專利名稱：身體組織成像的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在采用各種放射技術(shù)對身體組織成像后作分析的方法，其中包括用計(jì)算機(jī)體層掃描(CT)所得到的身體組織圖像的分析。
技術(shù)背景計(jì)算機(jī)體層掃描(CT)對接受測試者身體的至少一部分形成三維圖 像。掃描得到三維的整數(shù)陣列，其中每個(gè)整數(shù)對應(yīng)于所測身體的一個(gè)體 積元素，稱為"體素"，的灰度級。該掃描(結(jié)果的三維圖像)中的每個(gè) 體素的位置由一組三個(gè)整數(shù)坐標(biāo)(x, y, z)來表示。二維陣列或通常的 圖像中的體素就稱為"像素"。相鄰體素之間沿各坐標(biāo)軸的距離分別稱為 "每個(gè)像素x-mm","每個(gè)像素y-mm"，和"每個(gè)像素z-mm"。通常由特定 的掃描得到的每個(gè)像素的x-, y-,和z-mm值是常數(shù)。通常每個(gè)像素的x-和y-mm值相等，它們也就都被簡單稱為"每個(gè)像素的mm值"。掃描成像的X-和y-維度的大小是掃描器的特性，而且通常彼此相等，對大多數(shù)掃描器該值為512個(gè)像素。通常z軸取得跟被測試者身體的縱軸平行，y軸 垂直向上，x軸垂直于y軸和z軸。將3D圖像的一個(gè)跟其某個(gè)坐標(biāo)軸平 行的二維(2D)剖面稱為該圖像的一個(gè)"截面"。按此慣例，在被測試者 仰臥時(shí)的掃描圖像中，平行于x， y和z軸的2D切片就是^^皮測試者身體 分別沿矢徑面、冠狀面和軸向截面的2D圖像。沿軸向的截面也稱為掃描 圖像的"切片"。通常掃描數(shù)據(jù)也包括掃描器的截距和斜率。這兩個(gè)數(shù)值用來將特定 掃描成像的灰度級的值轉(zhuǎn)換到灰度級的標(biāo)準(zhǔn)單位(以杭氏(Hounsfield) 單位給出)杭氏單位(HU)下的數(shù)值=斜率x掃描器輸出值-截距。 此后所有灰度級數(shù)值都以HU為單位來表示(即，經(jīng)轉(zhuǎn)換而成標(biāo)準(zhǔn)單位)。 在對感興趣的特定器官或組織的CT掃描通常包含跟感興趣的器官或組織鄰近的組織的一些部分。例如，心臟的CT掃描會包含跟心臟鄰近 的器官或組織。術(shù)語"籠罩"用來指心臟CT掃描成像中包含的非心臟組 織，通常包含肺、肋骨、胸骨和肝臟的一些部分。為了分析CT成像，需 要從這種集合的數(shù)據(jù)里除去并非感興趣的器官或組織的部分的那些組織 或器官。這就必須確定感興趣的器官或組織跟周圍組織之間的邊界的位 置。 一旦感興趣的組織或器官的邊界確定之后，就可將包圍感興趣的組 織或器官的器官或組織從掃描成像中除去，這個(gè)過程稱為對掃描數(shù)據(jù)的 "分割"。分割一個(gè)給定的CT掃描圖像涉及對該掃描中的一個(gè)以上的體素 中的每一個(gè)，確定該體素是否屬于感興趣的組織或器官。對該掃描成像 的每個(gè)體素指派其特征為0或1來分別表示該體素是或否屬于感興趣的 組織。該特征的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)由多個(gè)0和1組成的三維陣列的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)里，該陣列跟掃描結(jié)果有同樣的整數(shù)維度大小。要將掃描結(jié)果成像中的相鄰的器官或組織之間的邊界加以自動(dòng)探測 碰到幾方面的麻煩因素。以從心臟CT掃描中除去籠罩為例，碰到的困難 首先是，各次掃描得到的心肌灰度值的范圍都是不同的，主要因?yàn)楸粶y 試者的差異性。于是，若要根據(jù)灰度級來自動(dòng)分離心臟組織跟包圍它的 組織，就需在給定的掃描中確定心肌灰度級的范圍。此外，要分離肝臟 跟心肌也是困難的，因?yàn)檫@兩個(gè)組織的灰度值范圍很相似。該分割要求 精密，要避免損及冠狀動(dòng)脈的任何部分，對這些部分的分析都是心臟掃 描的主要目的。當(dāng)前在掃描結(jié)果中去除肝臟是特別困難的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一方面提供一個(gè)系統(tǒng)和方法來探測2D圖像中的兩個(gè)身 體組織或器官之間的邊界。對于包含待探測的邊界的圖像的探測區(qū)域中 的各個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)。此代價(jià)表明了不會在該二組織之間的邊界上找到此像素的可能性。對于該探測區(qū)域的該邊界的 一個(gè)或多個(gè)可能的起 點(diǎn)是要求提供的，還要求提供該邊界的一個(gè)或多個(gè)終點(diǎn)。從一個(gè)起點(diǎn)聯(lián) 結(jié)到一個(gè)終點(diǎn)的各體素組成的一條路徑也具有一個(gè)代價(jià)，可以由該路徑 上的各體素的代價(jià)經(jīng)計(jì)算得出。較佳的辦法是將一條路徑上各體素的代 價(jià)之和作為該路徑的代價(jià)。在聯(lián)結(jié)一個(gè)起點(diǎn)跟一個(gè)終點(diǎn)之間的兩條或多條路徑中具有的代價(jià)為最小的那條路徑就取作圖像中第一跟第二器官之 間的邊界。在一個(gè)較佳的實(shí)施方案里，用一個(gè)迭代過程來得到代價(jià)最小的路徑， 在此迭代的每一步，對于逐步增長的路徑，將前面步驟所加上的體素附 近代價(jià)最小的體素再加上去。本發(fā)明的最佳的實(shí)施方案是采用所謂"快速 推進(jìn)算法"來找出代價(jià)最小的路徑?？紤]一個(gè)圖形，以及從各個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn) 加進(jìn)每個(gè)結(jié)點(diǎn)的代價(jià)，快速推進(jìn)算法是在圖形中推進(jìn)相等代價(jià)的前沿(結(jié) 點(diǎn))的方法。該圖形的一些結(jié)點(diǎn)指定為起點(diǎn)，給定其代價(jià)為0。將這些結(jié) 點(diǎn)插入一個(gè)堆。在每一步，從堆中取出代價(jià)最小的結(jié)點(diǎn)，計(jì)算其相鄰結(jié) 點(diǎn)的代價(jià)(這些代價(jià)為正數(shù)且可能為無窮大)，將代價(jià)為無窮大的相鄰結(jié) 點(diǎn)插入該堆中。當(dāng)該堆為空時(shí)算法停止，當(dāng)非無窮代價(jià)的結(jié)點(diǎn)所連接的 分量被覆蓋時(shí)就會發(fā)生此情況。在較佳的實(shí)施方案里，為給探測區(qū)域的 某體素指派代價(jià)，用該體素的灰度級將該體素分類到屬于一個(gè)或多個(gè)組織類型。
一般地說，在一個(gè)圖像中，每一組織類型具有一個(gè)特征的灰度級區(qū)間。于是例如，肺臟體素具有的灰度值低于-500HU，脂肪體素灰度 值區(qū)間約在-100到0HU;心臟或肝臟的體素的灰度值約為0-100HU，這 在脂肪的區(qū)間之上，但低于最低對照材料的灰度值(通常在100HU左右)； 對照材料的體素的灰度值大于100HU。(灰度值可能有一個(gè)死區(qū)間，例 如，在肺的最大值跟脂肪的最小值之間，但是極少碰到在這個(gè)區(qū)間的體 素，如果遇到了也可忽略。) 一些組織類型的灰度級區(qū)間可從數(shù)據(jù)得知。 例如，脂肪的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差可從掃描數(shù)據(jù)中已知為脂肪組織的區(qū)域 算出，從而把脂肪的灰度區(qū)間取為該平均值土l標(biāo)準(zhǔn)偏差。已知該探測區(qū)域的一個(gè)體素，可以找到在跟待探測的邊界的大體方 向垂直的方向該體素的各相鄰體素。例如，如果待探測的邊界大體垂直 于圖像的z軸，可能找到已知體素沿z軸兩側(cè)中任一側(cè)的5個(gè)相鄰體素。 則已知體素和剛才根據(jù)其灰度級找到的它的相鄰的每個(gè)體素的組織類型 分類就可如所述辦法確定。當(dāng)已知體素靠近圖像邊緣時(shí)可能發(fā)生相鄰體 素缺失，也計(jì)算了這種"缺失的"相鄰體素的個(gè)數(shù)。然后根據(jù)其相鄰體素 的分類來指派已知體素的代價(jià)。該代價(jià)表明待探測的邊界上的一個(gè)點(diǎn)并 未排列在已知像素的各相鄰像素上的可能性。ii在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案里，先對已知體素指派一個(gè)"好級別"和一個(gè)"壞級別"，則其代價(jià)定義成差值"壞級別，，-"好級別"。為了保持該代價(jià)為正數(shù)可以給上述差值加上一個(gè)常數(shù)偏置值，這是必要的，例如，對 于采用快速推進(jìn)算法技術(shù)時(shí)。