專利名稱：醫(yī)學(xué)圖像體中身體提取用的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像的處理和分割。
技術(shù)背景從當(dāng)前成像系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)中可用的診斷高級(jí)信息允許在早期和更容易 治療階段檢測(cè)潛在的問(wèn)題。給定從成像系統(tǒng)可獲得的大量詳細(xì)數(shù)據(jù)，必須開(kāi)發(fā) 多種算法以便有效地和精確地處理圖像數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)的幫助下，圖像處理中 的進(jìn)展通常在數(shù)字或數(shù)字化圖像上實(shí)施。數(shù)字圖像從代表與由特定的陣列位置所參照的解咅u位置點(diǎn)相關(guān)的屬性(例 如灰度值或磁場(chǎng)強(qiáng)度)的一批數(shù)值中產(chǎn)生。該解咅IJ位置點(diǎn)的集合包括圖像域。在2D數(shù)字圖像、或切片部分(slice section)中，離散陣列位置稱為像素。三維 數(shù)字圖像能夠通過(guò)本領(lǐng)域中已知的各種構(gòu)建技術(shù)從堆疊的切片部分來(lái)構(gòu)建。3D 圖像由包括2D圖像像素的離散體積元素(volume element)(也被稱為體素 (voxel))組成。像素或體素屬性可被處理用以確定關(guān)于與這種像素或體素相關(guān) 的患者解剖學(xué)的各種廣性。計(jì)^m輔助診斷("CAD")系統(tǒng)在數(shù)字成像翻的分 析和可視化中扮演至關(guān)重要的角色。計(jì)算機(jī)斷層攝影(computed tomography, CT)成像模態(tài)在其生成的體積中 不僅顯示患者的身體，而且顯示#/她的衣服、墊子和工作臺(tái)。在3D可視化中， 工作臺(tái)的高密度部分經(jīng)常遮蔽一些感興趣區(qū)域、例如患者的脊骨。而且，因?yàn)?工作臺(tái)和墊子的形狀從一次采集到另一次采集可能不同，或可能僅存在于在他 們中的一個(gè)中，所以當(dāng)配準(zhǔn)在不同時(shí)間點(diǎn)獲得的體積用于比較、特別用于兩個(gè) 應(yīng)用時(shí)，這可能出現(xiàn)問(wèn)題。第一是3D可視化，其中工作臺(tái)具有可能遮蔽感興趣 區(qū)域的高密度部分。第二是對(duì)在不同時(shí)間點(diǎn)所得到的采集的配準(zhǔn)(registration);實(shí)際上，工作臺(tái)和墊子可能只在一個(gè)數(shù)據(jù)集中是可見(jiàn)的，并且其方位和形狀可 能改變，導(dǎo)致配準(zhǔn)不太精確。 發(fā)明內(nèi)容這里所說(shuō)明的本發(fā)明典型實(shí)施例通常包括用于從CT圖像中自動(dòng)提取身體并移除不感興趣的所有部分的方法和系統(tǒng)，所述不感興趣部分基本上意味著工 作臺(tái)以及墊子。基于可變形模型的多尺度方法移動(dòng)表面跨越附于身體邊界上的 圖像。 一種方法以迭代的方式計(jì)算考慮該表面周圍的局部信息的力。這些力使該表面移動(dòng)穿過(guò)工作臺(tái)，但確保當(dāng)接近身體時(shí)停止。考慮到通過(guò)會(huì)^!H亥體積中 的某些區(qū)域更多的權(quán)重，所述區(qū)域比其他的傳送更多信息，模型具有彈性屬性。 當(dāng)調(diào)整該表面時(shí)，Sfflil標(biāo)準(zhǔn)化巻積來(lái)實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的算法在整個(gè) 身體、胸部或下腹部的一百多個(gè)體積的數(shù)據(jù)庫(kù)上被測(cè)試，并已被證明是有效的， 甚至用于具有高達(dá)900切片的體積，從而在6秒的平均時(shí)間內(nèi)提供精確的結(jié)果。 對(duì)于噪聲和工作臺(tái)的尺度和形狀變化也是穩(wěn)健的、可靠的種決速的。


圖1描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的身體提取(body extraction)方法的流程圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例說(shuō)明在類似重力的力和圖像力之間平衡的曲線圖。 圖3根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例說(shuō)明在身體上力的平衡。 圖4根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例描述了在旨數(shù)據(jù)庫(kù)上的表格結(jié)果。 圖5(AMF)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例描述了原始圖像的和由算法所產(chǎn)生的掩膜 (mask)的重疊。圖6(A1KB2)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例從3D可視化應(yīng)用所獲得的圖像比較。 圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于實(shí)施身體提取方法的示范性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施方式
