CN1267862C - 重构高分辩率三维图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据检查区域的3D图像数据集(D)重构病人的一个检查区域的高分辨率3D图像(G)的方法，检查区域经受一个周期运动，这一运动的测量与3D图像数据集(D)的获取是平行的，并作为表示该周期运动的运动信号(E)。为能够形成具有增强图像质量的高分辨率3D图像，本发明建议这样一种方法，它包括步骤：a)根据3D图像数据集(D)重构若干低分辨率3D图像(I)，低分辨率3D图像(I)根据3D图像数据集(D)的3D图像数据重构，所述3D图像数据集(D)是在周期运动的不同运动阶段获得的，b)借助低分辨率3D图像(I)确定检查区域的至少一个子区域(A)在运动的不同阶段期间的运动信息(B)，c)选择一个时间重构窗口(T)，在其中有至少一个子区域(A)的运动低于预定水平，d)根据为子区域(A)选择的时间重构窗口(T)中的3D图像数据(D)为该至少一个子区域(A)重构一个高分辨率子图像(K)，和e)根据该至少一个子图像(K)形成所希望的3D图像(G)，然后未作为子图像重构的3D图像(G)的区域根据3D图像数据重构，以便与至少一个子图像(K)组合。

Description

重构高分辨率三维图像的方法
本发明涉及根据检查区域的三维(3D)图像数据集来重构病人的一个检查区域的高分辨率3D图像的方法和设备，检查区域经受一个周期运动，这一运动的测量与作为表示该周期运动的运动信号的3D图像数据集的采集平行地进行。
这种方法和设备是已知的。运动物体例如病人的心脏的3D图像的重构，当今是通过选择合适的时间重构窗口执行的，在该窗口中可以实现为要成像的整个解剖体可接受的结果。这意味着选择从3D图像数据集获取的3D图像数据以用于重构，该3D图像数据集是从一个给定的时间窗口获得的，在给定的时间窗口中，例如，要成像的解剖体经受过最小的运动。因此，在解剖体周期运动的场合，例如心脏运动或呼吸运动，只使用来自给定运动阶段的3D图像数据进行重构，而不评估所有其它获得的重构数据。例如对于心脏或者冠状血管的成像，优选无例外使用在舒张期获得的3D图像数据，而腹部3D图像的形成无例外使用在呼气状态下获得的3D数据。
然而，各种器官的给定部分特别是心脏的不同部分的运动并不同时发生，而是遵循该器官的刺激方式；这意味着，器官要成像的各个别部分在不同瞬间可以运动到不同程度。因此，如果对于要成像的整个物体使用一个固定(时间)窗口，则经常会发生图像质量降低或未能最优地使用假定器官静止阶段期间获得的数据。
因此，本发明的目的是改进此类方法和设备，以便可以形成病人的运动检查区域的具有增强图像质量和高分辨率的3D图像。
这一目的可根据本发明通过权利要求1公开的方法和权利要求6公开的设备来实现。该方法的特征在于它包括下述步骤：
a)从3D图像数据集重构多个低分辨率3D图像，这些低分辨率3D图像是根据3D图像数据集的3D图像数据重构的，所述3D图像数据集是在周期运动的不同运动阶段获得的，
b)借助该低分辨率3D图像确定检查区域的至少一个子区域在运动的不同阶段的运动信息，
c)选择一个时间重构窗口，其中，该至少一个子区域的运动低于预定水平，
d)根据在为一个子区域选择的时间重构窗口中的3D图像数据为该至少一个子区域重构一个高分辨率子图像，
e)根据该至少一个子图像形成所希望的3D图像，然后使未作为子图像重构的3D图像的区域根据3D图像数据重构，以便与所述至少一个子图像相组合。
权利要求6公开了一个相应的设备，该设备具有一个重构单元和一个算术单元，以便执行所述方法。
本发明基于对下面的事实的认识，为重构一个3D图像，如果只使用来自同一时间区亦即一个固定的运动阶段的3D图像数据，则对于整个检查区域(例如，要检查的器官心脏)而言不是最优的。因为检查区域的各个单独部分在不同瞬间或在不同运动阶段可以移动到不同程度，根据本发明，建议对检查区域的有不同运动的单独部分选择特定的重构窗口，在这种重构窗口中重构子图像，和随后把所述子图像组合起来以便形成总图像，亦即所希望的3D图像。因此每个单个的子图像可以从同一3D图像集的不同3D图像数据导出。
