；
-在顯示裝置上顯現(xiàn)(visualize)該重建的表面。 已發(fā)現(xiàn)將按照本發(fā)明的方法用作各種心臟研究中的技術(shù)輔助是特別 有利的。對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)人的心臟是一個(gè)專(zhuān)用的目標(biāo)器官，因?yàn)樗@示 了復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)圖案，但保持拓樸上的穩(wěn)定。在心臟診斷中，越來(lái)越希望 評(píng)估局部運(yùn)動(dòng)圖案，例如，以便把關(guān)于冠狀血管的局部灌注和/或血管造 影數(shù)據(jù)與中風(fēng)病人(stroke patient)的局部心肌收縮性能相聯(lián)系。還
需要獲取運(yùn)動(dòng)和變形圖案，來(lái)構(gòu)建跳動(dòng)的心臟的幾何模型。通過(guò)向合適 的醫(yī)學(xué)專(zhuān)家顯現(xiàn)例如心肌、左心室或右心室的重建的表面，而允許精確 地檢測(cè)和/或量化運(yùn)動(dòng)。更優(yōu)選地，顯現(xiàn)裝置還被安排成及時(shí)顯現(xiàn)表面點(diǎn) 的軌跡。這種技術(shù)措施使得能顯現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)研究是特別 有利的。
在按照本發(fā)明的方法的另 一個(gè)實(shí)施例中，訪問(wèn)表面的形狀參數(shù)和拓
樸參數(shù)的步驟包括以下子步驟
-訪問(wèn)來(lái)自所述多個(gè)圖像的單個(gè)的、優(yōu)選地是初始圖像的分割步驟 的結(jié)果，所述結(jié)果包括關(guān)于該表面的形狀和拓樸的信息；
—從所述結(jié)果得出用于該表面的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。
已發(fā)現(xiàn)使用如圖像分割步驟那樣的自動(dòng)手段來(lái)確定表面的形狀和拓 樸參數(shù)是優(yōu)選的。再優(yōu)選地，對(duì)于分割步驟，使用利用可變形表面模型 的分割。這樣，提供了用于分割多維數(shù)據(jù)集中的表面的全自動(dòng)方法，由 此，不需要與操作員進(jìn)行交互。按照本發(fā)明的方法的這個(gè)實(shí)施例還進(jìn)一 步改進(jìn)了圖像分析的工作流程。
在按照本發(fā)明的方法的再一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括以下步驟
-對(duì)于所述多個(gè)圖像中的任何后續(xù)圖像，對(duì)于經(jīng)適配的第一參數(shù)和 經(jīng)適配的第二參數(shù)，使用從以前圖像的圖像分割的結(jié)果所推導(dǎo)出的以前 圖像的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。
已發(fā)現(xiàn)取代從序列(如t-O...n的序列中)的一個(gè)、優(yōu)選地是初始的 圖像獲知形狀模型i)和拓樸模型《，讓圖像t=a中的跟蹤使用來(lái)自t=a-l 的得到的形狀是特別有利的。拓樸模型^是取自在由這個(gè)形狀模型i)給出 的位置處的圖像t-a-l。這建立了滑動(dòng)模型，其依據(jù)時(shí)間上的前一個(gè)圖像 來(lái)取它的形狀和拓樸期望(expectation)。這在嚴(yán)重偏離初始狀態(tài)的情 況下可以是有利的。在這種情形下，對(duì)于特定的初始圖像t=0的先前的 分割是必須的。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)包括
-處理單元，可操作來(lái)運(yùn)行包括圖像分割算法的子例程，該圖像分 割算法是基于包括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓樸模型的可變形 表面模型，由此該形狀模型由第 一參數(shù)表征而該拓樸模型由笫二參數(shù)表 征；
-貯存單元，被安排來(lái)存儲(chǔ)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)； -計(jì)算單元，被安排來(lái)
(i) 基于該形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和第二參數(shù)，從 而產(chǎn)生經(jīng)適配的笫一參數(shù)和經(jīng)適配的笫二參數(shù)；
(ii) 使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的笫一參數(shù)和經(jīng)適配的笫 二參數(shù)，分割多維數(shù)據(jù)集中的表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像的表 面的各個(gè)部分；
