专利名称：X射线计算机层析装置、图像处理装置以及图像处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用来生成与器官，比如心脏，的功能指数相关的极点图的X射线计算机层析装置(computed tomographicapparatus)、图像处理装置以及图像处理方法。
背景技术：
螺线式扫描的加速发展和利用二维检测器的体扫描的发展极大地改变了X射线计算机层析装置的概念，从单纯的剖面成像装置变为体成像装置。换言之，采用这些扫描方法的X射线计算机层析装置可以以短时间分辨率对对象进行快速体扫描。装备有这种功能的X射线计算机层析装置在很多原本没有使用X射线计算机层析装置并且正在努力寻找新的诊断方法的诊断领域中获得实际应用。
可能方向之一是适应对心动的评估诊断。与分段扫描方法一起，体扫描实际上可以以短周期对整个心脏进行顺次扫描。这就可以生成，比如，限制在舒张期结束(ED)或收缩期结束(ES)时的心脏的立体图像。另外，还可以得到心功能指数(cardiac functionalindices)，如从ED到ES，整个心脏的壁厚的变化。心脏在纵向上从心尖延伸到心底，并且采用极点图(polar map)使得可以一眼就观察到心脏纵向方向的心功能指数的分布情况。众所周知，极点图是通过在表示为(r，θ)极坐标轴上绘制(develop)数据的平面图的表示方法。在心脏的情况下，θ表示心肌轴的角度，而r表示在从心尖到心底的方向上到每一断层(slice)的距离。
极点图使得观察导致心功能劣化的部分变得容易，比如，藉助显示色的差异。当实际应用于诊断时，需要了解劣化部分和优势血管的关系。因此，如图20所示，极点图在显示时经常是与解剖上分割的确定的典型优势区段重合叠置。标记为“LAD”的区段表示左前降支(descending branch)的优势区(dominant region)，标记为“LCX”的区段表示左旋支(circumflex branch)的优势区，而标记为“RCA”的区段表示右冠状动脉的优势区。
通过如上所述的显示与典型的优势区段重合叠置的极点图，可以了解在左前降支、左旋支和右冠状动脉的哪一个之中引起冠状动脉中的病变，就是说，在动脉的哪一个优势区中引起病变；然而，冠状动脉中的病变的位置和地点不能确定。
发明内容
因此，本发明的目的是改善有关器官功能的极点图的诊断性能。
根据本发明的一个方面，提供一种图像处理装置，包括指数计算单元，用于由包含具体器官的对象的体数据计算具体器官的运动功能指数；极点图生成单元，用于通过在极坐标系统中绘制指数生成极点图；图像生成单元，用于从体数据生成有关在极坐标系统上绘制的具体器官和外围器官之一的结构的图像；融合系统，用于将图像融合到极点图；以及显示单元，用于显示与图像融合的极点图。
本发明的其他目的及优点，可在下面的描述中列出，并且部分地可从描述中了解到，或是通过本发明的实践了解到。本发明的目的和优点可通过下面具体指出的装置和组合而实现和获得。
包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的现在的具体实施方式
，并且与优选实施方式的上述一般描述及下述详细描述一起用来对本发明的原理予以说明。
图1为根据本发明的优选实施方式的计算机层析装置的概图；图2为示出实施方式中的心功能指数的极点图的生成步骤的流程图；图3为示出实施方式中在极坐标系统上绘制的心动脉结构的图像的生成步骤的流程图；图4为对图2的S3中的多平面重构处理的补充视图；图5为通过图2的S3中的多平面重构处理生成的小轴图像的示例的视图；图6为对图2的S5中的心功能指数的计算处理的补充视图；图7为对图2的S6中的心功能指数的作图处理的补充视图；图8为对图3的S9中的冠状动脉区抽取处理的补充视图；图9为对图3的S10中的冠状动脉区位置计算处理的补