好級別表明已知體素的相鄰體素的排列具 有處在待探測的邊界上的一個(gè)體素的預(yù)期特征的程度。例如，如果在待 探測的邊界的第一側(cè)，預(yù)期具有一種或多種特定分類的體素，若已知體 素在該側(cè)具有的那些分類的相鄰體素越多，則好級別就會越高。類似地， 如果在待探測的邊界的另一側(cè)，預(yù)期具有一種或多種特定分類的體素， 若已知體素在該側(cè)具有的那些分類的相鄰體素越多，則好級別就會越高。 壞級別表明已知體素的相鄰體素的排列具有跟處在待探測的邊界上的一 個(gè)體素的預(yù)期特征不同的特征的程度。例如，如果在待探測的邊界的第 一側(cè)，預(yù)期沒有一種或多種特定分類的體素，若已知體素在該側(cè)具有的 那些分類的相鄰體素越多，則壞級別就會越高。類似地，如果在待^:測 的邊界的另一側(cè)，預(yù)期沒有一種或多種特定分類的體素，若已知體素在 該側(cè)具有的那些分類的相鄰體素越多，則壞級別就會越高。本發(fā)明的第二方面提供一種對于3D圖像，例如CT掃描，中的兩個(gè) 身體組織或器官之間的邊界做探測的方法。按照本發(fā)明的這方面，探測 了該圖像的多個(gè)二維切片中的每一個(gè)里的身體組織或器官之間的邊界， 其中至少有一個(gè)切片的所述邊界是采用了本發(fā)明的第 一方面的方法找到 的。在一個(gè)切片里探測到的邊界可用來限定多個(gè)切片中的一個(gè)相鄰切片 的探測區(qū)域，以便減小探測區(qū)域的大小并且改進(jìn)計(jì)算性能。對于3D圖像 中多個(gè)切片里4笨測到的一組邊界進(jìn)行內(nèi)插，這樣確定3D圖像中的一個(gè)表 面，就是其中兩個(gè)組織之間的邊界。本發(fā)明的第三方面提供一種分割3D圖像的方法來除去圖像中感興 趣的那種器官或組織之外的別的器官或組織。按照本發(fā)明的這方面，用 本發(fā)明的第二方面的方法找到了 3D圖像中感興趣的那種組織或器官跟 圖像中的別的組織或器官之間的 一個(gè)或多個(gè)邊界。這些邊界用來確定圖 像中的那些屬于感興趣的組織或器官的體素，以及那些不屬于感興趣的 組織或器官的體素。對屬于感興趣的組織或器官的體素指派它們的特征 為0，而對不屬于感興趣的組織或器官則指派其特征為1。保持這種數(shù)據(jù)的數(shù)位體積與該圖像具有同樣大小的整數(shù)維度。于是，本發(fā)明的第 一 方面提供了 一種在二維圖像里的至少 一個(gè)探測區(qū)域里探測第一組織跟第二組織之間的邊界的方法，包括以下步驟(a) 對該探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表示該 體素并不處在第 一組織跟第二組織之間的邊界上的可能 性；(b) 在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少 一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至少一個(gè)終點(diǎn)；(c) 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的 代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(d) 指定具有最小代價(jià)的路徑為第 一組織跟第二組織之間的邊界。本發(fā)明的第二方面提供了 一種探測三維掃描中的第 一組織或器官跟 第二組織或器官之間的邊界方法，包括步驟(e)對于所述掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)實(shí)施i) .對其探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表明該體素并不處在第 一組織跟第二組織之間的邊界上的可能性；ii) .在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至少一個(gè)終點(diǎn)；iii) .在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)， 根據(jù) 一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及iv) .指定具有最小代價(jià)的路徑為該二維截面里第一組織跟第二組織之間的邊界；三維掃描中第一跟第二器官或組織之間的邊界，由上面指定的各二維 截面里的邊界形成。本發(fā)明的第三方面提供一種將具有感興趣的組織或器官的三維掃描跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官加以分割的方法，包括下列步驟a) 對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官中的每一個(gè)進(jìn)行i) 對于該掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行(a) 對其探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表明該 體素并不處在感興趣的組織或器官跟籠罩組織或器官之間 的邊界上的可能性；(b) 在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少 一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至 少一個(gè)纟冬點(diǎn)；(c) 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑， 它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的 代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該 路徑的代價(jià)；及(d) 指定具有最小代價(jià)的路徑為二維截面里感興趣的組織或器 官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；而且ii) 從上面由二維截面所指定的邊界來形成三維掃描中感興趣的 組織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界；b) 生成與該掃描圖像具有相等的整數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果 屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所 確定的感興趣的組織，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為0，而一個(gè)體 素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的 邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，則該體素在該數(shù)位體積中具 有的值為1。本發(fā)明的第四方面提供一種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來 實(shí)施可被該機(jī)器執(zhí)行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法,在二維圖像的至少一 個(gè)探測區(qū)域探測出第一組織跟第二組織之間的邊界，包括步驟(a) 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有， 在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路 徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(b) 指定具有最小代價(jià)的路徑為第 一組織跟第二組織之間的邊界。本發(fā)明的第五方面提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介 質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀程序編碼在其中實(shí)施對二維圖像的至少 一個(gè)探測區(qū)域 里的第 一組織跟第二組織之間的邊界進(jìn)行探測，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包4舌 計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中， 最小的代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的 代價(jià)。