将多分支脉管及其环境同时投影到单个图像上
对相关申请的交叉引用
本申请要求2005年5月24日提交的美国临时申请号60/684074的权益,该申请在此被引作参考。
技术领域
本发明涉及用于显示与脉管***、例如血管和动脉有关的信息的方法和***,更具体地涉及冠状动脉的可视化。
背景技术
有不同已知的用于可视化的成像技术用来在图像中显示血管。已知技术例如有体绘制法(VR)、多平面重组法(MPR)、最大密度投影法(MIP)以及阴影表面显示法(SSD),它们能被用来在医学图像中绘制血管。但当结合显示血管被使用时,尤其是当显示冠状动脉时,这些技术均受到限制。
例如,体绘制可以显示冠状动脉的各部分以及与冠状动脉相关的背景数据,但可能涉及太多的处理而不能用于临床环境,而由此建立的图像可能涉及湮没狭窄(obliterating stenoses)的风险。另外,该绘制技术通常从被显示的图像中掩蔽掉脉管***周围的区域。缺少周围区域信息可能大大地降低了可视化的有效性,从而使得难以识别被可视化的脉管的确切位置和方位。例如,如果仅仅可以看到冠状树,那么可能就难以区分左侧和右侧,或难以确定哪个方向是向上和哪个是向下。
MPR技术的问题是其不能显示多个动脉,除非这些动脉处于相同的平面。因此可能错过动脉中的问题,或者在某些情况下在没有问题时看起来有问题。
其它显示技术的问题是显示信息的不准确。例如,在开折技术中,与脉管有关的距离或角度将是不准确的。
在通常采用的成像技术中,MIP是一种用于可视化和评估冠状动脉的有前途的方法。整个体MIP将会导致其它的腔和脉管结构与冠状动脉重叠。因此掩蔽的MIP是优选的。但掩蔽的MIP将只显示没有深度信息或其相邻解剖体的冠状动脉。
投影冠状动脉图像的MIP技术在几篇论文中被公开。例如参见Etienne,Botnar,Van Muiswinkel,Boesiger,Manning和Stuber的“Soap-Bubble”Visualization and Quantitative Analysis of 3DCoronary Magnetic Resonance Angiograms,Magnetic Resonance inMedicine 48:658-666(2002),该论文在此被引作参考。还可以参见Tuchschmid,Martin,Boesiger和Weber,CoroViz:Visualization of3D Whole-Heaart Coronary Artery MRA Data,Journal ofCardiovasular Magnetic Resonance,2005,7:220-221,该论文在此被引作参考。
因此需要新的和改善的***和方法来连同背景信息一起显示血管,尤其是同时显示两个冠状动脉及其周围环境。
发明内容
本发明提供了一种用于显示血管的***和方法。根据本发明的一方面,本发明的***和方法在同一显示器上显示两个冠状动脉,由此在临床应用方面提供了以下优点:其包括更快的显示和需要更少的处理时间。动脉可以与其周围环境信息一起被显示。
根据本发明的另一方面,提供一种处理医学图像数据的方法,用于根据3D图像数据从一个定义的视点平滑地绘制一个或多个脉管以及周围附近区域,其中从所述定义的视点将所述一个或多个脉管与所述周围附近区域分开以作为一个中心线树,包括:围绕所述中心线树建立一个管状网;通过根据所定义的视点绘制所述管状网和存储所绘制的管状网的深度信息而建立一个图像;利用被绘制的管状网的深度信息提取位于被绘制的管状网和周围附近区域之间的边界;从所定义的视点绘制所述周围附近区域;以及组合所述管状网和所述周围附近区域的绘制。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中所绘制的管状网的相应前裁剪面深度信息将被存储为具有被设为值1的不可见像素的第一Z缓存。
根据本发明的另一方面提供如下一种方法,其中所述管状网的半径是用户定义的半径。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中绘制所述周围附近区域包括:从所述Z缓存中提取位于可见区域和不可见区域之间的边界上的像素;将每个边界像素的图像坐标存储为一个2D数组中的元素;向所述2D数组添加四个点以定义一个可视化平截头体;建立一个如所述2D数组元素所定义的2D网;以及通过向定义所述2D网的每个点分配其相应的3D坐标而将所述2D网投影到一个3D网。
根据本发明的另一方面提供如下一种方法,其中绘制所述周围附近区域还包括在所述3D网上内插点,以便确定所述周围附近区域中的像素。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中绘制所述周围附近区域还包括在所述3D网上内插点的坐标,以及根据该坐标访问医学图像数据以便确定所述周围附近区域中的像素。