充视图；图10为对图3的S11中的动脉点的绘制处理的第一补充视图；图11为对图3的S11中的动脉点的绘制处理的第一补充视图；图12为对图3的S12中的动脉点的连接处理的补充视图；图13示出与在实施方式中的极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像融合的极点图的实际显示示例的灰度图像；图14为对图3的S17中的冠状动脉确定处理的补充视图；图15为对在图3的S18中的极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像的生成处理的补充视图；图16为对图3的S19中的冠状动脉位置的计算处理的补充视图；图17为示出实施方式中用来重分段的模板示例的视图；图18A至图18E为示出相应于实施方式中的指定点的弯曲的MPR图像的视图；图19A至图19C为示出对应于实施方式中的指定点的MPR图像的视图；图20为示出相关技术中重合叠置在极点图上的优势区域段的视图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的X射线计算机层析装置(X射线CT扫描仪)、图像处理装置以及图像处理方法予以说明。在本实施方式中将对X射线CT扫描仪予以说明。不过，下面描述的X射线CT扫描仪装备的是具有实现本实施方式的图像处理方法的功能的图像处理装置。
顺便说一下，X射线CT扫描仪包括各种类型，如旋转/旋转型，其中X射线管和辐射检测器一体地围绕对象旋转；固定/旋转型，其中多个检测单元排列成环形阵列，并且X射线管独自围绕对象旋转；并且本发明可应用于任何一种类型。还有，为重构一个断层的层析数据需要整个圆形的投影数据，即围绕对象旋转大约360°，而在半扫描方法中需要180°加上视角的投影数据。本发明可应用于任何一种重构方法。下面将通过示例对对半扫描方法予以说明。此外，作为入射X射线转换为电荷的方法流行的方法有间接转换法和直接转换法在前一个间接转换法中，藉助荧光物质，如闪烁器，将X射线转换为光，并且光藉助光电变换元件，如光电二极管，进一步转换为电荷；而在后一种直接转换法中，采用的是在半导体内部藉助X射线生成电子-空穴对和使这些电子和空穴向着电极运动，即光导现象。X射线检测元件可采用其中任何一种，并且因而下面将对前一种间接转换法予以说明。另外，近年来一种所谓的多管X射线CT扫描仪已经上市，这种仪器在旋转环上具有一对以上的X射线管和X射线检测器；并且外围技术也得到相应地开发。本发明既可应用于传统的单管X射线CT扫描仪，也可应用于多管X射线CT扫描仪。下面将对单管型予以说明。
在此实施方式中，关于一个具体器官的运动功能的指数可根据包含具体器官的对象的多断层(slice)数据或体数据计算得出。如此计算得出的功能指数绘制到极坐标系统中，于是就可以生成关于该器官功能的极点图(初始极点图)。另外，从同一体数据还可以在极坐标系统中绘制具体器官或外围器官的形态(morphology)，于是可生成关于形态的图像(数据集合)。然后将形态数据融合到极点图，并且从而可将与形态数据融合的极点图进行显示。
体数据的生成，一般而言，是藉助X射线计算机层析装置。然而，在本发明中，体数据不限于由X射线计算机层析装置生成的体数据，并且由X射线诊断装置、SPECT装置、PET装置、MRI装置或超声诊断装置生成的体数据同样可以处理。
本实施方式在这种情况下最有效，其中极点图是采用如下方式生成确定心脏，特别是确定左心室中的心肌作为具体器官，并且在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像与极点图融合。下面将对最有效的情况的示例予以说明，其中生成的是有关左心室中的心肌的极点图，并且在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像与极点图融合。不过，应当了解，具体器官不局限于心脏，也不局限于左心室的心肌，并且外围器官也不局限于冠状动脉。