本發(fā)明的第六方面提供一種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來實(shí) 施可被該機(jī)器執(zhí)行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法步驟在三維掃描中探測出第一組織或器官跟第二組織或器官之間的邊界，包括 a)對于該三維掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行(i) .在它的探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)， 根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代 價(jià)；及(ii) .從上面由二維截面所指定的邊界來形成三維掃描中的第一跟第二器官或組織之間的邊界。本發(fā)明的第七方面提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介 質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀程序編碼在其中實(shí)施對三維掃描的第一組織或器官跟第二組織或器官之間的邊界進(jìn)行探測，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)在一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接 起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路 徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該 路徑的代價(jià)；及計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)在該二維截面里指定具有最小代 價(jià)的路徑作為第 一跟第二組織之間的邊界；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)從上面由二維截面所指定的邊界 來形成三維掃描中的第一跟第二器官或組織之間的邊界。15本發(fā)明的第八方面提供一種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來實(shí) 施可^f皮該機(jī)器執(zhí)行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法步驟，以分割三維掃描中具有的感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，包括 a)對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官中的每一個(gè)進(jìn)行 i)對于該掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行0)在其探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑， 它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的 代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該 路徑的代價(jià)；及 (b)指定具有最小代價(jià)的路徑為二維截面里感興趣的組織或器 官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；而且 b)在三維掃描中指定由二維截面所指定的邊界形成的感興趣的組 織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界； c)生成與該掃描圖像具有相等的整數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果 屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所 確定的感興趣的組織，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為O，而一個(gè)體 素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的 邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，則該體素在該數(shù)位體積中具 有的值為l。本發(fā)明的第九方面提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介 質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀程序編碼在其中實(shí)施分割三維掃描中具有的感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官 的每一個(gè)，以及對于該三維掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)，在該 截面里的 一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)確定一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具 有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路 徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)指定具有最小代價(jià)的路徑作為在 該二維截面里感興趣的組織或器官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；及計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)指定從上面由二維截面所指定的 邊界來形成三維掃描中的感興趣的組織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)生成與該掃描圖像具有相等的整 數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或 多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所確定的感興趣的組織，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為o，而一個(gè)體素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或 器官，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為l。


從后面結(jié)合各圖對各實(shí)施方案的詳細(xì)描述，就能更加清楚上述的本發(fā) 明的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)。圖中各元素相互間尺寸不一定成比例。圖1為3D心臟CT掃描的 一個(gè)切片的示意圖。圖2為用來在3D心臟CT掃描(結(jié)果成像)中確定心臟位置的心臟蒙片 的示例。圖3為采用本發(fā)明的方法分割原始掃描數(shù)據(jù)之后得出的 一個(gè)3D心臟 CT掃描的切片的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下詳細(xì)描述本發(fā)明的較佳的實(shí)施方案，在所參照的各附圖中采用相 同的附圖標(biāo)號來指示同 一結(jié)構(gòu)元素。為了理解本發(fā)明及其如何實(shí)施，借助于非局限性的例子，參照所附各 圖，在此描述了一個(gè)較佳的實(shí)施方案。采用了本發(fā)明的一個(gè)方法來探測三維心臟CT掃描中的心肌組織跟肝 臟組織之間的邊界以及心肌組織跟胸骨之間的邊界。圖l顯示采用本發(fā)明 的方法來分析3D心臟CT掃描的一個(gè)沿矢徑方向截面的示意圖。除了心臟 組織4外，該掃描圖像還包括了胸骨和肋骨6、肝臟8、主動(dòng)脈9和心包脂 肪層IO。肺臟組織也出現(xiàn)在3D掃描中，雖然在圖l的截面里它沒有出現(xiàn)。 對掃描圖像做了分割以從其中去除肝臟組織和胸骨以及肺臟組織。結(jié)果在顯示屏上顯示的是經(jīng)過分割的只包含心臟的圖像。整個(gè)處理過程包含 以下10個(gè)大步驟。1.確定軸向切片里的心臟中心處理過程的第 一 步是在掃描圖像中近似地定位心臟。用了一個(gè)蒙片來 描摹心臟的典型軸向截面的形式。這個(gè)蒙片由多個(gè)0和1的二維陣列構(gòu)成， 它由典型的心臟掃描的中心軸向截面來生成，每當(dāng)(像素的)灰度級大于-500HU (肺臟的最大值)處就設(shè)為l，反之就設(shè)為0。