CN100528078C - 用于气管测量的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种方法，用来测量例如肺部气管的管形解剖构造，包括：通过至少一个分割处理来隔离(210、220、230)感兴趣的给定管形解剖构造，以及测量(240)感兴趣的构造的至少一个属性。提供一种***，用来使用获取的图像数据来测量肺部气管。该***包括：成像设备(110)，用来获取图像数据；和耦合至成像设备的图像处理器件(120)。图像处理器件配置为用来通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定气管，在气管的给定点处使用统计技术将一个内切椭圆配合给定气管的内边界并将一个外接椭圆配合气管构造的外边界，以及进一步配置为用来使用内切和外接椭圆来生成给定气管的测量值。

Description

用于气管测量的方法和***

技术领域

本发明涉及一种方法和***，用来处理医学图像数据，以协助检测和诊断疾病，并具体涉及一种方法和***，用来从X射线计算机断层扫描(CT)***所得医学图像检测肺病。

背景技术

X射线胸部透视(radiograph)***是更常用的诊断工具，用于检测人肺病的目的。诸如支气管炎、肺气肿和肺癌等肺病也可在胸透和CT中检测。不过，CT***对单次CT扫描通常提供80多张分立的图像，从而向透视专家提供可观数量的信息，以用来阐释图像并检测可能指示疾病的疑似区域。

疑似区域被定义为这样的区域：即训练有素的透视专家会推荐进行后续的诊断成像、活组织检查、肺功能测试或其它方法。单次CT扫描提供的可观数量的数据对于透视专家来说是耗时的处理。常规的肺癌筛剔(screening)通常需要透视专家手工阐释80或更多张图像。疲劳因此成为影响人类阅读敏感度和明确度的重要因素。在其它疾病中，诸如肺气肿，透视专家仅通过看CT图像难以明辨疾病的进展程度。

慢性阻塞性肺病(COPD)是基于包括咳嗽、气喘、呼吸急促(呼吸困难)等症状而识别的。COPD包括几类呼吸疾病，最突出的是肺气肿和慢性支气管炎。COPD影响患者的大气管、小气管和软组织。疾病一般是由吸烟和空气污染引起的，并与导致α反弹性缺陷的基因性易感体质有关。

肺气肿或气泡毁坏是COPD患者中软组织改变的显著特征。肺气肿是丧失肺组织的弹性弹回的结果。肺气肿有四种：中部肺叶的、泛肺叶(panlobular)或泛腺泡的(panacinar)、末稍腺泡的或旁隔膜的(paraseptal)和不规则的。前两种类型构成肺气肿COPD的绝大多数。这种归类是基于一团腺泡的肺叶内气泡毁坏的解剖分布。目前，肺气肿仅能通过死后检查来归类。肺气肿一般是通过总生理响应、医学成像和死后解剖检查来诊断的。

慢性支气管炎引起解剖学上的气管变细，这削弱了肺功能。气管病变一般始于吸烟和/或空气污染的刺激并可由生物感染而引起/恶化。慢性支气管炎在临床上定义为两年期内超过3个月的持久咳嗽和生痰。慢性支气管炎可分成普通慢性支气管炎、阻塞性支气管炎和慢性哮喘支气管炎。在普通慢性支气管炎中不产生痰。慢性哮喘支气管炎伴有气管的过敏。在阻塞性慢性支气管炎中，气流被气管病变所阻滞。慢性支气管炎目前是使用死后Reid指数来定级的。高分辨率CT可允许在生前使用Reid指数来评定慢性支气管炎。

支气管壁截面积是COPD诊断和定级中的关键示数。从医学图像(例如CT)测量气管截面积将使医师跟踪疾病进展并加快临床试验。支气管通道在CT图像中显示为由明亮区域包围的黯淡区域。黯淡区域是空腔而明亮区域由支气管壁和任何附属或邻近血管组成。在测量气管壁截面积时，必须不含附属或邻近血管的厚度。