图1为示出本实施方式的计算机成像装置的配置框图。台架部分100包含旋转环102，该旋转环102由台架驱动部分107转动。锥形束X射线管101和多断层或2D阵列X射线检测器103安装于此旋转环102之上，互相相对，其间具有一个空腔S，在照相时对象置于此空腔S之中。在高压变压器装置(assembly)109中顺次或周期地生成的高电压通过一个集电环(slip ring)108施加于X射线管4。这样就可以射出棱锥形的X射线。
为了图示检测多个断层的投影数据，X射线检测器103包括多通道检测元件得到，这些检测元件相对X射线管101的焦点(锥形束的顶点)形成一个圆弧形，并且这些检测元件沿着平行于或近似平行于旋转环102的旋转轴的方向并排排列，或者包括在平面上排列成为矩阵形状或以锥形束的顶点为中心的部分球形形状的多个X射线检测元件。
一个通常称为DAS(数据采集系统)的数据采集电路104与X射线检测器103的输出端相连接。数据采集电路104的包括每个通道都具有的一个用来将X射线检测器103的每个通道中的电流信号转换为电压的I-V变换器；一个积分器，用来与X射线曝光周期同步地周期地将形成的电压信号进行积分；一个放大器，用来放大来自积分器的输出信号；以及一个模数变换器，用来将前置放大器的输出信号变换为数字信号。预处理(pre-processing)装置106藉助可进行非接触式数据传输的非接触式数据传输装置105利用光或磁接收数据采集电路104的输出(数字信号，称为纯数据)并执行纯数据的预处理，包括各通道之间的灵敏度的不均匀性的校正，对信号强度严重劣化或由于良好的X射线吸收物质，主要是金属部分等造成的信号丢失的补偿等等。从预处理装置106输出的信号称为原始数据或投影数据。投影数据存储于辅助存储装置112中，并且在主控制器110的控制下由重构装置114读出。重构装置114，基于来自辅助存储装置112的投影数据集合，根据Feldkamp方法或任何其他的重构方法，重构与层析层或体有关的图像数据。得到的图像数据存储到辅助存储装置112或作为可视图像显示于显示装置116之上。
除了X射线CT扫描仪包括的基本部件辅助存储装置112、重构装置114、显示装置116以及包含键盘和点击设备等等的输入装置115之外，主控制器110包含多平面重构处理部分117、心肌/冠状动脉抽取处理部分118、心功能指数计算部分119、生成有关心功能的极点图的初始极点图生成部分120、生成绘制到极坐标系统上的冠状动脉结构图像的冠状动脉图像生成部分121、将绘制到极坐标系统上的冠状动脉结构的图像融合到有关心功能极点图的显示图像生成部分122、以及实现包含体绘制的各种3D处理的3D处理部分123；这些部分对于形成图像处理装置和实现图像处理方法都是需要的，两者在本实施方式中都是特征。下面根据处理步骤对这些部件予以详细说明。
图2示出心功能指数的极点图的生成步骤。开始时，在静脉注入造影剂之后，在至少包含DE和ES的心跳阶段对包含心脏的对象胸部区域反复进行扫描(体扫描)(S1)。于是采集到每个心跳阶段的投影数据。与ED相应的体数据和与ES相应的体数据根据如此采集的投影数据进行重构(S2)。
之后，如图4所示，多平面重构处理部分117沿着心肌轴以规律的间隔设定多个与左心室的心肌轴以直角相交的断层，这可以藉助输入装置115以手动方式或根据ED或ES中的体数据自动地进行，间隔数与通过输入装置115设定的给定的断层数相对应(与下面描述的同心圆数目相同，此处为40个断层)，并且根据ED中的体数据对每个断层生成层析数据(称为小轴图像)(S3)。同样地，多平面重构处理部分117根据ES中的体数据在与ED中的层析数据一样的位置对每个断层生成层析数据。