在該蒙片上心臟 的近似中心位置選為特殊點(diǎn)。將所用的心臟蒙片12的形式顯示在圖2。其 中畫陰影的區(qū)域14代表心臟和胸骨組織，由灰度值大于肺臟最大灰度值 -500冊的那些體素來構(gòu)成，在上述二進(jìn)位數(shù)的圖像中就是那些l。其中的 非陰影區(qū)15代表肺臟體素，在上述二進(jìn)位數(shù)的圖像中由具有數(shù)值0的那些 體素構(gòu)成。在此蒙片上心臟的近似中心位置選為特殊點(diǎn)P。該蒙片用來在掃描的多個(gè)軸向切片的每一個(gè)上按照下列方法定位心 臟截面在一個(gè)切片的多個(gè)給定點(diǎn)中每一點(diǎn)處，按照以下步驟計(jì)算出 一個(gè)級別 來表明該給定點(diǎn)位于切片中心的幾率a) 將該蒙片》文大或縮小以使它的每個(gè)像素的mm數(shù)跟切片的該數(shù) 值相等。b) 為該切片生成多個(gè)O和1構(gòu)成的一個(gè)二維陣列，對于切片上的體 素的灰度值低于-500HU就指派一個(gè)0值，如果體素的灰度值高 于-500HU就指派它的灰度級為1。c) 將蒙片迭加到步驟b)生成的二進(jìn)位數(shù)平面上，使得P點(diǎn)跟切片上 所選中的點(diǎn)重合。d) 數(shù)出蒙片跟二進(jìn)位數(shù)平面重合的1 (在二者邊界內(nèi))的個(gè)數(shù)。e) 該重合的1的個(gè)數(shù)跟蒙片上的1的總數(shù)之比，就是切片里非肺臟 的各組織跟蒙片里非肺臟的各組織相似程度的估計(jì)值。此處稱這 一比值為"正匹配"，它的值在0和1之間。f) 數(shù)出蒙片跟二進(jìn)位數(shù)平面重合的0的個(gè)數(shù)。該重合的0的個(gè)數(shù)跟 蒙片上的0的總數(shù)之比，就是切片里類似肺臟的各組織跟蒙片里18類似肺臟的各組織相似程度的估計(jì)值。此處稱這一比值為"負(fù)匹 配"，它的值也在0和1之間。g) 正匹配跟負(fù)匹配之和即為"匹配"。它的值在0和2之間，是以給 定點(diǎn)作為心臟截面中心時(shí)，切片跟典型的心臟截面形式的匹配(程度)的估計(jì)值。h) 將具有的匹配值最大的(給定)點(diǎn)指定為切片里的心臟中心。2, 找出肝臟和心臟的軸向位置為了找出肝臟水平位置的高低和定位心臟的中央切片，得到以下估計(jì)方法。先計(jì)算各個(gè)切片里肺臟體素(即灰度值在-900至-500HU的體素) 的數(shù)目。就可找到肺臟體素個(gè)數(shù)最大(多)的切片，然后找出該最大數(shù) 切片之下，具有肺臟體素個(gè)數(shù)小于該最大數(shù)的一半的第一個(gè)切片，這一 切片通?？拷鼟呙杷酶闻K水平位置的高端。作為第一估值，就把心臟 的中央切片定位在肝臟水平位置高端之上40mm的切片。3. 確定3D掃描中的心臟位置a) 從第二步找到的掃描中的心臟的中央切片開始檢查，然后朝上和朝 下跳移固定的切片數(shù)找到下一個(gè)待檢查的切片。每次跳移的切片數(shù)由掃 描的身體比例來確定，典型地為每lcm掃描成像所含有的切片數(shù)(即，等 于10/z-mm每個(gè)像素)。例如，所研究的掃描如果含有100個(gè)切片，沿z軸 相鄰體素間距z-mm每個(gè)像素二0.5,如果首次檢查的是第50號切片，則 接下來將檢查的切片號為70、 30、 90和10。b) 每次檢查的切片被分成NxN個(gè)方塊，N為某固定值(例如N-5或N刁 個(gè)體素)。選出一個(gè)點(diǎn)格，讓每個(gè)格點(diǎn)屬于不同的一個(gè)方塊。檢查從一個(gè) 起始格點(diǎn)開始，然后以各個(gè)格點(diǎn)的位置跟起始格點(diǎn)間的距離為順序，沿 著各格點(diǎn)繼續(xù)檢查下去。c) 在被檢查的每個(gè)軸向切片里的每個(gè)格點(diǎn)處，都計(jì)算得出它的按上面 定義的"匹配"值。將得到最大匹配值的格點(diǎn)取作該切片里心臟中心的位 置。d) 在所有切片里^皮檢查的所有格點(diǎn)中具有最大匹配數(shù)的那個(gè)格點(diǎn)就 被取作該掃描的心臟中心。e) 在匹配過程中，如果遇到一個(gè)格點(diǎn)其匹配大于1.5，就把這個(gè)格點(diǎn) 認(rèn)作對該掃描的心臟中心的滿意的估值，從而終止搜尋。4. 確定3D掃描中心臟的取向大多數(shù)情況下， 一皮檢查者在掃描時(shí)是仰臥著的，在軸向的圖像里他的 胸骨線基本上是水平的。然而在某些情況下，要求纟皮檢查者側(cè)臥，或者 由于某種反常的解剖情況，他的胸骨線不是水平的。于是，就有必要確 定掃描中心臟的取向。為此，對已按上法確定了其心臟中心的多個(gè)軸向 切片，需按照以下辦法探測出它的初始心臟輪廓在每個(gè)切片里生成200條均勻分布的射線的陣列，每條射線自該切片 的、已按第一步的方法確定了的心臟中心向外發(fā)散，射向該切片的邊界。 可以這樣確定每條射線跟肺臟組織的交點(diǎn)。為簡單起見，令第一根射線 沿正x方向。對每條射線，檢查出最靠近該射線的各個(gè)體素，將其中具有 灰度值低于-500 (肺臟的最大值)的第一個(gè)體素儲存在一個(gè)陣列中，對每 個(gè)方向記錄一個(gè)這種體素。由這種體素形成的輪廊特征性地包圍著心臟、 在它前面的那部分胸骨、以及在它后面的主動(dòng)脈和某些肺部血管。這樣就找出了在該蒙片(圖2)里和在中央軸向切片里心臟的輪廓。 將蒙片里心臟的輪廓和中央軸向切片里的近似輪廓二者的主軸，取為輪 廓上的各點(diǎn)跟通過先前確定的心臟中心的所有各條線的最小平方距離 線。短軸是一根垂直于長軸的線。(等價(jià)地說，每個(gè)輪廓的主軸是該輪廓 的2x2慣量矩陣的較高本征值相應(yīng)的本征向量。)將蒙片的長軸跟中央切 片的長軸之間的夾角取為擬定的取向。這個(gè)角度的典型值在0。和45。之間。5. 確定心臟中心線在心臟的每個(gè)軸向切片里尋找靠近心臟中心的一點(diǎn)。這一過程從中央切片里先前找到的近似的心臟中心開始，采用"最陡下降"算法，如上所 述計(jì)算找出在近似心臟中心附近跟蒙片有最大匹配的 一點(diǎn)。將這個(gè)點(diǎn)取作中央切片里心臟的中心。將中央切片里的該心臟中心用作尋找別的軸向切片里的心臟中心的 起始點(diǎn)。 一個(gè)切片里的心臟中心找到后，在相鄰軸向切片里定位其心臟 中心，用的是最陡下降算法，總是以前面一個(gè)切片里找到的其心臟中心 作為起點(diǎn)。為了改進(jìn)這一過程，可以只在若干個(gè)切片里按上述方法計(jì)算出其心臟中心，這些切片彼此有固定的間距(例如，相隔5mm,在每個(gè)像素間距 為0.5mm的情況下，這意味著每隔10個(gè)切片)，然后就從所得的這些點(diǎn)做 線性內(nèi)插。在掃描中所有軸向切片里的心臟中心形成的這樣一條曲線，就稱為 "心臟中心線"。在每個(gè)切片上配置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參考系，原點(diǎn)取在該切片的心臟中心，而 其x方向從正規(guī)方向轉(zhuǎn)一個(gè)擬定取向角。在轉(zhuǎn)動(dòng)參考系里具有正的y坐標(biāo) 的軸向切片的部分稱為其"下部"，而具有負(fù)的y坐標(biāo)的軸向切片的部分稱 為其"上部"。6.生成精確的軸向心臟輪廓在給定的軸向切片里，勾畫出該切片的心臟(不含別的組織)來生成 精確的心臟輪廓。采用上述已生成的該切片里的心臟輪廓作為初始近似。為了得出只包圍心臟的確切的輪廓，需要靠著初始近似輪廓找到胸骨 的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并找到心臟背后器官的起點(diǎn)和終點(diǎn)。在初始近似輪廓中，以該切片的擬定取向，繞著上面第4步定義的射 線陣列行進(jìn)，在基本輪廓的上半部可找到這樣的點(diǎn)，所述陣列中相鄰二 射線的長度在該點(diǎn)增長得最多或者減小得最多，這種點(diǎn)就取作初始近似 輪廓中胸骨的兩個(gè)端點(diǎn)。對于心后器官，采用了稍微復(fù)雜一些的判據(jù)，以便排除肺部血管，非 主動(dòng)脈，引起的射線長度的不連續(xù)性。對于初始近似輪廓的下半部的每 個(gè)點(diǎn)按以下辦法確定兩個(gè)級別如果到初始近似輪廓上某點(diǎn)的射線的長度跟陣列中前面 一條射線長 度之比大于1.2，就定義其第一級別為l。如果這個(gè)比值小于0.75，其第一 級別為-1。否則，其第一級別為O。其次，對于初始近似輪廓上的每個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其基本輪廓曲率。在(輪 廓上)該點(diǎn)的兩側(cè)相距3個(gè)體素處的(輪廓線的)兩根切線之間的夾角可以求出。如果該夾角大于45。而且在該點(diǎn)處基本輪廓的局部是凹形的，則 其曲率級別定義為l。如果該夾角大于45。而在該點(diǎn)處基本輪廓局部是凸 形的，則其曲率級別為-1。