(iii) 跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空 間對(duì)應(yīng)關(guān)系。
在按照本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括 —重建單元，被安排來(lái)通過(guò)使用在表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系而 在多維空間中重建該表面；
—顯示裝置，被安排來(lái)顯現(xiàn)該重建的表面。
這個(gè)實(shí)施例在數(shù)據(jù)分析是在與數(shù)據(jù)處理相同的地點(diǎn)處(例如象在醫(yī) 院的診斷部門(mén))被執(zhí)行的情形下是特別適當(dāng)?shù)?。再?yōu)選地，顯示裝置還 被安排來(lái)顯現(xiàn)目標(biāo)的表面點(diǎn)的軌跡，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)研究是特別有利的。
在系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括
—數(shù)據(jù)獲取單元，被安排來(lái)獲取多維數(shù)據(jù)集。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施例允許供應(yīng)完全自包含的數(shù)據(jù)獲取和 分析系統(tǒng)，還改進(jìn)了工作流程。
按照本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序包括使得處理器執(zhí)行以下步驟的指令
-選擇基于可變形表面模型的圖像分割算法，該可變形表面模型包 括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓樸模型，由此該形狀模型由第一 參數(shù)表征而該拓樸模型由笫二參數(shù)表征；
一訪問(wèn)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)；
-基于該形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和第二參數(shù)，從而 產(chǎn)生經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二參數(shù)；
-使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二 參數(shù)，分割多維數(shù)據(jù)集中的表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像的表面 的各個(gè)部分；
-跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空間對(duì) 應(yīng)關(guān)系。
下面參照附圖討論本發(fā)明的這些和其它方面。


圖1示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的方法的流程圖的實(shí)施例。
圖2示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖3示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例。
圖4示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序的流程圖的實(shí)施例。
圖5示意地呈現(xiàn)目標(biāo)的表面點(diǎn)的顯現(xiàn)軌跡的實(shí)施例。
圖6示意地呈現(xiàn)目標(biāo)的顯現(xiàn)的分割表面的實(shí)施例。
圖1示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的方法的流程圖10的實(shí)施例。按照本發(fā) 明的方法，在步驟4，獲取用于所考慮的目標(biāo)的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。應(yīng) 當(dāng)指出，可以設(shè)想所迷獲取的各種不同的方式。首先，有可能從代表目 標(biāo)的多維數(shù)據(jù)集之中選擇一單獨(dú)的圖像，以及使用適當(dāng)?shù)幕谀Ｐ偷姆?割算法自動(dòng)地分割表面。結(jié)果產(chǎn)生表面的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。優(yōu)選地， 在這種情形下，相同的基于模型的分割算法被用作為設(shè)想來(lái)實(shí)踐本發(fā)明 的分割算法3。優(yōu)選地，在獲取步驟l，獲取多維數(shù)據(jù)集，并隨后將之存 儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀的文件2中。