心肌/冠状动脉抽取处理部分118，如图5所示，通过对于CT数的阈值处理(灰度处理)等等从ED中的每个断层的层析数据中抽取(extract)左心室的一个心肌区域(S4)。与此类似，心肌/冠状动脉抽取处理部分118从ES中的每个断层的层析数据中抽取左心室的一个心肌区域。
在注入造影剂之后的一定时间对左心室的心肌的造影效果明显。因此，利用在此时间采集的体数据的阈值处理可以以很高的精确度抽取左心室中的心肌区域。在上述描述中，首先根据体数据生成每个断层的层析数据(S3)；然后根据每一层析数据抽取左心室中的心肌区域(S4)；不过，可以首先从体数据中抽取左心室中的心肌区域，然后每个断层图像可以由抽取的左心室中的心肌区域生成。此时，左心室中的心肌轴可以更容易确定。
心功能指数计算部分119根据ED和ES中间的同一断层中的心肌区域的变化计算各个心功能指数，这些心功能指数用来量化在围绕心肌轴的多个径向方向上心脏的收缩功能，该方向的数目与每个同心圆的区段(segment)数目相同，此处在图6中示出72个方向，这是通过输入装置115设定的(S5)。心功能指数包括，比如，通过从ED中左心室的心肌轴与和左心室的心肌的外壁之间的距离减去ES中左心室的心肌轴与和左心室的心肌的外壁之间的距离所得到的壁的运动；通过从ES中左心室的心肌的壁厚减去ED中左心室的心肌的壁厚并将该差值除以ED中左心室的心肌的壁厚(归一化)所得到的壁厚的变化；通过从ED中左心室的心肌的内径的平方减去ES中左心室的心肌的内径的平方并将该体积变化除以ES中左心室的心肌的心肌的内径的平方所得到的区域EF，等等。任意一类的指数是通过输入装置115进行选择的。
初始极点图生成部分120在极坐标系统上形成在心功能指数计算部分119中计算出的心功能指数，即通过在极点图模板(template)上绘制与在相应的断层数的同心圆之中的方向(区段数)相对应的区段中的心功能指数而生成有关心功能的极点图数据(S6)。根据上述的处理，就可以生成表示极坐标系统上的心功能指数的极点图数据。
下面将对通过在极坐标系统上绘制有关生成其极点图数据的对象的实际的或近似的冠状动脉的结构而获得的图像数据予以说明。图3示出其步骤。开始时，通过输入装置115设定具体的心跳阶段(S7)。在此实施例中，提供自动或手动(半自动)方法作为冠状动脉的位置计算方法。首先将描述自动方法。
开始时，向心肌/冠状动脉抽取处理部分118提供在S3中生成并与在S7中设定的心跳阶段相对应的40个断层的层析数据集合。如图8所示，心肌/冠状动脉抽取处理部分118通过定义一个范围，比如，在S4中抽取的心肌区域外的1cm，作为要研究的范围从每个断层的层析数据中抽取冠状动脉区域(S9)。
之后，如图9所示，冠状动脉图像生成部分121针对每个断层计算所抽取的冠状动脉区域的位置(此处为围绕心肌轴的角度)(S10)。其后，3D处理部分123，通过将这样计算出的最近的不连续点利用一根直线在从心尖到心底的方向和在相反方向上连接而生成如图15所示的一个冠状动脉的3D结构模型(S18)。图像生成部分121，如图16所示，设定与这样生成的冠状动脉的3D结构模型的小轴图像相同的断层数(40)及相同的间隔，并且计算每个断层中的冠状动脉的位置(围绕心肌轴的角度)(S19)。
之后，如图10所示，图像生成部分121，在与极点图相同式样的极点图模板上断层数目同心圆的外缘上的计算出的角度相对应的位置画出一点(称为动脉点)(S11)。图11示出一个全部断层的动脉点都已经画出的极点图模板。
图像生成部分121，如图12所示，利用直线将最近动脉点与从圆心(心尖)到外部(心底)之间的每个同心圆连接并进一步利用直线将最近动脉点与在相反方向上从外部(心底)到圆心(心尖)之间的每个同心圆连接，从而生成在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像(S12)。通过如上所述的在两个方向上将动脉点都连接起来，就可以了解冠状动脉的分支。连接处理最好是自动执行或利用冠状动脉的解剖知识手动执行。