根据本发明的另一方面提供如下一种方法,其中所述2D网通过采用德劳内三角测量法被建立。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中例如作为第二Z缓存建立一个第二前裁剪面深度信息,包括:绘制所述3D网;将被绘制的网的相应前裁剪面深度信息存储为具有被设为值1的不可见像素的第二Z缓存;以及在所述第二Z缓存中存储与所述第一Z缓存中的可见像素相对应的、具有被设为所述第一Z缓存中的值的存储值的像素。
根据本发明的另一方面提供如下一种方法,其中所述一个或多个脉管根据3D图像数据与所述周围附近区域一起被绘制,包括:通过利用所述第二Z缓存作为进入到所述3D图像数据的绘制射线进入点来绘制所述3D图像而建立一个图像;将所述射线穿入所述3D图像数据一个指定的深度距离;以及跳过具有第二Z缓存值1的像素。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中对所述第二Z缓存执行一个附加的平滑步骤。
根据本发明的另一方面提供如下一种方法,其中采用一个后裁剪面Z缓存来用于确定从所述3D图像数据出来的绘制射线出口点。
根据本发明的又一方面提供如下一种方法,其中所述一个或多个脉管是冠状动脉。
根据本发明的另一方面提供如下一种***,包括:一个处理器和可在所述处理器上运行的软件,以便执行前述的任务和方法。
这些步骤也可以在具有图形处理单元的***内被执行。
附图说明
图1是示出本发明方法步骤的流程图。
图2示出了表示冠状动脉的被提取的中心线树。
图3示出了表示中心线树的有孔眼的管状结构。
图4示出了所绘制的管状结构。
图5示出了管状结构的前裁剪面深度信息(Z-缓存)的表示。
图6示出了表示冠状动脉周围区域的德劳内(Delaunay)三角网。
图7示出了在一个图像中在其周围区域的被绘制的环境中的被投影的动脉(LCA和RCA)。
图8示出了通过应用本发明建立的三个图像。
图9示出了根据本发明的***图。
具体实施方式
下面,从已知医学成像设备获得的三维图像数据集被处理以便为用户提供与该图像数据集相对应的在视觉上有用的图像。具体地,血管及其周围环境信息可以被显示。所述图像数据集可以例如从全心脏磁共振血管造影术(MRA)来获得。应当理解,也可以采用通过其它手段获得的三维数据集。也即,本发明不局限于三维数据集、文件格式、体素或像素分辨率等的特定类型。三维数据集可以被认为是描述在空间内的多个特定位置,每个位置具有相应的强度值。
本发明方法可以用计算机程序的形式来实现,该程序可以在本领域内已知的任何合适的计算设备、如个人计算机上被执行。所述程序可以利用任何合适的编程语言来编码。特别是,可以采用图形编程语言、例如OpenGL或DirectX来实现本发明方法。在受益于以下公开内容之后,对于本领域技术人员而言,提供实现本发明显示算法的程序应该是常规的。
在接下来提供的实施例中给出了构成本发明一部分的方法的步骤。这些步骤也被示于图1的流程图中。
步骤1:参见图1的101,由半自动跟踪算法和/或人工用户说明所指定的脉管中心线从体积中被提取,并被输入到所述方法的第一步骤。这种被提取的树的例子被示于图2中。半自动跟踪算法是已知的。在Stefan Tuchschmid,“Coro Viz:Visualization of 3DWhole-Heart Coronary Artery MRA Data”,Master’s Thesis SwissFederal Institute of Technology,Zurich,Swithzerland,2004第36页第8.6部分中,提供了已知脉管跟踪方法的几个例子,该文献在此被引作参考。根据所述脉管中心线,沿着每个脉管中心线建立一组具有指定半径的管。建立一个具有指定半径的管状三角网以表示多分支的树。也即,所述中心线树的每个分支用一个由三角形构造的管状网结构来覆盖。管状网结构的例子被示于图3中。
步骤2:参见图1的102,通过使用用户指定的方位来绘制所产生的管状网,其中存储前裁剪面深度信息(Z-缓存)。被绘制的管状结构的例子被示于图4中。在所产生的Z缓存中的每个可视像素都指定了沿着观看方向从观看者到所述管状网的近可视部分的距离。没有树被可视化的区域内的像素(也称不可见像素)将具有指定的背景值1。所述Z缓存被存储用于以后的用途。表示树的Z缓存的图形被示于图5。
步骤3:参见图1的103,通过提取位于可见和不可见像素区域之间的边界处的所有Z缓存像素来产生一组二维点。根据可视化区域的也以平截头体而公知的范围框(或图像尺寸),在Z缓存的角落处添加四个附加点。根据该组两维点产生一个三角网,该三角网填充位于可视化区域边界和可见像素与不可见像素间的边界之间的区域。该网可以例如利用德劳内三角测量法产生。图6示出了位于范围框内的这种三角网的例子。
步骤4:参见图1的104,然后通过向每个点添加根据相应的Z缓存值所计算的其Z坐标以及特定观看方向的已知的模型视图变换,将所产生的两维网投影到三维空间。该三维三角形表面网根据当前的观看方向被绘制,并且存储前裁剪面Z缓存。