于是要以3D图像再现的完整的检查区域可以细分为单独的子区域，根据本发明每次为这些子区域决定一个各自的(时间)重构窗口。然而，也可以选择检查区域中特别感兴趣的单个子区域以便根据适配的重构窗口在其内执行子图像的这种形成，而检查区域的所有其它区域则以常规方式根据3D图像数据集的所有3D图像数据或根据其在低运动阶段获得的特定子数量而重构。
根据本发明的方法和设备的另外的形式和优选实施例分别在权利要求2到5和7和8中公开。本发明特别适合用于心脏以及冠状血管的3D图像重构；在这一场合，表示周期心脏运动的运动信号优选相应于心电图。然而本发明原则上也可以用于其它物体或其它区域的成像，例如腹部或者单个器官像肝或胃的成像，因为这种区域或器官也经受一个周期的运动，即呼吸运动。于是可以测量一个呼吸运动信号作为运动信号；各种方法适合这一目的，例如表示腹壁或横隔膜的运动的信号。本发明的执行在原理上提供增强的图像质量，特别当要成像的检查区域的单个子区域或子物体显示出非同步运动方式时。
根据本发明的一个优选形式，要形成检查区域的一个运动模型，以便确定至少一个子区域的运动；为此目的，跟踪低分辨率3D图像中的特别有意义的点，或把在低分辨率3D图像中的重现的物体分段。有意义的点可以是例如有解剖特征的点，例如冠状血管中的分岔。于是在单独的低分辨率子图像中及时跟踪这种有意义的点允许及时获得所述点如何随时间运动的运动信息。另外可选地，这一运动信息可以通过例如对在低分辨率3D图像中与各个运动阶段相关的血管树进行分段而自动抽取。
根据另一个优选形式，为检查区域的每一体积单元或为检查区域有特别兴趣的区域选择一个单独的时间重构窗口，每一体积单元(三维象素)或具有特殊兴趣的区根据在选择的时间重构窗口内获得的3D图像数据分别重构。在只要能有足够的计算时间的场合，或要形成具有最高可能分辨率和最好可能的经运动修正的3D图像的场合，可以把本发明的方法应用到检查区域的每一单独的三维象素；这意味着，对于每一单独的三维象素(voxel)存在导出的运动信息，在其基础上为三维象素确定了一个特殊时间重构窗口，也就是说，其内发生这种三维象素图像值重构的窗口。然而，还可以每次组合几个三维象素以形成多个三维象素的单独的组，本发明的方法就是为它们执行的，以便节省计算时间。
本发明原则上可以用于从任意3D图像数据形成3D图像；这意味着，原则上使用哪一种形式获取3D图像数据并不重要。不过，根据本发明的方法优选与借助计算机断层X光摄影装置或借助3D旋转X射线方法例如借助一个C臂X射线***所获取的3D图像数据结合使用。
本发明还涉及在权利要求9中公开的用于执行权利要求1所述的方法和/或控制权利要求6所述的设备的计算机程序。这一计算机程序特别包括编程工具，用于当该计算机程序由计算机或者适合的算术单元执行时执行根据本发明的方法或控制根据本发明的设备。
下面参考附图详细说明本发明，附图中：
图1是表示根据本发明的方法的示意图，
图2是表示根据本发明的设备的方块示意图。
下面根据一个实例详细说明根据本发明的方法，在该例子中要重构冠状血管的血管树的一个高分辨率3D图像。当研究心脏的收缩方式时，看来这一方式从心房的收缩开始，接着是心室的收缩，从顶点开始。因为被观察的解剖体的运动方式，沿冠状动脉的各种体积单元(三维象素)在心脏运动阶段或心律期间表现出相当不同的运动方式。而在已知重构方法中，通过以对心电图(ECG)的R偏转的固定时间延迟和一个给定的重构窗口时间长度以简单方式定义时间重构窗口。然后使用同样的重构窗口重构要被重构的体积内的三维象素。
然而，根据本发明，必须选择特定三维象素的重构窗口；这些窗口首先用于重构单独的子图像，然后把这些子图像组合以便形成所希望的总图像。图1表示一个心电图E，它表示特征变化作为表示心脏运动的运动信号(测量一个电压)对时间的函数。ECG的一个重要方面是所谓的R偏转，下面使用它来定义重构窗口。