否則，其曲率級別為O。將每個(gè)點(diǎn)的兩種級別 相加，得出它的跳躍級別，具有的值為-2、 -1、 0、 1、 2中之一。心后器官的起點(diǎn)和終點(diǎn)位于基本初始近似輪廓的一個(gè)60。的扇形區(qū) 內(nèi)，其中心在正y方向。沿順時(shí)針方向搜尋該扇形區(qū)，找到具有跳躍級別 值為2的第一個(gè)輪廓點(diǎn)。將這個(gè)點(diǎn)取作心后器官的起點(diǎn)。從這個(gè)點(diǎn)開始， 找到具有跳躍級別值為2的第 一個(gè)點(diǎn)，就取作心后器官的終點(diǎn)。在初始近似輪廓上找出了胸骨的和心后器官的起點(diǎn)和終點(diǎn)后，對于每 一對起點(diǎn)和終點(diǎn)用 一根曲線來聯(lián)接，使之形成的連續(xù)的精確的輪廓包圍 心臟組織之外的別的器官數(shù)量最少。下面描述一種技術(shù)(參照一個(gè)具有 最小長度和曲率的輪廓)，用來在兩對起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的每一對之間產(chǎn)生 一個(gè)精確的輪廓，它是連續(xù)的并在二端點(diǎn)處光滑，它以可能的最大程度 具有最小長度和最小的總曲率。因?yàn)樯傻妮喞荒芡瑫r(shí)具有兩個(gè)極小值，相比長度的極小化，優(yōu)先 進(jìn)行曲率的極小化，依此設(shè)定參數(shù)r的值(參考下迷的關(guān)于得到最小長度 和曲率的輪廓的技術(shù))。將r值取為8。這樣產(chǎn)生的精確輪廓通常包含胸骨的一些部分。用本發(fā)明后面講的方 法可以除去精確輪廓上包含的胸骨的任何部分。將中央切片的精確輪廓上具有最大和最小y值的兩個(gè)點(diǎn)分別取作心臟 前緣和心臟后緣。7.探測心外膜脂肪層包圍心臟的有一層心外膜脂肪。冠狀動(dòng)脈就位于這個(gè)脂肪層內(nèi)，所以 重要的是要區(qū)別心外膜脂肪層跟別的組織。為了得出中央軸向切片里心 外膜脂肪層的灰度值區(qū)間范圍，計(jì)算了精確輪廓內(nèi)部的以及精確輪廓外 最多3個(gè)體素范圍內(nèi)所有體素的灰度級的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。心外膜脂肪 的最低灰度值取為該平均值-1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，其最大值取為該平均值+1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。該平均值典型地大約為50HU,它的標(biāo)準(zhǔn)偏差典型地大約 為50HU。8.分離肝臟本發(fā)明的方法在心臟的冠狀區(qū)的各個(gè)截面尋找肝臟跟心臟之間的邊 界時(shí)利用了快速推進(jìn)算法。冠狀區(qū)截面的y值界于心臟后緣跟心臟前緣的 y值之間，對此做了分析。采用了迭代法來找到冠狀區(qū)的邊界。先分析了 中央冠狀截面，它的y值等于心臟前緣y值跟心臟后緣y值的平均，所得信 息用于分析相鄰的各冠狀截面。先在中央冠狀截面找出邊界的近似的二端點(diǎn)。在該截面里的一個(gè)水平 帶(平行于x軸)構(gòu)成的探測區(qū)域內(nèi)尋找該邊界和它的二端點(diǎn)，該水平帶 的中心位于上面找到的肝臟水平位置的高端，它的總寬度為6cm。在這個(gè) 水平帶內(nèi)，包括了該邊界的可能的二端點(diǎn)，彼此在z方向間隔10個(gè)體素。 在每個(gè)z水平位置(在冠狀截面的兩個(gè)x極端處)找到肺臟的邊界，并將 這些體素取作該邊界可能的二端點(diǎn)。如果在特定的z水平位置沒有找到肺 臟的值，將每個(gè)z水平位置處冠狀截面的二端點(diǎn)包括在可能的端點(diǎn)之列。給定該探測區(qū)域的一個(gè)體素，可以找到它在z方向下面和上面的相鄰 體素(即在各方向的n個(gè)鄰居，此處用了n-5)。如前面解釋過的，根據(jù)各 體素的灰度級，就確定了該給定的體素和它的10個(gè)相鄰體素之每一個(gè)的 組織類型分類(肺臟、脂肪、心臟或肝臟、及對照材料)。每當(dāng)給定體素 靠近冠狀截面的邊界時(shí)，"未出現(xiàn)"的相鄰體素的個(gè)數(shù)也計(jì)算進(jìn)來。然后 用下述方法對每個(gè)體素生成一個(gè)"好級別"和一個(gè)"壞級別"。好級別用來表示給定體素的鄰居(即相鄰體素)的排列具有的特征為 處于心臟跟肝臟組織的邊界上的一個(gè)體素的預(yù)期特征的程度。好級別取 為下列幾個(gè)量(都在0與1之間)的最大值(在z方向下方的一組鄰居也把 感興趣的體素本身包括在內(nèi))肺臟體素個(gè)li/n,(z方向上方的脂肪體素個(gè)數(shù))x (z方向下方的心臟或肝臟及對照物 體素總數(shù))/n(n+l)。23壞級別用來表示給定體素的鄰居的排列具有的特征不同于處于心臟 跟肝臟組織的邊界上的 一個(gè)體素的預(yù)期特征的程度。壞級別取為下列幾 個(gè)量(都在0與1之間)的最大值(同樣地，在Z方向下方的一組鄰居也把感興趣的體素本身包括在內(nèi))(Z方向上方的脂肪、心臟或肝臟、以及對照物體素的總數(shù))X (z方向下方的脂肪體素個(gè)數(shù))/n(n+l), (z方向上方的對照物體素個(gè)數(shù))x (z方向下方的對照物體素個(gè)數(shù))/n(n+l), (z方向上方的心臟或肝臟體素個(gè)數(shù))x(z方向下方的心臟或肝臟體素以及未出現(xiàn)體素總數(shù))/n(n+l)。 用了一個(gè)量表示z方向下方是、否存在具有灰度值在200HU之上的對照物 體素(相應(yīng)地，這個(gè)量分別為1或0)。為了對探測區(qū)域的體素指派代價(jià)，先計(jì)算(壞級別)-(好級別)， 再加上大于l的常數(shù)偏置，以保證所指派的代價(jià)為正數(shù)。設(shè)此偏置4+e (e>0)。 e的大小確定了比值完全好體素的級別^e)/完全壞體素的級別 (=2+e)，依此取為快速推進(jìn)算法中的代價(jià)之比。e取值0.2。先在中央冠狀截面采用這些代價(jià)和快速推進(jìn)算法求得聯(lián)接上面得出 的起點(diǎn)到終點(diǎn)的邊界。如果二端點(diǎn)并不在冠狀截面的邊界上，該邊界跟 隨終點(diǎn)的z值延伸到較高的x值，并隨著邊界起點(diǎn)的z值延伸到較低的x值。 這樣求得的路徑就是中央冠狀截面內(nèi)心臟跟肝臟之間的近似邊界。然后檢查具有別的y值的冠狀截面。為了在每個(gè)截面找到一個(gè)心臟跟 肝臟的邊界，采用以下的歸納步驟。采取分析過的前一冠狀截面內(nèi)的邊 界的二端點(diǎn)(即具有相同的x和z坐標(biāo)的二點(diǎn))，用到新的冠狀截面的快速 推進(jìn)算法的探測區(qū)域，由跟分析過的前一冠狀截面內(nèi)所找到的邊界相距 固定距離(本例中用10個(gè)體素)內(nèi)的那些點(diǎn)構(gòu)成。這樣做是為了保證在 肝臟和心臟組織層之間的3D邊界的連續(xù)性，并且使得路徑搜尋更有效。 與此相同的畫線步驟用于分析所有各個(gè)冠狀截面。為了完成該層的構(gòu)造，將起點(diǎn)y值的冠狀截面的路徑拷貝到下方y(tǒng)值的 各個(gè)冠狀截面，并將終點(diǎn)y值的冠狀截面的路徑拷貝到上方y(tǒng)值的各個(gè)冠 狀截面。在此階段，在找到肝臟-心臟邊界之后，肝臟水平位置高端值(也因而，中央切片，如上所述，位于肝臟水平位置高端之上40mm)得以更新。 采取一個(gè)中心位于心臟中心的、具有邊緣為40mm的xy方塊，將它里面的 邊界體素的z值的平均值作為肝臟水平位置的高端(也即，如果找到中央 切片內(nèi)心臟中心位于(x。,yo)，在方塊[Xo-h,Xo+h]x[yo-h,yo+h]的各點(diǎn)的邊界 的z值的平均值，此處取了1^20/x-mm每個(gè)體素)。最后，對所得邊界下方所有體素指派其特征為l，就是說，這些都是 籠罩體素，該從掃描圖像中除去。9.分離胸骨、肺臟和主動(dòng)月永尋找將心臟跟肺臟、胸骨和主動(dòng)脈分離的邊界。為此目的分析各軸向 切片。固定所分析的軸向切片的起點(diǎn)和終點(diǎn)的z位置。z方向范圍的下界 取在更新的肝臟水平位置之上1 cm，而z方向范圍的上界取在更新的肝臟 水平位置高端之上13cm。從中央切片開始迭代處理各切片。該邊界的二端點(diǎn)就是第5步驟所找到的初始近似心臟輪廓在胸骨處的 (兩個(gè))不連續(xù)點(diǎn)。將探測區(qū)域限制在一個(gè)長方形，其x維度從胸骨起點(diǎn) 延伸到胸骨終點(diǎn)，而其y維度設(shè)為包括了胸骨的起點(diǎn)和終點(diǎn)二者，并且朝 下方y(tǒng)值延伸10mm。