若隔离气管，没有附属或邻近血管，则可使用各种标准图像处理和计算机视觉技术来测量气管。当成像的气管上附有邻近血管时，传统方法的实例是从没有血管的一点处贯穿气管壁的空腔中心人工选择一条射线。沿此单一射线测量壁厚用于估算气管截面积。

需要一种健壮的方法和***，用来测量气管，以便能诊断和跟踪COPD的各种疾病。

发明内容

在第一方面，提供了一种方法，用来测量例如肺部气管的管形解剖构造，并包括通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定管形构造，使用M估算子将一个内切椭圆配合所述给定管形构造的内边界，并使用Muse技术和一系列M估算子的组合将一个外接椭圆配合所述管形构造的外边界，以及使用所述内切和外接椭圆来生成所述给定管形构造的测量值。。

在第二方面，提供了一种***，用来使用获取的图像数据来测量肺部气管。该***包括成像设备，用来获取所述图像数据；和耦合至所述成像设备的图像处理器件，配置为用来通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定气管，在所述气管的给定点处使用使用M估算子将一个内切椭圆配合所述给定气管的内边界并使用Muse技术和一系列M估算子的组合将一个外接椭圆配合所述气管构造的外边界，并且进一步配置为用来使用所述内切和外接椭圆来生成所述给定气管的测量值。

附图说明

当结合附图阅读时，从本发明的下列详细描述，本发明的特征和优点将会变得明白，其中：

图1是医学成像***的框图描绘，其应用本发明的各实施例；和

图2是对运用本发明的方法的框图和示例描绘。

具体实施方式

参照图1，显示用于疾病检测的***100的总框图。***100包括成像设备110，其可选自一些现有技术的医学成像设备，用来生成数张图像。通常，计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)***被用来生成数张医学图像。

在CT成像进行期间，患者被置入成像设备内并暴露于以一系列X射线检测器所测量的数条X射线。一条X射线束贯穿患者特定的薄截面或“切片”。检测器测量传播辐射量。此信息被用来计算对于体内取样点的X射线衰减系数。接着基于算出的X射线衰减系数来构建灰度级图像。图像中的灰色阴影代表切片内各点的X射线吸收量。在CT进行期间得到的切片可被重新构建，以提供暴露在X射线下的躯体内感兴趣区域的解剖学上的正确表示。

在MR成像进行期间，患者被置入由大磁体产生的强磁场内部。在患者体内的磁化质子，诸如氢原子，与磁体产生的磁场对齐。患者的特定切片暴露于生成垂直于主磁场的震荡磁场的无线电波。切片可取自由执行成像过程的医师或技师(以下称“操作者”)挑选的任何平面。患者体内的质子首先吸收无线电波，然后通过从与磁场对准移动而发射电波。随着质子返回其原始状态(激发前)，创建了基于患者躯体发射波的诊断图像。像CT图像切片那样，MR图像切片也可被重建，以提供感兴趣躯体区域的整体图片。产生高信号的躯体部位在MR图像中显示为白色，而那些带有低信号的部位则显示为黑色。其它具有高低之间变化的信号强度的躯体部位显示为某灰色阴影。

一旦得到初始MR或CT图像，就一般地分割图像。分割处理将图像的像素或体像素(voxel)归入一定数量的类中，其相对某种特征(即：强度、纹理，等等)类似。例如，在脑的分区成像中，脑材料可分成三类：灰质、白质、和脑干流体。在完成分割后可使用个别的色彩来标记各类区域。一旦分区图像被显影，外科医师即可使用分区图像来筹划外科手术。

通常，创建分区CT或MR图像涉及数步。数据集通过捕获CT或MR数据切片而创建。通过分割处理，接着将灰度值分配给数据集中的各点。数据中的各种材质皆被分配一个具体值，因此，该材质的每次出现具有相同灰度值。例如，在特定图像中的骨骼的全部出现可显出亮灰的特定阴影。此标准着色允许观察图像的人容易明白在图像中代表的对象。

