CN101802877B - 路径近似绘制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及***(100)，所述***用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化，所述***包括路径单元(110)，其用于基于所述感兴趣对象在所述图像数据集的体积中指定路径，定位单元(120)，其用于基于所指定的路径对通过所述图像数据集的体积的投影射线上的位置进行确定；以及求值单元(130)，其用于基于所确定的投影射线上的位置计算对应于所述投影射线的所投影的灰度值。由于基于用于指示感兴趣对象的专用路径确定所述投影射线上的位置，所以在隐藏描述其他对象(特别是阻挡对象)的灰度值的同时，可以对投影灰度值的实际计算进行设计和构建以示出描述感兴趣对象的灰度值。因此，本发明的***布置用于对感兴趣对象在不同视角进行可视化而不阻挡感兴趣对象。

Description

路径近似绘制

技术领域

本发明涉及体积图像数据可视化领域并且更特别地涉及感兴趣对象基于投影的可视化领域。

背景技术

多年来，已经使用类似例如最大强度投影(MIP)、直接体积绘制(DVR)或最近脉管投影(CVP)的方法来可视化体积的，即3D的，例如由CT或MR扫描器生成的图像数据集。这些方法具有以下缺点：当其他对象定位于感兴趣对象的前面时，对例如医师的用户的感兴趣对象在许多视图中可能被其他对象阻挡。例如，即使在数据采集过程中使用造影剂，在所绘制的CT图像中，外周动脉也经常被腿骨阻挡。然而，为了确定在脉管部分内的钙化的确切大小和位置，从不同角度观察脉管部分是重要的。另一个示例是主动脉瘤的识别和评定。由于主动脉瘤通常被脊柱(spine)阻挡，其通常是难以观察的。另外，即使当一些对象在背景中，在感兴趣对象之后时，如果可以将背景移除，通常可以改进感兴趣对象的视图。

弯曲的多平面重组方法(CMPR)，使用由自动分割处理递送的或由医师手动指出的路径，例如，在IEEE Visualization 2002Proceedings，Boston，October 27-November 1，2002，Pages 43-50中的A.Kanitsar等人的“AdvancedCurved Planar Reformation：Flattening ofVascular Structures”中描述了该方法的一种实现方式。其中定义了封闭这一路径的具有恒定预定义厚度的平板(slab)，从而标记所绘制的体积数据的感兴趣区域。在该情况下，可视化取决于所提取路径的质量。如果所提取的路径不确切地跟随实际的感兴趣对象或部分路径丢失，绘制可以排除感兴趣对象的部分或者包括阻隔(obstructing)组织，例如，当必须要增加平板厚度以包括完整感兴趣对象时。

分割图像数据集以及描绘感兴趣对象或阻隔对象可以有助于从感兴趣对象的视图中消除阻隔对象。同样，调节诸如传递函数的观察参数可能是有帮助的。这样的方法在I.Viola等人的IEEE Visualization 2004Proceedings，October 10-15，2004，Page(s)：139-145中的“Importance-driven volumerendering”中描述。不幸地，不总是可获得快速且可靠的分割方法。同样，也并非总可能通过调节传递函数参数消除阻隔对象，尤其当感兴趣对象和阻隔对象具有相似的灰度值时。

发明内容

具有用于在不同视角对感兴趣对象可视化而不示出阻挡感兴趣对象的对象的改进的***是有利的。

为了更好地解决该问题，在本发明的一方面，提供了用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化的***，***包括：

-路径单元，其用于基于感兴趣对象在图像数据集的体积中指定路径；

-定位单元，其用于基于所指定路径确定通过图像数据集的体积的投影射线的位置；

-求值单元，其用于基于所确定的在投影射线上的位置计算对应于投影射线的所投影的灰度值。

该路径单元布置用于接收通常基于用户选择的输入以指定路径。路径可以包括，由用户在图像数据集的体积中指出的例如，点、线段、多线或曲线。典型地，该路径包括在感兴趣对象的体积内和/或定位于感兴趣对象体积附近。由定位单元使用该路径以确定投影射线上的位置。由射线单元使用这些位置以计算用于在显示器上显示的投影灰度值。由于投影射线上的位置是基于所指定路径确定的以指示感兴趣对象，可以设计并构建投影灰度值的实际计算以在隐藏描述其他对象尤其是阻隔对象的灰度值的同时显示描述感兴趣对象的灰度值。因此，本发明的***适于在不同视角对感兴趣对象可视化而不示出阻隔感兴趣对象的对象。