使用一个成像***，例如计算机X线断层摄影装置(CT)或工作在3D旋转血管造影术原理上的C臂X射线设备，首先要获得3D图像数据集。这意味着，要从不同的透视图或成像位置亦即在时间t内连续地和以相等的时间间隔获取检查区域的独立的数据集元素，亦即所谓的投影D01，D02，...。这些单独的图像数据集元素一起形成3D图像数据集D，从中可以形成检查区域的3D图像。因为获取3D图像数据D在时间上平行于获取ECG E，因此所获得的3D图像数据D可以指定给检查区域的不同运动阶段。于是所有数据集元素D01，D11，D21，D31...都在ECC E展示出R偏转的第一运动阶段内获得，数据集元素D02，D12，D22，D32...在对R偏转具有第一固定时间延迟的第二运动阶段内获得，等等。R偏转发生在时间(周期)量为T的距离上。
根据本发明，各低分辨率3D图像是从每次在相同运动阶段期间获得的数据集元素所形成的。这意味着，例如第一低分辨率图像I1从第一运动阶段的数据集元素D01，D11，D21，D31...重构，第二低分辨率图像I2从第二运动阶段的数据集元素D02，D12，D22，D32...重构，等。于是每一个这些低分辨率图像I1、I2、I3、...从对R偏转显示出固定时间延迟的3D图像数据获得。
从这种低分辨率图像I1、I2、I3、...中导出运动信息B，它提供在检查区域中在运动周期期间存在的解剖体的运动的信息。因此，在这里说明的例子中，要获得的运动信息B是关于心脏或者单个冠状血管的单个区域在周期期间如何运动的信息。为此目的，可以在单独的低分辨率图像I中跟踪例如冠状血管的分岔这样的有意义的点，或在这些图像中对血管树自动分段。从而可以导出确定这样的运动阶段的信息，即在这些阶段中检查区域的子区域，或在极端的场合，检查区域的单独的三维象素，移动到了什么程度，同时也规定了这样的运动阶段或者时间期间，在此期间在运动周期期间没有或仅有很不重要的运动发生。
随后使用这一运动信息来为单个检查区域A1、A2、A3、...决定各自的最优时间重构窗口T1、T2、T3、...，这些单个检查区域在极端情况下也可以相应于单独的三维象素。对于第一子区域A1就这样确定第一时间重构窗口T1；这同时意味着，仅从运动周期的这一段时间获得的图像数据集元素用来重构这一子区域A1的一个高分辨率子图像K1。这一重构窗口T1也可以在图2中认出；例如从中可以推导出，子区域A1的高分辨率子图像K1的重构只使用图像数据集元素D02、D03、D04、D05、D12、D13、D14、D15、D22、D23、...，因为这一子区域在运动周期的时间窗口T1期间显然没有经受运动或很少运动。然而，对于第二子区域A2，从运动信息B导出不同的时间重构窗口T2，因此，为形成子区域A2的高分辨率子图像K2，使用图像数据集元素D04、D05、D06、D07、D14、D15、...，因为显然在时间段T2内子区域A2运动最少。
因此，对于要使用按照本发明的方法的每一子区域A，选择一个单独的时间重构窗口T，相对于R偏转的时间延迟和重构窗口的持续时间对每一子区域A可以不同。然而，重构窗口可以重叠或也可以相同。
如上所述，在极端场合，可以为检查区域的每一个单个的三维象素决定单独的时间重构窗口T，以便每一单独的三维象素可以从专门选择的数据集元素单独优化地重构。在另一个极端的场合，可以只为检查区域的单一子区域决定一个单独的重构窗口，而检查区域的所有其它区域以通常的方式从3D图像数据集D的3D图像数据或从一个固定的时间重构窗口的3D图像数据重构。再次应该注意，重构窗口是可变的，并且每一子区域在时间上可包括运动周期的不同长度和不同分段。
在最后的步骤把形成的高分辨率子图像K1、K2、K3、...组合以形成希望的高分辨率3D图像G。于是在根据本发明而选择一个单独的重构窗口的这一3D图像中的子区域显示出明显增强的图像质量，具有较高的分辨率和较少假象。
图2以方块示意图的形式表示根据本发明的一个执行上述方法的设备。其中，首先借助图像数据获取设备1例如计算机断层X光摄影装置或C臂X射线装置获取3D图像数据集D。与此平行，借助合适的测量设备2例如借助心电图仪获取运动信号E例如ECG；这一运动信号提供关于要成像的解剖体的运动的信息。所获取的数据首先存储在存储器3中，随后施加到重构单元4供评估和进一步处理。