图1描绘了应用本发明实施例的医学成像***100。该***包括成像设备110，处理器120和接口单元130。成像设备110适宜生成数个图像数据集240并且是例如计算机断层扫描(CT)或磁共振(MR)扫描器。在CT或MR的情形，获取图像数据一般被称为“扫描”。在示例性的实施例中，图像是使用CT成像设备获取的。处理器120配置为根据本发明的实施例进行计算，将参照图2更为仔细地说明本发明的实施例。处理器120还配置为执行计算和控制功能，用于熟知的图像处理技术，如重构、图像数据记忆存储、分割等。处理器120可包括中央处理单元(CPU)，如微处理器等的单片集成电路，或可包括任何合适数量的集成电路器件和/或电路板，其协同工作以完成中央处理单元的功能。处理器120最好包括存储器。处理器内的存储器120可包括本领域技术人员知道的任何类型的存储器。这包括动态随机访问存储器(DRAM)、静态RAM(SRAM)、快闪存储器、高速缓存等。虽然未在图1中明显示出，不过存储器可以是单一类型的存储器组件或可由许多不同类型的存储器组件组成。处理器120还能够执行存储器中所含的程序，并且其行动响应于图像获取和图像观察过程中可能出现的程序和其它活动。如此处使用地，“适宜”、“配置为”等意指元件间的机械或构造联系，以允许元素协同提供所述效果；这些术语还意指模拟或数字计算机或应用专用器件(诸如应用专用集成电路(ASIC))等电气元件的操作能力，这些器件被编程执行结果，以提供与给定输入信号响应的输出。

接口单元130耦合至处理器120并适宜使人类使用者与***100通信。处理器120还适宜进行计算，以连贯方式发送至接口单元130，从而人类使用者能够阐释发来的信息。发来的信息可包括2D或3D图像，彩色和灰度图像，以及有关诊断和检测信息的文本消息。接口单元130可以是个人计算机、图像工作站、手执图像显示单元或任何现有图像显示平台，其一般被组成CT或MRI***的一部分。

从患者的多次扫描收集的全部数据被当作一个数据集。各数据集可分成更小的数据单元：像素或体像素。当数据集是二维时，图像由称作像素的单元构成。像素是二维空间中的一点，可使用通常是x和y的二维座标来参照。图像中的每个像素由另外八个像素包围，这九个像素形成3×3方阵。包围中心像素的其它这八个像素被当作中心像素的八个毗连邻居。当数据集是三维时，图像以称作体像素的单元显示。体像素是三维空间中的一点，可使用通常是x、y和z的三维座标来参照。每个体像素由其它26个体像素包围。这26个体像素可被当作原点体像素的26个毗连邻居。

作为获取图像数据的一部分，本领域技术人员应知道需要适当的患者扫描协议。例如，使用CT或MRI的胸部检查一般要求患者(被摄体)屏息以缩减患者呼吸带来图像数据中的运动假象。通常，CT或MRI检查是在吸饱气或全呼气时采取的。进而，对比剂可用于衰减躯体特定区域中的X射线辐射。对比剂帮助提高受对比剂影响的组织与不受其影响的组织之间的差别。在CT图像中，对比与非对比组织之间的CT数差将大于正常值。对比剂由患者通过口、静脉内或直肠用药。

一旦由上述成像方法获取了图像数据，图像处理器120即适宜进行处理，以根据本发明的实施例来测量支气管壁截面积，该实施例将更仔细地说明。如在背景技术中所述，支气管壁截面积是慢性阻塞性肺病(COPD)特别是慢性支气管炎的诊断和定级中的关键示数。从医学图像(例如CT图像数据)测量支气管壁、或替代称为“气管”的截面积将允许医师跟踪疾病进展并加快临床试验。支气管通道在CT图像中一般显示为由明亮区域包围的小的黯淡区域。黯淡区域是空腔而明亮区域由支气管壁和任何附属或邻近血管组成。在测量气管壁截面积时，有必要从附属或邻近血管中隔离气管，从而厚度测量值不含这些血管。