這里所說(shuō)明的本發(fā)明典型實(shí)施例一般包括用于從醫(yī)學(xué)圖像中自動(dòng)提取身體 的系統(tǒng)和方法。一種典型的醫(yī)學(xué)成像模態(tài)是計(jì)嶽幾斷層攝教CT)的模態(tài)，然而， 本發(fā)明實(shí)施例可用于任何3維成像模態(tài)。因此，雖然本發(fā)明容許各種修改和替 代方案，但其具體的實(shí)施例通過(guò)實(shí)施在附圖中示出并在此將予以詳細(xì)說(shuō)明。然 而，應(yīng)當(dāng)理解的是，不限制本發(fā)明于所公開(kāi)的特定形式，而是相反，本發(fā)明將 覆蓋落入到本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效和替代方案。6如這里使用的，術(shù)語(yǔ)"圖像"指的是由離散圖像元素(例如，2D圖像的像素和3D圖像的體素)組成的多維數(shù)據(jù)。該圖像例如可以是主體的由計(jì)算機(jī)斷層攝影、磁共振成像、超聲或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其他醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)所收 集的醫(yī)學(xué)圖像。圖像也可從例如遠(yuǎn)程感測(cè)系統(tǒng)、電子顯微鏡檢查等非醫(yī)學(xué)環(huán)境提供。盡管圖像可被認(rèn)為W到R的函數(shù)，但本發(fā)明的方法不局限于這種圖像， 并能夠被應(yīng)用于任意維的圖像，例如2D圖片或3D體積。對(duì)2或3維圖像，圖 像域典型地是2或3維矩形陣列，其中*像素或體素都能參照一組2或3個(gè) 相互正交的軸被尋址。此處所使用的術(shù)語(yǔ)"數(shù)字"和"數(shù)字化"指的是視情況 而定處于經(jīng)由數(shù)字采集系統(tǒng)或經(jīng)由從模擬圖像的轉(zhuǎn)化所獲得的數(shù)字或數(shù)字化格 式的圖像或體積。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于從醫(yī)學(xué)圖像中移除非身體結(jié)構(gòu)的方法面臨幾個(gè)挑 戰(zhàn)。在某些情況中，工作臺(tái)可能沒(méi)有出現(xiàn)在圖像中，在這種情形中該方法不應(yīng) 該從圖像中移除任何結(jié)構(gòu)。有時(shí)工作臺(tái)包括墊子或頭托，然而，因?yàn)槠渥冃涡裕?不能假定關(guān)于其形狀的先驗(yàn)信息。在患者和工作臺(tái)之間的接觸點(diǎn)處，方法應(yīng)該 能區(qū)分出工作臺(tái)和患者。圖像常常是有噪音的、i頓象邊界模糊不清。另外， 可能存在遮斷，在這種情況下，方法應(yīng)該能夠僅僅移除所必需的。圖像中感興 趣的對(duì)象(例如腸、月市、心臟、骨骼等)以各種形狀和尺度(scale)出現(xiàn)。有 時(shí)，工作臺(tái)中的結(jié)構(gòu)元素可能與解剖結(jié)構(gòu)相似，例如高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)塊，其具有與 骨結(jié)構(gòu)的圖像強(qiáng)度范圍對(duì)以的圖像強(qiáng)度范圍。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法使用可^^模型的初始自適應(yīng)性，所述可變形模 型不要求任何用戶交互并且在非常少的時(shí)間內(nèi)工作，使得其可用在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué) 3D可視化工作站中。與在迭代過(guò)程前需要全局計(jì)算特征的其他方法相比，該 方法僅需要局部計(jì)算圖像特征。在醫(yī)學(xué)成像中對(duì)可變形彈性模型的使用被 Terzopoulous在1988年引入?？勺冃文Ｐ蚮的多模擬具有彈性屬性的非剛性物理 對(duì)象的行為，并且被進(jìn)化以便找到最小能量狀態(tài)。這些模型典型地結(jié)合兩種力 (l)內(nèi)力，其特征在于可伸展的柔性輪廓的變形；和(2)外力，其特征在于圖像體 積，其中極值與邊緣、S艘極值等一致。最熟知的可變形模型被稱為snake (蛇)。snake是在多個(gè)圖像分析任務(wù)中有 用的平面可 輪廓。所述snake經(jīng)常被用于基于合理的假設(shè)、即邊界是分段連 續(xù)的或光滑的，在圖像中近1艦象邊界的位置和形狀。在它的基本形式中，snake的數(shù)學(xué)表示從包含泛函(fimctional)的最佳近似的理論得出。在幾何學(xué)上，snake是歉入圖像平面(;c,力d中的參數(shù)輪廓。該輪廓被表示 為v(》=(+),,其中和x和;;是坐標(biāo)函數(shù)和k
