专利名称：用于利用导引点进行时间空间建模的系统和方法
技术领域：
本发明涉及电子成像，并且更具体地涉及利用空间和时间参数的医学成像。
背景技术：
医学成像领域最近已经历了许多进步。比如CT(计算机断层成像)扫描、MRI(医学共振成像)的设备只是这种进步的少数例子。在制造更新的设备已经是一个重要目标的同时，对有效地分析通过这种设备所捕获的数据的需要可被认为是同等重要的目标。
医学成像的典型应用是在心血管成像领域中，在该领域中在没有适当的医学成像技术的情况下，心血管问题的诊断和外科手术将变得极其危险。心脏的医学成像尤其聚焦于左心室(LV)。LV的机能对于心脏病专家来说具有首要的重要性，因为它是负责将血液泵至身体末端的腔室。
医学成像可以产生大量的图像，并因此使这种图像的分析成为具有挑战性的任务。例如，用于确定LV情况的典型MRI扫描可以导致包括上百图像的大量数据集。LV功能的时间特性被广泛地用于临床实践中，以便诊断、预测和评价心脏收缩和心脏舒张机能障碍。
为了分割LV，应找到它的边界。一旦边界被找到，医生就可以例如测量LV能够抽吸多少血液并确定LV的健康状况。存在用于检测边界的自动计算机视觉方法，但是它们易于出现误差。这种自动分割误差的校正是耗费时间的任务，并随着图像(并且因此误差)的数量的增加而变得不切实际。因此，需要一种时间相干分析方法，其中用户交互是实时、有效、直观并且最低限度的。
按照惯例，心脏图像的3D建模包括在心动周期内获取心脏图像，并且然后将3D模型拟合到图像中心脏的边界上。该过程包括绘制描绘边界的轮廓以及拟合心动周期内的每一单独的阶段。这是劳动极其密集型任务。用于绘制轮廓的半自动技术稍微加速了任务，但由于得到的分割需要确认和校正，这也是耗费时间的。因此，需要一种建模技术，其要求最低限度的人工建模输入并且相对地无误差。
发明内容
公开了用于建模的时间空间方法和系统。域是4D图像数据，即在离散时间点(阶段)上的3D图像体积。因此，我们的模型是4D(3D+时间)，并且可以作为在特定时间实例上的3D空间模型被采样。用户与所采样的3D模型交互作用，因为人难以直接在更高维中工作。通过特定阶段的图像上的用户所放置的导引点以及图像边缘信息来影响3D模型拟合。该3D模型的特性被传播，以在附近的阶段中在整体上影响4D模型。
因为心脏的运动是周期性的，所以球谐被用于描述4D模型。更具体地，利用谐波来表示描述形状的参数，以便该模型在心动周期开始时的3D实例与在结束时的3D实例相同。
通过将参数表示为时间的连续函数，模型是4D的。并且与导引点的拟合和在一个时间点(阶段)上的像力影响整个4D形状。为了效率的原因，在该影响被传播至其它阶段之前，用户完成3D模型与阶段的拟合。
在没有导引点的阶段中，存在基于4D模型的先验形状。如果用户选择在该阶段上设置导引点，则该先验形状也可被用于影响该拟合。
因此，消除将各个模型与每个阶段拟合的需要。相反，在少数几个阶段中设置导引点将产生与整个心动周期的拟合。典型的应用是心脏成像，其中在包括心动周期的阶段期间拟合心脏的4D模型。
参照附图描述本发明的优选实施例，其中图1是心脏的左心室的表示；图2示出时间-参数曲线；图3A是心脏的示范性模型；图3B是该心脏模型的另一视图；
图3C示出用于处理该模型的3D实例的示范性导引点；图3D是该模型中的轮廓的顶视图；图3E示出体积(Y轴)对时间/阶段(X轴)的曲线图；图3F示出用于示范性心脏的图像模型的三维视图；图4A示出在阶段t上设置导引点之前参数的曲线图；图4B示出在阶段t上模型的空间拟合；图4C示出4D模型的时间拟合；图5是示出本发明的实施例中时间空间处理的流程图；图6是在本发明的实施例中用于实施时间空间建模的系统的示范性方块图；图7是用于实施本发明的示范性计算机系统的方块图。
具体实施例方式
将参照附图描述本发明的优选实施例。
下面的描述采用身体的例子来说明本发明的至少一个实施例。所采用的例子是人心脏的例子。本领域的技术人员可以理解，心脏仅仅被用作说明，并且取代心脏的说明可以对任何其它身体部分、组织和器官进行建模。
图1是心脏的示范性左心室(LV)的表示。示出了示范性心脏器官的左心室10的示意性表示。左心室10的外壁12(心外膜)被示出为包围内壁14(心内膜)。在本发明的至少一个实施例中，以电子形式对左心室10的扫描电子图像进行建模。下面描述模型。
可以通过表示内壁和外壁的双三次样条面片的两个表面来描述该模型的3D实例。这些被线性地连接，以形成3D有限元。这些样条的控制点是模型参数。为了获得模型4D，控制点变成时间的函数。
具有五次谐波的傅里叶基函数被用于在心动周期内为模型提供有效分辨率。因为心动周期实质上是重复的，所以心动周期的最后阶段类似于下一心动周期的第一阶段。五次谐波可以为该模型提供足够的分辨率。