在本发明的实施例中，提供了一种方法，用来测量管形构造。如此处使用地，管形构造意指任何数量的解剖构造，其可描述为中空(具有内径和外径)和圆形或椭圆形，诸如支气管壁或气管。然而，应知道测量其它解剖构造，诸如动脉或其它主要或重要血管等，也可从此处所述的测量技术获益。类似地，其它非解剖管形构造也可在工业或非破坏测试环境中从该测量技术中获益。用来从获取的图像数据测量管形解剖构造的方法包括通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定管形解剖构造，并且测量感兴趣的构造的至少一个属性。

参照图2，用来测量管形解剖构造的方法包括：第一步，即由上述成像器件和例如CT或MRI等方法获取构造的图像数据。图像数据被分割成同类的区域，如步骤210、220和230所示(210：由任何各种已知技术分割，220：通过例如强度值检测同类构造，和230：相同结构分成一组)并检测气管空腔。测量步骤240涉及首先识别空腔250的中心。不受血管存在的偏离而可识别空腔的中心。

在此实施例中，现在说明定位空腔的中心。首先，沿气管的数点处处理将内切椭圆配合空腔的内界并将外接椭圆配合(fit)空腔的外界。稍后，椭圆测量值被用来测量管形构造的属性。问题随着配合其限制为具有与空腔中心匹配的中心的两个同心椭圆而提出。由于空腔边界很少有沿边界的外接点，故内切椭圆是使用M估算子而配合的。外接椭圆是组合使用称为Muse的已知技术的健壮估算技术与一系列M估算子而配合的。Muse被用来将圆配合气管的外边界。这提供了外气管边界的短轴的健壮估算和外边界位置的噪音估算。与这些健壮估算一道，Muse将沿外边界的各点标为外气管边界的内切点或标为气管边界(例如血管)的外接点。Muse圆的内切点接着使用M估算子配合椭圆。M估算子与Muse圆和尺度(scale)(噪音)的Muse估算一起作为种子。M估算子被用来计算椭圆的参数，但不能用来计算尺度(噪音)的新估算。一旦M估算子收敛，则使用Muse尺度作为距离标准由原边界点集(不仅是Muse圆的内切点)计算新的椭圆内切点集。接着将此新的内切点集给予一个M估算子，此M估算子与先前的椭圆参数和Muse尺度估算一起作为种子。此第二M估算子重估了椭圆但同样不能重估尺度。重复此处理直到内切点集与椭圆配合收敛。通过运用上述处理，提供了一种健壮方法，其中邻近血管不包含在气管测量中。

将空腔中心点看成不变的，使椭圆配合问题从6个参数缩减为4个。此处数据被集中，从而空腔中心是原点而椭圆的位置参数毋需估算。空腔检测级识别完全由明亮区域包围的黯淡区域。计算出明亮区域的中心，并从空腔中心投射射线260。射线的分布使得它们以固定间隔或弧长来截取空腔边界(内壁)。对于每条射线，记录两个交点：与空腔边界(内壁)的交点，和与气管(外壁)的交点。后一交点可在气管壁上或可在邻近血管上。接着这两个交点集用来配合椭圆。该数据被缩放以在单位方块(-1，1)内配合以改善数值稳定性。Muse被用来健壮地估算对于外气管边界的椭圆的短轴(Muse圆的半径)并健壮地估算外气管边界位置中的噪音。Muse也识别内切点(属于气管的点，与属于血管的点相对)的初始集合。与这些内切点、Muse圆和Muse尺度一起将M估算子作为种子(而不是由M估算子来估算尺度)确保M估算子不致退化成配合整个边界(气管和血管)的最小方块。使用Muse仅估算圆使参数的数量缩减至估算1。这极大地加快了估算处理。以这种方式迭代“圈定”M估算子使其保持健壮和快速。上述处理迭代地进行。

一旦由上述处理确定了内外边界，则壁厚可通过求气管边界椭圆与空腔边界椭圆之间的面积差来确定，并以子像素精度来提供。壁厚测量值随后可用来计算平均壁厚、壁厚变化、体积测量值、二维(2D)面积测量值和体积的面分布，其皆是以诊断和跟踪各种疾病和COPD阶段的进展为目的的有关测量值。进而，隔离和测量步骤对于与感兴趣的构造长度对应的图像数据而重复，以便生成上述对于构造全长的测量值。