是參數(shù)域。根據(jù)圖像/0c;力，輪廓的 WI過(guò)泛函 ￡(V) = ^(V) + Jp(v)來(lái)表示。該泛函能夠被認(rèn)為是輪廓能量的表示并且輪廓的最后形狀對(duì)應(yīng)于該能量 的最小值。泛函的第一項(xiàng)是內(nèi)部可變形能量。它表征可伸長(zhǎng)的柔性輪廓的變形。兩個(gè)物理參數(shù)函數(shù)指示 所模擬的輪廓物理特性^(力控制輪廓的"張力(tens咖)"而w2(,"控制其"剛 性"。該非負(fù)函數(shù)的值w(5)和^(力確定snake在該snake上的任意點(diǎn)^處能伸展 或彎曲的范圍。例如，增加w刺的幅度增大"張力"并且通過(guò)減少snake的長(zhǎng) 度來(lái)趨向于消除無(wú)關(guān)系的環(huán)和波紋。增加^(力增大snake的彎曲"剛性"，并趨 向于使snake更平滑和^1>柔性。設(shè)定這些函數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)在點(diǎn)^處值為零， 允許在^處輪廓的不連續(xù)性。在(1)中的第二項(xiàng)將snake耦合到圖像。i魏二 項(xiàng)典型地采用形式P(v) = jp(vO))必，其中尸(x,力表示在圖像平面上所定義的標(biāo)量勢(shì)函數(shù)。為了將snake應(yīng)用于圖像，外勢(shì)(external potential)被設(shè)計(jì)，所述外勢(shì)的局部最小值與纟鵬極值、邊緣和其他感興趣圖像特征一致。例如M31i^擇勢(shì) /^,力=-稱。"(x,力]，該輪廓將被吸引到圖像/Oc,力中的強(qiáng)度邊緣，其中c控制勢(shì)的幅度，V是梯度算 子，和G。"表示與(高斯)平滑濾波器相巻積的圖像，其特征在于寬度cr控制 P的局部最小值的空間范圍。根據(jù)^fi的微積分，使能量E(v)最小化的輪廓v(力滿足歐拉-拉格朗日方程該矢量值偏微分方程表示當(dāng)輪廓在均衡處?kù)o止時(shí)內(nèi)和外力的平衡。第一二項(xiàng)分別4樣內(nèi)謝申展和彎曲九而第三項(xiàng)4該將snake耦合到圖像M的外力。求解這個(gè)方程的通常途徑是M:應(yīng)用數(shù)字算法。雖然把能量最小化看作靜態(tài)問(wèn)題是自然的，但用以計(jì)算泛函的局部最小值 的有效途徑是構(gòu)建由該泛函支配的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)并且允許該系統(tǒng)進(jìn)展為均衡。該系 統(tǒng)可Mil應(yīng)用拉格朗日力學(xué)原理來(lái)構(gòu)建。這導(dǎo)致使形狀和運(yùn)動(dòng)的描述一體化的動(dòng)態(tài)可變形模型，使得不僅能夠量化靜態(tài)形狀，而且能夠量化隨時(shí)間的形狀演 變。動(dòng)態(tài)模型對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像分析是有價(jià)值的，因?yàn)槎鄶?shù)解剖結(jié)構(gòu)是可變形的并且在活的有機(jī)體內(nèi)(in vivo)連續(xù)經(jīng)歷非剛性運(yùn)動(dòng)。而且，動(dòng)態(tài)模型展示了直觀 上有意義的物理行為，使得其演 服從用戶的交互式指導(dǎo)。簡(jiǎn)單的例子是動(dòng)態(tài)snake,所述動(dòng)態(tài)snake可以通過(guò)弓l入帶有質(zhì)量密度/^) 和阻尼密度y(力的時(shí)變輪廓KV) = 來(lái)表示。上面給出的具有內(nèi)部能量和外部能量的snake運(yùn)動(dòng)拉格朗日方程是+ , - 二 (w， ，) + ~) 二 -V尸(v(、 /))。3/ && && &在該偏微分方程的左手邊的第一二項(xiàng)表示慣性和阻尼力，而剩余項(xiàng)代表內(nèi)部伸 展和彎曲力，而右手邊代表外力。當(dāng)內(nèi)和外力平衡并且輪廓靜止時(shí)達(dá)到均衡(即，5v/^ = 32v/^2 = 0 )，這產(chǎn)生均衡剝牛。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可變形彈性模型包括移動(dòng)通過(guò)圖像的表面。該表面 跨越工作臺(tái)，但被身體的邊界停止。工作臺(tái)位于患者的下面，并且圖像中工作臺(tái)的定向由與圖像一起被包括的DICOM頭給出。該表面被初始化在圖像的底 部處，并通過(guò)包含該表面中每個(gè)像素的縱坐標(biāo)的矩陣來(lái)表示。該表面被向上移 動(dòng)以便檢測(cè)身體并在該過(guò)程中在由法向于該表面的矢量所確定的方向上被變 形。在某點(diǎn)上法向于該表面的矢量可以從表面點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的梯度來(lái)確定。這可通過(guò)使圖像與形式-^4= exp的高斯內(nèi)核相巻積并且接著提取偏導(dǎo)數(shù)來(lái)獲得。為了控制該表面通過(guò)該圖像的運(yùn)動(dòng)，作用在該表面上的多個(gè)力可被定義。 示范性的非限定性力包括三個(gè)分量。第一力是導(dǎo)致該表面前往身體的象重力一 樣的力。該象重力一樣的力導(dǎo)致該表面朝著患者身體向上移動(dòng)，所述力被定義 為&—^2，其中"是相應(yīng)于身體邊界處的強(qiáng)度值的值。第二力考慮該表面附 近的平均強(qiáng)度，以便當(dāng)該表面接近身體時(shí)補(bǔ)償重力。針對(duì)在^附近的所有點(diǎn)定義 為F'，(" = "wrage(/0c))2的圖像力考慮圖像特征和當(dāng)該表面接近身體時(shí)平衡。 和F，都是外力。