這些步驟也可以在相對(duì)于數(shù)據(jù)處理位置來(lái) 說(shuō)不同的位置處實(shí)行。其次，所尋求的表面有可能從數(shù)據(jù)集中的一單獨(dú) 的圖像被人工地分割。所得到的表面然后經(jīng)受適當(dāng)?shù)膱D像分析例程4a， 以便推導(dǎo)出所勾畫(huà)表面的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。再替換地，在某些預(yù)處 理步驟中，有可能得出形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)，并將之存儲(chǔ)在文件2中。 在這種情形下，優(yōu)選地通過(guò)使用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)裝置訪問(wèn)這些參數(shù)。藉助 于到遠(yuǎn)端主機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)等連接的遠(yuǎn)程獲取也是可能的。用于實(shí)行按照本 發(fā)明的方法的笫一步驟的所有必須的計(jì)算步驟通過(guò)使用適當(dāng)?shù)目删幊逃?jì) 算算法3a被實(shí)行。在步驟5，基于可變形模型的分割算法3的缺省形狀 參數(shù)和拓樸參數(shù)被以用于給定目標(biāo)的實(shí)際形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)4的值進(jìn) 行適配。這里也可以使用適當(dāng)?shù)挠?jì)算算法3a。隨后，在步驟6,使用可 變形模型算法6a、通過(guò)經(jīng)適配的形狀參數(shù)和經(jīng)適配的拓樸參數(shù)來(lái)對(duì)構(gòu)成 多維數(shù)據(jù)集的圖像進(jìn)行分割，從而產(chǎn)生所尋求表面的各個(gè)部分。在步驟 7，圖像分割步驟的結(jié)果被存儲(chǔ)。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于圖像分割步驟，可以設(shè) 想本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。首先，有可能使用從多維數(shù)據(jù)集的該單獨(dú)的圖 像、優(yōu)選地是初始的圖像得到的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)分割所有的圖 像。替換地，有可能設(shè)計(jì)所謂的滑動(dòng)模型，由此在第i個(gè)圖像的一部分 表面被分割后，它們的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)被使用來(lái)分割數(shù)據(jù)集中的第i 個(gè)圖像。這個(gè)特性對(duì)于其中預(yù)期形狀和/或拓樸相對(duì)于初始狀態(tài)有很大偏 差的情形是特別有利的。對(duì)于后一種實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于初始圖像的精
確的分割是必須的，以便給出用于滑動(dòng)模型算法的基礎(chǔ)。還應(yīng)當(dāng)指出， 多維數(shù)據(jù)集必須被解譯為在時(shí)間上順序獲取的二維圖像系列，或在時(shí)間 上順序獲取的三維圖像系列。這樣的獲取的例子是磁共振成像或計(jì)算機(jī) 層析成像圖像，其具體地用于心臟運(yùn)動(dòng)研究。
當(dāng)對(duì)于所有的圖像得到了分割表面的所有的子部分之后，在步驟8， 使用本身已知的跟蹤算法8a跟蹤表面，導(dǎo)致建立在所述表面部分之間的 空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。優(yōu)選地，按照本發(fā)明的方法接下來(lái)是重建步驟9，其中對(duì) 于給定的視角在虛擬空間中重建該表面。在步驟ll，重建的表面在適當(dāng) 的顯示裝置上被顯現(xiàn)，以供用戶(hù)分析。這個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步參照?qǐng)D6進(jìn)行 討論。優(yōu)選地，該顯現(xiàn)是動(dòng)畫(huà)式的，因而強(qiáng)調(diào)了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖案。另外， 為了進(jìn)一步使分析運(yùn)動(dòng)圖案容易，有可能顯示目標(biāo)的表面點(diǎn)的各個(gè)軌 跡。這個(gè)具體的實(shí)施例參照?qǐng)D5進(jìn)行討論。