對探測區(qū)域每個(gè)體素如下法指派一個(gè)代價(jià)對于該探測區(qū)域內(nèi)一個(gè)給定體素，沿著該切片的心臟中心跟給定體素 的連接線，在感興趣的體素的每一側(cè)，形成給定體素的n個(gè)相鄰體素的一 組(采用了n-2，并包含該給定體素，總共有2n+l個(gè)體素的一組)。然后 確定沿著從心臟中心出發(fā)到給定體素的射線上，各種類型的鄰居(肺臟、 脂肪、心臟、肌肉和對照物-骨組織的相鄰體素)的數(shù)目。(骨的灰度級區(qū) 間跟對照物材料的區(qū)間相同，因此兩種類型可以一起考慮)。"組內(nèi)"鄰居 (即相鄰體素)包含了感興趣的體素本身。以下介紹給該探測區(qū)域內(nèi)各體素指派好級別和壞級別好級別是下列各個(gè)量的最大值 (組內(nèi)脂肪值鄰居數(shù))x[(組外心肌值體素?cái)?shù))+(對照物-骨值體素?cái)?shù))]/n(n+l),[(組內(nèi)脂肪值體素?cái)?shù))+(心肌值體素?cái)?shù))]X(組外肺臟值體素?cái)?shù))/n(n+l)。 而壞級別是下列各量的最大值 如果給定體素為對照物-骨體素則取1 ，否則取0, (組內(nèi)脂肪值體素?cái)?shù))x(組外脂肪值體素?cái)?shù))/n(n+l), (組外對照物體素?cái)?shù))/n, (組外心肌值體素?cái)?shù))/n。指派各體素的代價(jià)- (壞級別)-(好級別)+常數(shù)偏置，以保證該代 價(jià)為正數(shù)。所釆用的偏置值為l.l。用快速推進(jìn)算法在二端點(diǎn)之間產(chǎn)生的路徑很接近于胸骨，胸骨在該路 徑之外。用快速推進(jìn)算法生成的這條路徑取代了精確心臟輪廓在胸骨-心 臟邊界上的那一段。探測出心臟組織跟胸骨之間的邊界之后，對于別的軸向切片重復(fù)此一 過程。對應(yīng)軸向起點(diǎn)跟軸向終點(diǎn)之間的z值的軸向截面內(nèi)的邊界，采用下 列歸納步驟來探測。給定軸向切片，如上述辦法處理之，只是我們現(xiàn)在只在一個(gè)固定大小 的、前已分析過的軸向切片的胸骨不連續(xù)性的鄰域內(nèi)(通常其大小為5個(gè) 體素)尋找胸骨的跳躍。這保證了胸骨標(biāo)準(zhǔn)和各點(diǎn)在z方向的連續(xù)性。所用的探測區(qū)域局限在跟先前找到的邊界相距最多IO個(gè)體素的一個(gè) 體素半徑的鄰域內(nèi)。這就保證了3D胸骨邊界層的連續(xù)性，并提供了有效 率的可計(jì)算性。這就在z值的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間產(chǎn)生了 一個(gè)心臟的包絡(luò)。將起點(diǎn)水平位 置的輪廓拷貝到較低z值的所有軸向截面上，而把終點(diǎn)水平位置的輪廓拷 貝到較高z值的所有軸向截面上。對在這個(gè)包絡(luò)之外的所有體素指派其特 征為l,就是說，它們都是籠罩體素。10.光滑所得的表面最后一步就是光滑該籠罩/心臟表面。如[2]所述，先采用一個(gè)開操作， 接著進(jìn)行閉操作。在所有切片中心臟組織跟鄰近的籠罩組織之間的邊界就限定了3D掃 描中的心臟跟各籠罩組織之間的邊界。于是就可分割該3D掃描。圖3顯示 了經(jīng)分割的掃描中的心臟組織14的截面示意圖。經(jīng)分割的3D掃描中，骨、 肝臟、肺臟和主動(dòng)脈等組織都不出現(xiàn)了。最小長度和曲率的輪廓下面敘述最小長度和曲率的輪廓。在平面上給定兩個(gè)點(diǎn)和每個(gè)點(diǎn)處的 切線的方向，要求用一個(gè)光滑輪廓來聯(lián)接這兩個(gè)點(diǎn)，要求控制輪廓的長 度和它的各點(diǎn)處的曲率。可以用下列參數(shù)式子表示該曲線雄) )), (0"<1)可用分離各個(gè)坐標(biāo)的辦法解這個(gè)問題。為此目的，采用了變分法這個(gè) 數(shù)學(xué)分析方法。在分析力學(xué)的教程中也介紹了這種方法。 取系統(tǒng)的拉氏量為 丄0,》，X)-》2 + 一 .X2可以把參數(shù)r解釋為我們要求最小曲率所達(dá)到的程度跟我們要求最小 長度所達(dá)到的程度之比。應(yīng)用尤勒-拉格朗日方程到這個(gè)拉氏量，就得到它的微分方程此方程的通解可表示為邵)=^. exp(rt) + S. exp(-rt) + C' / + D其中系凝J, S, C, D由四個(gè)值Z(O),》(0),》(1)來確定。可以理解，按照本發(fā)明的系統(tǒng)可能是經(jīng)過適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)。同樣， 本發(fā)明研究出了 一種可以由計(jì)算機(jī)讀取的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)施本發(fā)明的方 法。本發(fā)明還研究出了一種機(jī)器可讀的存儲器來有形地實(shí)施一種可由機(jī) 器執(zhí)行的指令程序來執(zhí)行本發(fā)明的方法。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可包含一種或 多種存儲介質(zhì)，例如諸如磁盤(軟盤)或磁帶等磁儲存介質(zhì)、諸如光 盤或光帶等光學(xué)儲存介質(zhì)、或者機(jī)器可讀條形碼、或者諸如RAM或ROM 等固體電子學(xué)儲存裝置、乃至任何一種物理裝置或介質(zhì)，以此儲存計(jì)算 機(jī)程序指令，用來控制一臺或多臺計(jì)算機(jī)，來實(shí)施本發(fā)明的方法。27本申請書所引用的所有文件、專利、雜志文章或別的材料都包括進(jìn)來 作為參考。特地參考了 一個(gè)目前較佳的實(shí)施方案來詳細(xì)地描述了本發(fā)明。但是， 應(yīng)該理解，可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種變通和修改。因此， 現(xiàn)在披露的實(shí)施方案從所有方面來說都只是說明性的而非限定性的。本 發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求書來指明，對于其等效方案的含義和范圍 內(nèi)的所有的變動(dòng)都被認(rèn)為包括在其中的。圖中部件列表2 3D心臟CT掃描圖像之矢徑方向截面4 心臟組織6 胸骨和肋骨8 肝臟9 主動(dòng)脈10 心外膜脂肪層 12 心臟蒙片14 心臟和胸骨組織15 肺臟組織P 蒙片里心臟中心的近似點(diǎn)28
權(quán)利要求
1.一種在二維圖像的至少一個(gè)探測區(qū)域里探測第一組織跟第二組織之間的邊界的方法，包括以下步驟(a)對該探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表示該體素并不處在第一組織跟第二組織之間的邊界上的可能性；(b)在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至少一個(gè)終點(diǎn)；(c)在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(d)指定具有最小代價(jià)的路徑為第一組織跟第二組織之間的邊界。
2. 按照權(quán)利要求l的方法，其對于在該探測區(qū)域內(nèi)的給定體素指派代價(jià)的步驟包括(a) 將給定體素的鄰域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)體素分到 一個(gè)或多個(gè)組織類別 中的一個(gè)組織類別；及(b) 由關(guān)于該鄰域內(nèi)的各體素的組織類別的計(jì)算來指派該給定體素的 代價(jià)。
3. 按照權(quán)利要求2的方法，其中給定體素具有一個(gè)灰度級，而將一 個(gè)體素分到 一個(gè)組織類別的步驟包括(a) 對該一個(gè)或多個(gè)組織類別的每一個(gè)提供一個(gè)灰度級區(qū)間；及(b) 將一個(gè)體素分到一個(gè)組織類別，其灰度級區(qū)間包含了該體素的灰 度級。
4. 按照權(quán)利要求l的方法，其中指派給路徑的代價(jià)是該路徑的各體 素的代價(jià)之和。
5. 按照權(quán)利要求l的方法，其中求得最小代價(jià)的路徑的步驟包括快 速推進(jìn)算法。
6. 按照權(quán)利要求l的方法，其中該圖像為CT掃描的截面或切片。
7. 按照權(quán)利要求6的方法，其中該CT掃描是一個(gè)心臟CT掃描。
8. 按照權(quán)利要求7的方法，其中的第一組織是心臟組織。
9. 按照權(quán)利要求8的方法，其中的第二組織是肝臟組織。
10. 按照權(quán)利要求3的方法，其中的第一組織是心臟組織，第二組織 是肝臟組織，而該一個(gè)或多個(gè)組織類別選自肺臟組織、脂肪組織、心臟 或肝臟組織、及對照材料。