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例說(shuō)明在該象重力一樣的力和圖像力之間平衡的圖表?？偼饬κ?amp; 其中力矢量指向 相反的方向。在圖中的水平點(diǎn)線指示"2、即該象重力一樣的力的幅度，而灰色 曲線指示F，的幅度。強(qiáng)度的幅度被黑色曲線指示。注意，曲線在垂直點(diǎn)線附 近與^線相交，其中所述垂直點(diǎn)線指示身 強(qiáng)度方面開(kāi)始的地方。如所倉(cāng)鏡 到的，在身體邊界，力^,=0，其中平均強(qiáng)度=0(。如果該表面穿透身體，則 /乙>0，并且如果在身體外，則&,<0 。另外，還有第三力，和對(duì)表面的彈性屬性進(jìn)行建模的彈性力，并且在調(diào)整 步驟中隱含地被計(jì)算。因?yàn)轶w積的某些區(qū)域比其他區(qū)域傳遞更多的信息，所述 區(qū)域在所述內(nèi)力的計(jì)算中被分配更大的豐又重。特別是，該表面的位于具有高梯 度強(qiáng)度的區(qū)域中的部分比位于均勻強(qiáng)度區(qū)中的部分被分配更大的權(quán)重。在表面 運(yùn)動(dòng)方面弓胞的問(wèn)題是表面可能不在身體的邊界處停止，并且可能從圖像中移 除身體的部分。為了阻止這一點(diǎn)，調(diào)整步驟被使用，其中該表面的彈性被引入 作為附加的內(nèi)力。這個(gè)力利用高斯內(nèi)核來(lái)計(jì)算并且控制表面的硬度。這個(gè)問(wèn)題 通過(guò)分配更大的權(quán)重給位于圖像中感興趣區(qū)域中的表面點(diǎn)來(lái)處理。所述權(quán)重被 使用在模型的彈性計(jì)算中以便考慮體積中的某些區(qū)域傳遞大部分信息。根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例，感興趣區(qū)域是具有高梯度幅度的區(qū)域。由于通過(guò)高梯度識(shí)別， 附加的權(quán)重使該表面在接近身體時(shí)更剛性。換句話說(shuō)，所述權(quán)重被用于針對(duì)具 有高梯度的像素改變表面的彈性。該表面于是能利用標(biāo)準(zhǔn)化巻積來(lái)調(diào)整以便考、m^"i工 表面②內(nèi)核 調(diào)整的表面=4又重 內(nèi)核圖3根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例說(shuō)明了在身體上力的平衡。參考該圖，表面通過(guò) 灰色和黑色區(qū)域的分界面來(lái)指示，并且身體是白色區(qū)域。彈性力M黑色箭頭 指示，而提升表面的外力通過(guò)灰色箭頭指示。表面與身體重疊的區(qū)域通過(guò)箭頭 指示，其中灰色表面與白色身體重疊。另外，為了確保該表面根本不穿透患者的身體，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法 包括微調(diào)步驟。微調(diào)假定，該表面已經(jīng)橫越工作臺(tái)并已接近身體。對(duì)于該表面 上的所有點(diǎn)，高強(qiáng)度點(diǎn)是患者身體內(nèi)的點(diǎn)，和低強(qiáng)度點(diǎn)處于背景中。該微調(diào)能 確保感興趣的區(qū)域不從最后的圖像中被移除，并且允許要移動(dòng)的表面更接近身體。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，調(diào)節(jié)被實(shí)施，其中高強(qiáng)度區(qū)域中的所有點(diǎn)被向下移 動(dòng)到低強(qiáng)度區(qū)域。調(diào)節(jié)和調(diào)整步驟被實(shí)施固定的重復(fù)次數(shù)，并且微調(diào)步驟在最后的重復(fù)(iteration)完成后被實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多尺度構(gòu)架被引入以便能夠減少為獲得圍繞該表面 的局部信息以及在當(dāng)前解決方案使幾個(gè)參數(shù)的權(quán)重與感興趣的特征相適應(yīng)所必 要的計(jì)算負(fù)荷。下采樣(downsampling)在多尺度構(gòu)架中被實(shí)施以便提高時(shí)間 效率。下采樣通過(guò)減小圖像體積的尺寸而完成。例如，通過(guò)一級(jí)(level)的下 采樣，僅f頓每第二列、每第二行和圖像體積的每第二切片。對(duì)于二級(jí)下采樣， 僅^ffl每第四列、行和切片。對(duì)于三級(jí)下采樣，應(yīng)是每第八列，行和切片等等。 基本上，n級(jí)下采樣4頓每第2"列、行和切片。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，三級(jí)下采樣初始被使用以便使得表面更快地向上移 動(dòng)。 一旦已經(jīng)到達(dá)身,廓，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的過(guò)程，通過(guò)合并一些先前 沒(méi)有使用的數(shù)據(jù)，切換到具有更高分辨率的體積。該技術(shù)稱為上采樣 (upsampling)。該表面的坐標(biāo)被轉(zhuǎn)化到新的坐標(biāo)系和該表面的移動(dòng)以較高的^f辛 率繼續(xù)。