本发明的***的另一优势在于所指定路径不需要确切地跟随感兴趣对象并且不需要是完整的。在一些情况下，路径可以仅为感兴趣对象附近的单一点。

本发明的***的另一优势在于计算不需要图像分割并且从而执行起来比如果执行图像分割更快。

在***的一个实施例中，基于位置到指定路径的距离进一步确定投影射线上的位置。例如，可以将定位单元布置用于将投影射线上的位置考虑为针对所确定位置的候选，只要候选位置与所指定路径的距离小于预定阈值。因此，只考虑在感兴趣对象的体积内或其附近的候选位置。在所绘制的视图中，不可视化在远距离背景或前景中的对象。这还可以加速确定投影射线上的位置。另外，这可以使得确定投影射线上的位置更鲁棒，即，较不倾向于错误地选择投影射线上的错误位置。

在***的实施例中，还基于在沿着投影射线的多个位置处所计算的灰度值的分布确定投影射线上的位置。灰度值的分布为所计算的灰度值相对于来自多个位置的位置的图。使用灰度值分布允许确定对应于例如分布中与路径最近的最大值的位置。还可以使用分布的其他特征，例如边缘点(即：分布的一阶导数的最大值或最小值)。

在***的一个实施例中，还基于分配给感兴趣对象的参考灰度值进一步确定所投影的灰度值。例如，定位单元仅将具有在对感兴趣对象专有的值范围内的所计算的灰度值的投影射线上的位置考虑作为候选用于确定投影射线上的位置。

在本发明的另一方面，提供了一种将包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象可视化的方法，所述方法包括：

-路径步骤，其用于基于感兴趣对象在图像数据集的体积中指定路径；

-定位步骤，其用于基于所指定路径确定通过图像数据集的体积的投影射线上的位置；以及

-求值步骤，其用于基于所确定的投影射线上的位置计算对应于所述投影射线的所投影的灰度值。

在本发明的另一方面，提供了一种由计算机布置装载的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化的指令，所述计算机布置包括处理单元和存储器，在被装载之后，计算机程序产品为所述处理单元提供执行以下任务的能力：

-基于感兴趣对象在图像数据集的体积中指定路径；

-基于所指定的路径确定通过图像数据集的体积的投影射线上的位置；

-基于所确定的投影射线上的位置计算对应于投影射线的所投影的灰度值。

在本发明的另一方面中，根据本发明的***包括在图像采集装置中。

在本发明的另一方面中，根据本发明的***包括在工作站中。

本领域中的技术人员应该理解，两个或更多上述提到的实施例、实现方式、和/或发明的方面可以以认为有用的任意方式组合。

本领域技术人员能够基于本发明的描述实现对应于所描述的***的改变和变更的图像采集装置、工作站、所述方法、和/或计算机程序产品的改变和变更。

技术人员应该理解，可以将所述方法应用于由各种采集模态获取的多维图像数据，例如，应用于3维或4维图像，所述采集模态诸如但不限于标准X-射线成像、计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声(US)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)以及核医学(NM)。

附图说明

从下面以及结合附图描述的实现方式和实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并将得到阐明，其中：

图1示意性地示出了***的示例性实施例的方框图；

图2说明了图像数据集的体积中的感兴趣对象、指定路径以及投影射线；

图3说明了计算所投影的灰度值的实现方式；

图4示出了使用本发明的***计算的没有被包括在图像数据集的体积中的其他对象所阻隔的示例性的感兴趣对象的不同视图；

图5示出了所述方法的示例性实施例的流程图；

图6示意性地示出了图像采集装置的示例性实施例；

图7示意性地示出了工作站的示例性实施例。

在全部附图中，相同的附图标记用于指示相似的部分。

具体实施方式

图1示意性地示出了***100的示例性实施例的方框图，该***100用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化，所述***包括：

-路径单元110，其用于基于感兴趣对象在图像数据集的体积中指定路径；

-定位单元120，其用于基于所指定路径确定通过图像数据集的体积的投影射线的位置；以及

-求值单元130，其用于基于所确定的投影射线上的位置计算对应于投影射线的所投影的灰度值。

***100的示例性实施例还包括下述单元：

-控制单元160，其用于控制***100中的工作流程；

-用户界面165，其用于与***100的用户通信；以及

-存储单元170，其用于存储数据。

在***100的实施例中，具有三个输入连接器181、182和183用于输入数据。第一输入连接器181布置用于接收来自数据存储器件的数据，所述数据存储器件例如但不限于硬盘、磁带、闪存或光盘。第二输入连接器182布置用于接收来自用户输入设备的数据，所述用户输入设备例如但不限于鼠标或触摸屏。第三输入连接器183布置用于接收来自诸如键盘的用户输入设备的数据。输入连接器181、182和183连接到输入控制单元180。