圖2示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例。系統(tǒng)20包括輸入22， 用于訪問(wèn)目標(biāo)的表面的預(yù)定形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。這些參數(shù)的導(dǎo)出，優(yōu) 選地可以通過(guò)使用適當(dāng)醫(yī)療診斷數(shù)據(jù)的適當(dāng)圖像分割步驟在不同的硬件 上實(shí)行，或替換地，它可以作為用于使用同樣的硬件來(lái)實(shí)踐本發(fā)明的準(zhǔn) 備步驟被實(shí)施。在后者的情形下，輸入22可被安排成接收具有任何適當(dāng) 形式的參數(shù)。例如，系統(tǒng)20可以牽涉到獲取適當(dāng)?shù)亩嗑S數(shù)據(jù)集。在這種 情形下，所有的必需數(shù)據(jù)，例如象用于心臟成像的電影掃描(cine scan) 和對(duì)比度增強(qiáng)掃描，可以以模擬形式被獲取，并通過(guò)使用適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn) 換器被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，供以后處理。多維數(shù)據(jù)集也可以例如通過(guò)以數(shù) 字形式直接獲取，或在由另外的計(jì)算機(jī)/醫(yī)療儀器獲取后經(jīng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)，而以數(shù)字形式被獲取。于是通過(guò)輸入22使得多維數(shù)據(jù)集對(duì)于系統(tǒng)20 的處理單元25可得到，處理單元25被安排來(lái)使用適當(dāng)?shù)幕谀Ｐ偷姆?割算法23實(shí)行圖像分割，從而產(chǎn)生目標(biāo)的表面。
系統(tǒng)20的核心由處理器24形成，處理器24被安排成操作系統(tǒng)20 的各部件，它們是輸入22、計(jì)算單元25、工作存儲(chǔ)器26、和后臺(tái)貯存 單元28。適當(dāng)?shù)奶幚砥?4的例子是傳統(tǒng)的微處理器或信號(hào)處理器、后臺(tái) 貯存28 (典型地基于硬盤(pán))和工作存儲(chǔ)器26 (典型地基于RAM )。后臺(tái) 貯存28可被使用于在適當(dāng)數(shù)據(jù)未被處理時(shí)存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)(或它的一部分)， 以及用于存儲(chǔ)圖像分割步驟的、確定形狀參數(shù)28a和拓樸參數(shù)28b步驟 的結(jié)果，和任何其它適當(dāng)?shù)闹虚g或最后的計(jì)算步驟的結(jié)果。工作存儲(chǔ)器 26典型地保存被處理的數(shù)據(jù)集(的一部分)、和圖像分割步驟的結(jié)果以
及表面的結(jié)果。計(jì)算單元25優(yōu)選地包括適當(dāng)數(shù)目的可執(zhí)行的子例程 25a、 25b、 25c、 25d。子例程25a被安排來(lái)用所考慮目標(biāo)的表面的形狀 參數(shù)的值去適配模型的形狀參數(shù)，以及子例程25b被安排來(lái)用所考慮目 標(biāo)的表面的拓樸參數(shù)的值去適配模型的拓樸參數(shù)。子例程25c被安排來(lái)
計(jì)算對(duì)于在多維數(shù)據(jù)集中的每個(gè)被分割圖像的表面的各個(gè)部分。子例程 25d被安排來(lái)通過(guò)建立在表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系而跟蹤在多維數(shù) 據(jù)集中的表面?？梢詫⒈旧硪阎挠?jì)算算法用于這個(gè)目的。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)20優(yōu)選地還包括重建單元27，其被安排來(lái)通過(guò) 使用在表面部分之間建立的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系在虛擬空間中重建表面。為此 目的，可以使用本身已知的圖像重建方法27a。優(yōu)選地，重建單元27、 計(jì)算單元25和處理器24可由按照本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序23來(lái)操作。輸出 29被使用來(lái)輸出處理的結(jié)果，如重建的表面，其優(yōu)選地由目標(biāo)的動(dòng)畫(huà)式 幾何模型來(lái)代表。
圖3示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例。系統(tǒng)30被安排 成使得能基于使用適當(dāng)數(shù)據(jù)獲取單元31獲取的圖像數(shù)據(jù)集來(lái)分割多維數(shù) 據(jù)集32a中的表面，所述分割由處理器32實(shí)行。為了醫(yī)學(xué)成像的目的， 特別是為了心臟運(yùn)動(dòng)研究，適當(dāng)?shù)尼t(yī)學(xué)診斷設(shè)備可包括本身已知的磁共 振成像設(shè)備或計(jì)算機(jī)層析成像單元，其優(yōu)選地工作在多期多層面 (mul t i-phase咖l t i一s 1 ice )模式。