一旦完成了上述处理，该方法可进一步包括生成疾病的级别和进展的输出。例如，输出可被用来对患者的给定疾病定级、测量对治疗的响应、确定患者选择的表现型以参与试药，测量解剖构造的稳定性和预测给定疾病的变化率。如此处使用地，表现型意指观察物理或生化特征，如取决于基因排列和环境影响，并表达基于影响的具体特征点，诸如身材或血型。表现型是展现特定表现型的器官的个别或组群有机体。

在另一个实施例中，提供了一种***，用来使用获取的图像数据测量肺气管。该***包括成像设备，用来获取图像数据，和耦合至成像设备的图像处理器件。图像处理器件(图1的120)配置为用来通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定气管，在气管的给定点处使用统计技术将一个内切椭圆配合给定气管的内边界并将一个外接椭圆配合气管构造的外边界，并且进一步配置为使用内切和外接椭圆来生成给定气管的测量值。测量值包括平均壁厚、壁厚变化、体积测量值、二维(2D)面积测量值和体积的面分布之中的至少一项。测量值被用于疾病诊断和疾病进展跟踪的至少一项，而在此疾病是慢性阻塞性肺病或哮喘。理想地，***包括耦合至图像处理器件的显示器件(图1的接口单元130)，用来向***使用者通知测量值。

在以上段落中呈示的本发明实施例集中关注在CT肺扫描中定位疑似区域的问题。应知道该测量技术可直接转移到其它成像理疗器件(例如MRI、X射线、超声扫描仪、正电子发射断层(PET)扫描仪)，此处基本呈管形的解剖构造的测量是跟踪或诊断特定疾病所必须的。

尽管在此表示并说明了本发明的优选实施例，但显然，这些实施例仅供示例之用。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以进行诸多变形、修改和替换。因而，本发明被视为仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (10)

1.一种方法，用来从获取的图像数据来测量管形解剖构造，包括：

通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定管形构造，

使用M估算子将一个内切椭圆配合所述给定管形构造的内边界，并使用Muse技术和一系列M估算子的组合将一个外接椭圆配合所述管形构造的外边界，以及

使用所述内切和外接椭圆来生成所述给定管形构造的测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个分割处理包括所述获取的图像数据内同类的区域的分割、检测和分组。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量值包括平均壁厚、壁厚变化、体积测量值、二维面积测量值和体积面分布中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其中为与所述给定管形构造长度对应的图像数据重复所述隔离、配合和生成测量值的步骤，以生成沿所述给定管形构造长度的测量值。

5.一种***，用来从获取的图像数据来测量肺气管，其包括：

成像设备(110)，用来获取所述图像数据；和

耦合至所述成像设备的图像处理器件(120)，配置为用来通过至少一个分割处理来隔离感兴趣的给定气管，在所述气管的给定点处使用M估算子将一个内切椭圆配合所述给定气管的内边界、并使用Muse技术和一系列M估算子的组合将一个外接椭圆配合所述气管构造的外边界，并且进一步配置为用来使用所述内切和外接椭圆来生成所述给定气管的测量值。

6.根据权利要求5所述的***，其中所述测量值包括平均壁厚、壁厚变化、体积测量值、二维面积测量值和体积面分布中的至少一个。

7.根据权利要求5所述的***，其中所述测量值用于疾病诊断和跟踪疾病进展的至少一个，而其中所述疾病是慢性阻塞性肺病和哮喘的至少一个。

8.根据权利要求5所述的***，进一步包括耦合至图像处理器件的显示器件(240)，用来向***使用者报告测量值。

9.根据权利要求5所述的***，其中所述图像处理器件进一步生成输出，而其中所述输出用于下列的至少一个：对患者的给定疾病定级、测量对治疗的响应、确定患者选择的表现型以参与试药、测量解剖构造的稳定性和预测给定疾病的变化率。

10.根据权利要求5所述的***，其中所述成像设备(110)是计算机断层扫描设备、磁共振成像设备、X射线设备和超声设备的至少一个。

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