在***100的实施例中，具有两个输出连接器191和192用于输出数据。第一输出连接器191布置用于输出数据到数据存储器件，所述数据存储器件诸如硬盘、磁带、闪存或光盘。第二输出连接器192布置用于输出数据到显示设备。输出连接器191和192经由输出控制单元190接收各数据。

技术人员将会理解，存在许多方式将输入设备连接到***100的输入连接器181、182和183，并将输出设备连接到***100的输出连接器191和192。这些方法包括但不限于有线和无线连接、数字网络，该数字网络例如但不限于：局域网(LAN)以及广域网(WAN)、因特网、数字电话网络以及模拟电话网络。

在***100的实施例中，***100包括存储单元170。***100布置用于经由输入连接器181、182和183的任一个接收来自外部设备的输入数据，并用于将所接收的数据存储在存储器单元170中。将输入数据加载到存储器单元170允许由***100的单元对相应数据部分进行快速存取。输入数据可以包括，例如，图像数据集。存储器单元170可以以下设备实现，所述设备例如但不限于随机存取存储器(RAM)芯片、只读存储器(ROM)芯片、和/或硬盘驱动和硬盘。存储器单元170还可以布置用于存储输出数据。输出数据可以包括，例如，由本发明的***100计算的图像。存储器单元170还可以布置用于经由存储器总线175接收来自***100的单元的数据和/或将数据递送至***100的单元，所述***100包括路径单元110、定位单元120、求值单元130、控制单元160以及用户界面165。存储器单元170还布置用于经由输出连接器191和192的任一个使得外部设备可以获得输出数据。在存储器单元170中存储来自***100的单元的数据可以有利地改进***100的单元的性能以及从***100的单元到外部设备的输出数据的传输的速率。

或者，***100可以不包括存储器单元170以及存储器总线175。由***100使用的输入数据可以由连接到***100的单元的至少一个外部设备提供，该外部设备例如外部存储器或处理器。类似地，可以将由***100产生的输出数据提供给连接到***100的单元的至少一个外部设备，例如外部存储器或处理器。***100的单元可以布置用于经由内部连接或经由数据总线接收来自彼此的数据。

在***100的实施例中，***100包括控制单元160用于控制***100中的工作流程。控制单元可以布置用于接收来自***100的单元的控制数据和将控制数据提供给***100的单元。例如，在图像数据集的体积中指定路径之后，连接单元130可以布置用于提供控制数据“路径被指定”给控制单元160，并且控制单元160可以布置用于提供控制数据“基于所指定路径确定通过图像数据集的体积的投影射线上的位置”到定位单元140，由此需要定位单元140确定所述位置。可选地，可以在***100的另一单元中执行控制功能。

在***100的实施例中，***100包括用于与***100的用户通信的用户界面165。用户界面165可以布置用于提供数据以显示由图像数据集计算的图像，并且获取用户输入用于指定路径。用户界面还提供用于计算对于指定路径有用的不同视图的器件。例如，路径可以为由用户所指示的点所定义的多线。可选地，用户界面可以接收用户输入用于选择***的操作模式，例如，计算所投影的灰度值的方式。技术人员将理解在***100的用户界面165中实现更多的功能是有利的。

求值单元130布置用于基于所确定的在投影射线上的位置，计算对应于投影射线的所投影的灰度值。为此，求值单元130可以布置用于基于包括在图像数据集中的体素的灰度值，计算投影射线上的位置处的灰度值。在最简单的实施例中，在投影射线上的位置处的灰度值可以为包括该位置的体素的灰度值。其它的方法可以使用相邻体素的灰度值计算所投影的灰度值。技术人员将理解权利要求的范围不应该被解读为限制于计算在投影射线上的位置处的灰度值的方法的选择。

在本发明的实施例中，医师指定在感兴趣对象的体积附近或者在感兴趣对象体积内部的路径。图2示出了图像数据集体积中的感兴趣对象Ob、所指定路径Pt和投影射线R。对于投影射线R上的每个点P，函数d_Pt(R；P)为点P到路径Pt的距离。可以将点P到路径Pt的距离定义为从点P到路径Pt上的最近点P_Pt的距离。可选地，d_Pt(R；P)可以为描述点P如何相对于路径Pt定位的另一个函数，例如，从点P到在路径Pt上的最近点的矢量的分量。函数d_Pt(R；P)可以具有若干最小值和全局最小值。针对射线R和路径Pt的d_Pt(R；P)的全局最小值对应于点P_m并等于从点P_m到路径Pt上的最近点P_Pt的距离。在***100的一个实施例中，由点P_m限定的位置为由定位单元120确定的位置。本领域技术人员将会理解，其他实施例可以使用由局部最小值或者若干局部最小值限定的位置、两个最小值的位置之间的射线段上的所有位置、或者针对其距离d_Pt(R；P)小于阈值的投影射线R上的所有位置P，来计算对应于投影射线的所投影的灰度值。