以較低分辨率開(kāi)始并且基于中間結(jié)果增加分辨率的高整體構(gòu)思也被叫 做多尺度方法。效果是當(dāng)該表面遠(yuǎn)離該身體時(shí)，該表面移動(dòng)更快并且當(dāng)逼近身 體時(shí)，慢下來(lái)。上采樣錢續(xù)的，直到達(dá)到^f摔的最細(xì)尺度(finestscale)為 止。該最細(xì)尺度是使用所有像素的初始分辨率。理論上這也可能是任何其他級(jí) 并且育,基于應(yīng)用被定義。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的身體提取方法的流程圖被顯示在圖1中。根據(jù)本發(fā) 明實(shí)施例的方法基于彈性可變形模型的物理模型，其在多尺度構(gòu)架中被實(shí)現(xiàn)。 參看該流程圖，表面在步驟ll被初始化在圖像的底部，在患者和工作臺(tái)下面， 并且外力被定義，所述外力將重復(fù)地移動(dòng)該表面M工作臺(tái)但在身體表面處停 止。該圖像體積的三級(jí)下采樣被實(shí)施，并且力在該被下采樣的體積上被初始化。 在步驟12，該表面被向上移動(dòng)直到該身體被檢測(cè)到。該步驟包括步驟13至U16。 在步驟B，作用于表面的外力被計(jì)算，并且因此在步驟14該表面被轉(zhuǎn)移。該被 轉(zhuǎn)移的表面在步驟15被調(diào)整。步驟16循環(huán)回以便重做步驟13、 14和15直到 該表面已經(jīng)逼近和靠近身體為止。當(dāng)在最后重復(fù)中修正表面像素的數(shù)量低于預(yù) 定門限時(shí)，步驟16處的停止準(zhǔn)則被滿足。在步驟17，上采樣被實(shí)施，并且步 驟18循環(huán)步驟12到17直到上采樣達(dá)到由圖像或應(yīng)用所允許的最細(xì)分辨率尺度。接著，在步驟19，微調(diào)被實(shí)施。最后，該圖像的被該表面穿過(guò)的那些部分從該 圖像中被移除或否則被處理以便 >其在圖像中的可見(jiàn)性。 結(jié)果根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法已經(jīng)在無(wú)任何人交互的情況下在來(lái)自幾個(gè)醫(yī)院的115CT術(shù)只的^^庫(kù)上被測(cè)試。在這個(gè) 庫(kù)中，術(shù)只從身體的幾個(gè)部分來(lái) 得到整個(gè)身體、胸腔或下腹部。這些體積的尺寸范圍從512x512x53體素到 512x512x883，其中平均分辨率為0.83x0.83x1.77毫米每體素。在該數(shù)據(jù)集中，工作臺(tái)和墊子不是總存在(處于重建區(qū)之外)，或僅僅部 分地存在，某些體積是非常有噪音的，該工作臺(tái)在某些情況下有具有高密度的 固態(tài)密集內(nèi)部結(jié)構(gòu)元素，和某些患者使其身體的部分與工作臺(tái)的高密度部分直 繊蟲(chóng)。圖4是在旨數(shù)據(jù)庫(kù)、在使用以3.06GHz運(yùn)行的Inte膨Xeon，處理器的 系統(tǒng)上的算法的結(jié)果表。該表的列按照切片數(shù)排列。圖4的表顯示了在數(shù)據(jù)庫(kù) 中用以運(yùn)行體積的算法所需的相應(yīng)體積數(shù)、平均、標(biāo)準(zhǔn)偏差、和最小和最大時(shí) 間。為了使根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的算法的精度有效， 一個(gè)切片一個(gè)切片地并且使 用3D再現(xiàn)器(renderer)，已經(jīng)為所有體積進(jìn)行了可視檢査。在任何情況下任何 身體部分都不被移除，而工作臺(tái)總是已被完全移動(dòng)。附加的結(jié)果被顯示在圖5 和圖6中。圖5(AKF)描述了原始圖像和由根據(jù)本發(fā)明算法所產(chǎn)生的掩膜(mask)的 疊合。圖5(A)顯示了患者的具有在患者的臂和身體之間區(qū)域的圖像放大的軸位。 圖5(B)顯示了患者的冠狀位(coronal view)，尤其是算法從患者的頂部和底部開(kāi) 始的例子。圖5(C)-(D)描述了患者的冠狀位和軸位。注意，盡管圖像中的噪音， 分割已經(jīng)成功。圖5(E)-(F灘述了患者的冠狀位和軸位。這里，頭部支撐件已經(jīng) 被移除，但身體細(xì)節(jié)(例如耳朵)被保留。圖6(Al)-(B2)描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例^ffi預(yù)先建立的預(yù)置從3D可視化應(yīng) 用所獲得的圖像的對(duì)照。圖6(Al)描述了在原始圖像中肺部(預(yù)置"肺")的視 圖。圖6(A2)顯示了在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的身體提取方法后的相應(yīng)視圖。圖 6(Bl)說(shuō)明了在原始圖像中賴(預(yù)置"遮蔽的脊骨(Spine Shaded)")的視圖。 圖6(B2)說(shuō)明了在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的身體提取方法后的相應(yīng)視圖。尤其是，圖5(B)表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的算法也可用于移除在患者頂部的12醫(yī)療設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該表面被初始化在圖像的頂部并被向下移動(dòng) 直到該表面接觸至U身體。