處理器32的輸出包括目標(biāo)一特別是人的心臟一的分割的、優(yōu)選地重 建的表面32b。適當(dāng)?shù)谋砻姘ㄖ辽僖韵虏糠肿笮氖?、右心室、心房?主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈和靜脈(vene)主干。使處理器32的輸出對(duì)適當(dāng)觀看器 41的另外的輸入35是可得到的。優(yōu)選地，另外的輸入35包括適當(dāng)?shù)牧?外的處理器，其被安排來(lái)通過(guò)使用適于控制用戶(hù)接口 37的程序36操作 適當(dāng)?shù)慕涌?，以使得顯現(xiàn)優(yōu)選地作為動(dòng)畫(huà)式幾何模型呈現(xiàn)的分割的表面 38a、 38b的圖像。優(yōu)選地，構(gòu)成目標(biāo)表面的不同子表面通過(guò)使用各個(gè)彩 色編碼被顯示，以便易于被用戶(hù)感知。再優(yōu)選地，顯現(xiàn)的表面以循環(huán)的 動(dòng)畫(huà)視頻^t呈現(xiàn)。例如，圖4象38a可以呈現(xiàn)某個(gè)時(shí)刻一例如心臟收縮末 期或心臟舒張末期階段一的情形，而同時(shí)圖像38b可以呈現(xiàn)跳動(dòng)的心臟 的循環(huán)動(dòng)畫(huà)。優(yōu)選地，為了方便用戶(hù)，觀看器41配備有高分辨率顯示裝 置33，用戶(hù)接口可藉助于適當(dāng)?shù)慕换パb置39，例如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、或任何 其它適當(dāng)?shù)挠脩?hù)輸入設(shè)備被操作。優(yōu)選地，用戶(hù)接口允許用戶(hù)選擇和交 互地改變顯現(xiàn)模式。
圖4示意地呈現(xiàn)按照本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序的流程圖40的實(shí)施例。在 步驟42，訪問(wèn)藉助于多維數(shù)據(jù)集而成像的目標(biāo)的表面的形狀參數(shù)和拓樸 參數(shù)。優(yōu)選地，這個(gè)步驟之前是步驟41，在該步驟中計(jì)算這些參數(shù)。再 優(yōu)選地，為了計(jì)算形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)，來(lái)自構(gòu)成該多維數(shù)據(jù)集的一組 圖像的一個(gè)圖像，特別是初始圖像，通過(guò)使用基于可變形模型的分割方 法被分割。替換地，表面的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)挠?jì) 算例程、從圖像的被勾畫(huà)表面計(jì)算出來(lái)。再替換地，形狀參數(shù)和拓樸參 數(shù)可以從在適當(dāng)?shù)念A(yù)處理步驟期間創(chuàng)建的預(yù)先存儲(chǔ)的文件中被讀出。在 按照本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序的步驟46，特別是通過(guò)初始化可執(zhí)行的計(jì)算機(jī) 代碼，來(lái)選擇基于可變形模型的圖像分割算法?；诳勺冃文Ｐ偷膱D像 分割算法包括一組預(yù)定的形狀參數(shù)和一組預(yù)定的拓樸參數(shù)。在按照本發(fā) 明的方法和計(jì)算機(jī)程序中，假設(shè)表面網(wǎng)適配于在至少一個(gè)圖像體積中的 器官表面。這可以;故自動(dòng)地或交互地完成。這個(gè)網(wǎng)的幾何形狀被用作為 參考模型和作為在其它圖像體積中用于適配過(guò)程的初始化。適配過(guò)程的
細(xì)節(jié)在下面給出。該網(wǎng)由多個(gè)頂角v和三角形t組成。它在拓樸結(jié)構(gòu)上 可以是開(kāi)放的或封閉的。三角形的數(shù)目以及它們的拓樸被假設(shè)為在跟蹤 期間不改變。頂角丐的位置構(gòu)成形狀模型。除了這些形狀參數(shù)以外，圖
像外觀也被建模。取強(qiáng)度灰度值的向量》,I(Pi,k)。采樣位置由 Pi,^nii+RiSk給出，其中mi是三角形的質(zhì)心，以及Ri是旋轉(zhuǎn)矩陣，它把向 量|0，0，1|變換成三角形法線n"因此，偏移s k=|0， 0， 0|給出Pi,k=mi， 以及sk=| 0， 0， 1 |給出Pi,k-mi+ni,在網(wǎng)之外lmm的位置。這些向量忌,(每 個(gè)三角形i 一個(gè)向量)組成器官的外觀模型。應(yīng)當(dāng)指出，灰度值的向量《 可被各自歸一化，例如，具有零平均值和1.0的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在這種情形 下，在特征項(xiàng)F(xJ中的灰度值向量也必須隨之被歸一化。