11. 按照權(quán)利要求l的方法，其中指派給給定體素的代價(jià)是作為好級 別跟壞級別之差計(jì)算出來的，該好級別表示給定體素的鄰居的排列具有 處在第一跟第二組織之間的邊界的體素的特征的程度，而該壞級別表示給定體素的鄰居的排列具有的特征不同于處在笫一跟第二組織之間的邊 界的體素的特征的程度。
12. 按照權(quán)利要求10的方法，其中指派給給定體素的代價(jià)是作為壞 級別跟好級別之差計(jì)算出來的，該好級別表示給定體素的鄰居的排列具 有處在心臟跟肝臟組織之間的邊界的體素的特征的程度，而該壞級別表邊界的體素的特征的程度。
13. 按照權(quán)利要求12的方法，其中給定體素的好級別是對預(yù)定的n根 據(jù)下列的量的任何一個(gè)或多個(gè)來求得(a) 在n個(gè)體素的鄰域內(nèi)給定體素的肺臟體素的數(shù)目除以n;及(b) 在上面的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)脂肪體素的數(shù)目，乘以在下面的n個(gè) 體素的鄰域內(nèi)心臟或肝臟體素跟對照物體素的總數(shù)，再除以n(n+l)。
14. 按照權(quán)利要求12的方法，其中的壞級別是對預(yù)定的n根據(jù)下列的 量的任何一個(gè)或多個(gè)來求得(a) 在上面的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)脂肪、心臟或肝臟跟對照物體素的總 數(shù)，乘以在下面的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)脂肪體素的數(shù)目，再除以n(n+l);(b) 在上面的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)對照物體素的數(shù)目，乘以在下面的n 個(gè)體素的鄰域內(nèi)對照物體素的數(shù)目，再除以n(n+l);(c) 在上面的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)心臟或肝臟體素的數(shù)目，乘以在下面 的n個(gè)體素的鄰域內(nèi)心臟或肝臟體素跟未出現(xiàn)的體素的總數(shù)，再除以 n(n+l);(d) —個(gè)量，如果有對照物的灰度值在200HU之上則其值為1，否則 其值為0。
15. 按照權(quán)利要求3的方法，其中第二組織為骨組織。
16. 按照權(quán)利要求15的方法，其中的骨組織為胸骨。
17. 按照權(quán)利要求2的方法，其中第一組織為心臟組織，第二組織為 骨組織，該一個(gè)或多個(gè)組織類別選自肺臟組織、脂肪組織、心臟組織和 對照物或骨組織。
18. 按照權(quán)利要求17的方法，其中指派給給定體素的代價(jià)是作為壞 級別跟好級別之差計(jì)算出來的，該好級別表示給定體素的鄰居的排列具 有處在心臟跟骨組織之間的邊界的體素的特征的程度，而該壞級別表示 給定體素的鄰居的排列具有的特征不同于處在心臟跟骨組織之間的邊界 的體素的特征的程度。
19. 按照權(quán)利要求18的方法，其中的好級別是對預(yù)定的n根據(jù)下列的 量的任何一個(gè)或多個(gè)來求得(a) 在n個(gè)體素的鄰域內(nèi)內(nèi)部脂肪值鄰居的數(shù)目，乘以n個(gè)體素的鄰 域內(nèi)外部心肌值體素的數(shù)目跟對照-骨值體素的數(shù)目之和，再除以n(n+l); 及(b) 在n個(gè)體素的鄰域內(nèi)內(nèi)部脂肪體素跟心肌體素之和，乘以在n個(gè) 體素的鄰域內(nèi)外部肺臟體素的數(shù)目，再除以n(n+l)。
20. —種在三維掃描中探測第一組織或器官跟第二組織或器官之間 的邊界的方法，包括步驟(a)對于所述掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)實(shí)施i) . 對其探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表示該體 素并不處在第 一 組織跟第二組織之間的邊界上的可能性；ii) . 在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至少一個(gè)終點(diǎn)；iii) . 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它 具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條 路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及iv) . 指定具有最小代價(jià)的路徑為該二維截面里第一組織跟第二 組織之間的邊界；三維掃描中第一跟第二器官或組織之間的邊界，由上面指定的各二 維截面里的邊界形成。
21. 按照權(quán)利要求20的方法，其中的路徑是在先已在一個(gè)截面內(nèi)找 到的路徑附近的二維截面內(nèi)求得的。
22. —種將三維掃描具有的感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩 組織或器官加以分割的方法，包括下列步驟a) 對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官中的每一個(gè)進(jìn)行i) 對于該掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行(a) 對其探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)體素指派一個(gè)代價(jià)，該代價(jià)表示該 體素并不處在感興趣的組織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界上的可 能性；(b) 在該探測區(qū)域內(nèi)指定該邊界的至少 一個(gè)起點(diǎn)和該邊界的至 少一個(gè)鄉(xiāng)冬點(diǎn)；(c) 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑， 它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一 條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(d) 指定具有最小代價(jià)的路徑為二維截面里感興趣的組織或器 官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；而且ii) 從上面由二維截面所指定的邊界來形成三維掃描中感興趣的組織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界；b) 生成與該掃描圖像具有相等的整數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所 確定的感興趣的組織，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為o，而一個(gè)體 素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的 邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，則該體素在該數(shù)位體積中具 有的值為l。
23. 按照權(quán)利要求22的方法，其中的路徑是在先已在一個(gè)截面內(nèi)找 到的路徑附近的二維截面內(nèi)求得的。
24. —種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來實(shí)施可被該機(jī)器執(zhí) 行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法,在二維圖像的至少 一個(gè)探測區(qū)域探測出第一組織跟第二組織之間的邊界，包括步驟(a) 在該探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑， 它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一 條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(b) 指定具有最小代價(jià)的路徑為第一組織跟第二組織之間的邊界。
25. —種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀 程序編碼在其中實(shí)施對二維圖像的至少一個(gè)探測區(qū)域里的第 一組織跟第 二組織之間的邊界進(jìn)行探測，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀程序編 碼來使該計(jì)算機(jī)在該探測區(qū)域內(nèi)求得 一 條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路 徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根 據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)。
