專利名稱：在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動確定左心室位置和取向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，心臟的三維數(shù)據(jù)組例如是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法、特別是計算機(jī)斷層造影記錄的。
背景技術(shù)：
利用現(xiàn)代的計算機(jī)斷層造影、特別是多層計算機(jī)斷層造影的技術(shù)，使得除了迄今進(jìn)行的冠狀心臟疾病的可視化之外還可以為了進(jìn)行功能性的分析而可視化心臟。在此，在注射造影劑的條件下進(jìn)行心臟的3D數(shù)據(jù)的圖像記錄，以便能夠?qū)⒐嘧?durchbluten)后的和由此積聚了造影劑的區(qū)域明顯地與未灌注的結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。
根據(jù)斷層造影模態(tài)的3D圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行功能性心臟分析的基本前提是對圖像數(shù)據(jù)的適當(dāng)?shù)目梢暬?，在該可視化中觀察者隨時可以識別和/或詢問由其在圖像中標(biāo)記的心臟中的任意位置的精確狀態(tài)。這點(diǎn)首先要求在左心室、右心室和心肌之間正確地分界。
對于這樣的分界要求將3D圖像數(shù)據(jù)分割為心臟的單個區(qū)域。為此，最近更多地采用基于模型的方法，例如在所謂的“Active Shape Models(活躍形狀模型)”(ASM)或者所謂的“Point Distribution Models(點(diǎn)分布模型)”(PDM)。對于這些基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立并與出現(xiàn)的3D圖像數(shù)據(jù)匹配的模型的細(xì)節(jié)，例如見T.Cootes等人的“Statistical Models of Appearance forComputer Vision”，University of Manchester，5.December 2000。不過，迄今為止利用這種模型在心臟的3D圖像數(shù)據(jù)中對左心室以及心肌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，僅僅在使用者的費(fèi)時的手動交互的條件下才可以進(jìn)行。同樣，對于按照段模型(例如美國心臟協(xié)會的17段段模型、即AHA模型)的心臟各個區(qū)域的分配，迄今為止要求與使用者的手動交互。在這些手動交互中使用者必須在所示出的圖像中標(biāo)記隔膜的邊界點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上結(jié)合已經(jīng)分割出的圖像數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對段模型的分配。這種段模型將心臟分成定義在基部的、中間心室的以及頂上的區(qū)域，這些區(qū)域在專業(yè)領(lǐng)域中描述心臟時分別作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種在心臟的三維數(shù)據(jù)組中自動確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，其中，這種確定是在沒有與用戶的費(fèi)時的交互的條件下自動實(shí)現(xiàn)的。
在按照本發(fā)明的方法中，3D數(shù)據(jù)組、尤其是心臟的CT圖像數(shù)據(jù)組例如是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的。在該3D數(shù)據(jù)組中首先利用圖像處理算法對左心室至少進(jìn)行粗略的分割，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長主軸。從該主軸出發(fā)利用輻射狀的搜索射線在至少一個垂直于主軸的平面內(nèi)檢測隔膜的邊界線的兩個端點(diǎn)。該檢測可以通過閾值方法完全自動地進(jìn)行?；诜指畛龅膱D像數(shù)據(jù)、已知的長主軸和檢測出的端點(diǎn)的位置，確定左心室的位置和取向。
優(yōu)選地，將左心室的確定的位置和取向用于將段模型(特別是AHA段模型)與3D圖像數(shù)據(jù)或者從中分割出的圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)。這樣，觀察者可以通過在各自示出的圖像內(nèi)部點(diǎn)擊或者標(biāo)記對應(yīng)的點(diǎn)或者區(qū)域，而獲得按照該段模型所對應(yīng)的段的信息。
在本發(fā)明的另一個非常優(yōu)選的擴(kuò)展中，通過模型與3D圖像數(shù)據(jù)的匹配，對所述粗略分割進(jìn)行細(xì)化，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中、也就是由主軸的狀態(tài)、隔膜邊界線的端點(diǎn)以及左心室的粗略分割得到粗略分割的起始參數(shù)，即起始位置、起始縮放比例和圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)方向。通過這種方式避免了為了進(jìn)行模型匹配而進(jìn)行費(fèi)時的與使用者的手動交互。