在步驟44，形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)被以在步驟42得到的形狀參數(shù)和 拓樸參數(shù)的值進(jìn)行適配。在步驟45，使用所選擇的圖像分割程序?qū)?lái)自 多維數(shù)據(jù)集的圖像進(jìn)行分割，由此使用了經(jīng)適配的形狀參數(shù)和經(jīng)適配的 拓樸參數(shù)。有可能通過(guò)使用相同的經(jīng)適配的形狀參數(shù)和經(jīng)適配的拓樸參 數(shù)來(lái)分割構(gòu)成多維數(shù)據(jù)集的所有圖像。替換地，可以實(shí)施所謂的滑動(dòng)模 型，由此在第i個(gè)圖像的適當(dāng)圖像分割步驟之后的步驟47，存儲(chǔ)當(dāng)前的
形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)，以及把它們應(yīng)用于笫(i+l)個(gè)圖像的分割。在來(lái) 自多維數(shù)據(jù)集的所有圖像被分割后，在跟蹤步驟48,通過(guò)使用適當(dāng)?shù)挠?jì)
算算法48a跟蹤表面的所得到的部分，這導(dǎo)致建立在這些表面部分之間 的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以便建立在這樣建立 的表面部分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，接下來(lái)是以下的程序過(guò)程?？勺冃伪砻婺?型方法被使用于跟蹤，它也使用如前述的形狀模型和拓樸模型。可變形 的表面被用形狀模型的參數(shù)化來(lái)初始化一其是指在初始圖像體積中器官
的提取位置。優(yōu)選地，能量最小化方案被使用于每個(gè)頂角位置Vi的變形。
要被最小化的能量由 E-Eext+aEint給出。內(nèi)部能量由
^-^g^廠入)-h-0)2給出，其中A是形狀模型頂角位置，而Vj是可
變形表面網(wǎng)頂角的位置(N(j)給出頂角號(hào)碼j的所有相鄰的索引)。特 定的最佳化方法在每個(gè)步驟中作用到對(duì)于每個(gè)in;的離散數(shù)目的候選者。
外部能量由s/.給出。附加權(quán)重Wi由給出，或由
{0,/=(^)-5|5"2}給出，其中J5,, 最有吸引力的候選者
由in,'=加9^^(^)-5|^『}給出。SK『項(xiàng)使離中心位置較遠(yuǎn)的那些候選者 處于不利地位。對(duì)于三角形i的在圖像位置Xi處的圖像特征強(qiáng)度F(Xi)由
<formula>formula see original document page 13</formula>定義，其中么是來(lái)自外觀模型的灰度值的向量。
參數(shù)是a和5，以及采樣網(wǎng)格的形狀s和候選點(diǎn)的集合o。對(duì)于o，使用多 個(gè)二十面體網(wǎng)格，其導(dǎo)致在所有方向上和在不同距離上圍繞in,的候選 點(diǎn)。
在跟蹤步驟完成后，在步驟49，把跟蹤的結(jié)果優(yōu)選地存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)?文件中。在步驟50，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)谋旧硪阎膱D像重建例程50a來(lái)訪 問(wèn)這個(gè)文件，圖像重建例程50a對(duì)于給定的視角在虛擬空間中重建表面。 優(yōu)選地，在步驟52，在適當(dāng)?shù)娘@示裝置上顯示所得到的表面。再優(yōu)選地， 該顯示包括對(duì)動(dòng)畫(huà)式表面的顯現(xiàn)。
圖5示意地呈現(xiàn)目標(biāo)的表面點(diǎn)的顯現(xiàn)軌跡的實(shí)施例60。已發(fā)現(xiàn)，不
單使得表面顯現(xiàn)、而且使得給表面建模的網(wǎng)點(diǎn)的各個(gè)軌跡顯現(xiàn)是有利 的。這個(gè)特定的顯現(xiàn)模式是用于跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖案的良好輔助。優(yōu)選 地，向用戶(hù)標(biāo)識(shí)4氐運(yùn)動(dòng)的區(qū)域61b以及高運(yùn)動(dòng)的區(qū)域61a。在這種情形 下，用戶(hù)被提供以準(zhǔn)定量輔助，以便改進(jìn)他對(duì)于目標(biāo)的不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng) 圖案的感知。
圖6示意地呈現(xiàn)目標(biāo)的顯現(xiàn)的分割表面的實(shí)施例70。優(yōu)選地，在適