图2示出时间-参数曲线。描述上面的LV模型的参数值在心动周期内发生变化。曲线16-20示出了n个参数的变化。利用谐波来描述这些曲线。各种不同参数可被用于描述LV模型并且在给定的时间周期内在模型中发生变化。在我们的情况中，它们是样条控制点。
图3A是心脏的示范性模型。图3B是该心脏模型的另一视图。图3C示出用于处理该模型的示范性导引点。图3D是该模型的横截面的顶视图。图3E示出体积(Y轴)对时间/阶段(X轴)的曲线图。模型视图22是该模型的计算3D实例。该模型的底端行24对应于中间行26处的图像平面。横截面30表示心内膜(内壁)，并且横截面32表示心外膜(外壁)。模型视图38具有两个轴42和44。如果在轴42和44处剖开心脏，则图像平面将对应于中间行34。
典型地将在被连接至医学成像设备的显示设备上显示模型视图。该显示设备可以包括类似于指示器的设备，所述类似于指示器的设备允许用户调节轮廓以拟合模型。例如，图3B示出四个示范性的导引点。导引点40和42是用于使模型与心内膜拟合的导引点。类似地，导引点44和46被用于使模型与心外膜拟合。通过改变导引点40-46的位置，重新拟合32和30的轮廓。在图3D中的轮廓的顶视图中反映了该变化。
图3A-3D示出在不同阶段上该模型的不同视图。此外，这些视图表示不同的阶段(时间点)。例如，图3A是在第5阶段上该模型的视图，而图3C是在第8阶段上该模型的视图。
图3E示出体积(Y轴)对时间/阶段(X轴)的曲线图。如从该曲线图中可以看出，在第5阶段上心脏的体积大于在第8阶段上的体积，大约在心动周期的中点之前该体积下降。下面的说明描述上面的曲线图的应用。利用该曲线图，医生可以确定在给定的阶段上被泵入心脏和从心脏泵出的血液量，并因此确定LV的函数。
图3F示出用于示范性心脏的图像模型的三维视图。轮廓作为同心环被示出，并且图像平面以象征形式示出。在单个阶段上例示(instanitaed)4D模型，以形成3D模型。示出了心脏内表面。没有示出心外膜的表面；然而，显示出该表面与来自输入数据的图像平面的相交。此外，示出了那些图像表面中的两个。
在图像导出的边缘信息和用户所设置的导引点以及先验模型(如果存在)的影响下，使每一帧的LV几何形状的3D模型变形。在完成编辑每一导引点之后，利用具有五次谐波的傅里叶基函数在时间上拟合来自所有帧的模型参数。时间拟合结果被用作空间先验，用于随后的图像处理和在不具有导引点的阶段中的用户编辑。
用于时间空间建模的建模系统允许用户中断，因此在变化被传播至周围帧之前，用户可以对当前帧进行一些改变。经由体积和质量对时间的交互曲线为用户提供关于收敛过程的反馈。
由于随着变化被传播至所有阶段，在任一阶段中的任何运动会影响所有阶段，所以纯4D模型在计算上是昂贵的。然而，在时间空间模型中，在所选择的阶段上拟合3D模型，并且经由如上所述的球谐来传播用于描述3D模型的参数。
图4A示出在阶段t上设置导引点之前参数的曲线图。图4B示出在阶段t上该模型的空间拟合。图4C示出了该模型的时间拟合。在图4A-4C中以曲线图的形式示出了示范性参数。在图4A中，示出了在示范性导引点被设置并且参数受影响之前参数的曲线图。在图4B中，在阶段t上导引点实现“空间拟合”(也就是在该时间上的拟合)。如图4C中所示，通过利用球谐在时间上调节轮廓，以便基于先前所实现的空间拟合来影响在其它时间阶段上的位置4D模型。因此，通过在单个阶段上处理单个导引点的最低限度的人工输入来实现模型的时间空间拟合，同时自动调节在其它时间阶段上的4D模型。
图5是示出本发明的实施例中的时间空间处理的流程图。流程50示出实施基于时间空间导引点的建模过程的操作步骤。在步骤52中，用户在模型的特定阶段上定位至少一个导引点。在步骤54中，当通过用户调节导引点的位置而使在该阶段上的模型拟合导引点时，实现空间拟合(参见图4B)。在步骤56中，当所有其它阶段被调节以拟合该模型时实现时间拟合(参见图4C)。时间-体积曲线(参见图3E)在步骤58中被更新，并且该过程被重复，直至该拟合稳定为止，其中当添加更多的导引点不明显改变体积-时间曲线时达到拟合稳定。
图6是在本发明的实施例中用于实施时间空间建模的系统的示范性方块图。该系统60包括用户导引点输入模型，其允许用户交互地在合适的阶段上设置导引点。空间拟合模型64允许用户如上所述使该阶段与导引点空间拟合。其后，在时间拟合模块66中，通过为其它阶段内插该模型的位置来执行该阶段的时间拟合。控制器68提供必要的控制功能，以协调其它模块和用户交互设备70。此外，显示器和(未示出的)其它输出设备可被包括，以显示图像模型并执行导引点建模。输出设备可被进一步用于显示体积/质量对时间的曲线(参见图3E)。