用以自動(dòng)從CT體積中提取患者身體的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的方法提供非常好的結(jié)果同時(shí)非?？旌褪褂煤苌俚拇鎯?chǔ)器?？勺冃螐椥员砻娴氖褂每烧J(rèn)為是在3D體積中分割大的規(guī)則結(jié)構(gòu)的有效方式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明能以各種形式的硬件、軟件、固件、專用過(guò)程、或 其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施例中，本發(fā)明能以軟件被實(shí)現(xiàn)為有形體現(xiàn)在計(jì)算機(jī) 可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備上的應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序能被上載到包含任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu) 體系的機(jī)器上并由其執(zhí)行。圖7是用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的身體提取方法的示范性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 框圖?，F(xiàn)在參考圖7，用于實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)71尤其包括中央處 理單元(CPU) 72、存儲(chǔ)器73和輸A/輸出(I/O)接口 74。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)71 通常通過(guò)I/O接口 74耦合到顯示器75和例如鼠標(biāo)和鍵盤的各種輸入設(shè)備76。 支持電路能包括電路，例如高速緩沖存儲(chǔ)器、電源、時(shí)鐘電路、和通信總線。 存儲(chǔ)器73能包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)fl(RAM)、只讀存儲(chǔ)，OM)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁 帶驅(qū)動(dòng)器等、或其組合。本發(fā)明會(huì)嫩實(shí)施為例行程序77，所述例衍呈序被存儲(chǔ) 在存儲(chǔ)器73并且由CPU72執(zhí)行來(lái)處理來(lái)自信號(hào)源78的信號(hào)。同樣地，該計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)71是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，M執(zhí)行本發(fā)明的例衍呈序序77時(shí)成為專用計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)71也包括操作系統(tǒng)和微指令碼。此處所說(shuō)明的各種過(guò)程和功 能也可以是微指令碼的部分或者經(jīng)由操作程序執(zhí)行的應(yīng)用程序的部分(或其組 合)。另外，各種其他的外圍設(shè)備可被連接到計(jì)算機(jī)平臺(tái)，例如附加的 存儲(chǔ) 設(shè)備和打印設(shè)備。另外應(yīng)當(dāng)理解的是，因?yàn)榻M成系統(tǒng)組件的某些和在附圖中所說(shuō)明的方法步 驟能以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)組件(或過(guò)程步驟)間的實(shí)際連接可以依據(jù)本發(fā)明 被編程的方式而不同。給出在此所提供的本發(fā)明教導(dǎo)，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員將肖灘設(shè)想這些和本發(fā)明的類似實(shí)現(xiàn)或配置。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考IM實(shí)施例詳細(xì)地得以說(shuō)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 理解的是，在不偏離在如所附權(quán)禾腰求書中所闡明的本發(fā)明范圍和精神的情況 下可以對(duì)其進(jìn)行各種修改和替代。
權(quán)利要求
1、一種在數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別非身體結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟提供數(shù)字化圖像，所述數(shù)字化圖像包括對(duì)應(yīng)于在N維網(wǎng)格上的點(diǎn)域的多個(gè)強(qiáng)度，其中所述圖像包括身體的表示和與所述身體分開(kāi)的非身體結(jié)構(gòu)的表示；在所述圖像中在與所述身體相對(duì)的所述非身體結(jié)構(gòu)側(cè)上初始化表面；定義多個(gè)作用在所述表面上的力；和使用所述力轉(zhuǎn)移所述表面穿過(guò)所述非身體結(jié)構(gòu)，直到遇到所述身體為止。