26. —種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來實(shí)施可被該機(jī)器執(zhí) 行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法在三維掃描中探測出第 一組織或器官跟 第二組織或器官之間的邊界，包括步驟a)對于該三維掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行 i).在它的探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它 具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條 路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及ii)從上面由二維截面所指定的邊界來形成三維掃描中的第一跟第 二器官或組織之間的邊界。
27. —種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀 程序編碼在其中實(shí)施對三維掃描的第一組織或器官跟第二組織或器官之間的邊界進(jìn)行探測，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)在一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接 起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路 徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該 路徑的代價(jià)；及計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)在該二維截面里指定具有最小代 價(jià)的路徑作為第 一跟第二組織之間的邊界；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)從上面由二維截面所指定的邊界 來形成三維掃描中的第 一跟第二器官或組織之間的邊界。
28. —種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，作為實(shí)體來實(shí)施可被該機(jī)器執(zhí)行的指令程序以實(shí)現(xiàn)以下的方法，以分割三維掃描中具有的感興趣的組 織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，包括步驟a) 對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官中的每一個(gè)進(jìn)行 i)對于該掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)進(jìn)行(a) 在其探測區(qū)域內(nèi)求得一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑， 它具有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一 條路徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；及(b) 指定具有最小代價(jià)的路徑為二維截面里感興趣的組織或器 官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；而且b) 在三維掃描中指定由二維截面所指定的邊界所形成的感興趣的組 織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界；c) 生成與該掃描圖像具有相等的整數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果 屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所 確定的感興趣的組織，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為O，而一個(gè)體 素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的 邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官，則該體素在該數(shù)位體積中具 有的值為l。
29, —種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其中包括計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)具有計(jì)算機(jī)可讀 程序編碼在其中實(shí)施分割三維掃描中具有的感興趣的組織或器官跟一個(gè) 或多個(gè)籠罩組織或器官，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)對于一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官 的每一個(gè)，以及對于該三維掃描的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)，在該 截面里的 一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)確定一條聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的體素的路徑，它具 有，在聯(lián)接起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩條或多條路徑中，最小的代價(jià)，根據(jù)一條路 徑上的各體素所指派的代價(jià)計(jì)算得到該路徑的代價(jià)；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)指定具有最小代價(jià)的路徑作為在 該二維截面里感興趣的組織或器官跟感興趣的籠罩組織或器官之間的邊界；及計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)指定從上面由二維截面所指定的 邊界來形成三維掃描中的感興趣的組織或器官跟籠罩組織或器官之間的邊界；計(jì)算機(jī)可讀程序編碼來使該計(jì)算機(jī)生成與該掃描圖像具有相等的整 數(shù)維度的數(shù)位體積， 一個(gè)體素如果屬于由感興趣的組織或器官跟一個(gè)或 多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所確定的感興趣的組織，則該體素在該 數(shù)位體積中具有的值為o，而一個(gè)體素如果屬于由感興趣的組織或器官跟 一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或器官之間的邊界所確定的一個(gè)或多個(gè)籠罩組織或 器官，則該體素在該數(shù)位體積中具有的值為l。
全文摘要
對于二維圖像里的第一跟第二組織之間的邊界進(jìn)行探測的一種方法和系統(tǒng)。對于探測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素指派一個(gè)代價(jià)，來表示該像素并不處在該第一跟第二組織之間的邊界上的可能性。該第一跟第二組織或器官之間的邊界是在探測區(qū)域內(nèi)由相鄰各體素聯(lián)結(jié)而成的二條或多條路徑中具有的代價(jià)為最小的一條路徑，每條路徑的代價(jià)由該條路徑上的各個(gè)體素所指派到的代價(jià)經(jīng)計(jì)算而得。本方法也可用于對三維掃描中的第一跟第二組織或器官之間的邊界進(jìn)行探測，只需對它的一個(gè)或多個(gè)二維截面的每一個(gè)應(yīng)用本方法，然后將所得各二維圖像里的邊界聯(lián)接起來就得出三維掃描中的三維邊界。
文檔編號G06T5/00GK101326547SQ200680046121
公開日2008年12月17日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月12日
發(fā)明者G·米勒, H·波拉特, I·I·米爾斯泰因, S·阿克曼 申請人:卡爾斯特里姆保健公司