其中，首先在第一重构模块41中形成表示不同运动阶段中的检查区域的低分辨率D图像。随后，将所述低分辨率图像加到算术单元5，在其中在第一模块51中以例如运动模型形式获取运动信息B；随后在第二模块52中评估这一运动信息。因此，在模块52中，使用运动信息来决定为例如由用户定义的单个子区域A的单个时间重构窗口。然后把这些重构窗口应用于第二重构模块42，它根据这一信息以及根据来自3D图像数据集的运动信号E形成为单个子区域A的各自的高分辨率子图像K。最后把这些高分辨率子图像K在组合模块43中组合以便形成希望的检查区域的高分辨率3D总图像G。

Claims (8)

1.一种根据检查区域的3D图像数据集(D)重构病人的一个检查区域的高分辨率3D图像(G)的方法，该检查区域经受周期运动，这一运动的测量与3D图像数据集(D)的获取是平行的，并作为表示该周期运动的运动信号(E)，所述方法包括步骤：
a)从3D图像数据集(D)重构多个低分辨率3D图像(I)，这些低分辨率3D图像(I)根据3D图像数据集(D)的3D图像数据重构，所述3D图像数据集(D)是在周期运动的不同运动阶段获得的，
b)借助该低分辨率3D图像(I)确定检查区域的至少一个子区域(A)在运动的不同阶段期间的运动信息(B)，
c)选择一个时间重构窗口(T)，其中，至少一个子区域(A)的运动低于预定水平，
d)根据在为子区域(A)选择的时间重构窗口(T)中的3D图像数据(D)为该至少一个子区域(A)重构一个高分辨率子图像(K)，
e)根据该至少一个子图像(K)形成所希望的3D图像(G)，然后使未作为子图像重构的3D图像(G)的区域根据3D图像数据重构，以便与所述至少一个子图像(K)相组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成检查区域的运动模型，以便确定至少一个子区域(A)的运动信息(B)，也就是说，特别通过跟踪低分辨率3D图像中的有意义的点或通过将重现的物体分段。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于检查区域的每一个三维象素，或者对于检查区域特别感兴趣的区域，选择一个单独的时间重构窗口(T)，并且每一体积单元或每一特别感兴趣的区域根据在所选择的时间重构窗口(T)中获得的3D图像数据而分别重构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助计算机断层X光摄影装置或3D旋转X射线装置获取3D图像数据集(D)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用心电图或呼吸运动信号作为表示检查区域运动的运动信号(E)。
6.一种用于根据检查区域的3D图像数据集(D)重构病人的一个检查区域的高分辨率3D图像(G)的设备，检查区域经受周期运动，这一运动的测量与3D图像数据集(D)的获取是平行的，并作为表示该周期运动的运动信号(E)，所述设备包括：
a)重构单元(4)，用于从3D图像数据集(D)重构多个低分辨率3D图像(I)，低分辨率3D图像(I)根据3D图像数据集(D)的3D图像数据重构，所述3D图像数据集(D)是在周期运动的不同运动阶段获得的，
b)算术单元(5)，用于借助低分辨率3D图像(I)确定检查区域的至少一个子区域(A)在运动的不同阶段期间的运动，
该算术单元被安排来选择一个时间重构窗口(T)，在其中至少有一个子区域(A)的运动低于预定水平，并且
该重构单元(4)被安排来根据处在为子区域(A)选择的时间重构窗口(T)中的3D图像数据(D)为该至少一个子区域(A)重构至少一个高分辨率子图像(K)，和根据该至少一个子图像(K)形成所希望的3D图像(G)，然后使未作为子图像重构的3D图像(G)的区域根据3D图像数据重构，以便与至少一个子图像(K)相组合。
7.根据权利要求6所述的设备，它还包括一个图像获取设备(1)，用于获取检查区域的3D图像数据集，并且还包括一个测量设备(2)，用于测量所述运动信号(E)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备是计算机断层X光摄影装置或3D转动X射线设备，特别是C臂X射线设备。
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