2、 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括從所述圖像移除由所述表面穿過(guò)的所述結(jié)構(gòu)。
3、 權(quán)利要求l的方法，其中所述多個(gè)力包括第一外力用以朝向所述身體移 動(dòng)所述表面，其中基于在所述身體的邊界處的圖像強(qiáng)度值，所述第一力具有恒 定幅度。
4、 權(quán)利要求3的方法，其中所述多個(gè)力包括與第一力作用相反的第二外力， 其中在表面上的點(diǎn)處的所述第二力的幅度與在所述表面點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度 的平方成比例。
5、 權(quán)利要求4的方法，其中所述多個(gè)力包括第三內(nèi)力，其中在表面上的點(diǎn) 處的所述第三力的幅度與所述點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的梯度的幅度成比例。
6、 權(quán)利要求3的方法，其中所述第一和第二力的矢量和在所述身體邊界處為零。
7、 權(quán)利要求1的方法，其中所述多個(gè)力被定義，其中所述表面不穿透所述 身體。
8、 權(quán)利要求l的方法，其中在所述表面上的點(diǎn)處表面蔓延方向由在所述表 面點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的梯度來(lái)確定。
9、 權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)使所述圖像與在所述附近的高斯內(nèi)核相巻積來(lái)獲得所述平均圖像纟M。
10、 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)移之后調(diào)整所述表面，其中所述 調(diào)整的表面是所述轉(zhuǎn)移的表面與高斯內(nèi)核的巻積與加權(quán)函數(shù)與所述高斯內(nèi)核的 巻積之比，其中在點(diǎn)處的所述加權(quán)函數(shù)與所述點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的梯度的 幅度成比例。
11、 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述表面被初始化時(shí)，對(duì)所述圖像 進(jìn)行下采樣。
12、 權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述表面M所述身體時(shí)對(duì)所述圖^ii行上采樣，并且在所述被上采樣的圖像中重iH十算所述表面。
13、 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述表面與所述身體接觸時(shí)，微調(diào) 所述表面，其中微調(diào)包括將高纟鵬區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)移動(dòng)至IJ低纟販區(qū)域。
14、 一種在數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別非身體結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟 提供數(shù)字化圖像，所述數(shù)字化圖像包括對(duì)應(yīng)于在N維網(wǎng)格上的點(diǎn)域的多個(gè)強(qiáng)度，其中所述圖像包括身體的表示和與所述身體分離的非身體部分的表示； 和使用多個(gè)作用在所述表面的力轉(zhuǎn)移所述表面通31所述非身體結(jié)構(gòu)，直到遇 到所述身體為止，其中所述多個(gè)力包括第一外力用以朝向所述身體移動(dòng)所述表 面，其中基于在所述身體的邊界處的圖像強(qiáng)度值，所述第一力具有恒定幅度， 和與第一力作用相反的第二外力，其中所述第二力在表面上的點(diǎn)處的幅度與所 述表面點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的平方成比例。
15、 權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括在所述圖像中在與所述身體相對(duì)的所 述非身體結(jié)構(gòu)側(cè)上初始化所述表面。
16、 計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，有形地體現(xiàn)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的程序用以實(shí)施用于在數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別非身體結(jié)構(gòu)的方法步驟，所述方法包括步驟:提供數(shù)字化圖像，所述數(shù)字化圖像包括對(duì)應(yīng)于在N維網(wǎng)格上的點(diǎn)域的多個(gè) 販，其中所述圖像包括身體的表示和與所述身體分離糊瞎體結(jié)構(gòu)的表示； 在所述圖像中在與所述身體相對(duì)的所述非身體結(jié)構(gòu)側(cè)上初始化表面； 定義多個(gè)作用在所述表面上的力；和使用所述力轉(zhuǎn)移所述表面穿過(guò)所述非身體結(jié)構(gòu)，直到遇到所述身體為止。