图像融合部分122将在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构融合到在S6中生成的心功能指数的极点图中(S13)。之后将与在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构融合的心功能指数的极点图进行显示，如图13所示(S14)。
下面再参照附图3对手动方法予以说明。开始时，在S15中，3D处理部分123根据ED或ES中的体数据或由在S3中生成的40个断层的层析数据(小轴图像数据)通过体绘制处理和MIP处理(最大强度投影处理)生成图14所示的心脏的3D图像。之后将此心脏3D图像显示于显示装置116的屏幕之上，如图14所示(S16)。操作员利用输入装置115的点击设备在显示于3D图像上的冠状动脉中不连续地指定多个点，如图14的点线所示。在3D处理部分123中计算不连续点的位置(S17)。之后，3D处理部分123将这样计算出的最近不连续点在从心尖到心底的方向上连接并在相反方向上连接，从而生成3D冠状动脉结构模型，如图15所示(S18)。
图像生成部分121，如图16所示，设定与这样生成的冠状动脉的3D结构模型的小轴图像相同的断层数(40)及相同的间隔，并且计算每个断层中的冠状动脉的位置(围绕心肌轴的角度)(S19)。以后的S11至S14与上述相同。
如上所述，通过将心功能指数的极点图与在极坐标系统上绘制的有关实际对象的冠状动脉的结构的图像重合叠置进行显示，观察者可以区别出受到病变的冠状动脉的优势区；此外，观察者可以确定或估计冠状动脉中病变的具体位置。
应当指出，极点图生成部分120具有根据40个同心圆(每个72的区段)(称为基本区段)生成的极点图重新分布到解剖上有意义的分段的功能，如图17所示。示于图17中的每个区段包含多个基本区段，并将包含在每个区段中的多个基本区段的心功能指数值的平均值、极大值、极小值和极大频率值计算出并赋予每个区段作为特征值。这使得可以重新生成在临床诊断上具有各种意义的极点图。由于极坐标表示相同，自然在极坐标系统上绘制的冠状动脉结构的图像可以与重新生成的极点图融合。
另外，如图18A所示，3D处理部分123具备可在绘制于极坐标系统上或在极点图上的冠状动脉结构的图像上生成与在藉助输入装置115指定的冠状动脉的图像上的任意点相对应的弯曲的MPR图像(见图18B、18D和18E)的功能。图18D的弯曲的MPR图像是与心肌轴成直角相交的一定长度的线段沿着包含指定点的冠状动脉移动时界定的曲面有关的形态层析图像，并且根据有关任意心跳阶段的体数据被重构。图18E的弯曲的MPR图像是与在与心肌轴平行的一定长度的线段沿着包含指定点的冠状动脉移动时界定的曲面有关的形态层析图像，并且根据有关任意心跳阶段的体数据被重构。这一弯曲的MPR图像使得可以对沿着包含心肌的心脏的动脉的小轴图像进行图像观察。比如，通过指定怀疑有病变的点，可以在纵向上观察外围心肌等等的组织结构，而这又可以确定引起病变的点。
3D处理部分123也具备生成与通过在藉助输入装置115在极点图上指定的冠状动脉的图像上的任意点并与动脉轴以直角相交的平面相对应的如图18C所示的弯曲的MPR图像的功能。另外，3D处理部分123还具备生成如图19A所示的以直角与心肌轴相交的小轴图像的功能。此外，此3D处理部分123还具备生成如图19B和图19C所示的与心肌轴平行的平面的图像的功能。
本发明的其他优点和修改对本领域技术人员是显而易见的。因此，在更广方面的本发明不限于上述的具体细节和代表性的具体实施例。所以，在不脱离后附的权利要求及其等同内容的精神和范围的条件下可以进行各种修改。
权利要求