當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)用戶(hù)接口 72內(nèi)使得能進(jìn)行顯現(xiàn)，接口 72諸如是在其上分割 表面73和75被投影的顯示屏幕。優(yōu)選地，表面73的不同的解剖區(qū)域被 彩色編碼，以便簡(jiǎn)化用戶(hù)的感知。也有可能圖像73顯示靜止畫(huà)面，而圖 像75顯示通過(guò)不同的運(yùn)動(dòng)階段循環(huán)的動(dòng)畫(huà)畫(huà)面。這對(duì)于跳動(dòng)的心臟的顯 現(xiàn)是特別有用的。優(yōu)選地，用戶(hù)接口 72還包括交互的窗口 74，其中呈現(xiàn) 適當(dāng)?shù)淖帜笖?shù)字信息。例如，病人數(shù)據(jù)以及關(guān)于運(yùn)動(dòng)圖案的定量信息可 以被投影在交互窗口 74上。
權(quán)利要求
1.一種分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的表面的方法，所述方法包括以下步驟-選擇一個(gè)基于可變形表面模型的圖像分割算法，該可變形表面模型包括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓?fù)淠Ｐ?，由此該形狀模型由第一參?shù)表征而該拓?fù)淠Ｐ陀傻诙?shù)表征；-訪問(wèn)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)；-基于該形狀參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和第二參數(shù)，從而產(chǎn)生經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二參數(shù)；-使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二參數(shù)，來(lái)分割在多維數(shù)據(jù)集中的表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像的表面的各個(gè)部分；-跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2. 按照權(quán)利要求l的方法，由此該方法還包括以下步驟-通過(guò)使用在表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，在多維空間中重建該 表面；—在顯示裝置上顯現(xiàn)該重建的表面。
3. 按照權(quán)利要求1或2的方法，由此訪問(wèn)該表面的形狀參數(shù)和拓樸 參數(shù)的步驟包括以下子步驟—訪問(wèn)來(lái)自所述多個(gè)圖像的單個(gè)初始圖像的分割步驟的結(jié)果，所述 結(jié)果包括有關(guān)該表面的形狀和拓樸的信息；-從所述結(jié)果推導(dǎo)出用于該表面的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。
4. 按照權(quán)利要求3的方法，由此該方法還包括以下步驟-對(duì)于所述多個(gè)圖像中的任何后續(xù)圖像，為該經(jīng)適配的第一參數(shù)和 經(jīng)適配的第二參數(shù)，使用從以前圖像的圖像分割的結(jié)果所推導(dǎo)出的以前 圖像的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)。
5. 按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，由此對(duì)于多維數(shù)據(jù)集，選擇 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像序列。
6. 按照權(quán)利要求5的方法，由此對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，選擇跳動(dòng)的心臟。
7. —種用于使能分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的表面的系統(tǒng) (20)，所述系統(tǒng)包括 -處理單元(24)，可操作來(lái)運(yùn)行包括圖像分割算法的子例程(23), 該圖像分割算法是基于包括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓樸模型 的可變形表面模型，由此該形狀模型由第一參數(shù)表征而該拓樸模型由第 二參數(shù)表征；-貯存單元(28)，被安排來(lái)存儲(chǔ)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)(28a) 和拓樸參數(shù)(28b);-計(jì)算單元(25 )，被安排來(lái)(i) 基于該形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和笫二參數(shù)，從 而產(chǎn)生經(jīng)適配的第一參數(shù)(25a)和經(jīng)適配的第二參數(shù)(25b);(ii) 使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第 二參數(shù)，來(lái)在多維數(shù)據(jù)集中分割該表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像 的表面的各個(gè)部分(25c);(iii) 跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空 間對(duì)應(yīng)關(guān)系(25d)。