17、 權(quán)利要求16的計(jì)^m可讀，聘存儲(chǔ)設(shè)備，該方法進(jìn)一步包括從所述圖 像移除由所述表面穿過(guò)的所述結(jié)構(gòu)。
18、 權(quán)利要求16的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中所述多個(gè)力包括第一外 力用以朝向所述身體移動(dòng)所述表面，其中基于在所述身體的邊界處的圖像強(qiáng)度， 所述第一力具有恒定幅度。
19、 權(quán)利要求18的計(jì)算機(jī)可讀禾聘存儲(chǔ)設(shè)備，其中所述多個(gè)力包括與第一力作用相反的第二外力，其中在表面上的點(diǎn)處的所述第二力的幅度與所述表面 點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的平方成比例。
20、 權(quán)利要求19的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中所述多個(gè)力包括第三內(nèi) 力，其中在表面上的點(diǎn)處的所述第三力的幅度與所述點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的 梯度的幅度成比例。
21、 權(quán)利要求18的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中所述第一和第二力的矢 量和在所述身體邊界處為零。
22、 權(quán)利要求16的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中所述多個(gè)力被定義，其 中所述表面不穿透所述身體。
23、 權(quán)利要求16的計(jì)穀幾讀取的程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中在所述表面上的點(diǎn)處 表面蔓延方向通過(guò)在所述表面點(diǎn)附近的平均圖像強(qiáng)度的梯度來(lái)確定。
24、 權(quán)利要求23的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，其中通過(guò)在所述附近^^/f述 圖像與高斯內(nèi)核相巻積來(lái)獲得所述平均圖像強(qiáng)度。
25、 權(quán)利要求16的計(jì)算機(jī)可讀，，存儲(chǔ)設(shè)備，該方法進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)移后 調(diào)整所述表面，其中所述調(diào)整的表面是所述轉(zhuǎn)移的表面與高斯內(nèi)核的巻積與加 權(quán)函數(shù)與所述高斯內(nèi)核的巻積之比，其中在點(diǎn)處所述加權(quán)函數(shù)與所述點(diǎn)附近的 平均圖像強(qiáng)度的梯度的幅度成比例。
26、 權(quán)利要求16的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，該方法進(jìn)一步包括當(dāng)所述表 面被初始化時(shí)，對(duì)所述圖像進(jìn)行下采樣。
27、 權(quán)利要求26的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，該方法進(jìn)一步包括當(dāng)所述表 面ilifi所述身體時(shí)對(duì)所述圖像進(jìn)行上釆樣，并且在所述被上采樣的圖像中重新 計(jì)算所述表面。
28、 權(quán)利要求16的計(jì)算機(jī)可讀程序存儲(chǔ)設(shè)備，該方法進(jìn)一步包括當(dāng)所述表 面與所述身體接觸時(shí)，微調(diào)所述表面，其中微調(diào)包括將高強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)移動(dòng) 到低強(qiáng)度區(qū)域。
全文摘要
一種用于在數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別非身體結(jié)構(gòu)的方法包括以下步驟提供數(shù)字化圖像，所述數(shù)字化圖像包括對(duì)應(yīng)于在N維網(wǎng)格上點(diǎn)域的多個(gè)強(qiáng)度，其中所述圖像包括身體的表示和與所述身體分開(kāi)的非身體結(jié)構(gòu)的表示，在所述圖像中在與所述身體相對(duì)的非身體結(jié)構(gòu)側(cè)初始化(11)表面，定義(13)多個(gè)作用在所述表面上的力，和使用所述力移動(dòng)(14)所述表面穿過(guò)所述非身體結(jié)構(gòu)，直至遇到所述身體為止。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101263526SQ200680028064
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月1日
發(fā)明者G·居塔特, J·斯特克爾, M·沃爾夫 申請(qǐng)人:美國(guó)西門子醫(yī)療解決公司