1.一种图像处理装置，包括指数计算单元，被配置用于根据包含具体器官的对象的体数据计算所述具体器官的运动功能指数；极点图生成单元，被配置用于通过在极坐标系统中绘制所述指数来生成极点图；图像生成单元，被配置用于根据所述体数据生成有关在极坐标系统上绘制的所述具体器官和外围器官之一的结构的图像；融合系统，被配置用于将所述图像融合到所述极点图；以及显示单元，被配置用于显示与所述图像融合的极点图。
2.如权利要求1所述的图像处理装置，其中所述的具体器官是心脏，所述运动功能是心肌收缩率，而所述的外围器官是冠状动脉。
3.如权利要求2所述的图像处理装置，其中所述极坐标系统是由关于心脏的心肌轴的角度和从心脏的心尖到心底的距离表示的。
4.如权利要求2所述的图像处理装置，其中所述冠状动脉是通过在距心肌的外壁一定距离内的范围进行研究的。
5.如权利要求1所述的图像处理装置，还包括一个图像生成单元，用来根据所述体数据生成一个有关通过在所述被显示图像上的任意点的平面的图像。
6.如权利要求2所述的图像处理装置，还包括一个图像生成单元，用来根据所述体数据生成一个有关通过在所述冠状动脉的图像上的任意点的平面的图像。
7.如权利要求6所述的图像处理装置，其中所述平面平行于心脏的所述心肌轴。
8.如权利要求6所述的图像处理装置，其中所述平面垂直于心脏的所述心肌轴。
9.如权利要求6所述的图像处理装置，其中所述平面沿着所述冠状动脉弯曲。
10.一种图像处理方法，包括根据包含具体器官的对象的体数据计算所述具体器官的运动功能指数；通过在极坐标系统中绘制所述指数生成极点图；根据所述体数据生成有关在极坐标系统上绘制的所述具体器官和外围器官之一的结构的图像；将图像融合到所述极点图；以及显示与所述图像融合的极点图。
11.如权利要求10所述的图像处理方法，其中所述的具体器官是心脏，所述运动功能是心肌收缩率，而所述的外围器官是冠状动脉。
12.如权利要求11所述的图像处理方法，其中所述极坐标系统是由关于心脏的心肌轴的角度和从心脏的心尖到心底的距离表示的。
13.如权利要求11所述的图像处理方法，其中所述冠状动脉是通过在距心肌的外壁一定距离内的范围进行研究的。
14.如权利要求10所述的图像处理方法，还包括根据所述体数据生成一个有关通过在所述被显示图像上的任意点的平面的图像。
15.如权利要求11所述的图像处理方法，还包括根据所述体数据生成一个有关通过在所述冠状动脉的图像上的任意点的平面的图像。
16.如权利要求15所述的图像处理方法，其中所述平面平行于心脏的所述心肌轴。
17.如权利要求15所述的图像处理方法，其中所述平面垂直于心脏的所述心肌轴。
18.如权利要求15所述的图像处理方法，其中所述平面沿着所述冠状动脉的弯曲。
19.一种X射线计算机层析装置，包括数据采集单元，被配置用于采集对象的投影数据；重构单元，被配置用于根据所述投影数据重构多断层数据和体数据之一；指数计算单元，被配置用于根据所述多断层数据和所述体数据之一计算具体器官的运动功能指数；极点图生成单元，被配置用于通过在极坐标系统中绘制所述指数生成极点图；以及显示单元，被配置用于显示所述极点图。
20.如权利要求19所述的X射线计算机层析装置，其中所述重构单元重构X射线CT图像。
全文摘要
一种图像处理装置，包括指数计算单元，用于由包含具体器官的对象的体数据计算具体器官的运动功能指数；极点图生成单元，用于通过在极坐标系统中绘制指数生成极点图；图像生成单元，用于从体数据生成有关在极坐标系统上绘制的具体器官和外围器官之一的结构的图像；融合系统，用于将图像融合到极点图；以及显示单元，用于显示与图像融合的极点图。
文档编号G06T1/00GK1541617SQ200310102708
公开日2004年11月3日 申请日期2003年10月22日 优先权日2002年10月22日
发明者藤泽恭子 申请人:株式会社东芝, 东芝医疗系统株式会社