参照图7，依据本发明的实施例，用于实施本发明的计算机系统101尤其可以包括中央处理单元(CPU)102、存储器103和输入/输出(I/O)接口104。计算机系统101通常通过I/O接口104被耦合至显示器105以及比如鼠标和键盘的各种输入设备106。支持电路可以包括比如高速缓冲存储器、电源、时钟电路和通信总线的电路。存储器103可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘驱动器、磁带驱动器等或其组合。本发明可以作为存储于存储器103中的并由CPU 102执行的例行程序来实施，以处理来自信号源108的信号。同样地，计算机系统101是通用计算机系统，当执行本发明的例行程序107时，该通用计算机系统变成本发明。
计算机平台101也包括操作系统和微指令代码。于此所述的各种处理和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分(或其组合)，其中通过操作系统来执行该应用程序。此外，各种其它外围设备、比如附加的数据存储设备和打印设备可被连接至计算机平台。
应进一步理解的是，因为可以以软件来实施附图中所述的组成系统的部件和方法步骤中的一些，所以系统部件(或处理步骤)之间的实际连接可以依赖于对本发明进行编程的方式而不同。给出于此所提供的本发明的教导，相关领域中的普通技术人员将能够设想本发明的这些和相似的实施方案或配置。
虽然已参照本发明的示范性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在那时可以在形式和细节方面进行各种改变。
虽然已参照本发明的示范性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在那时可以在形式和细节方面进行各种改变。
权利要求
1.一种用于对象的时间空间建模的系统，该系统包括导引点输入模块，用于在第一阶段上接收至少一个导引点位置作为输入，该第一阶段是对应于所述对象的4D图像模型的多个阶段中的一个；空间拟合模块，用于在对应于导引点的第一阶段上拟合4D模型的3D实例；以及时间拟合模块，用于使所述4D模型与所有阶段拟合。
2.权利要求1的系统，进一步包括用户输入设备，用于接收由用户输入的导引点位置。
3.权利要求2的系统，进一步包括控制器，用于接收来自所述用户输入设备的至少一个用户中断，以在所述时间拟合模块将第一阶段的空间拟合传播至所有阶段之前改变所述导引点位置。
4.权利要求3的系统，进一步包括输出设备，用于显示与时间相关的体积的曲线图。
5.权利要求4的系统，其中，随着所述图像模型的变化实时地更新所述曲线图。
6.权利要求4的系统，其中，将收敛过程的状态通知用户，其中在收敛状态下，当导引点的数量增加时，所述曲线图基本上保持相同。
7.通过机器可读的程序存储设备，有形地包含通过机器可执行的指令的程序，以执行用于对象的时间空间建模的方法步骤，该方法步骤包括接收导引点位置作为来自用户的输入；空间拟合模块，用于在对应于导引点的阶段上拟合4D模型的3D实例；以及时间拟合模块，用于使所述4D模型与所有阶段拟合。
8.权利要求7的方法，进一步包括通过用户输入设备接收由用户输入的导引点位置。
9.权利要求8的方法，进一步包括接收来自所述用户输入设备的至少一个用户中断，以在时间拟合步骤将第一阶段的空间拟合传播至所有阶段之前改变所述导引点位置。
10.权利要求8的方法，进一步包括在输出设备上显示与时间相关的体积的曲线图。
11.权利要求8的系统，其中，随着所述图像模型的空间和时间变化实时地更新曲线图。
12.权利要求11的方法，其中，将收敛过程的状态通知用户，其中当导引点的数量增加时，所述曲线图在收敛状态下基本上保持相同。
13.一种用于对象的四维时间空间建模的方法，该方法包括获取在多个时间阶段上的图像；形成所述对象的4D模型；接收至少一个导引点作为来自用户的输入，以使所述模型与从多个阶段中所选择的第一阶段拟合；在对应于所述导引点的第一阶段上拟合所述4D模型的3D实例；以及基于在一个阶段中对所述模型的改变，在所有阶段上拟合所述4D模型。
14.权利要求13的方法，其中所述图像是心脏图像。
15.权利要求14的方法，其中拟合所述4D模型的步骤包括利用球谐将在第一阶段上所拟合的图像模型内插至所有阶段中。
全文摘要
用于对象的时间空间(4D)建模的方法和系统包括在一个时间点上对4D模型进行采样以产生3D模型。然后基于用户所提供的导引点、像力(例如图像边缘)和先验形状模型拟合该3D模型。一旦完成3D模型拟合，就更新完整的4D形状模型。可以对心脏图像进行时间空间建模，以确定LV情况。
文档编号G06T17/40GK1849624SQ200480026011
公开日2006年10月18日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者B·科万, T·奥东尼尔, A·扬 申请人:西门子共同研究公司