步骤5:参见图1的105,通过向管状网的不可见像素添加先前被存储的Z缓存、从前一步骤的管状网绘制得到的相应Z缓存值,建立所述前裁剪面的完整Z缓存表示。结果是原管状网结构及其周围区域的完整前裁剪面表示,其中从管状网到周围附近区域具有平滑的被内插的深度(Z值)变化。例如通过对所产生的Z缓存应用高斯模糊过滤,可以执行一个附加的平滑步骤。
步骤6:参见图1的106,该最后的步骤将执行体绘制,其中计算进入体积的射线进入点及其从所产生的Z缓存值所得到的方向和指定的观看方向。所述射线穿入到所述体积中到某个指定的深度。替代地,可以用类似方式产生后Z裁剪面,以便提供每个射线的出口点。该方法可以与不同类型的体绘制使用。例如:最大强度投影(MIP)、没有阴影的体绘制、或有阴影的体绘制。图7示出了在其周围区域环境中的、由前述步骤得出的多分支脉管。该视图可以被交互地旋转、缩放、摇摄、以及开窗。另外,可以改变表示脉管的管的半径以及被可视化的体积的厚度。脉管周围的显示可以被转换以便提供仅仅冠状动脉的局部评估。如果观看方向因为用户转动场景而改变,那么重复所述的处理并产生新的投影图像。这是以交互的速率来完成的,以便允许用户交互地操纵所述的观看方向以找到脉管的最佳视图。
这里作为本发明一个方面被提供的方法根据来自于8个病人的冠状动脉MR数据,其中对于没经验的用户的处理时间为小于每数据组5分钟。右冠状动脉(RCA)和左冠状动脉(LCA)及其周围的同时投影被成功地针对所有数据组进行了处理。具有图像801、802和803的图8示出了来自于三个不同病人的可视化例子。它们示出了根据三个不同病人的MRA数据组的左右冠状动脉的可视化。周围的解剖体为动脉的方位和位置提供了附加参考。另外,在被投影的图像上的每个点的确切3D位置是已知的,以允许对脉管长度的精确测量。
本发明已介绍一种方法,其可以是允许可视化MRA数据的工具,并无失真地在单个图像上提供多分支脉管及其周围的同时显示。
所述方法不仅仅局限于从给定观看方向跨越球体可见部分的脉管,而是提供了整个RCA和LCA树的同时显示,如在图7和图8的图像中所示。在图7中,RCA和LCA树被分别标为701和702;703被标为冠状动脉树的周围环境的一部分。
构成本发明一部分的所述显示方法可以通过图9所示的***来执行。该***被提供有表示要被显示的图像的数据901。执行本发明方法的指令集或程序902被提供,并在处理器903中与所述数据结合,该处理器可以处理被施加给数据901的指令902,并在显示器904上显示所产生的图像。指令902也可以包括用于提取脉管中心树的指令。所述处理器可以是专用的硬件、GPU、CPU或任何可以执行902的指令的其它计算设备。象鼠标或跟踪球的输入设备905或其它输入设备允许用户例如选择观看方向和启动显示处理。因此图9所示的***提供了一种交互式***,用于在单个图像中投影多分支脉管及其周围。
这里对术语“像素”的参考还应该被认为是对“体素”的参考。
以下的对比文献提供了通常与本发明有关的背景信息,并在此被引作参考:
[1]Weber,O.M.,Martin,A.J.和Higgins.“Whole-heartsteady-state free precession coronary artery magneticresonance angiography.”Magnetic Resonance inMedicine,2003;50:1223-1228;
[2]Etienne,A.,Botnar,R.M.,VanMuiswinkel,A.M.C.,Boesiger P.,Manning,W.J.,和Stuber,M.““Soap-Bubble”Visualization and Quantitative Analysis of3D Coronary Magnetic Resorance Angiograms.”,MagneticResonance in Medicine 48:658-666(2002);
[3]Tuchschmid S,Martin,A.J.,Boesiger,P,和Weber,O.M.“Coro Viz:Visualization of 3D Whole-Heart Coronary ArteryMRA Data.”Journal of Cardiovascular MagneticResonance.2005,7:220-221;以及
[4]Stefan Tuchschmid,“Coro Viz:Visualization of 3DWhole-Heart Coronary Artery MRA Data”,Master’s Thesis SwissFederal Institute of Technology,Zurich,Switzerland,2004.
虽然用优选实施例示出、描述和指出了本发明的基本新颖特征,但应当理解,在所示设备的形式和细节以及其操作方面,本领域技术人员可以作出各种删除、替代和变更,而不会脱离本发明的精神。因此本发明应仅仅局限于所附权利要求书的范围所指出的那样。