8. 按照權(quán)利要求7的系統(tǒng)(20)，由此該系統(tǒng)還包括-重建單元(27)，被安排來(lái)通過(guò)使用在表面部分之間的空間對(duì)應(yīng) 關(guān)系而在多維空間中重建該表面(27a);—顯示裝置(33),被安排來(lái)顯現(xiàn)該重建的表面(38a，38b)。
9. 按照前述權(quán)利要求7或8的任一項(xiàng)的系統(tǒng)(30)，由此該系統(tǒng)還 包括數(shù)據(jù)獲取單元(31)，被安排來(lái)獲取該多維數(shù)據(jù)集(32a)。
10. —種用于分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的表面的計(jì)算機(jī) 程序(40)，所述計(jì)算機(jī)程序包括使得處理器執(zhí)行以下步驟的指令-選擇一個(gè)基于可變形表面模型的圖像分割算法，該可變形表面模型 包括先驗(yàn)構(gòu)造的形狀模型和先驗(yàn)構(gòu)造的拓樸模型，由此該形狀模型由第 一參數(shù)表征而該拓樸模型由第二參數(shù)表征；—訪問(wèn)該表面的預(yù)定的形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)；-基于該形狀參數(shù)和拓樸參數(shù)來(lái)適配該第一參數(shù)和第二參數(shù)，從而 產(chǎn)生經(jīng)適配的第一參數(shù)和經(jīng)適配的第二參數(shù)；-使用所述圖像分割算法、通過(guò)經(jīng)適配的笫一參數(shù)和經(jīng)適配的第二 參數(shù)，來(lái)分割在多維數(shù)據(jù)集中的表面，從而產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)被分割圖像的 表面的各個(gè)部分；-跟蹤多維數(shù)據(jù)集中的表面，以建立在所述表面部分之間的空間對(duì) 應(yīng)關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分割在包括多個(gè)圖像的多維數(shù)據(jù)集中的表面的方法。按照本發(fā)明的方法，在步驟4，獲取用于所考慮的目標(biāo)的形狀參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)。優(yōu)選地，在獲取步驟1，獲取多維數(shù)據(jù)集，并隨后將之存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀的文件2中。在步驟5，基于可變形模型的適當(dāng)分割算法3的缺省形狀參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)被以用于給定目標(biāo)的實(shí)際形狀參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)4的值進(jìn)行適配。隨后，在步驟6，使用可變形模型算法6a、通過(guò)經(jīng)適配的形狀參數(shù)和經(jīng)適配的拓?fù)鋮?shù)來(lái)對(duì)構(gòu)成多維數(shù)據(jù)集的圖像進(jìn)行分割，從而產(chǎn)生所尋求的表面的各個(gè)部分。當(dāng)對(duì)于所有的圖像得到了被分割表面的所有子部分之后，使用本身已知的跟蹤算法8a跟蹤該表面，導(dǎo)致建立在所述表面部分之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。優(yōu)選地，按照本發(fā)明的方法接下來(lái)是重建步驟9，其中對(duì)于給定的視角在虛擬空間中重建表面。在步驟11，重建的表面在適當(dāng)?shù)娘@示裝置上被顯現(xiàn)，以供用戶(hù)分析。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101116104SQ200680004623
公開(kāi)日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2006年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月10日
發(fā)明者C·洛倫茨, J·馮伯格 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司