在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用者僅僅通過在心臟的圖像顯示中在主動脈上進(jìn)行點(diǎn)擊來設(shè)置一個起始點(diǎn)，從該起始點(diǎn)出發(fā)完全自動地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的其它步驟。使用者可以在確定3D圖像數(shù)據(jù)組中左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向之后，按照本發(fā)明的方法使得任意的圖像被顯示出來，并且隨時被告知關(guān)于各個顯示的圖像區(qū)域的精確位置。這使得可以在沒有與用戶的費(fèi)時的交互的條件下，基于斷層造影的3D圖像數(shù)據(jù)、特別是CT圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行功能性的心臟分析。


下面結(jié)合附圖在不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍的條件下根據(jù)實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖中圖1表示對于在實(shí)施本發(fā)明的方法中各個方法步驟的例子；圖2表示在分割主動脈時區(qū)域增長算法的例子；圖3表示在左和右心室之間進(jìn)行分離的例子；圖4說明對隔膜的邊界線的端點(diǎn)的檢測；圖5表示對AHA段模型以及圖像數(shù)據(jù)的極圖的例子；以及圖6表示在中間心室平面中的隔膜邊界線的端點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了對于在實(shí)施本發(fā)明的方法中各個方法步驟的例子。下面還將逐個再次詳細(xì)地解釋各個方法步驟。首先，提供心臟的3D數(shù)據(jù)組，其是在注射造影劑的條件下利用計算機(jī)斷層造影方法記錄的。在此，為功能性心臟分析而對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的分割應(yīng)該通過將描述心外膜表面和心內(nèi)膜表面的ASM與3D圖像數(shù)據(jù)組的匹配來實(shí)現(xiàn)。
為了為模型的匹配自動地確定起始參數(shù)而采用一種算法，該算法的啟動僅僅需要使用者在3D圖像數(shù)據(jù)的圖像顯示中的主動脈的上部區(qū)域點(diǎn)擊一個位置。從通過這種方式標(biāo)記的圖像點(diǎn)出發(fā)，在3D圖像數(shù)據(jù)組的第一斷層中計算圍繞該標(biāo)記點(diǎn)的預(yù)定區(qū)域內(nèi)部的平均強(qiáng)度。然后啟動區(qū)域增長算法，該算法在該斷層中對所有分別相鄰的體素檢查它們是否處在圍繞該平均強(qiáng)度值的一個預(yù)定閾值區(qū)間之內(nèi)。所有處在該區(qū)間內(nèi)部的體素被計數(shù)和對應(yīng)地標(biāo)記為主動脈。同樣的過程對于下一個分別處于下方的斷層進(jìn)行，其中，此次根據(jù)在上面斷層中標(biāo)記的體素的平均強(qiáng)度來計算平均強(qiáng)度值。圖2中示意地示出了該區(qū)域增長算法的逐層實(shí)施，其示意地示出了主動脈18以及在區(qū)域增長算法中依次通過的各個斷層19。
為了避免失控地增長到整個心臟，為區(qū)域增長算法設(shè)定增長界限。這點(diǎn)在本例中如下實(shí)現(xiàn)分別圍繞每個標(biāo)記的體素設(shè)置一個矩形范圍，并且檢查在該周圍范圍內(nèi)是否最少數(shù)目的體素成為模板。如果不是，則將該區(qū)域從模板中減去。如果是，則將其引入到模板中。通過這種方式避免了在區(qū)域增長中不希望的增長。作為該所采用的區(qū)域增長算法的結(jié)果，得到主動脈、左心室以及右心室的部分、左和右心庭的模板(Maske)。
為了檢測心瓣膜的平面對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層的分析。為此，在每個區(qū)域增長算法中穿過的斷層中確定成為模板的體素平面的重心。在主動脈至左心室的過渡處發(fā)生了該重心的較強(qiáng)列的側(cè)向錯位，該重心可以根據(jù)分割后的圖像數(shù)據(jù)來確定。因此，重心的這種跳躍在圖像數(shù)據(jù)組中確定了主動脈的末端。屬于成為模板的平面的體素數(shù)量在該位置處也跳躍地增加。因此，通過該分析可以在3D圖像數(shù)據(jù)中自動地確定從主動脈至左心室的過渡。
因為區(qū)域增長算法也可以在右心室中運(yùn)行，必須檢測到這點(diǎn)并在圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)地隔離出右心室。這種情況可以根據(jù)重心在主動脈末端之后的再次跳躍而檢測到。如果出現(xiàn)了這種跳躍，則表明算法也在右心室中進(jìn)行了。在這種情況下，在其中檢測到該再次跳躍的斷層顯示中在左心室(LV)和右心室(RV)之間設(shè)置分離線23。這點(diǎn)在圖3中表示出。該分離線23的定位這樣進(jìn)行在前面斷層中成為模板的平面恰好不與該分離線相切。該分離線的取向可以從3D圖像數(shù)據(jù)的附加信息中得到，該附加信息以DICOM格式出現(xiàn)。從該圖像數(shù)據(jù)中已知患者在圖像拍攝時的取向，通過該取向也確定分離線的取向。所有在分離線23(見圖3)以上的體素被切除，并且不用于制成模板。
作為上面方法步驟的結(jié)果得到左心室的二進(jìn)制模板，在其基礎(chǔ)上可以確定ASM的取向和縮放比例作為起始參數(shù)。
不過，對于模型的快速和精確的匹配來說，該縮放比例和定位是不夠的。圍繞主軸的轉(zhuǎn)動還沒有因此固定，同樣還需要確定。這在上述方法中不是通過手動確定隔膜的對應(yīng)邊界點(diǎn)來進(jìn)行的。這些邊界點(diǎn)更多是按照下列方式自動確定的。