在一个实施例中，使用正投影来进行图像绘制，即：投影射线垂直于视平面。每条射线由视平面上的点的两个坐标(x，y)限定，其中，投影射线贯穿所述视平面。投影射线上的点P的位置可以由点P的z坐标限定，其等于点P到视平面的距离。使用该z坐标为正向的方式定义参照系的z轴。由此，可以将距离d_Pt(R；P)表示为d_Pt(x，y；z)。对应于距离函数d_Pt(x，y；z)最小绝对值的点P_m的z坐标表示为z_m。

在***100的实施例中，求值单元130使用关于感兴趣对象的组织特有(tissue-specific)灰度值信息用于计算所投影的灰度值。关于感兴趣对象的体素的灰度值范围的采集特有(acquisition-specific)信息由将灰度值v映射至其本身的函数o(v)来描述，其中v属于所述范围。例如，可以由灰度值阈值T定义函数o(v)：为小于阈值的所有灰度值分配0，即，对于v＜T，o(v)＝0；为大于或等于阈值T的所有灰度值分配相同灰度值，即，对于v≥T，o(v)＝v。换言之，对于v≥T，o(v)为恒等函数，对于v＜T，o(v)是恒为0的函数。

对于由坐标(x，y)限定的每条观察射线R，函数z→d_Pt(x，y；z)和z→o(v(x，y，z))，其中，v(x，y，z)为基于体素灰度值计算的在图像数据集体积中的位置(x，y，z)处的灰度值(例如，包括位置(x，y，z)的体素的灰度值)，提供两个测量值，分别描述位置(x，y，z)到所指定路径Pt，也即到感兴趣对象的近似值，以及位置(x，y，z)处的组织与感兴趣对象的组织的相似性。基于这一信息，可以应用标准的绘制技术，仅仅使用靠近于感兴趣对象并且具有在感兴趣对象的灰度值的范围内的灰度值的射线的那些部分计算所投影的灰度值，所述绘制技术诸如但不限于MIP、最小强度投影(mIP)、平均强度投影(AIP)、DVR、以及数字重建放射照相(DRR)。

在***100的实施例中，找到函数z→d_Pt(x，y；z)的最小绝对值的位置(x，y，z_m)的坐标z_m。图3说明了计算所投影的灰度值的实现方式。如在图3a中所示出的，如果m＝v(x，y，z_m)≥T，将限定用于计算所投影灰度值的位置(x，y，z)的区间I＝[e_b，e_f]定义如下：

e_b为最小数值，其使得对于每个z∈[e_b，z_m]，v(x，y，z)≥T；以及

e_f为最大数值，其使得对于每个z∈[z_m，e_f]，v(x，y，z)≥T。

如在图3b中所示的，如果m＝v(x，y，z_m)＜T，将限定用于计算所投影的灰度值的位置(x，y，z)的区间[e_b，e_f]定义如下：

s_b为最小数值，其使得对于每个z∈(s_b，z_m]，v(x，y，z)＜T；

e_b为最小数值，其使得对于每个z∈[e_b，s_b]，v(x，y，z)≥T；

s_f为最大数值，其使得对于每个z∈[z_m，s_f)，v(x，y，z)＜T；以及

e_f为最大数值，其使得对于每个z∈[s_f，e_f]，v(x，y，z)≥T。

或者，如果m＝v(x，y，z_m)＜T，当z_m＜(s_b+s_f)/2时，区间[e_b，s_b]可以用于计算所投影的灰度值，或者当z_m≥(s_b+s_f)/2时，区间[s_f，e_f]可以用于计算所投影的灰度值。

图4示出了使用本发明的***100计算的未被包含于图像数据集体积中的其他对象阻隔的示例性的感兴趣对象的不同视图。示例性的感兴趣对象A为主动脉瘤。主动脉瘤的四个视图41、42、43和44示出了分别在0、90、180和270度的任意视角的感兴趣对象A。潜在的视图阻挡结构包括椎骨、肋骨、髂骨和骶骨。在每个视图中，在主动脉瘤前面的对象不可视。

技术人员将理解，***100可以为用于在医师工作的各个方面辅助他/她的有用工具。

本领域技术人员将会进一步理解***100的其他实施例也是可能的。此外，可能重新定义***的单元并且重新分配他们的功能。尽管将所描述的实施例应用于医学图像，但是也可能将其用于与医学应用无关的***的其他应用。