從上面對左心室的組成部分的分析中已知了長主軸24。此外，從DICOM信息中已知了患者的取向，并且可以在搜索隔膜時用于在圖4示出的圖像顯示中排除右側(cè)區(qū)域25。該搜索僅僅在左半部分進(jìn)行。為此，從已知的主軸24出發(fā)以輻射狀的方向在該斷層中通過圖像數(shù)據(jù)發(fā)出搜索射線26。通過分析沿著各個搜索射線26的分別相鄰的體素之間的梯度，可以采集隔膜的邊界線27。在此，僅僅搜索處于預(yù)定閾值之上的梯度。為了匹配該邊界線27可以額外地進(jìn)行數(shù)學(xué)上的曲線匹配。通過這種方式采集并平滑該邊界線。感興趣的僅僅是該邊界線27的端點(diǎn)28，在這些端點(diǎn)上梯度下降到閾值以下。這些端點(diǎn)28被用于確定左心室圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)方向。隨后通過對該端點(diǎn)28的了解，可以將3D圖像數(shù)據(jù)與AHA段模型相對應(yīng)。圖5中的左邊示出了該模型。圖5的右邊示出了心臟圖像數(shù)據(jù)的極點(diǎn)圖表示29(也稱為“Bull Eyes Projection”)，其代表了對應(yīng)于AHA段模型的視圖。這種極點(diǎn)圖表示可以由使用者提出，并且可以容易地從3D圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生。
最后，圖6示出了在心臟的中間心室區(qū)域中一個斷層的光學(xué)顯示，其中表示了對應(yīng)于段模型的各個片段以及隔膜邊界線的端點(diǎn)28。
權(quán)利要求
1.一種在心臟的3D數(shù)據(jù)組中自動確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，其中，-提供心臟的3D數(shù)據(jù)組，其是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的，-在該3D數(shù)據(jù)組中利用圖像處理算法至少粗略地分割出左心室，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長主軸(24)，-從該主軸(24)出發(fā)利用輻射狀的搜索射線(26)在至少一個平面內(nèi)檢測隔膜的邊界線(27)的兩個端點(diǎn)(28)，以及-基于分割出的圖像數(shù)據(jù)、長主軸(24)和端點(diǎn)(28)，確定左心室的位置和取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述分割出的圖像數(shù)據(jù)、長主軸(24)和端點(diǎn)(28)，將所述3D圖像數(shù)據(jù)或者從中分割出的圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個左心室的段模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過對模型、特別是表面模型的匹配來細(xì)化對左心室的粗略分割。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過預(yù)處理確定起始位置和起始縮放比例來作為所述匹配的起始參數(shù)，其中，在區(qū)域增長算法的基礎(chǔ)上從主動脈(18)的任意可預(yù)先給定的起始點(diǎn)出發(fā)，檢測從主動脈(18)到左心室的過渡，并且將左心室相對于右心室進(jìn)行分界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域增長算法從該起始點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行逐層的分割，其中，在每個斷層的通過該分割而成為模板的數(shù)據(jù)組中確定成為模板的平面的重心，并且根據(jù)重心從一個斷層至下一個斷層的跳躍性的錯位，檢測從主動脈(18)至左心室的過渡。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，其特征在于，將所述端點(diǎn)(28)用于確定所述模型圍繞所述主軸(24)的起始旋轉(zhuǎn)位置，作為模型匹配的另一個起始參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述隔膜的邊界線(27)是通過梯度閾值方法確定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在心臟的3D數(shù)據(jù)組中自動確定左心室和/或相鄰區(qū)域的位置與取向的方法，該3D數(shù)據(jù)組是在注射造影劑的條件下利用成像的斷層造影方法記錄的。在該方法中，首先對左心室進(jìn)行粗略的分割，并且從分割出的圖像數(shù)據(jù)中確定左心室的長主軸(24)。從該長主軸(24)出發(fā)利用輻射狀的搜索射線(26)在至少一個平面內(nèi)檢測隔膜的邊界線(27)的兩個端點(diǎn)(28)。分割出的圖像數(shù)據(jù)、長主軸(24)和端點(diǎn)(28)確定圖像數(shù)據(jù)組中左心室的位置和取向。然后，基于這些對圖像數(shù)據(jù)的自動分析，可以對應(yīng)于一個段模型和/或?qū)⒂糜诰_分割出圖像數(shù)據(jù)的表面模型與圖像數(shù)據(jù)組匹配。該方法不需要與使用者的費(fèi)時的交互。
文檔編號G06T15/00GK1806758SQ200610006018
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者丹尼爾·林克, 邁克爾·朔伊林 申請人:西門子公司