可以使用处理器实现***100的单元。通常，在软件程序产品的控制下执行其功能。在执行过程中，通常将软件程序产品加载到诸如RAM的存储器，并从其上执行。可以将程序从诸如ROM、硬盘或磁或光存储器的背景存储器中加载，或者经由如因特网的网络加载。任选地，专用集成电路可以提供所描述的功能。

图5示出了对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象可视化的方法500的示例性实现方式。方法500从路径步骤510开始，用于基于感兴趣对象在图像数据集的体积中指定路径。在路径步骤510之后，方法500继续到定位步骤520用于基于所指定路径确定通过图像数据集的体积的投影射线上的位置。在定位步骤520之后，方法500继续到求值步骤530用于基于所确定的投影射线上的位置计算对应于投影射线的投影灰度值。在计算针对每个投影射线的所投影的灰度值之后，方法500结束。

使用线程化模块、多处理器***或多进程，在不偏离本发明所预期的概念的情况下，技术人员可以改变一些步骤的顺序或者同时执行一些步骤。任选地，可以将本发明的方法的两个或多个步骤合并成一个步骤。任选地，本发明的方法的步骤可以被分成多个步骤。

图6示意性地示出了采用***100的图像采集装置600的示例性实施例，所述图像采集装置600包括经由内部连接与***100连接的CT图像采集单元610、输入连接器601和输出连接器602。该布置有利地增加了图像采集装置600的能力，为所述图像采集装置600提供了***100的有利的能力。

图7示意性地示出了工作站700的示例性实施例。工作站包括***总线710。处理器710、存储器720、磁盘输入/输出(I/O)适配器730以及用户界面(UI)740可操作连接到***总线701。磁盘存储设备731可操作耦合到磁盘I/O适配器730。键盘741、鼠标742和显示器743可操作耦合到UI740。以计算机程序实现的本发明的***100，存储在磁盘存储设备731中。工作站700布置用于加载程序和输入数据到存储器720并在处理器710上执行该程序。用户可以使用键盘741和/或鼠标742向工作站700输入信息。工作站布置用于向显示设备743和/或磁盘731输出信息。技术人员将理解在本领域中已知工作站700的多个其它实施例，并且本实施例用于说明本发明的目的而不应理解为其将本发明限制于特定实施例。

应该注意，上述实施例用于说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计可选实施例。在权利要求中，不应将置于括号之间的附图标记视为限制权利要求。词语“包括”不排除存在在说明书或权利要求中未列出的元件或步骤。在元件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以由包括若干不同元件的硬件以及由编程的计算机实现。在***权利要求中列举若干单元，可以由一个或相同的硬件或软件实现这些单元的一些。使用词语第一、第二、第三等不表示任何顺序。这些词语被理解为名称。

Claims (6)

1.一种用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化的***(100)，所述***包括：

-路径单元(110)，其用于基于所述感兴趣对象在所述图像数据集的所述体积中指定路径；

-定位单元(120)，其用于基于所指定路径确定通过所述图像数据集的所述体积的投影射线上的位置；以及

-求值单元(130)，其用于基于所确定的所述投影射线上的位置计算对应于所述投影射线的所投影的灰度值。

2.如权利要求1所述的***(100)，其中，进一步基于从所述位置到所指定路径的距离确定所述投影射线上的所述位置。

3.如权利要求1所述的***(100)，其中，进一步基于在沿所述投影射线的多个位置处计算的灰度值的分布确定在所述投影射线上的所述位置。

4.如权利要求1所述的***(100)，其中，进一步基于分配给所述感兴趣对象的参考灰度值确定所投影的灰度值。

5.一种对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化的方法(500)，所述方法包括：

-路径步骤(510)，其用于基于所述感兴趣对象在所述图像数据集的所述体积中指定路径；

-定位步骤(520)，其用于基于所指定路径确定通过所述图像数据集的所述体积的投影射线上的位置；以及

-求值步骤(530)，其用于基于所确定的所述投影射线上的位置计算对应于所述投影射线的所投影的灰度值。

6.一种用于对包括在图像数据集的体积中的感兴趣对象进行可视化的装置，所述装置包括：

-用于基于所述感兴趣对象在所述图像数据集的所述体积中指定路径的模块；

-用于基于所指定路径确定通过所述图像数据集的所述体积的投影射线上的位置的模块；以及

-用于基于所确定的所述投影射线上的位置计算对应于所述投影射线的所投影的灰度值的模块。

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